WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Широко распространенная в океанологии аппроксимация спектра ветрового волнения Пирсона – Московитца, которая создавалась и хорошо работает для гравитационного диапазона частот волн на океанских просторах, не работает в условиях бассейна ограниченных размеров.

В параграфе 3.2 описывается аппроксимация дисперсионного отношения, которое используется для перехода к спектру возвышений по волновым числам, рассчитанного по данным синхронных измерений многострунным контактным волнографом:

(2)

где Sx(f) – спектральная плотность наклонов в направлении оси X, Sy(f) – спектральная плотность наклонов в направлении оси Y.

Дисперсионное отношение для гравитационно-капиллярного диапазона частот ветровых волн f*(k) совпадает с оценкой (2) только на участке частот энергонесущего максимума. Весь диапазон частот аппроксимируется формулой, учитывающей эффект Доплера для мелких волн распространяющихся на поверхности более длинных и зависящей от разности волновых чисел.

, (3)

где - средний квадрат отклонения возвышений, =0.9- эмпирический параметр.

Четвертая глава посвящена измерениям частотно контрастной характеристики (ЧКХ) взволнованной поверхности. ЧКХ, рассчитанная по накопленному изображения точечного источника, полученному в бассейне ЛМУ, совпадает формулой Мулламаа, полученной как преобразование Фурье от нормального распределения уклонов:

(4)

В эксперименте отсчеты снимаются по сечениям, проходящим через центр изображения, который определяется по изображению точечного объекта на спокойной воде. Для сечений, проведенных через 25°, рассчитывался пространственный спектр для нормированных пространственных частот = zk. Максимальная дисперсия уклонов имеет значение среднеквадратического уклона max=7.8, и соответствует направлению действия ветра на ЛМУ, минимальная =4.9.

В параграфе 4.2 экспериментально проверяется теоретическая предпосылка, что ЧКХ системы «мутная среда - взволнованная поверхность - система наблюдения» при большом времени наблюдения может быть представлена в виде произведения частотно-контрастных характеристик составляющих систему элементов. Поскольку ЧКХ собственно системы наблюдения близка к 1, то должно соблюдаться равенство:

ЧКХсист= ЧКХc · ЧКХ n, (5)

где ЧКХсист, ЧКХc,ЧКХ n - ЧКХ системы, мутной среды и взволнованной поверхности соответственно. Соблюдение соотношения (8) является одним из критериев качества моделирования.

Были получены изображения синусоидальной миры при наблюдении через четыре варианта искажающей среды: 1 – водопроводная вода без волнения; 2 – водопроводная вода с волнением; 3 – водопроводная вода с добавлением рассеивающей среды (молока) без волнения; 4 – то же с волнением. ЧКХ определялось как отношение контрастов на выходе и входе системы, выражаемых как K=(B1-B2)/(B1+B2), где B1 и B2 - максимальная и минимальная яркость в изображении. В результате обработки данных получены следующие значения ЧКХ на пространственной частоте 25 м-1 для четырех перечисленных выше сред: K1 = 0.704; K2 = 0.161; K3 = 0.556; K4 = 0.125. Таким образом, для нашего эксперимента ЧКХ волнения ЧКХп =K2/ K1 = 0.229; ЧКХ мутной среды ЧКХс = K 3/ K1 = 0,790; ЧКХ системы (волнение + мутная среда) ЧКХcист = K4 /K1 = 0.178. Таким образом, Kп · Kс = 0.229 · 0.790 = 0.181, т.е. соотношение (12) выполняется с точностью 2 %, что, конечно, лежит в пределах точности измерений.

Этот результат свидетельствует о надёжности моделирования

В главе 5 описывается метод коррекции изображений, состоящий в использовании информации о пространственном распределении уклонов поверхности. При наличии волнения свет из точки объекта r1 (рис.1) поступает в точку приема по лучу 1 и попадает на тот элемент фотодетектора (r1`), на который в отсутствии волнения проецируется точка объекта r0 (рис. 1). Искажения возникают из-за того, что система воспринимает точку r1 как точку r0. Для устранения этих искажений элемент изображения, образованный лучом 1, нужно переместить на то место (r2`), куда проецируется точка r1 в случае плоской границы раздела вода/воздух (на элемент изображения, образуемый лучом 2). При известной геометрии эксперимента по координатам каждого из бликов находится величина уклона точки поверхности, от которой в объектив попал отраженный свет. Пользуясь законом преломления, находим элемент объекта r1, луч 1 от которого попадает в точку изображения r1 = f, где f - фокусное расстояние объектива, - горизонтальная составляющая единичного вектора j направления луча 1 после преломления на данном уклоне. Для плоскости, в которой происходит преломление, получаем:

. (6)

Из уравнения (6) находим значение r1 Далее, элемент изображения из точки r1` перемещается в точку r2` =f, где

, (7)

в которую попал бы элемент r1 после преломления на плоской поверхности (луч 2). Если иметь распределение уклонов по всей поверхности, можно полностью восстановить изображение, корректируя его поточечно. Рисунок 1 относится к случаю, когда плоскость, содержащая нормаль к уклону, и попадающий в приемник луч от объекта совпадает с вертикальной плоскостью. В общем случае положение этой плоскости в пространстве зависит от вектора уклона волны.

Метод, использованный в нашем эксперименте, заключается в том, что уклон в ограниченном количестве точек определяется с помощью дополнительного источника пучка параллельного света, освещающего участок поверхности, через который передается изображение объекта. Обработка бликовой картины при известном направлении падения луча дополнительного источника позволяет (пользуясь только условием равенства углов падения и отражения) получить значения вектора уклона в области блика. Для каждого мгновенного изображения информация об уклонах использовалась для коррекции некоторых фрагментов изображения, а коррекция всего изображения осуществлялась в результате суммирования (накопления) серии частично скорректированных мгновенных изображений. Дальнейший эксперимент показал, что на каждой фотографии отношение количества точек, отраженных от поверхности, к количеству точек объекта равно приблизительно 0.3%. Для восстановления изображения соответственно требуется несколько сот снимков.

Источники, освещающий объект, и дополнительный источник параллельного пучка света, освещающий поверхность, разнесены по спектру. Это позволяет различить на снимке их лучи. В эксперименте использовались две схемы освещения. В первой красный свет дополнительного источника параллельного пучка, выделяемый светофильтром КС-18, освещал поверхность, а сине-зеленый применялся для диффузного освещения объекта (светофильтр СЗС-23). Во второй схеме в качестве источника диффузного света использовалась галогенная лампа, имеющая максимум яркости в красной части видимого света. Поэтому для освещения поверхности применялся синий светофильтр СС-15.

В главе 6 изложены результаты экспериментов по коррекции искажений изображения подводного объекта. В параграфе 6.1 метод восстановления изображения проверяется на основе численной модели переноса изображения через взволнованную поверхность.

В параграфе 6.2 приводятся результаты трех серий экспериментов по коррекции изображения черно-белой миры (растра). Каждая серия отличается параметрами съемки, схемой освещения и длительностью ряда наблюдения. Третья серия состоит из 657 фотографий. В качестве объекта используется растр – черно-белая мира с линейным изменением периода вдоль одной из осей от 4 до 40 мм. Вторая схема освещения была выбрана для проверки возможного улучшения качества изображения за счет уменьшения выдержки до 1/1250с, для чего в качестве диффузного осветителя использовалась галогенная лампа мощностью 500 Вт. Изображение растра наглядно демонстрирует разницу между скорректированным изображением (рис.2г) и накопленным без коррекции (рис.1в), на котором различимы только крупные фрагменты.

На рисунке 2г четко прослеживаются мелкие детали, такие которые не удастся увидеть на накопленном изображении. Этот вывод подтверждается видом ЧКХ (рис.2д - пунктирная линия). При относительной пространственной частоте более 14 контраст деталей и качество корректированного изображения значительно выше, чем в накопленном изображении без коррекции

В Заключении сформулированы основные результаты полученные в работе.

Основные результаты работы

1. Усовершенствована лабораторно-модельная установка (ЛМУ) для изучения переноса излучения и изображения через взволнованную водную поверхность.

2. Разработана конструкция многострунного контактного волнографа и алгоритмы и программы для синхронной регистрации и обработки данных. Проведены несколько серий наблюдений возвышений взволнованной поверхности контактным волнографом и проведены расчеты их вероятностных характеристик.

3. Разработана методика регистрации уклонов ветровых волн оптическим методом. Проведены измерения уклонов поверхности в точке и вычислены оценки функции распределения уклонов волн и ее моменты.

4. Выполнена аппроксимация дисперсионного соотношения, рассчитанного по данным контактных измерений. Создана имитационная модель движущейся волны.

5. Экспериментально исследованы ЧКХ взволнованной поверхности, воды и системы (вода + поверхность). Результаты экспериментов подтвердили теоретические соотношения между этими характеристиками и могут рассматриваться как один из критериев надежности моделирования.

  1. Разработан метод восстановления искажений изображения основанный на синхронном получении с помощью цифровой камеры, совмещенных: бликовой картины поверхности и мгновенного искаженного изображения. Обработка бликовой картины позволяет определить уклоны поверхности в ограниченном числе точек, а по этим уклонам восстановить фрагменты изображения. Полное скорректированное изображение формируется накоплением частично скорректированных фрагментов.
  2. На имитационной модели волнового процесса в бассейне исследованы методы восстановления изображения для случаев, когда известно распределение уклонов по всей поверхности и когда уклоны известны в бликовых точках и коррекция выполняется за счет накопления фрагментов изображения.
  3. Проведены серии наблюдений искажений изображения разных тестовых объектов, различной длительности, с различными параметрами регистрации и для различных условий освещения. Выполнена коррекция наблюденных изображений по предложенному методу. Для каждой серии рассчитаны ЧКХ восстановленных изображений и проведено сравнение с ЧКХ поверхностного волнения, рассчитанному по накопленному изображению. Качество восстановленного изображения значительно превышает качество искаженного изображения и близко к изображению объекта, полученному через гладкую поверхность воды.

Список опубликованных работ по теме диссертации

Труды конференций

  1. Osadchy V., Levin I., Savchenko V., Frantsuzov O. (2000). Laborotory-modelling installation for study of light and image transfer through wavy water surface, Proceedings of 5 Workshop on Physical Processes in Natural Waters, (pp. 68-71). Irkutsk: RAS.
  2. Левин И.М., Осадчий В.Ю., Савченко В.В., Французов О.Н. (2000). Лабораторная установка для изучения переноса излучения и изображения через взволнованную водную поверхность, Международная конф. «Прикладная оптика 2000». 1, pp. 195-196.
  3. Savtchenko V., Frantsuzov O., Sergel O. (2001). Dispersion relation for short gravity and capillary waves. Proceedings of the International Conference "Current Problems in Optics of Natural Waters" (ONW'2001), I. Levin and G. Gilbert, Editors, Proceedings of D.S. Rozhdestvensky Optical Society, St. Petersburg, Russia, pp.201-204.
  4. Osadchy V., Levin I., Savtchenko V., Frantsuzov O. (2001),. Contrast and image transfer through wave-roughened water surface: a laboratory study. Proceedings of the International Conference "Current Problems in Optics of Natural Waters" (ONW'2001), Iosif Levin and Gary Gilbert, Editors, Proceedings of D.S. Rozhdestvensky Optical Society, St. Petersburg, Russia, pp. 188-193.
  5. Осадчий В.Ю., Левин И.М., Савченко В.В., Французов О.Н. (2002). Лабораторное исследование переноса излучения и изображения поверхностью воды, покрытой высокочастотным ветровым волнением, Труды международного симпозиума стран СНГ “Атмосферная радиация” (МСАР-02). (стр. 140-141). СПб.
  6. Левин И.М., Осадчий В.Ю., Радомысльская Т.М., Савченко В.В., Французов О.Н. (2002). Теоретическое и экспериментальное исследование проблемы дистанционного зондирования и видения дна, взволнованной поверхности и поверхностных загрязнений. Материалы Юбилейной Всероссийской научной конференции «Фундаментальные исследования взаимодействия суши, океана и атмосферы». (стр. 33-34). Москва: МГУ
  7. Levin I., Frantsuzov O., Osadchy V., Radomyslskaia T., Savtchenko V. (2003). The instrument for in situ measurement of attenuation coefficient in coastal waters. Proceedings of the II International Conference "Current Problems in Optics of Natural Waters" (ONW'2003), Iosif Levin and Gary Gilbert, Editors, Proceedings of D.S. Rozhdestvensky Optical Society,St. Petersburg, Russia, pp. 284-288
  8. Левин И.М, Французов О.Н., Осадчий В.Ю.Р., Радомысльская Т.М., Савченко В.В., Зеленский В.В., Колобков В.С. (2004). Погружаемый прибор для измерения показателя ослабления в прибрежных водах. Сборник трудов VI международной конференции «Прикладная оптика». Санкт-Петербург, стр. 462-463.
  9. Savtchenko V., Osadchy V, Frantsuzov O. (2005). Retrieval of the image distorted by the rough sea surface. Proceedings of the International Conference "Current Problems in Optics of Natural Waters" (ONW'2005), Iosif Levin and Gary Gilbert, Editors, Proceedings of D.S. Rozhdestvensky Optical Society, St. Petersburg, Russia, pp.369-371.
  10. Осадчий В.Ю., Левин И.М., Савченко В.В. (2006).Экспериментальные лабораторные исследования флуктуаций светового поля, трансформированного взволнованной водной поверхностью. Международный симпозиум стран СНГ "Атмосферная радиация" (МСАР-2006), С-Пб, с. 126-127.
  11. Осадчий В.Ю., Левин И.М., Французов О.Н., Савченко В.В. (2006). Лабораторная установка для исследования переноса изображения через взволнованную водную поверхность, Труды 7-ой международной конференции «Прикладная Оптика – 2006».том 3, СПб. стр. 304-308
  12. Савченко В.В. (2008). Оценка передаточной функции взволнованной поверхности по данным эксперимента на лабораторно-модельной установке. Труды VIII Международ. конференции «Прикладная оптика-2008», Санкт-Петербург, т.1, стр. 102-106.
  13. Osadchy V. Ju., Savchenko V.
    Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»