Оптические методы исследования водной среды
Оптика океана и подводное видение
Гидрооптическая тематика унаследована ИПФ от НИРФИ, где еще в 1960-е годы по инициативе и под руководством А. В. Гапонова-Грехова была впервые создана система подводного лазерного наблюдения и с ее помощью выполнены пионерские эксперименты по локации и формированию изображений подводных объектов.
Тогда же Д. М. Браво-Животовским, Л. С. Долиным, А. Г. Лучининым, В. А. Савельевым были получены фундаментальные результаты, составляющие основу современной теории инструментального видения в мутных средах: установлена взаимосвязь между теорией когерентности и энергетическим (яркостным) описанием светового поля; развито малоугловое приближение уравнения переноса излучения, и на этой основе построены аналитические модели эволюции структуры лазерного пучка при его прохождении через среду с сильно анизотропным рассеянием; установлены закономерности влияния мутной среды на модулированные (высокочастотным сигналом) световые пучки; разработаны аналитические методы расчета характеристик изображения подводного объекта с учетом эффектов поглощения и многократного рассеяния света в воде, позволяющие оценивать потенциальные возможности систем подводного наблюдения различного типа (включая лазерные) и определять требования к их техническим параметрам.
Опыт этих исследований был эффективно использован в ИПФ РАН для развития оптических методов диагностики верхнего слоя океана, включая создание теории лазерной локации и видения подводных объектов с летательных аппаратов. В результате обширного цикла теоретических и экспериментальных исследований Л. С. Долиным, А. Г. Лучининым и их сотрудниками были разработаны модели обратного рассеяния лазерного импульса в водной среде, предложен и апробирован в морских экспедициях лидарный метод измерения показателя поглощения воды, продемонстрированы возможности регистрации внутренних волн и океанических фронтов с помощью лидаров.
Исследования механизмов формирования изображений водной поверхности привели к созданию дистанционного оптического метода измерения спектрально-энергетических характеристик ветрового волнения (А. Г. Лучинин, В. И. Титов, Э. М. Зуйкова) и корабельного комплекса приборов, позволяющих регистрировать изменчивость спектров волнения в реальном масштабе времени. Этот комплекс совместно с радиолокационными средствами успешно используется в морских экспедициях для исследования механизмов изменчивости ветрового волнения под влиянием внутренних волн, неоднородных течений, пленок ПАВ и других физических факторов.
Лидарные методы зондирования океана
Значительный интерес представляет также развитая в ИПФ теория стохастизации световых полей и оптических изображений под влиянием случайно-неровной границы раздела воздух – вода (А. Г. Лучинин, В. Л. Вебер). Разработаны аналитические модели флуктуаций подводной освещенности и лидарного сигнала, приходящего из водной толщи при ее зондировании с воздушного носителя, методы расчета случайных реализаций и статистических характеристик изображений морского дна или подводного объекта, наблюдаемых через взволнованную поверхность моря. На этой основе развита оригинальная методика численного моделирования «мгновенных» и «накопленных» изображений, выявлены возможности увеличения глубины видимости дна в условиях естественного освещения благодаря оптимизации процесса наблюдения.
Предложен и теоретически исследован новый способ коррекции рефракционных искажений в лидарных изображениях морского дна, наблюдаемого через взволнованную поверхность моря. Угол преломления лазерного пучка случайно-неровной границей раздела воздух – вода можно определять по центроиду углового распределения яркости рассеянного водой сигнала, для чего необходимо использовать многоэлементный фотодетектор или по крайней мере три фотоприемника с диаграммами направленности специального вида. Получены уравнения для среднестатистической оценки этого угла и для дисперсии оценки. Показано, что контроль угла преломления пучка указанным способом обеспечивает возможность существенного улучшения частотно-контрастной характеристики лазерной системы видения (Л. С. Долин, А. Г. Лучинин).
Предложен и обоснован новый способ лидарного зондирования океана, который позволит осуществлять дистанционное измерение частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) водных слоев, необходимой для прогнозирования дальности действия оптических средств подводного наблюдения и коррекции искажений изображения, обусловленных рассеянием света в воде. ЧКХ водного слоя заданной толщины можно определить по изображению светового пятна, которое появляется на нижней границе слоя в момент прохождения через нее лазерного импульса. Указан алгоритм восстановления ЧКХ по этому изображению. Предложены конкретные схемы лидаров для измерения ЧКХ (Л. С. Долин).
Разработана аналитическая модель лидарного изображения пикноклинных внутренних волн (ВВ). Показано, что изображение ВВ представляет собой суперпозицию двух изображений – отражательного и теневого (просветного). В первом из них отображаются возмущения профиля показателя обратного рассеяния света в поле ВВ, а во втором – возмущения оптической толщины водного слоя, в котором внутренняя волна нарушила горизонтальную однородность оптических характеристик. Предложены алгоритмы восстановления поля ВВ по этим изображениям. Теневое изображение, в отличие от отражательного, не чувствительно к тонким деталям профилей гидрооптических характеристик и может быть использовано для определения параметров ВВ на основе очень грубых данных об оптических свойствах воды. На примере Баренцева моря, с привлечением реальных, одновременно измеренных профилей плотности воды и показателя ослабления светового пучка, продемонстрирована возможность определения модового состава, длины и амплитуды мод ВВ по их лидарным изображениям до глубин порядка 40 м (Л. С. Долин, И. С. Долина, В. А. Савельев).
Адаптивные методы наблюдения через взволнованную поверхность моря в условиях естественного освещения
Разработаны физические основы адаптивного метода наблюдения морского дна и подводных объектов через взволнованную морскую поверхность, позволяющего уменьшить искажения изображения, обусловленные преломлением света на границе раздела вода – воздух (рефракционные искажения). Идея нового метода наблюдения заключается в одномоментной регистрации изображения дна (в сине-зеленой части спектра) и изображения волн на морской поверхности (в красной части спектра) и устранении рефракционных искажений с помощью информации о рельефе морской поверхности, содержащейся в ее изображении. Разработаны и апробированы алгоритмы коррекции искаженных волнением изображений, их эффективность подтверждена лабораторными экспериментами (Л. С. Долин, А. Г. Лучинин, Д. Г. Турлаев, В. И. Титов).
Подводная солнечная дорожка как источник информации о ветровом волнении
В ИПФ РАН впервые исследованы возможности диагностики ветрового волнения с помощью средств подводного видения. Разработаны модели случайной реализации и статистических характеристик изображения взволнованной морской поверхности, наблюдаемой из-под воды в условиях естественного освещения. Обработка изображений солнечной дорожки, которая образуется в результате преломления прямого света Солнца на морской поверхности, позволяет наряду с дисперсиями уклонов и кривизны поверхности определять коэффициенты пространственной и временной корреляции ее уклонов, а следовательно, и коротковолновую часть спектра ветрового волнения. Найдены алгоритмы определения указанных характеристик по подводной солнечной дорожке и проведена их апробация с использованием данных численного и натурного экспериментов. Тем самым создана методическая основа для использования донных оптических датчиков в качестве средства контроля поверхностного волнения на мелководье (Л. С. Долин, А. А. Мольков).
Наряду с дистанционными средствами в ИПФ разрабатываются контактные средства гидрооптических измерений – погружаемые приборы, позволяющие получать первичные данные об оптических характеристиках воды. Эти приборы необходимы для контроля точности дистанционных измерений и метрологического обеспечения работ по экологическому мониторингу природных водоемов.
