Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВ НАКЛОНА И ВЫСОТЫ ВОЛНЕНИЯ ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ОТНОСИТЕЛЬНО ЕЕ РАВНОВЕСНОГО СОСТОЯНИЯ

Изобретение относится к области океанографических измерений, в частности к способам измерения углов наклона и высоты волнения водной поверхности, и может быть использовано в метеорологии для повышения точности долгосрочных прогнозов погоды и в океанологии для изучения волновых процессов на поверхности океана.

Известен способ измерения угла наклона и высоты волнения водной поверхности относительно ее равновесного состояния, в котором используется одна приемная прозрачная диффузионная пластина (пат. US рег.№ H503 МПК⁷ G01C 13/00, публ. 02.09.1988 "Wave surface characterization"). Способ заключается в том, что лазерный луч с помощью вспомогательного зеркала направляют вертикально вниз вдоль оси Z в выбранную точку водной поверхности. Отраженную от водной поверхности часть лазерного луча визуализируют в виде метки на приемной прозрачной диффузной пластине, расположенной в плоскости XY над водной поверхностью. Одновременно с этим с помощью цифровой видеокамеры с растровым просмотром фиксируют величины отклонений ΔX₁ и ΔY₁ упомянутой метки на приемной прозрачной диффузной пластине относительно нулевой отметки, при этом измеренные отклонения ΔX₁ и ΔY₁ упомянутой лазерной метки используют для восстановления (вычисления) величин мгновенных значений углов наклона α_х и α_у водной поверхности в выбранной точке. Для измерения высоты волнения используют струнный емкостной датчик. Этот способ имеет несколько существенных недостатков:

1) контактный датчик возмущает водную поверхность, генерируя волны при набегании на струну волны, и таким образом искажает волнение, т.е. теряется главное преимущество бесконтактного метода;

2) измерения высоты волнения проводятся не в том месте, где измеряется наклон, т.е. они не являются синхронными по времени и пространству и не могут обрабатываться совместно. Это уменьшает восстанавливаемый объем информации о волнении, т.е. теряется информация о взаимной корреляции параметров волнения;

3) струнные емкостные датчики являются достаточно инерционными и обычно не регистрируют волнение с частотой выше 20-30 Гц. Кроме того, измерения искажаются за счет эффектов смачивания, загрязнения струны;

4) наличие вспомогательного зеркала приводит к невозможности измерения небольших наклонов водной поверхности, т.к. отраженный от нее луч не может попасть на регистрирующую пластину из-за наличия вспомогательного зеркала.

Применяемая в способе синхронизация излучения и приема сигналов существенно снижает вероятность «ложных» срабатываний или неоднозначность определения координат, связанных с тем, что на приемной прозрачной диффузной пластине будет регистрироваться засветка от других источников света, например от солнца. Однако она не может полностью устранить этот эффект.

Наиболее близким к заявляемому является способ измерения углов наклона и высоты волнения водной поверхности относительно ее равновесного состояния, в котором используются две приемные прозрачные диффузные пластины (патент РФ №2410643, МПК⁷ G01C 13/00, публ. 30.06.2009), который выбран в качестве прототипа. В способе-прототипе лазерный луч направляют вдоль оси Z вертикально вверх из подводного положения через некоторую толщу воды и водную поверхность, углы наклона и высоту волнения которой требуется определять в месте выхода луча. Отклоненный водной поверхностью лазерный луч визуализируют в виде меток одновременно на первой и на второй приемных диффузных пластинах, установленных над водной поверхностью параллельно плоскости XY на заданном расстоянии Н₂ друг от друга. С помощью цифровых видеокамер одновременно фиксируют величины отклонений упомянутых меток лазерного луча на первой ΔX₁ и ΔY₁ и на второй ΔX₂ и ΔY₂ приемных диффузных пластинах относительно нулевой отметки, после чего по одномоментно измеренным отклонениям ΔХ₁, ΔХ₂, ΔY₁, ΔY₂ меток лазерного луча по предлагаемому алгоритму синхронно восстанавливают (вычисляют) величины соответствующих мгновенных значений углов наклона α_x и α_у водной поверхности в выбранной точке и высоту h волнения водной поверхности в той же точке.

Недостатками способа-прототипа являются:

1. Использование для фиксирования величин отклонений меток лазерного луча на двух приемных диффузных пластинах соответственно двух цифровых видеокамер. Во-первых, работа цифровых видеокамер нуждается в дополнительной синхронизации. Во-вторых, на обработку изображений с двух цифровых камер тратится достаточно много времени. В-третьих, цифровая камера должна быть высокоскоростной с хорошим пространственным разрешением и поэтому она является достаточно дорогостоящим оборудованием.

2. Использование в способе-прототипе двух независимых приемных диффузных пластин требует параллельности их расположения, что требует достаточно длительной настройки даже в лабораторных условиях, в которых был реализован способ-прототип. Реализация же такой настройки в натурных условиях представляет существенные затруднения.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка способа синхронного измерения высоты и наклонов волнения водной поверхности в одной точке, обладающего достаточным быстродействием, надежностью и простотой реализации в условиях натурных измерений.

Технический результат в разработанном способе измерения углов наклона и высоты h волнения водной поверхности относительно ее равновесного состояния достигается тем, что, как и в способе-прототипе, по крайней мере, один лазерный луч направляют вертикально вдоль оси Z из подводного положения через некоторую толщу воды и водную поверхность, угол наклона и высоту волнения которой измеряют в точке выхода луча из воды, отклоненный водной поверхностью лазерный луч визуализируют в виде метки на приемной прозрачной диффузной пластине, расположенной в плоскости XY над водной поверхностью на расстоянии H₁, одновременно с этим с помощью цифровой видеокамеры фиксируют величины отклонений упомянутой метки на приемной прозрачной диффузной пластине ΔX₁ и ΔY₁ относительно нулевой отметки.

Новым в разработанном способе является то, что одновременно на упомянутой приемной прозрачной диффузной пластине также визуализируют в виде метки отклоненный лазерный луч, отраженный с помощью зеркала, установленного над упомянутой приемной прозрачной диффузионной пластиной параллельно ей на расстоянии Н₂, с помощью цифровой видеокамеры фиксируют величины отклонений упомянутой метки ΔX₂ и ΔY₂ относительно нулевой отметки, после чего по одномоментно измеренным отклонениям ΔХ₁, ΔХ₂, ΔY₁, ΔY₂ синхронно восстанавливают (вычисляют) величины соответствующих мгновенных значений углов наклона α_х и α_у водной поверхности в выбранной точке и высоту h волнения водной поверхности в той же точке.

Таким образом, в разработанном способе, в отличие от прототипа, вместо второй приемной диффузной пластины используют ее мнимое изображение, полученное с помощью установленного на расстоянии Н₂ над упомянутой первой прозрачной диффузной пластиной зеркала. Мнимое изображение параллельно первой прозрачной диффузной пластине и находится от первой пластины на расстоянии 2Н₂, а вместо реального изображения метки лазерного луча на второй приемной пластине визуализируют ее мнимое изображение на упомянутой первой прозрачной диффузной пластине. При этом фиксацию величин отклонений ΔХ₁, ΔХ₂, ΔY₁, ΔY₂ упомянутых меток лазерного луча с помощью цифровой видеокамеры осуществляют на первой приемной прозрачной диффузной пластине.

Для нахождения координат меток на приемной диффузной пластине используют цифровую видеокамеру, соединенную с компьютером. Цифровая видеокамера позволяет записывать синхронно движение меток по приемной прозрачной диффузной пластине, а для нахождения координат меток используют специальную компьютерную программу обработки, разбивающую непрерывное видеоизображение на последовательность кадров и вычисляющую координаты меток в каждом кадре.

В первом частном случае реализации способа, например, в лабораторных условиях, когда нет ветра, целесообразно использовать максимально тонкую прозрачную диффузную пластину, например пленку, толщиной которой в расчетах можно пренебречь, что позволяет существенно упростить вычисление искомых величин.

Во втором частном случае реализации способа для определения генерального направления распространения волнения целесообразно вдоль оси Z вертикально вверх из подводного положения через некоторую толщу воды и водную поверхность направить не менее трех лазерных лучей разного цвета, разнесенных на требуемое расстояние друг от друга, а отклоненные водной поверхностью лазерные лучи визуализировать на упомянутой прозрачной диффузной пластине в виде меток разного цвета. При этом вычисление величин мгновенных значений углов наклона α_x, α_у и высоты h волнения водной поверхности в месте выхода каждого луча необходимо осуществлять параллельно и независимо друг от друга для каждого луча.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена схема измерения волнения водной поверхности в соответствии с п.1 формулы изобретения в плоскости XZ.

На фиг.2 представлена иллюстрация преломления лазерного луча взволнованной водной поверхностью.

На фиг.3 проиллюстрировано отличие предлагаемой в заявляемом способе схемы измерений (вверху) от схемы измерений в способе-прототипе (внизу).

На фиг.4 представлена фотография траекторий движения меток лазерного луча на приемной прозрачной диффузной пластине при выполнении измерений в лабораторных условиях.

Устройство для реализации предлагаемого способа, представленное схематично на фиг 1, содержит лазер 1, расположенный под водой на глубине Н₀ и установленный таким образом, что лазерный луч 2 выходит вертикально вверх. Проходя через взволнованную водную поверхность, лазерный луч 2 отклоняется от вертикального направления на угол φ_х и попадает на прозрачную диффузную пластину 3, расположенную в плоскости XY на высоте Н₁ над водной поверхностью. В общем случае реализации изобретения прозрачная диффузная пластина 3 может иметь толщину Δ, например, может быть выполнена стеклянной с толщиной Δ. Расстояние Н₁ измеряется от равновесного состояния жидкости. На высоте H₂ от верхней плоскости прозрачной диффузной пластины 3 параллельно ей расположено зеркало 4.

Для «визуализации» точек прохождения (меток) лазерного луча 2 через стекло необходимо, чтобы одна из поверхностей прозрачной диффузной пластины 3 была шероховатой, чтобы обеспечивать диффузное рассеяние, и в то же время пропускала бы луч на зеркало 4. При прохождении лазерного луча 2 через пластину 3 и попадании его на зеркало 4 визуализация лазерного луча 2 на прозрачной диффузной пластине 3 осуществляется в виде меток 5 (см. фиг.1 и фиг.3).

Координату метки 5 на нижней стороне пластины 3 обозначим х₁. Смещение лазерного луча 2 в самой пластине 3 обозначим x₂ (см. фиг.1). Координату метки 5 на верхней стороне пластины 3 обозначим x₁+x₂=ΔX₁. Координату метки отраженного от зеркала 4 лазерного луча 2 на верхней стороне прозрачной диффузной пластины 4 обозначим x₁+x₂+х₃=ΔX₂.

Эти метки 5 движутся в зависимости от времени, реагируя на движение поверхности воды (см. фиг.4), и находятся на некотором расстоянии (x₁, ΔX₁, х₃, ΔX₂) от «нулевых меток» (см. фиг.1). За «нулевые метки» принимаем точки, через которые проходит луч, когда вода находится в спокойном, невозмущенном состоянии, т.е. когда лазерный луч 2 распространяется вертикально вверх вдоль оси Z. Для записи траектории движения меток 5 на пластине 3 в общем случае используют одну скоростную цифровую видеокамеру, соединенную с компьютером.

В общем случае реализации способа в качестве прозрачной диффузной пластины 3 может быть использована любая прозрачная пластина с толщиной Δ, например стеклянная. В качестве цифровой видеокамеры может быть использована, например, видеокамера Philips SPC 900NC с частотой 90 кадров в секунду, разрешение 640×480 точек. В качестве лазера 1 может быть использован любой полупроводниковый лазер непрерывного действия.

Устройство для реализации предлагаемого способа по п.2 формулы изобретения содержит те же элементы, что и устройство на фиг.1. Отличие состоит в том, что в этом частном случае реализации способа, например, в лабораторных условиях, когда нет ветра, в качестве пластины 3 может быть использована тонкая прозрачная пленка, толщиной которой в расчетах можно пренебречь.

В другом частном случае реализации способа по п.3 формулы изобретения (на чертежах не указан) используют не менее трех лазеров 1 с лучами разного цвета, установленных на требуемое расстояние друг от друга, определяемое минимальной длиной волны исследуемого волнения. В этом случае отклоненные водной поверхностью лазерные лучи 2 разного цвета одновременно визуализируют на упомянутой прозрачной диффузной пластине 3 в виде меток разного цвета.

Разработанный способ реализуют следующим образом.

Посредством устройства, представленного схематически на фиг.1 в плоскости XZ, лазерный луч 2 от лазера 1 направляют вдоль оси Z вертикально вверх из подводного положения через некоторую толщу воды и взволнованную водную поверхность, угол наклона α_x и высоту h которой в месте выхода луча необходимо определять (восстанавливать по измеренным величинам).

Более подробно прохождение лазерного луча 2 через взволнованную водную поверхность показано на фиг.2. В воде лазерный луч 2 распространяется прямолинейно и только на поверхности воды происходит его преломление, и формулы для угла преломления β_x лазерного луча 2 и угла между направлением лазерного луча 2 и вертикальной осью Z φ_x имеют следующий вид:

где n₁ - коэффициент преломления воды; n₂ - коэффициент преломления воздуха; α_x - угол падения лазерного луча 2 в плоскости XZ.

Угол падения луча α_x равен углу наклона водной поверхности в данной точке, т.е. это тот угол, который необходимо определять.

Отклоненный водной поверхностью лазерный луч 2 и отклоненный лазерный луч 2, отраженный с помощью зеркала 4, визуализируют в виде меток 5 одновременно на прозрачной диффузной пластине 3. Поскольку в общем случае реализации способа прозрачная диффузная пластина 3 имеет толщину Δ, то лазерный луч 2 при прохождении через нее испытывает преломление на входе и выходе из пластины. Смещение метки 5 по оси Хна верхней поверхности прозрачной диффузной пластины 3 при выходе лазерного луча 2 из нее ΔX₁ будет равно сумме смещений

(х₁+х₂), где:

где х₁ - смещение координаты лазерного луча 2 на нижней поверхности прозрачной диффузной пластины 3, x₂ - смещение координаты лазерного луча 2 в самой пластине 3; n₃ - коэффициент преломления материала прозрачной диффузной пластины 3; Δ - толщина прозрачной диффузной пластины 3; γ_x - угол преломления лазерного луча 2 в материале прозрачной диффузной пластины 3, например в стекле.

Смещение метки 5 отклоненного лазерного луча 2, отраженного с помощью зеркала 4, по оси Х на верхней поверхности прозрачной диффузной пластины ΔX₂ равно сумме смещений (ΔX₁+х₃), где

Из формул (2-4) видно, что смещения ΔX₁, и ΔX₂ зависят от параметров водной поверхности: угла наклона α_x и высоты h волнения водной поверхности.

Таким образом, разработанный способ позволяет в каждом кадре видеокамеры одномоментно измерить две величины (координаты меток 5 отклоненного лазерного луча 2 и отклоненного лазерного луча 2, отраженного с помощью зеркала 4, на верхней поверхности прозрачной диффузной пластины 3), которые позволяют найти однозначное решение обратной задачи и определить угол наклона α_x и высоту h волнения водной поверхности.

Высоту h волнения находят из следующего соотношения:

Угол наклона α_x водной поверхности находят решая следующее трансцендентное уравнение с помощью известных методов, например, с помощью метода деления пополам:

Повторив приведенные выше рассуждения для смещения метки 5 в плоскости YZ, получим формулы для угла наклона α_y водной поверхности вдоль оси Y:

Высоту волны можно найти следующим образом, зная y₁+y₂=ΔY₁, ΔY₂, H₁, H₂:

Таким образом, как следует из формул 5-8, одновременная фиксация меток 5 лазерного луча 2 позволяет синхронно восстанавливать углы наклона α_x, α_у и высоту h волнения водной поверхности в точке прохождения лазерного луча 2 через водную поверхность.

В общем случае реализации с помощью цифровой видеокамеры фиксируют величины отклонений ΔX₁, ΔY₁ и ΔX₂, ΔY₂ упомянутых меток 5 на прозрачной диффузной пластине 3 относительно нулевой отметки. После чего с помощью компьютера вычисляют координаты меток 5 в каждом кадре видеоизображения и численным методом по указанному алгоритму (формулам 5-8) определяют искомые величины углов наклона α_x и α_y водной поверхности в выбранной точке и высоту h волнения водной поверхности в той же точке, что позволяет решить поставленную задачу по синхронному (одновременному) определению требуемых параметров волнения в одной точке.

Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемый способ обладает большей надежностью, быстродействием и дешевизной исполнения за счет уменьшения количества цифровых видеокамер, объема записываемой информации и изменения конструктивных элементов в схеме реализации способа.

В реализованном на практике способе (в лабораторных условиях) в качестве прозрачной диффузной пластины 3 была использована тонкая прозрачная пленка, толщиной которой можно пренебречь в расчетах. Формулы для расчета высоты h и углов наклона α_x и α_y волнения в этом случае значительно упрощаются:

Таким образом, по смещению меток 5 лазерного луча 2 вдоль оси Х восстанавливают угол наклона α_x по оси Х и высоту h.

Для тонких пленок формулы для расчета высоты h и угла наклона α_y имеют следующий вид:

Из формул (9 и 11) видно, что высота h может быть восстановлена двумя способами (по измерениям вдоль оси Х или оси Y). Это помогает преодолеть недостаток, свойственный вертикальной схеме измерения. Дело в том, что для плоской поверхности (α_x=0, α_у=0) высоту h восстановить невозможно и при обработке для восстановления высоты волнения необходимо использовать соседние точки, строя по ним аппроксимацию.

Однако вероятность того, что углы наклона по осям Х и Y одновременно будут равны нулю, существенно ниже, следовательно, высота h волнения в разработанном способе будет измеряться в подавляющем большинстве случаев.

Особенностью реализации разработанного способа по п.3 формулы является то, что одновременное использование лазеров 1 разных цветов, например, трех, установленных на требуемое расстояние друг от друга, позволяет расширить возможности способа. Расстояние между лазерами 1 определяется минимальной длиной волны исследуемого волнения, параметры которой требуется определить.

В этом случае отклоненные водной поверхностью лазерные лучи 2 разного цвета одновременно визуализируют на упомянутой прозрачной диффузной пластине 3 в виде меток разного цвета. Расположив три лазера 1 по схеме, например, треугольником, можно измерять пространственное распределение наклонов и двумерный спектр высот и наклонов, т.е. работать с двумерным волнением и определять угловое распределение волнения, как это делают известным способом с помощью решетки из струнных волнографов, но не искажая при этом, в отличие от струнных волнографов, исследуемое волнение.

Предлагаемый способ измерения предоставляет новые возможности для исследования параметров волнения океанологам, а также специалистам, разрабатывающим новые алгоритмы обработки данных для современной измерительной радиолокационной аппаратуры.