Содержание к диссертации
1. Лабораторно - модельная установка (ЛМУ) для изучения переноса излучения и изображения через взволнованную водную поверхность1.1. Общее описание экспериментального комплекса ЛМУ
1.2. Источники и приемники излучения; тест объекты
1.3. Средства измерения параметров волнения
1.4. Средства измерения оптических характеристик воды
2. Характеристики волнения, генерируемого в бассейне ЛМУ
2.1. Генерация волн воздушным потоком
2.2. Вероятностные характеристики возвышений взволнованной поверхности
2.3. Вероятностные характеристики уклонов волн
3. Численная имитационная модель волнового процесса в бассейне ЛМУ
3.1. Имитационная модель движущейся волны
3.2. Дисперсио1Шое соотношение для гравитационно-капилярного диапазона волн с учетом эффекта Доплера
4. Перенос изображения через взволнованную водную поверхность
4.1. Передаточная функция взволнованной поверхности
4.2. Оценка ЧКХ по накопленному изображению точечного источника
4.3. ЧКХ системы вода - поверхность как критерий надежности моделирования
5. Методы коррекции искажений изображения объекта, вызванных поверхностным волнением
5.1. Теоретические предпосылки методов коррекции искаженного изображения
5.2. Метод восстановления изображения с использованием дополнительного источника параллельного светового пучка
5.3. Оптические характеристики регистрируемого сигнала
6. Результаты экспериментов по коррекции искажений изображения подводного объекта
6.1. Апробация имитационой модели переноса изображения через взволнованную поверхность для восстановления изображения при известном наклоне поверхности
6.2. Экспериментальное восстановление изображения
Введение к работе
Происходящий в наше время процесс освоения Мирового океана определил в последние годы бурное развитие средств наблюдения за подводными объектами. Область применения таких средств чрезвычайно широка. Это, прежде всего, изучение Мирового океана как источника естественных материальных ресурсов, необходимых для жизни человека.
Поиск и разработка месторождений нефти, газа, железных руд, брома, магния, поваренной соли и других полезных ископаемых, богатейшие запасы которых накопленных в море; обнаружение загрязнений толщи моря; рыбный промысел, изучение и добыча биологической продукции моря, в частности, морских водорослей, кораллов, жемчужных раковин. Системы наблюдения используются такясе при строительстве подводных сооружений; для поиска затонувших кораблей, мин, торпед и подводных лодок, при аварийно спасательных работах, и целом ряде других работ и научных исследований Мирового океана. Из сказанного ясно, что значение работ с применением систем наблюдения за подводными объектами очень велико.
Поэтому в последнее время большое внимание уделяется исследованиям, направленным на оптимизацию таких систем и улучшению их характеристик: увеличению их дальности действия, качества изображения, производительности, расширению области применения.
Научная проблема подводного видения является частью оптики океана и занимает в ней особое место. Человек всегда стремился видеть в воде как можно дальше, и оптика океана как наука начиналась с изучения видимости погруженных в воду объектов. Проблемой подводной видимости занимались все корифеи первой половины 20 века: Гершун и Шулейкин в СССР, Дантли, Прайзендорфер, Александр Иванов и Ерлов на западе [1-6].
Поскольку подводные, корабельные, авиационные и космические системы видения подводных объектов широко используются для изучения и освоения Мирового океана, считается, что по сравнению с другими частями оптики океана проблема видения имеет наиболее выраженную практическую направленность.
Система наблюдения за подводными объектами всегда состоит из источника подсветки, искусственного или естественного, и приемника, включающего объектив и фотодетектор. Фотодетектором может быть ФЭУ, передающая телевизионная трубка, ЭОП, матрица или фотопленка. Системы подразделяются на многоэлементные, в которых источник света, искусственный или естественный, одновременно освещает все поле зрения, а приемником служит пленка, ЭОП или ТВ-трубка, и сканирующие в которых источником служит узкоугольный излучатель (например, лазер), сканирующий поле зрения, а приемником служит фотодиод или фотоумножитель.
Конечная задача проблемы видения чисто практическая — увеличить дальность видимости в воде. Это важно, так как увеличение дальности видимости и соответственно просматриваемой в единицу времени площади увеличивает производительность поиска, то есть приводит к экономии топлива и других ресурсов. При авианаблюдении увеличение дальности видимости позволит увидеть ранее недоступные, более глубоководные участки шельфа. Но для решения этой практической задачи необходимо создание адекватной теории подводного видения, связывающей параметры системы, объекта, воды, атмосферы и поверхности. Исторически продвижение теории видения выглядело так. До конца бОх годов существовала и входила во все монографии по гидрооптике так называемая классическая теория видимости Дантли - Прайзендорфера [3-4] , пригодная только для расчета видимости малого объекта при естественном освещении.
В 70-80-х годах, после создания сине-зеленых лазеров, была создана современная универсальная теория подводного видения, пригодная для любых систем и объектов. Впервые она была опубликована в 1969 году [8-9] (первая публикация на западе появилась на 8 лет позже [10]). Затем эта теория развивалась и была представлена в серии статей (напр., [П - 17]), отдельными главами в монографии «Оптика океана» [18, 19], в книге [20], в подробных обзорах [21, 22] и, в наиболее полном виде, в единственной в мировой литературе монографии, посвященной теории подводного видения Теория видения подводных объектов, опубликованная в цитированной литературе, относится в основном к системам наблюдения, ^ находящимся под водой или к системам, находящимся в атмосфере, но в условиях отсутствия поверхностного волнения.
Реальные средства наблюдения подводных объектов могут устанавливаться на подводных носителях, на кораблях, самолетах или спутниках. В трех последних случаях наблюдение ведется через поверхность моря, почти всегда взволнованную. Во всех случаях основной причиной ограничения дальности видимости подводного объекта является поглощение и рассеяние излучения в воде. Поглощение сказывается в основном в ослаблении полезного сигнала и соответствующем ухудшении отношения сигнал/шум в изображении, рассеяние создает мешающую помеху обратного рассеяния
(дымку), ухудшающую контраст изображения. При наблюдении из атмосферы или космоса добавляется помеха обратного рассеяния в атмосфере, дополнительно уменьшающая контраст. Кроме того, при наблюдении подводного объекта с корабля, самолета и спутника важной причиной ухудшения качества изображения и дальности видимости является поверхностное волнение. Взволнованная поверхность моря является источником дополнительных шумов, возникающих из-за флуктуации поступающего на приемник излучения от наблюдаемого подводного объекта, толщи воды и самой поверхности. Но основная причина ухудшения качества изображения объекта, наблюдаемого через взволнованную поверхность моря, это искажения изображения, возникающие из-за преломления отраженного от объекта света на участках поверхностных волн, имеющих случайный наклон. Когда время, за которое формируется изображение (время накопления сигнала), невелико (гораздо меньше периода поверхностного
волнения), а именно так обстоит дело в реальных средствах наблюдения, установленных на авиа-носителях, структура таких мгновенных изображений может сильно отличаться от структуры наблюдаемого объекта. Изображение дробится, в нем появляются разрывы, а при увеличении глубины погружения объекта информация о его структуре полностью утрачивается.
Для решения задачи оптимального построения систем наблюдения подводных объектов, улучшения качества изображения и увеличения производительности поиска, в том числе за счет коррекции изображений, искаженных волнением, необходимы теоретические и экспериментальные исследования проблемы видения подводных объектов, как с помощью подводных систем наблюдения, так и систем, работающих через взволнованную поверхность. Как говорилось выше, за последние десятилетия подробно исследована проблема подводного видения для случая, когда и объект и система наблюдения находятся под водой. Значительно меньше изучена проблема видения через взволнованную поверхность моря.
Впервые эта теория применительно к системам видения, работающим при большом времени накопления, была сформулирована Мулламаа [24], затем ряд аспектов теории был рассмотрен в серии работ, в основном Лучинина и Вебера [25-38]. Наиболее полное и последовательное изложение теории видения морского дна через взволнованную поверхность при естественном освещении, устанавливающей зависимости характеристик изображения от параметров системы видения, состояния поверхности и первичных гидрооптических характеристик (ГЕГХ), и предоставляющей рекомендации по оптимальной траектории полета авианосителя по отношению к положению Солнца и направлению ветра, а также экспериментов по переносу изображения через взволнованную водную поверхность содержится в публикациях последних лет [39-52] и монографии [53], отражающих результаты совместной российско-американской работы "SBIM" ("Sea Bottom imaging model", 2001-2006), в которой з^аствовал и автор настоящей диссертации. В результате этой работы была создана модель видимости дна через взволнованную поверхность моря при естественном освещении.
Однако, изложенные результаты - это только часть решения задачи.
Путем выбора оптимальной стратегии полета она позволяет уменьшить вредное влияние флуктуации сигнала, вызванных волнением, и соответственно увеличить отношение сигнал/шум в изображении. Но даже при оптимальной стратегии полета остается искажение изображения, вызванное преломлением идущего от объекта излучения на случайных уклонах поверхности, которое при определенных условиях может до неузнаваемости исказить изображение. Поэтому сейчас на повестку дня ставится задача устранения или хотя бы зпутеньшения искажений изображения подводных объектов, наблюдаемых через взволнованную поверхность моря.
Особенная важность и актуальность решения этой задачи определяется тем, что поскольку обычно высота полета (И) носителя системы видения значительно превышает глубину погружения объекта (z), то производительность поиска, т.е. площадь дна, осматриваемая в единицу времени при авианаблюдении существенно превышает производительность подводного поиска как из-за того, что охватываемая полем зрения площадь дна примерно в (h/z) больше, так и из-за значительно большей скорости движения авианосителя по сравнению с кораблем или подводным аппаратом.
В самое последнее время появился ряд работ [54-58], в которых рассматриваются различные теоретические аспекты задачи коррекции изображений, искаженных поверхностным волнением, в предположении, что известна полная или частичная информация об уклонах поверхности.
Однако, экспериментальных работ по коррекции искаженного волнением изображения, подтверждающих теоретические результаты, насколько нам известно, не было.
Основные задачи исследований, отраженных в настоящей диссертации: > Разработка экспериментального комплекса для проведения в лабораторных условиях модельных экспериментов по переносу изображения через взволнованнз^ю водную поверхность, содержащего средства генерации волнения и регистрации его параметров.
> Проведение экспериментов по измерению характеристик волнового процесса в бассейне, измерению и анализу частотноконтрастных характеристик системы «вода + взволнованная поверхность».
> Разработка численной модели волнового процесса в бассейне для изучения переноса изображения тестового объекта через взволнованную поверхность и апробации методов коррекции.
> Разработка алгоритмов и программ анализа изображений объекта и методов коррекции искажений, вызванных волнением.
> Проведение лабораторных экспериментов по коррекции искажений изображения для различных типов объекта.
Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения.
В первой главе описана лабораторно - модельная установка, предназначенная для проведения экспериментов по переносу излучения и изображения через взволнованную водную поверхность и средства для измерения параметров волнения и оптических характеристик воды.
Во второй главе описываются результаты экспериментов по оценке вероятностных параметров ветровых волн по данным контактного волнографа и по оценке волновых характеристик оптическими методами.
Синхронные измерения возвышений в четырех точках позволяют вычислить оценки частотного спектра ветрового волнения и угловое распределение энергии в двумерном спектре, а также оценку функции распределения уклонов для всех направлений. Значения вектора уклонов и двумерная оценка функции распределения уклонов в точке вычислялись также по данным, полученным оптическим методом.
В третьей главе описывается численная модель волнового процесса, генерируемого в лабораторном бассейне. По данным контактных измерений выполнена проверка дисперсионного отношения и оценка влияния эффекта Доплера для коротких ветровых волн, распространяющихся на склонах более длинных. Двумерный спектр возвышений моделируется по аппроксимации частотного спектра возвышений, углового распределения энергии и дисперсионным отношением. Движение ветровой волны моделируется фазовым сдвигом для каждой точки поверхности.
Четвертая глава посвящена исследованию частотно контрастной характеристики (ЧКХ) взволнованной поверхности. ЧКХ определялась как преобразование Фурье от распределения облученности в изображении подводного точечного излучателя, полученного через взволнованную поверхность, которое измерялось в различных азимутальных направлениях.
Результаты измерения сравниваются с теоретической формулой Мулламаа.
ЧКХ измеряется также по контрасту полос в изображении подводной синусоидальной миры, полученном через взволнованную поверхность.
Измерения показали, что в бассейне с высокой точностью выполняется условие равенства ЧКХ системы вода — взволнованная поверхность произведению ЧКХ воды и ЧКХ поверхности, что служит дополнительным свидетельством надежности моделирования.
В пятой главе описывается теория и известные методы коррекции • искаженного волнением изображения объектов и предлагается метод коррекции с использованием дополнительного источника параллельного пучка, освещающего поверхность. Предлагаются алгоритмы расчета и рассматриваются конкретные схемы экспериментов, позволяющие проводить восстановление искаженных изображений. Обсуждаются способы разделения излучения от объекта и излучения, отраженного от поверхности воды.
В шестой главе приведены результаты проверки работоспособности различных методов по коррекции искаженных волнением изображений на численной модели. Установлены ограничения возможностей восстановления изображения. Приведены результаты нескольких серий экспериментов по коррекции изображения с использованием предлагаемого метода коррекции с дополнительным источником.
В Заключении формулируются основные результаты работы и направления дальнейших исследований.
На защиту выносятся следующие положения: • Методика и результаты лабораторных экспериментов по моделированию переноса изображения через взволнованную водную поверхность.
• Метод и алгоритм коррекции искажений изображения, основанные на измерениях уклонов поверхности с помощью дополнительного источника параллельного пучка света.
• Результаты коррекции изображения, искаженного в преломлением света на границе взволнованной поверхности, в лабораторных условиях.
Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые экспериментально исследован процесс переноса изображения через взволнованную поверхность, а также тем, что впервые в условиях лабораторного моделирования успешно осуществлена коррекция искажений изображения подводного объекта, вызванных случайным преломлением излучения на взволнованной границе раздела вода — воздух. Коррекция осуществлена на основе впервые предложенного метода определения уклонов волн с помощью дополнительного источника параллельного светового пучка. Проведенные исследования являются основой для дальнейшей теоретической и экспериментальной разработки оптимальных методов коррекции, наиболее простых и наиболее пригодных для их реализации в натурных условиях.
Практическое использование результатов работы может быть осуществлено при проектировании фото-, кино- и телевизионных систем наблюдения, установленных на воздушных носителях для усовершенствования их параметров при их применении во многих задачах исследования и изучения Мирового океана. Особенная важность и актуальность решения задачи коррекции определяется тем, что применение авиа- и спутниковых систем видения значительно повышает производительность поиска подводных объектов, т.е. площадь, просматриваемую в единицу времени, а значит и приводит к суш;ественной экономии топлива и других ресурсов по сравнению с наблюдением с корабля или подводного аппарата.
Личный вклад автора. Все приведенные в диссертации алгоритмы коррекции, составленные для их осуществления программы, и все эксперименты по переносу изображения и коррекции искажений разработаны и проведены лично автором. В разработке и проектировании ЛМУ и разработке приборов для изучения параметров волнения принимали участие В.Ю. Осадчий и О.Н. Французов. В теоретических разработках методов коррекции принимали участие И.М. Левин и В.Ю. Осадчий. В некоторых экспериментах принимали участие В.Ю. Осадчий, Н.И. Рыбалка и О.Н. Французов.
Результаты исследований, отраженных в диссертации опубликованы в 19 статьях и докладывались на следующих конференциях: > 5-я Международная конференция «Прикладная оптика 2000», СанктПетербург, 2000 г.
> Международная конференция Physical Processes in Natural Waters.
Иркутск, 2000г.
> 1-я Международная конференция "Current Problems in Optics of Natural Waters", (ONW'2001), Санкт-Петербург, 2001 г.
> Симпозиум стран СНГ "Атмосферная радиация" , Санкт-Петербург, > Юбилейная Всероссийская научная конференция «Фундаментальные исследования взаимодействия суши, океана и атмосферы». Москва: МГУ, 2002 г.
> 2-я Международная конференция "Current Problems in Optics of Natural Waters", (ONW'2003), Санкт-Петербург, 2003 г.
> 6-я Международная конференция «Прикладная оптика - 2004», СанктПетербург, 2004г.
> 3-я Международная конференция "Current Problems in Optics of Natural Waters", (ONW'2005), Санкт-Петербург, 2005 г.
> 7-я Международная конференция «Прикладная оптика - 2006», СанктПетербург, 2006 г.
> 4-я Международная конференция "Current Problems in Optics of Natural Waters", (ONW'2007), Санкт-Петербург,2007г.
> 8-я Международная конференция «Прикладная Оптика - 2008», СанктПетербург, 2008 г.
> 9-я Международная конференции "Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики". Санкт-Петербург, 2008 Всего в работе 82 страницы текста, 22 рисунка, 1 таблица. Список литературы содержит 93 наименование.
1. Лабораторно — модельная установка (ЛМУ) для изучения переноса излучения и изображения через взволнованную водную поверхность
