Использование поляризационных характеристик для определения параметров поверхности моря тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

о 1СПЛ

На правах рукописи

Константинов Олег Григорьевич

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОВЕРХНОСТИ МОРЯ

01.04.05 -Оптика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Министерство путей сообщения Российской Федерации Дальневосточный государственный университет путей сообщения

На правах рукописи

Константинов Олег Григорьевич

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОВЕРХНОСТИ МОРЯ

01.04.05 -Оптика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Работа выполнена в Тихоокеанском океанологическом институте Дальневосточного Отделения Российской Академии Наук (г. Владивосток)

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

доцент

С.Н. Протасов

Научный консультант: доктор физико-математических наук,

чл.-корр. РАН A.B. Алексеев

Официальные оппоненты: кандидат физико-математических наук,

В.П. Троценко.

доктор физико-математических наук Б.М. Шевцов.

Ведущая организация: Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН г. Владивосток.

Защита состоится " 18 СЫ-ОН^ " 1998 года в часов на заседании

специализированного совета К. 114.12.01 при Дальневосточной академии путей сообщения по адресу. 680056, Хабаровск, ул.Серышева, 47, ауд. 224

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Дальневосточной государственной академии путей сообщения.

Автореферат разослан

" " ЛЛ^СиЛ 1998 года.

Ученый секретарь специализированного совета К.114.12.01

Кандидат физико-математических наук А.И. Илларионов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Возросший интерес к изучению мирового океана, его биологическим, энергетическим и минеральным ресурсам, важность и необходимость контроля распределения и концентрации загрязняющих веществ — с одной стороны и современный уровень развития авиационной и космической техники с другой, обусловили качественный скачок в развитии и применении оптических дистанционных методов зондирования в океанологических исследованиях. При этом оптические методы зондирования океана имеют целый ряд достоинств, и их применение в последнее время получило мощный толчок в связи с развитием аэрокосмических методов дистанционного зондирования океана. Во всех используемых в настоящее время методах дистанционного зондирования в СВЧ, ИК и оптическом диапазоне длин волн электромагнитного излучения состояние поверхности моря является одним из определяющих факторов, влияющих на формирование излучения морской поверхности. В этой связи приобретает особую актуальность разработки методов определения параметров морской поверхности по поляризационным характеристикам светового поля на основе разделения диффузной и зеркально отраженной компонент восходящего излучения. Такие методы дают принципиальную возможность определять пространственную ориентацию элементов взволнованной морской поверхности, разделять отраженную и диффузную компоненты восходящего излучения и могут быть использованы для исследования параметров волнения, повышения точности определения концентрации фитопланктона, растворенных и взвешенных веществ в верхнем слое, повышения точности и надежности интерпретации результатов, полученных другими аэрокосмическими методами зондирования океана. Возможность трассовых и площадных съемок, оперативность поляризационных методов делают их гибкими и достаточно точными при

решении широкого круга задач исследования оптических свойств приповерхностного слоя и гидрофизических процессов в верхнем слое океана.

Цель работы

Обоснование и разработка метода разделения зеркально отраженной и диффузной компонент восходящего излучения моря, находящегося в естественных условиях освещения, определение параметров поверхностного волнения по характеристикам отраженной компоненты. Разработка методики учета влияния состояния морской поверхности на результаты измерения коэффициента спектральной яркости толщи моря для более точной интерпретации результатов спектральных измерений. Разработка аппаратурного комплекса и алгоритмов обработки данных измерений для реализации поляризационного метода оптического зондирования морской поверхности.

Методы исследования

Для достижения поставленных целей и решения задач исследования использовались основные положения теории отражения света, численные эксперименты и натурные наблюдения. Экспериментальные работы проводились как на борту судна, так и во время прибрежных экспедиций. Зондирование осуществлялось с помощью разработанных поляризационного спектрофотометра, поляризационного трассового волнографа и телевизионной системы.

Научная новизна

1. Впервые предложен метод определения геометрических характеристик морской поверхности по поляризационным особенностям светового поля над океаном,

2. Показано, что регистрация восходящего излучения при трех различных ориентациях осей поляроида-анализатора позволяет по углу наклона плоскости поляризации и степени поляризации определить

пространственную ориентацию элементов поверхности и определить вклад зеркально отраженной компоненты в восходящем потоке излучения .

3. Показана возможность восстановления рельефа морской поверхности по поляризационным характеристикам восходящего излучения.

4. Разработаны методы регистрации и алгоритмы обработки результатов трассовых и площадных измерений, позволяющие получить ориентацию элементов морской поверхности и исследовать их статистические характеристики.

5. Разработан аппаратурный комплекс для реализации поляризационного метода оптического зондирования морской поверхности, с помощью которого экспериментально показана возможность определения параметров верхнего слоя моря.

Научная и практическая ценность работы

Научно-практическая ценность работы определяется следующими

аспектами :

• предложенный метод измерения трех поляризационных компонент восходящего излучения позволил экспериментально определить геометрические характеристики поверхностного волнения,

• выделение диффузной компоненты восходящего излучения позволило повысить точность измерения коэффициента яркости верхнего слоя океана, что дает возможность уменьшить ошибки в определении концентрации хлорофилла «А» дистанционными методами,

• разработанный аппаратурный комплекс позволяет решать широкий круг задач, связанных с исследованиями процессов формирования структуры морской поверхности и верхнего слоя при различных гидрометеоусловиях, осуществлять обнаружение и контроль пленок нефтепродуктов, оценку биопродуктивности вод, калибровку данных дистанционного зондирования со спутников и т.п.

Работы проводились по госпрограммам "Мировой океан", "Вестпак",

федеральной целевой программе «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2000 г.», хоздоговорным темам.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

съездах советских океанологов: (Москва, 1977); (Владивосток 1983г.);

Международных симпозиумах:

3-th International Symp. «The Arctic Estuaries and Adjacents seass» (Sverdlovsk, Russia, 1993);

PICES Workshop of the OKHOTSK Sea And Adjacent Areas (Vladivostok, Russia, 1995);

Международных выставках: «Наука и техника СССР» (Пекин, 1988) «Геология-88» (Пекин, 1988)

На научных семинарах ТОЙ ДВО РАН, ДВГУ, ДВГТУ, ДВНИИГМИ Росгидромета.

Публикации

По результатам исследований опубликовано 14 работ. Материалы диссертационной работы отражены в научно-исследовательских отчетах.

Структура и объём работы Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, включающего 83 наименований. Работа содержит 115 страницы машинописного текста и 41 рисунок.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

На защиту выносится:

1. Метод разделения зеркально отраженной и диффузной компонент восходящего излучения

по поляризационным характеристикам отраженного света.

2. Методика повышения точности определения коэффициента спектральной яркости

толши моря, учитывающая состояние морской поверхности.

3. Измерение трех поляризационных компонент светового поля, позволяющее определить степень поляризации , ориентацию отражающих элементов поверхности и её рельеф.

4. Аппаратурный комплекс, реализующий предлагаемую методику, и результаты натурных

измерений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении диссертации обоснованы ее актуальность и научно-практическая значимость, определена цель, кратко изложено содержание работы и сформулированы защищаемые положения.

В первой главе рассмотрены существующие методы разделения диффузной и отраженной компонент восходящего при использовании методов дистанционного оптического зондирования, применяемых в настоящее время для решения океанологических задач

В параграфе 1.1 очерчен круг задач, решаемых пассивными методами дистанционного зондирования в различных участках спектра. Рассмотрены основные факторы, определяющие формирование характеристик излучения, регистрируемого дистанционными датчиками, способы извлечения информации о спектральных характеристиках, пространственной структуре и

временной изменчивости взволнованной водной поверхности из ее оптических измерений, полученных при естественном освещении.

В параграфе 1.2 рассмотрены традиционные способы разделения диффузной и отраженной компонент восходящего излучения. Наиболее распространенный в настоящее время метод учета отраженной компоненты при измерениях КСЯ в надир заключается в учете френелевской компоненты КСЯ по измерениям яркости неба в зените. Большинство имеющихся в настоящее время материалов по коэффициентам яркости моря были получены именно этим способом. Но он не всегда дает хорошие результаты, особенно при измерении малых КСЯ. Это связано с тем, что яркость неба распределена неравномерно по небосводу, и с ростом степени волнения растет доля излучения небосвода, принимающая участие в формировании отраженного излучения, а при сплошной облачности величина диффузной компоненты может бьггь в несколько раз меньше отраженной, что может привести к недопустимо большим ошибкам измерения.

Другой метод основан на том, что выбирают длину волны, на которой диффузная компонента КСЯ близка к нулю (обычно в ближней ИК области спектра), затем измеряют КСЯ и относительный спектральный состав зеркально отраженного участка небосвода. После этого из величины КСЯ вычитают относительную спектральную яркость участка небосвода с весовым коэффициентом, определяемым из условия равенства нулю диффузной компоненты на выбранной длине волны. При этом предполагается, что коэффициент отражения поверхности не изменяется по спектру. Причиной ошибок данного метода учета является неравномерность спектрального состава распределения яркости неба и влияние пены и бликов, что справедливо и для первого метода. Рассмотрен предлагаемый метод определения ориентации отражающих элементов по поляризационным характеристикам отраженного излучения на рис 1 приведена схема измерения оптических характеристик.

Рис1. 8 - отражающая площадка, п - вектор нормали площадки Б, АО - падающий луч, О В - отраженный луч, \\ГО - преломленный луч, АОВ - плоскость отражения, О - регистрирующий прибор, Вб и Вр - поляризационные компоненты отраженного излучения.

По соотношению Вв/Вр и ориентации плоскости частичной линейной поляризации можно определить угол отражения ср- угол между О В и и, и угол наклона плоскости частичной линейной поляризации - 3 - угол между плоскостью ХОХ и плоскостью отражения АОВ, в которой лежит вектор нормали п.

Интенсивность частично линейно - поляризованного света, отраженного поверхностью при трех положениях плоскости поляризации поляроида-анализатора относительно вертикальной плоскости - Е,3 прошедшего поляроид - анализатор А, В, Си угле наклона плоскости отражения р описывается соотношениями:

2 DO

A =( Bs - Bp ) -cos ( P +- 4 1 ) +- Bp +• —

2 Bd

В =( Bs - Bp ) -cos ( 3 +■ £,2 ) -t- Bp -»- —

2 Bd

С =( Bs - Bp ) cos ( p -h 43 ) +- Bp + —

где Bs и Bp - Френелевские компоненты яркости отраженного света,

Bd - яркость диффузной компоненты восходящего излучения в направлении WO.

Для отраженного излучения Bd = 0 при ¡;2 — О

P-y-arcti

(-А + А-со^З)1 - C cos^l)1 * С + B cos(4 l)2 - B-cos(|3)2)

(-A sir(51) cos(51) - Asir(53) cos(53) i-B sin(U) co<U)+-B sin(53) cos(U))

если); 3= £,2 + л/4 =£1 + тс/2 то: Bs - Вр"л|(А - С)2 + (А С - 2-В)2

Bp -I^C-(Bs-Bp))

Р-—-arctg

(А-С)

(А + С - 2-В)

из формул Френеля определяется угол отражения ф - либо по соотношению Вэ/Вр , либо по Вв-Вр если известна яркость падающего излучения. По полученным величинам ф, (3 при известном угле визирования а определяются проекции единичного вектора нормали к отражающей площадке п :

Кх-со5(ф) со5(а) - )-5т(а )-со$(Р) )-Бт(Р) а _угол между

направлением визирования и горизонтальной плоскостью ХОУ.

В параграфе 1.3 дан сравнительный анализ аппаратуры дня исследования спектральных и поляризационных характеристик восходящего излучения, проведено сравнение известной аппаратуры с предлагаемым аппаратурным комплексом.

В параграфе 1.4 рассмотрены основные требования к схеме и последовательности проведения поляризационных измерений в зависимости от условий съемки, показаны, возможности использования поляризационных особенностей восходящего излучения для расширения диапазона условий освещения и гидрометеоусловий при которых возможно проведение сопоставимых измерений оптических характеристик морской поверхности, рассмотрены особенности отражения света пенными образованьями и способы оценки площади покрытия пеной в зависимости от ее характера.. Метод разделения отраженного и диффузно рассеянного света позволяет по параметрам отраженного излучения определять характеристики поверхности, а информация о них в свою очередь, позволяет выделять диффузную компоненту коэффициента спектральной яркости моря и более точно интерпретировать результаты при решении задач определения содержания оптически активных компонент морской воды. Рассмотрены вопросы выбора оптимальных углов визирования и характеристики быстродействия аппаратуры в зависимости от условий проведения измерений.

В главе 2 рассмотрены основные методы разделения диффузной и отраженной компонент восходящего излучения для трассовых и площадных съемок, приведены результаты численных экспериментов по оценке погрешности определения основных геометрических характеристик поверхности.

В параграфе 2.1 приведена методика расчета отраженной и диффузной составляющих восходящего излучения по измерениям с помощью поляризационного спектрофотометра.

При определения диффузной компоненты Вё предполагается, что она не поляризована и в спектре восходящего излучения есть длина волны - ко, для которой можно считать Вс1(Хо) = 0. Тогда для X.

Поскольку для отраженного излучения по всему спектру отношения френелевских компонент одинаковы. Все величины, входящие в выражение определяются из измерений. Причем это соотношение справедливо даже если падающее излучение небосвода частично линейно- поляризовано. Показано, что спектральная зависимость полностью поляризованной части отраженного излучения совпадает со спектром яркости небосвода.

В параграфе 2.2 описана методика определения геометрических характеристик морской поверхности при площадных измерениях, оценивается вклад погрешности измерений входных параметров на результаты восстановления пространственной ориентации элементов поверхности. Показано, что диффузная компонента не влияет на результаты определения ориентации плоскости поляризации. Определены оптимальные углы визирования и углы наклона поляроида-анализатора при проведении съемки. Рассмотрена пространственная модель площадной съемки и трансформация плоскости наблюдения и наклона плоскости поляризации для каждого элемента поверхности при перспективной съемке. Рассмотрена возможность применения данного метода для повышения достоверности определения характеристик волнения водных поверхностей за счет исключения влияния неравномерности углового распределения яркости падающего излучения и учета диффузно отражающих участков поверхности (пенные образования) и его информативность, так как определение ориентации плоскости отражения по ориентации плоскости поляризации, которое приводится с большой точностью, дает возможность определить пространственную ориентацию каждого элемента рельефа.

Рассмотрена возможности применения методики при исследовании характеристик волнения морской поверхности, выделения систем поверхностных волн и направлений распространения отдельных спектральных составляющих поверхностного волнения, обнаружения проявлений внутренних волн на морской поверхности, нефтяных пленок, определения характеристики волнения с борта судна или самолета. Приведены основные способы расчета угла отражения при различных углах визирования.

В главе 3 рассмотрен разработанной аппаратурный комплекс для проведения поляризационных измерений оптических характеристик морской поверхности, разработанный в ТОЙ ДВО, и приведены результаты натурных экспериментов.

В параграфе 3.1 приводится схема описание и параметры поляризационного спектрофотометра для исследования спектральных характеристик восходящего излучения.

Фотоприемником служит Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ-68),. Селективные элементами - интерференционные фильтры с шириной полосы пропускания - 10 нм.

Фильтры расположены на вращающемся диске. Кроме диска с фильтрами есть диск с поляроидами. Их вращение синхронизировано так, что за три оборота диска с фильтрами в каждом из 8 спектральных интервалов измеряется по три поляризации, Диапазон спектрофотометра 400 - 800 нм, быстродействие - 20 спектров/сек. Угол зрения - 2° Широкий диапазон освещенности, в которых может работать спектрофотометр обеспечивается схемой внутренней калибровки и управлением питания ФЭУ. Приведена система регистрации и схема калибровки прибора.

В параграфе 3,2 рассмотрен трассовый поляризационный волнограф, его функциональная схема и основные параметры. От спектрофотометра волнограф отличается меньшим углом зрения - 0.2° и большим быстродействием - 200 измерений/сек.

В параграфе 3.3 описана телевизионная система для реализации метода дистанционного оптического зондирования поверхности океана. Телевизионная система включает в себя видеокамеру с твердотельной матрицей, которая может работать в режиме электронного затвора с временем экспозиции 1/500 и 1/1000 сек. Перед объективом расположен поляроид с синхронным приводом, осуществляемым шаговым двигателем, который синхронизирован с кадровыми синхроимпульсами видеосигнала. За время полукадра - 20 мсек. поляроид поворачивается на угол 45 градусов. Полный цикл записи составляет 60 мсек. Для калибровки по падающему потоку в поле зрения камеры может устанавливаться рассеивающий экран. Система может работать в автономном режиме от встроенного источника питания с записью на стандартную кассету или в режиме непосредственного ввода видеосигнала в компьютер.

Программное обеспечение комплекса позволяет получать дисперсию уклонов волн по различным направлениям и пространственные спектры уклонов и возвышений поверхности.

В параграфе 3.4 описаны натурные эксперименты по измерениям параметров морской поверхности. На рис 2 приведен пример определения угла наклона элементов поверхности по изображению.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Разработан метод разделения зеркально отраженной и диффузной компонент восходящего излучения моря, находящегося в естественных условиях освещения, для определения параметров поверхностного волнения по характеристикам отраженной компоненты..

Рис 2. Пример определения угла наклона плоскости поляризации -разницы интенсивностей поляризационных компонент - Цз-Вр и высоты поверхности моря - 11, полученных с помощью телевизионной системы по сечению снимка.

2. Показано, что регистрация восходящего излучения при трех различных ориентациях осей поляроида-анализатора позволяет по углу наклона плоскости поляризации и степени поляризации определить пространственную ориентацию элементов поверхности и определить вклад зеркально отраженной компоненты в восходящем потоке излучения .

3. Показана возможность восстановления рельефа морской поверхности по поляризационным характеристикам восходящего излучения.

4. Разработаны метод регистрации и алгоритмы обработки результатов трассовых и площадных измерений, позволяющие получить ориентацию элементов морской поверхности и исследовать их статистические

. характеристики.

5. Разработан специализированный аппаратурный комплекс для реализации поляризационного метода оптического зондирования морской поверхности, экспериментально показана возможность поляризационных методов оптического зондирования для оценки концентрации оптически активных веществ в приповерхностном слое моря , контроля поверхностного загрязнения, спектров уклонов и возвышений морской поверхности.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ

1. Константинов О. Г. и др. Дифференциальный измеритель коэффициента спектральной яркости поверхности моря // Морские гидрофизические исследования , МГИ АН УССР,

Севастополь, 1976.

2. Константинов О.Г. и др. Связь спектральных характеристик поверхности океана с пленками нефтепродуктов на поверхности // 1-й съезд советских океанологов. Тез. Докл. -М.

«Наука» , 1977, с.153.

3. Константинов О.Г. и др. Обнаружение пленок нефтепродуктов по спектральным измерениям в видимой области спектра // Современные методы исследования океана.- ДВНЦ АН СССР, Владивосток, 1978

4. Константинов О. Г. и др. Оценка эффективности дифференциального измерителя коэффициента спектральной яркости для контроля нефтяного загрязнения моря //Исследования природных ресурсов в прибрежной зоне океана количественными методами. - ДВНЦ АН СССР , Владивосток, 1980.

5. Константинов О.Г. и др. Дистанционные оптические методы исследования зоны смешения морских и речных вод // Исследования природных ресурсов в прибрежной зоне океана количественными методами. - ДВНЦ АН СССР , Владивосток, 1980.

6. Константинов О. Г. Применение трехканального спектрофотометра для оценки

загрязнения поверхности моря нефтяными пленками // Комплексные исследования

антропогенного загрязнения океана. - ДВНЦ АН СССР, 1981.

7. Константинов О.Г. и др. Измеритель спектральных коэффициентов яркости морской поверхности А.С. № 854129 от 28.03 1980.

8. Константинов О. Г. и др. Результаты экспериментальных исследований оптических

характеристик морской поверхности // Тез. Докл. 11 Всесоюзный съезд океанологов,

Владивосток, 1983.

9. Константинов О.Г. и др. Поляризационный спектрометр для измерения оптических

характеристик морской поверхности. А.С. № 1153656 от 09.01.1984.

10. Константинов О.Г. и др. Инфракрасный радиометр. А.С. N«1235305 от 01.02.86.

11. Константинов О.Г., Шаповалов Е.Г. Обнаружение органических пленок на поверхности

моря по измерениям яркости моря и неба у горизонта // Тр. ДВНИИ, вып. 112,

JI., Гидрометеоиздат, 1986, с. 22-26.

12. Алексеев И.Ф., Константинов О.Г., Бугрова Т.Е., Пискун И.И. Способ дистанционного измерения характеристик волнения водных поверхностей. А.С. № 1549310 от 18.02 1988.

13. Ilicliev V.I., Konstantinov O.G., Misliukov V.F., Monitoring of Biochemical Processes in

Estuaries by Measuring Spectral Coefficient of Ocean Brightness. 3-th International Symp.

«The Arctic Estuaries and Adjacents seas» - Sverdlovsk, Russia, 1993, p. 26-27.

14. Konstantinov O.G, Mishukov V.F. Monitoring of Sea Biochemical Parameters by Measuring of

Backscattering Sun Light. - PICES Workshop Of The OKHOTSK Sea And Adjacent Areas,

Russia, 1995.