DE10035931A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung von ein Seegangsfeld in einem Wellentank beschreibenden hydrographischen Parametern - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung von ein Seegangsfeld in einem Wellentank beschreibenden hydrographischen ParameternInfo
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Abstract
Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung (10) zur Ermittlung von ein Seegangsfeld (11) beschreibenden hydrographischen Parametern vorgeschlagen, wobei das Seegangsfeld (11) in einem Wellentank (14) erzeugt wird und wobei durch Antriebsmittel wenigstens die Amplitude, die Frequenz und die Richtung der im Wellentank (14) erzeugbaren Wellen einstellbar ist. Dabei wird im Wellentank eine Mehrzahl von Bezugspunkten (23) positioniert und deren kartesische Weltkoordinaten werden bestimmt. Dann wird ein Abschnitt des Seegangsfeldes mittels eines optischen Erfassungsmittels (15) optisch erfaßt. Die erfaßte optische Signalsequenz wird in eine Signalsequenz digitaler elektrischer Signale, die Bildpunktkoordinaten entsprechen, umgewandelt. Die Bildpunktkoordinaten der Bezugspunkte (23) werden aus der Signalsequenz bestimmt. Anschließend werden die gespeicherten Signalsequenzen in kartesische Weltkoordinaten transformiert. Schließlich wird das transformierte Signalspektrum einer dreidimensionalen Fourier-Transformation unterworfen, um aus dem aus der Fourier-Transformation erhaltenen dreidimensionalen Spektrum wenigstens als ermittelte Parameter die Strömung und/oder die Wassertiefe des Wellenfeldes zu bestimmen.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von
ein Seegangsfeld beschreibenden hydrographischen Para
metern, wobei das Seegangsfeld in einem Wassertank
erzeugt wird, und eine Vorrichtung zur Erfassung von ein
Seegangsfeld beschreibenden hydrographischen Parametern,
umfassend einen Wasser aufweisenden Wellentank, in dem
durch Antriebsmittel wenigstens die Amplitude, die
Frequenz und die Richtung der darin erzeugbaren Wellen
einstellbar ist. Die Vorrichtung kann zur Ausführung des
vorgenannten Verfahrens herangezogen werden.
Für Untersuchungen im Bereich des Wasserbauingenieurwe
sens und für ozeanographische Untersuchungen bezüglich
des Verhaltens von Seegangsfeldern werden sogenannte
Wellentanks verwendet, in denen durch beispielsweise
hydraulische Antriebsmittel wenigstens die Amplitude,
die Frequenz und die Richtung der im Wellentank erzeug
baren Wellen einstellbar sind. Bisher wurden in den
besagten Wellentanks zur Messung der Wellen sogenannte
Wellenmeßdrähte oder Lasersensoren verwendet, mit denen
eindimensionale Frequenzspektren der Oberflächenauslen
kung der Wellen punktuell erfaßt werden konnten. Eine
definierte Aussage über die Richtungsverteilung der
Wellen konnte in eingeschränkter Form dadurch erreicht
werden, daß mehrere eindimensionale Wellenmeßgeräte in
Feldanordnung verwendet wurden. Im Meer, d. h. nicht in
einem Wellentank, wurde mittels des Einsatzes nautischer
Radareinrichtungen versucht, definierte Wellenparameter
zu erfassen und daraus Aussagen über die Wellenbewegung
und Richtung zu berechnen, die räumliche und zeitliche
Auflösung nautischen Radareinrichtungen aber begrenzt
und ist, wie gesagt, nur für Anwendungen auf dem offenen
Meer und in Küstennähe geeignet.
Die vollständige Beschreibung der Richtungsverteilung
ist mit eindimensional erfassenden Wellenmeßgeräten
nicht erreichbar, d. h. es sind beispielsweise Kreuzseen,
d. h. ein Seegang, bestehend aus zwei Wellensystemen aus
zwei unterschiedlichen Richtungen, mit den bisherigen
Methoden nicht erfaßbar. Dem Wasserbauingenieurwesen
standen bisher somit weitgehend nur empirisch zustande
gekommene Lösungen zur Bemessung und Beurteilung der
durch Seegang erzeugten Kräfte beispielsweise auf
Küstenformationen, Wasser- oder Hafenbauten zur Verfü
gung.
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen
dem Wasserbauingenieurwesen und der Meeres- bzw. Seegangsforschung
Werkzeuge an die Hand gegeben werden, mit
denen globale und lokale sowie richtungseindeutige
dreidimensionale Wellenzahl-Frequenz-Spektren in einem
Wellentank erfaßt werden können und daraus hydrogra
phische Parameter abgeleitet werden können, so daß
qualitativ und quantitativ hochgenaue Angaben über das
Verhalten von Seegangsfeldern gemacht werden können,
wobei bisherige, zu diesem Zwecke bereitgestellte
Wellentanks Verwendung finden können und somit auch die
Erkenntnisse und Ergebnisse der in Wellentanks bisher
erreichbaren Aussagen über das Verhalten von Seegangs
feldern erweitert und vertieft werden kann.
Gelöst wird die Aufgabe gemäß dem erfindungsgemäßen
Verfahren dadurch, daß
- a) im Wellentank eine Mehrzahl von Bezugs punkten postiert und deren kartesische Weltko ordinaten bestimmt werden,
- b) daß wenigstens ein Abschnitt des Seegangs feldes optisch erfaßt wird,
- c) daß nachfolgend die erfaßte optische Si gnalsequenz in eine Signalsequenz digitaler elektrischer Signale, die Bildpunktkoordinaten entsprechen, umgewandelt wird,
- d) daß Bildpunktkoordinaten der Bezugspunkte aus der Signalsequenz bestimmt werden,
- e) daß anschließend die gespeicherten Signal sequenzen in kartesische Weltkoordinaten transformiert werden und
- f) daß die transformierten Signalsequenzen wenigstens einer dreidimensionalen Fourier Transformation unterworfen werden, um aus dem aus der Fourier Transformation erhaltenen dreidimensionalen Spektrum wenigstens die Strömung und/oder die Wassertiefe des Wellen feldes zu bestimmen.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt im
wesentlichen darin, daß, wie angestrebt wird, über die
in einem Wellentank erzeugten natürlichen Seegangszu
stände qualitative und quantitative Aussagen gemacht
werden können, die sowohl für das Wasserbauingenieurwe
sen als auch für die Meeres- und Seegangsforschung einen
sehr viel tieferen Einblick in das Verhalten des See
ganges geben, als es mit den im Stand der Technik bisher
bekannten und verwendeten Methoden möglich war. Erfin
dungsgemäß können Aussagen über Wellenfelder mit nahezu
beliebiger Frequenz- und Richtungsverteilung gemacht
werden, und zwar bei in Wellentanks erzeugten Seegangs
feldern, was zudem die Anwendungsbandbreite von Wellen
tanks für diese Zwecke vergrößert.
Allgemein gilt, daß Seegangswellen eine minimale und
eine maximale Frequenz bzw. Wellenperiode besitzen. Um
eine zeitliche Unterabtastung der Seegangswellen zu
vermeiden, ist es vorteilhaft, bei der Ausführung des
Verfahrens jede Welle des Seegangsfeldes wenigstens
zweimal optisch zu erfassen, wobei die Erfassungsdauer
so gewählt wird, daß die langsamste Welle hinreichend
oft je Wellenperiode abgetastet wird. Analog hierzu ist
es vorteilhaft, die Welle mit der geringsten Wellenpe
riode bzw. höchsten Frequenz wenigstens zweimal abzuta
sten.
Allgemein gilt, daß die Wellenlänge λ bzw. die Wellen
zahl k einer Seegangswelle in linearer Nährung mit der
Wellenperiode P bzw. der Wellenfrequenz ω über die soge
nannte lineare Dispersionsrelation von Seegangswellen
verknüpft sind. Strömung und Wassertiefe verändern
jedoch die Form der Dispersionsrelation. Vorteilhafter
weise wird deshalb das dreidimensionale Spektrum (Bild
spektrum) einer Filterung nach dem Prinzip der Dispersi
onsrelation unterworfen, d. h. die Dispersionsrelation
wird als Signalfilter verwendet, um den spektralen
Anteil des Seegangs vom Rauschen zu trennen. Die spek
tralen Signale, welche sich in der Umgebung einer durch
die Dispersionsrelation definierten Fläche im Spektral
raum befinden, werden dem Signal zugeordnet, wohingegen
diejenigen Signale außerhalb dieser Umgebung dem Rau
schen zugeordnet und ggf. verworfen werden.
Um aus dem durch das Verfahren erhaltenen dreidimensio
nalen Bildspektrum ein kalibriertes Seegangsspektrum zu
bestimmen, ist es vorteilhaft, Ergebnisse von in situ
gemessenen hydrographischen Parametern in die Bewertung
der durch das Verfahren bereitgestellten Analysedaten
einzubeziehen.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine globale
Analyse und eine lokale Analyse der ermittelten Parame
ter. Die globale Analyse ist nur dann anwendbar, wenn
das Wellenfeld im optisch erfaßten Gebiet sowie über die
Erfassungsdauer des Meßsystems als homogen und stationär
betrachtet werden kann, wobei Ausgangsgrößen die Strö
mung (zweidimensionaler Vektor der oberflächennahen
Strömung), Wassertiefe und Seegangsspektrum sind. Treten
im optisch erfaßten Gebiet des Seegangsfeldes hingegen
Inhomogenitäten auf, beispielsweise hervorgerufen durch
Seegangsdiffraktion- oder -refraktion, aber auch durch
Inhomogenitäten im Abbildungsverhalten, beispielsweise
hervorgerufen durch Inhomogenitäten der Beleuchtung der
Seegangsoberfläche, wird die lokale Analyse angewendet,
wobei bei dieser vorteilhafterweise das dreidimensionale
Spektrum des erfaßten Bildes in bezug auf Dispersion
Richtung und Frequenz der einzelnen Wellen separiert
wird, zum Erhalt von vermeßbaren Bildern einzelner
Wellen. Bei einer inhomogenen Seegangsoberfläche kann
sich die Wellenlänge lokal ändern. Unter Vermessung ist
hierbei die Bestimmung der lokalen Wellenlänge zu
verstehen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist durch ein optisches
Erfassungsmittel gekennzeichnet, das in einem vorbe
stimmbaren Lotwinkel auf die Oberfläche des Wassers
gerichtet ist, wobei durch das optische Erfassungsmittel
ein vorbestimmbarer Abschnitt der Oberfläche des Wassers
erfaßbar ist und wenigstens eine davon erfaßbare Si
gnalsequenz (Bildsequenz) wenigstens zur Bestimmung der
Strömung und/oder der Wassertiefe des Wellenfeldes
heranziehbar ist.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht im
wesentlichen darin, daß bestehende Wellentanks lediglich
mit den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Elementen
instrumentiert zu werden brauchen, um ein geeignetes
Instrument zu schaffen, mit dem beispielsweise unter
Anwendung des voraufgeführten Verfahrens globale und
lokale sowie richtungseindeutige dreidimensionale
Wellenzahl-Frequenz-Spektren erfaßt werden können und
daraus abgeleitete hydrographische Parameter generiert
werden können durch entsprechende Aufbereitung der
mittels des optischen Erfassungsmittels erfaßten Si
gnalsequenzen (Bildsequenzen).
Prinzipiell kann jede feste oder flüssige Oberfläche,
deren dynamisches Verhalten mit einer Dispersionsrela
tion beschrieben werden kann, mit dem lokalen Verfahren
untersucht werden. Hierbei ist zu beachten, daß ein
raumzeitlich erfassendes Meßsystem verwendet wird, das
die interessierenden physikalischen Parameter erfaßt.
Das optische Erfassungsmittel kann grundsätzlich ein
beliebiges Erfassungsmittel sein, vorteilhaft ist es
jedoch, als Erfassungsmittel eine Kameraeinrichtung
vorzusehen. Besonders vorteilhaft ist es, die Kamera
einrichtung in Form einer CCD-Kamera auszubilden, da
diese schon Signalsequenzen (Bildsequenzen) liefert, die
keiner aufwendigen Signalaufbereitung unterworfen werden
müssen. Es sei aber darauf hingewiesen, daß an sich jede
beliebige geeignete Kameraeinrichtung, die geeignet ist,
Bildsequenzen aufzunehmen, grundsätzlich für den erfin
dungsgemäßen Betrieb der Vorrichtung herangezogen werden
kann.
Um Aussagen über das mittels der optischen Erfassungs
einrichtung erfaßten Seegangsfeldes quasi in Echtzeit
zur Verfügung zu stellen, d. h. auch die Analyse der
erfaßten Signalsequenzen sofort vornehmen zu können und
das Ergebnis quasi in Echtzeit zur Verfügung zu stellen,
ist es vorteilhaft, die optische Erfassungseinrichtung
mit einem Rechner unter Zwischenschaltung eines Ana
log/Digital-Wandlers zu verbinden, so daß, wie ange
strebt, mittels des Rechners die Ermittlung der hydro
graphischen Parameter in quasi Echtzeit durchführbar
ist.
Wie oben erwähnt, erfaßt das optische Mittel die Ände
rung der Beleuchtung und der Reflexivität als Funktion
der Neigung der erfaßten Wellenoberflächen, d. h. die
Modulation des an der Oberfläche des Wassers aufgrund
des Seegangs reflektierten Lichts. Zu diesem Zwecke ist
eine definierte Beleuchtung nötig, um auch eine Kali
brierung der Bildsequenzen durchführen zu können. Aus
diesem Grunde wird vorteilhafterweise die Oberfläche des
Wassers mit von einer Lichtquelle erzeugten Lichtes
beleuchtet.
Vorzugsweise wird das Licht auf einen Diffusor geleitet,
wobei das vom Diffusor reflektierte Licht auf die
Oberfläche des Wassers geleitet wird. Dabei ist die
räumliche Ausdehnung des Diffusors so gewählt, daß der
gesamte vom optischen Erfassungsmittel abgebildete
Bereich der Wasseroberfläche im Idealfall bei jeder
durch Wellengang hervorgerufenen Oberflächenneigung so
ausgerichtet ist, daß der Strahlengang vom optischen
Erfassungsmittel an der Wasseroberfläche im zu erfas
senden gewünschten Gebiet reflektierend stets auf den
Diffusor trifft.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nach
folgenden schematischen Zeichnungen und Flußdiagramme im
einzelnen beschrieben. Darin zeigen:
Fig. 1 eine Vorrichtung zur Erfassung optischer
Bildsequenzen,
Fig. 2 die Anordnung einer hier als CCD-Kamera ausge
bildeten Einrichtung zur Erfassung optischer
Bildsequenzen und einer Lichtquelle bezüglich
der Wasseroberfläche in einem Wassertank in der
Seitenansicht,
Fig. 3 eine Darstellung in der Ansicht von oben gemäß
Darstellung von Fig. 2,
Fig. 4 ein Aufsichtsschema eines Wassertanks, wobei
die Markierungen "+" Bezugspunkte bezeichnen
und S0, . . ., S4 Positionen von in situ Wellen
drähten bezeichnen, wohingegen die durchgezo
genen Linien Trapeze in den Gebieten A und B
markieren, die jeweils von einem elektronischen
Erfassungsmittel aufgenommene Gebiete darstel
len,
Fig. 5 Bezugspunkte, die an den Positionen S0, . . ., S4
von Fig. 4 positioniert sind,
Fig. 6a das mittels des Verfahrens bzw. der Vorrichtung
gelieferte Rohbild im Bildkoordinatensystem,
Fig. 6b ein Beispiel eines Rohbildes gemäß Fig. 6a,
jedoch in Weltkoordinaten transformiert,
Fig. 7 den Verlauf der Reflexivität an der Grenzfläche
Luft/Wasser als Funktion des Lotwinkels des
einfallenden Lichtes für die Reflektivität von
senkrecht polarisiertem Licht (----), für
parallel polarisiertes Licht (......) und für
unpolarisiertes Licht (),
Fig. 8a eine räumliche Darstellung der Dispersionsre
lation für Oberflächenwellen im Wellenzahl-
Frequenzraum ohne durch eine oberflächennahe
Strömung dopplerverschobene (deformierte)
Dopplerverschiebung,
Fig. 8b eine Darstellung gemäß Fig. 8a, jedoch mit
einer durch eine oberflächennahe Strömung
dopplerverschobene (deformierte) Dopplerver
schiebung,
Fig. 9a bis 9d eine schematische Darstellung einer Dispersi
ons-Richtungs-Frequenzseparation, wobei das
Bildspektrum durch Anwendung von Dispersions-
Richtungs- und Frequenzseparation in sogenannte
DDF-Bins zerlegt ist,
Fig. 10 das Flußschema einer Aufnahme einer optischen
Bildsequenz der Seegangsoberfläche und deren
Transformation von Bildkoordinaten in Weltko
ordinaten,
Fig. 11 eine Darstellung eines Ablaufschemas zur
Durchführung einer globalen und lokalen Analyse
von Bildsequenzen in Weltkoordinaten,
Fig. 12 das Ablaufschema einer globalen Analyse zur
Bestimmung hydrographischer Parameter der
Seegangsfelder, für welche die Annahme der
Homogenität und Stationarität erfüllt ist,
Fig. 13 das Ablaufschema einer lokalen Analyse zur
Bestimmung hydrographischer Parameter für
Seegangsfelder, bei denen Homogenität nicht
erfüllt ist, und
Fig. 14a bis 14c die räumliche Repräsentation der Phasen bei
einer bestimmten Frequenz, wobei die weißen
Flächen positive Phasen und die schwarzen
Flächen negative Phasen bedeuten, und wobei a.
die Phase ungefiltert, b. die Phase disper
sionsgefiltert und c. die Phase richtungsgefil
tert darstellt.
Es wird zunächst Bezug genommen auf die Fig. 1 bis 3,
die schematisch den Aufbau der Vorrichtung 10 zur
Ermittlung von ein Seegangsfeld 11 beschreibenden
hydrographischen Parametern zeigen. Das Seegangsfeld 11
wird in einem Wellentank 14, vergleiche Fig. 1, auf an
sich bekannte Weise erzeugt, d. h. durch hier nicht
dargestellte Antriebsmittel, die die Amplitude, die
Frequenz und die Richtung der im Wellentank 14 erzeug
baren Wellen bestimmen. Derartige Wellentanks 14 sind in
Wasserbauversuchsanstalten oder sonstigen ähnlichen
Zwecken dienenden Einrichtungen vorhanden, wobei diese
unter anderem der Erforschung von Strömungen, Seegangs
feldern und dergleichen in ozeanischen Gewässern und
Küstengewässern dienen. Einem standardmäßig vorhandenen
Wellentank 14 wird die Vorrichtung 10 zugeordnet.
Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau der Vorrichtung 10
in bezug auf die Erfassung von Signalsequenzen (Bildse
quenzen) entsprechend der Höhe, der Richtung, der
Wellenperiode sowie der Wellenfrequenz und umfaßt ein
optisches Erfassungsmittel 15, vergleiche auch die Fig.
2 und 3, das unter einem bestimmten Lotwinkel, bei
spielsweise im Bereich von 70°, auf die Wasseroberfläche
13 gerichtet ist. Wandungen bzw. Begrenzungen des
Wellentanks 14, in dem die Vorrichtung 10 angeordnet
ist, sind hier aus Übersichtlichkeitsgründen weggelassen
worden.
Mittels des optischen Erfassungsmittels 15 wird ein
trapezförmiger Seegangsfeldbereich 22, vergleiche Fig.
3, erfaßt. Im Strahlenerfassungsbereich des Erfassungs
mittels 15 ist ein Diffusor 21 angeordnet, der von einer
Lichtquelle 19 mit Licht 20 beaufschlagt wird. Der
Diffusor 21 stellt somit die eigentliche Beleuchtungs
quelle dar, die auch bei der in Fig. 2 dargestellten
Ausgestaltung der Vorrichtung 10 auch als Reflektor
wirkt. Der Diffusor kann faktisch aus einer aus PVC
gebildeten Plane realisiert werden und von neutraler
weißer Farbe sein. Die räumliche Ausbildung des Diffu
sors 21 ist so gewählt, daß jede vom optischen Erfas
sungsmittel 15 erfaßte Facette der Wasseroberfläche 13
im Idealfall bei jeder durch den Wellengang im Seegangs
feld 11 hervorgerufenen Oberflächenneigung so ausgerich
tet ist, daß der Strahlengang, ausgehend von dem opti
schen Erfassungsmittel 15, sodann an der Wasseroberflä
che 13 im Seegangsfeld bzw. Seegangsfeldbereich 22
reflektierend auf den Diffusor trifft. Die räumliche
Verteilung der Radianz der indirekten Beleuchtung des
Reflektors kann mit einem Radiometer ausgemessen werden.
Die Änderung der Beleuchtung und der Reflektivität als
Funktion der Neigung der Facetten bestimmen die Modula
tion des an der Wasseroberfläche 13 reflektierten
Lichtes 200 aufgrund des Seeganges im erfaßten Seegangs
feld 11.
Die vom optischen Erfassungsmittel 15, das vorzugsweise
eine CCD-Kamera ist, erfaßten Signalsequenzen (Bildse
quenzen) werden auf einen Analog/Digital-Wandler 18
gegeben. Der Analog/Digital-Wandler kann beispielsweise
durch einen sogenannten Framegrabber gegeben werden,
d. h. einer Einrichtung, mit der das von der optischen
Erfassungseinrichtung 15 erzeugte Videobild bzw.. die
erfaßte Signalsequenz (Bildsequenz) in Signalfolgen
umgewandelt wird, die in einem Rechner 17 entsprechend
dem weiter unten beschriebenen erfindungsgemäßen Ver
fahren bearbeitet werden.
Im Wellentank 14, vergleiche Fig. 4 und 5, ist eine
Mehrzahl von Bezugspunkten 23 angeordnet, deren karte
sische Weltkoordinaten bestimmt werden. Die Bezugspunkte
23 sind in Fig. 4 mit "+" bezeichnet. In Fig. 4 sind
zudem Positionen S0, . . ., S4 erkennbar, die Positionen
von Wellendrähten bezeichnen, die für die Kalibrierung
der erfaßten Signalsequenzen (Bildsequenzen) herangezo
gen werden. Mit den Bezugspunkten 23 ist eine geome
trische Entzerrung der erfaßten Signalsequenzen (Bild
sequenzen) durchführbar.
Bevor auf das Verfahren zur Analyse der mittels der
optischen Erfassungseinrichtung 15 erfaßten optischen
Signalsequenzen (Bildsequenzen) des im Wellentank 14 auf
vorbestimmte Weise erzeugten Seegangsfeldes 14 einge
gangen wird, wird noch Bezug genommen auf die Darstel
lung von Fig. 7, in der die unterschiedliche Reflekti
vität an der Grenzfläche Luft-Wasser 12 als Funktion des
Lotwinkels 16 des einfallenden Lichtes 200 dargestellt
ist, und zwar für die Reflektivität von senkrecht
polarisiertem Licht (-----), für parallel polarisiertes
Licht (......) und für unpolarisiertes Licht ().
Nachdem im Wellentank eine Mehrzahl von Bezugspunkten 23
postiert und deren kartesische Weltkoordinaten bestimmt
worden sind, wird mittels der optischen Einrichtung 15
durch jeweils eine optische Erfassungseinrichtung 15 ein
Seegangsfeld 11 optisch erfaßt. Bei der Darstellung von
Fig. 4 sind zwei optische Erfassungsmittel 15, d. h.
jeweils eins für das Gebiet a und eins für das Gebiet b,
vorgesehen. Das Vorsehen von mehreren optischen Erfas
sungsmitteln 15 ist aber nicht zwingend, vielmehr kann
dieses geeignet in Abhängigkeit des zu untersuchenden
Problems gewählt werden.
Die mit der optischen Erfassungseinrichtung 15 aufzu
nehmenden Seegangswellen des Seegangsfeldes 11 besitzen
eine minimale und maximale Frequenz bzw. Wellenperiode.
Um eine zeitliche Unterabtastung zu vermeiden, wird die
Aufnahmefrequenz so gewählt, daß jede Welle zeitlich
wenigstens zweimal abgetastet wird (Nyquistkriterium).
Die Erfassungsdauer wird so gewählt, daß die langsamste
Welle hinreichend oft je Wellenperiode abgetastet wird.
Aus der von der optischen Erfassungseinrichtung 15
erfaßten analogen optischen Signalsequenz (Bildsequenz)
wird eine digitale Signalsequenz (Bildsequenz) erzeugt.
Die Bildpunkte, aus denen ein einzelnes Bild einer
Sequenz besteht, sind in sogenannten Bildkoordinaten
angegeben. Die Bildkoordinaten xb und yb der Bezugs
punkte 23 werden mit einem Mustererkennungsalgorithmus
aus den erfaßten Bildsequenzen ermittelt.
Es wird zur weiteren Beschreibung Bezug genommen auf
Fig. 9, in der das Ablaufschema einer geometrischen
Transformation dargestellt ist. Das Ergebnis der geome
trischen Transformation liefert die Bildsequenz in
Weltkoordinaten, wobei Weltkoordinaten das dreidimen
sionale Koordinatensystem xw, yw, zw des realen Raumes
sind, der von der optischen Erfassungseinrichtung
ausgebildet wird. Das Bildkoordinatensystem hingegen
beschreibt das zweidimensionale Koordinatensystem xb,
yb, das die Anordnung der Pixel/Grauwerte in der er
faßten Bildsequenz beschreibt. Die Transformation des
zweidimensionalen Bildes von den Bildkoordinaten xb, yb
in ein zweidimensionales Bild in Weltkoordinaten xw, yw
wird durch die geometrische Transformation vorgenommen.
Die dritte Dimension zw ist dann willkürlich beispiels
weise auf 0 gesetzt, was hier der mittleren oder ruhen
den Wasseroberfläche 13 entspricht. Die Bildsequenzen
werden nach der Methode von Tsai in das Weltkoordina
tensystem übertragen.
Zur Beschreibung der Analyse der erfaßten Signalse
quenzen (Bildsequenzen) des erfaßten Seegangsfeldes zur
Bestimmung der hydrographischen Parameter wird auf Fig.
10 verwiesen. Die mittels des Verfahrens gelieferten
Bildsequenzen in Weltkoordinaten können nun einer
globalen Sequenzanalyse oder einer lokalen Sequenzana
lyse zugrundegelegt werden. Diese Unterteilung ist aus
folgenden Gründen sinnvoll. Die globale Sequenzanalyse
ist für Seegangsoberflächen geeignet, welche die Bedin
gungen der Homogenität und der Stationärität erfüllt,
was bedeutet, daß die von der optischen Erfassungsein
richtung erfaßten Wellen ihre Eigenschaften (Phase und
Amplitude) räumlich und zeitlich nicht ändern. Mit der
globalen Analyse werden über die räumliche Ausdehnung
des optischen Erfassungsgebiets und die Erfassungsdauer
integrierte hydrographische Parameter bestimmt.
Treten im interessierenden Seegangsfeld hingegen Inhomo
genitäten, beispielsweise durch Seegangsdiffraktion oder
-refraktion aber auch Inhomogenitäten im Abbildungsver
halten, z. B. durch Inhomogenitäten der Beleuchtung der
Wasseroberfläche des Seegangsfeldes 11, auf, wird die
lokale Sequenzanalyse angewendet, d. h. mittels dieser
werden räumliche Felder hydrographischer Parameter
berechnet.
Eingangsgrößen für das globale Analyseverfahren sind die
optischen Signalsequenzen (Bildsequenzen) in Weltkoor
dinaten und zur Kalibrierung benötigte in situ Ver
gleichsmessungen. Vergleichsmessungen sind beispielsweise
eine Mehrzahl über die Zeit erfaßter Auslenkungen
der Meeresoberfläche, aufgenommen beispielsweise mit
Wellendrähten und Lasern. Die vom optischen Erfassungs
mittel 15 erfaßten optischen Signalsequenzen (Bildse
quenzen) enthalten die raumzeitliche Information über
das erfaßte Wellenfeld in Form von Grauwerten G(xw, yw,
t). Diese dreidimensionale Information wird mit einer
dreidimensionalen Fast Fourier Transformation (3D FFT)
in ein dreidimensionales Spektrum zerlegt. Hierbei wird
zum einen die zeitliche Information t in Frequenzen
(präzise: Kreisfrequenz, hier kurz Frequenz genannt) ω =
2π/t und zum anderen in die räumliche Information xw, yw
in Wellenzahlen kX = 2π/xw, ky = 2π/yw zerlegt. Das
Ergebnis der Fast Fourier Transformation ist das drei
dimensionale Wellenzahl-Frequenz-Spektrum S(kx, ky, ω),
kurz Bildspektrum genannt. Nachfolgend werden die
Wassertiefe d und die Strömung ux, uy durch Anpassung
der Seegangs-Signalkoordinaten des Bildspektrums an die
theoretische Dispersionsrelation der Seegangswellen,
vergleiche Fig. 8, berechnet. Das Verfahren zur Berech
nung der Wassertiefe und Strömung ist vorzugsweise ein
sogen. "Least-Squares Verfahren". Die mittels des
Verfahrens erhaltenen Strömungs- und Wassertiefenpara
meter sind die gewünschten Ausgabegrößen der Analyse.
Die Wellenlänge λ bzw. die Wellenzahl k einer Seegangs
welle sind in linearer Nährung mit der Wellenperiode τ
bzw. der Wellenfrequenz ω über die lineare Dispersions
relation von Seegangswellen verknüpft. Die Dispersions
relation im dreidimensionalen Wellenzahl-Frequenz-Raum
ist in Abb. 8a dargestellt. Strömung und Wasser
tiefe verändern jedoch die Form der Dispersionsrelation.
Diese Verformung der Dispersionsrelation ist für die
Strömung in Fig. 8b exemplarisch dargestellt. Nach
Bestimmung der Form der Dispersionsrelation mit der
Strömungs-Tiefenregression im spektralen Wellenzahl-
Frequenz-Raum wird die Dispersionsrelation als Signal
filter verwendet, um den spektralen Anteil des Seegangs
vom Rauschen zu trennen. Die spektralen Signale, welche
sich in der Umgebung der durch die Dispersionsrelation
definierten Fläche im Spektralraum befinden, werden dem
eigentlichen Signal zugeordnet, diejenigen Signale
außerhalb dieser Umgebung werden dem Rauschen zugeord
net. Zur Bestimmung von kalibrierten Seegangsspektren
wird aus dem dreidimensionalen Bildspektrum S(kx, ky, ω)
mittels einer Parametrisierung bzw. Anpassung an in situ
Meßergebnisse das kalibrierte Seegangsspektrum bestimmt.
Das bedeutet, daß die spektralen Grauwertvarianzen in
Energiewerte überführt werden.
Sämtliche Ausgangsgrößen der globalen Berechnungsmetho
de, die auf der dreidimensionalen Fast Fourier Trans
formation basieren, sind über das aufgenommene See
gangsfeld sowie über die Aufnahmedauer des Meßsystems
gewichtet zu betrachten. Wie schon erwähnt, ist das
globale Analyseverfahren nur dann anwendbar, wenn das
Wellenfeld im aufgenommenen Seegangsgebiet sowie über
die Erfassungsdauer des Erfassungssystems als homogen
und stationär betrachtet werden kann. Ausgangsgrößen,
vergleiche auch Fig. 11, die das Ablaufschema der
globalen Analyse zur Bestimmung hydrographischer Para
meter für Seegangsfelder zeigen, für welche die Annahme
Homogenität erfüllt ist, sind die Strömung (zweidimen
sionaler Vektor der oberflächennahen Strömung), Wasser
tiefe und Seegangsspektrum.
Eingangsgrößen für das lokale Analyseverfahren sind die
optischen Signalsequenzen (Bildsequenzen) in Weltkoordi
naten, wie zuvor beschrieben, und zur Kalibrierung
benötigte in situ Vergleichsmessungen der Auslenkung der
Meeresoberfläche, die beispielsweise mit Wellendrähten
und Lasern aufgenommen sein können.
Die Analyse wird, vergleiche Fig. 12, ebenfalls mittels
der Ausführung der dreidimensionalen Fast Fourier
Transformation analog zum globalen Analyseverfahren,
siehe oben, eingeleitet. Auch die Strömungs-Tiefenre
gression wird analog zum globalen Analyseverfahren
ausgeführt. Das Ergebnis der Strömungs-Tiefenregression
wird für den nächsten Analyseschritt benötigt, um einen
Dispersionsfilter aufzuspannen, vergleiche ebenfalls
oben. Es wird in diesem Zusammenhang auf Fig. 8b ver
wiesen, wo, im Unterschied zu Fig. 8a, eine Dopplerver
schiebung der Dispersionsrelation durch eine oberflä
chennahe Strömung erfolgt ist.
Es wird dann eine Dispersions-, Richtungs- und Frequenz-
Separation und zweidimensionale inverse Fast Fourier
Transformation durchgeführt, wobei in diesem Schritt im
Gegensatz zur globalen Methode das komplexwertige
Signalspektrum verwendet wird, da im Gegensatz zum
Vari-anzspektrum die Phase des spektralen Signals erhal
ten wird. Das dreidimensionale komplexwertige Bildspek
trum wird mit der Methode der sogen. Dispersion-Direc
tion-Frequency-Separation (DDFS) in einzelne Wellen
separiert. Diese Separation wird nur dann durchgeführt,
wenn für die spektrale Varianz an entsprechender Stelle
ein bestimmter Schwellwert überschritten ist, d. h., daß
das Signal der entsprechenden Welle hinreichend ausge
prägt ist. In Fig. 9 ist schematisch die Dispersion-
Direction-Frequency-Separation dargestellt. Die Dispersion-Direction-Frequency-Separation
zerlegt das
dreidimensionale Bild in sogenannte DDF-Bins.
Die DDF-Bins, jeweils in einer Wellenzahlebene kon
stanter Frequenz, werden mittels einer zweidimensionalen
inversen Fast Fourier Transformation (2D INV FFT) in das
Weltkoordinatensystem überführt. Dieses Ergebnis ist
komplexwertig und kann als räumliches Phasenbild und als
räumliches Varianzbild dargestellt werden. In Fig. 13
ist eine Reihe von räumlichen Phasenbildern beispielhaft
dargestellt. Der aus Fig. 12 ersichtliche Schritt eines
lokalen Wellenzahlfits geht davon aus, daß die komplex
wertige Wellenzahl, bis auf die imaginäre Einheit i, der
Proportionalitätsfaktor zwischen dem komplexen Bild und
dem komplexwertigen Gradientenbild ist. Dieser Propor
tionalitätsfaktor wird blockweise bei der Ausführung des
lokalen Wellenzahlfits mit einem Regressionsverfahren
bestimmt. Analog zur globalen Analyse werden aus den
lokalen Wellenzahlen, siehe Schritt "lokale Strömungs-
Tiefenregression", Strömung und Wassertiefe mit einer
Regression durch Anpassung an die Dispersionsrelation
berechnet.
Bei bekannter lokaler Form der Dispersionsrelation
werden nun lokale Bildspektren im Schritt "spektrale
Zuordnung" bestimmt. Die Varianzen der lokalen Bildspek
tren werden aus den blockweise gemittelten DDF-separier
ten Varianzbildern entnommen. Die Wellenzahlkoordinaten
des Bildspektrums werden durch Umkehrung der Disper
sionsrelation berechnet. Analog zur globalen Kalibrie
rung werden mittels der in situ Messungen die Bildspek
tren in lokale Seegangsspektren überführt.
Die Ausgangsgröße des lokalen Analyseverfahrens sind
Strömungs- und Tiefenparameter und lokale Seegangsspek
tren.
Schließlich wird noch auf Fig. 13 verwiesen, die die
räumliche Repräsentation der Phase bei einer bestimmten
Frequenz darstellt. Weiße Flächen bedeuten positive
Phasen, schwarze Flächen bedeuten negative Phasen. An
den Grenzen der weißen und schwarzen Flächen sind die
Phasen gleich 0. Eine ungefilterte Darstellung der
Phasen ist aus der Fig. 13a ersichtlich, dispersionsge
filterte Phase sind aus der Fig. 13b ersichtlich und
dispersions- und richtungsgefilterte Phasen sind aus der
Fig. 13c ersichtlich. Die lokalen Wellenzahlen werden
aus dem komplexwertigen Bild und dem komplexwertigen
Gradientenbild berechnet. Diese Berechnung wird für alle
Frequenzen und alle Richtung durchgeführt, so daß die
Wellenzahlen für alle Frequenzen und Richtungen vorlie
gen. Setzt man diese an jeden räumlichen Punkt mit der
zugehörigen Grauwertvarianz oder spektralen Energie
zusammen, so erhält man ein lokales Wellenzahl-Rich
tungsspektrum oder ein Frequenz-Richtungsspektrum.
10
Vorrichtung
11
Seegangsfeld
12
Wasser
13
Wasseroberfläche
14
Wellentank
15
optisches Erfassungsmittel
16
Lotwinkel
17
Rechner
18
Analog/Digital-Wandler
19
Lichtquelle
20
Licht
200
reflektiertes Licht
21
Diffusor
22
Seegangsfeldbereich
23
Bezugspunkt
Claims (13)
1. Verfahren zur Ermittlung von ein Seegangsfeld be
schreibenden hydrographischen Parametern, wobei das
Seegangsfeld in einem Wasserkörper, insbesondere in
einem Wellentank, erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß
- a) im Wellentank eine Mehrzahl von Bezugs punkten postiert und deren kartesische Weltko ordinaten bestimmt werden,
- b) daß wenigstens ein Abschnitt des Seegangs feldes optisch erfaßt wird,
- c) daß nachfolgend die erfaßte optische Si gnalsequenz in eine Signalsequenz digitaler elektrischer Signale, die Bildpunktkoordinaten entsprechen, umgewandelt wird,
- d) daß Bildpunktkoordinaten der Bezugspunkte aus der Signalsequenz bestimmt werden,
- e) daß anschließend die gespeicherten Signal sequenzen in kartesische Weltkoordinaten transformiert werden und
- f) daß die transformierten Signalsequenzen einer dreidimensionalen Fourier Transformation unterworfen werden, um aus dem aus der Fourier Transformation erhaltenen dreidimensionalen Spektrum wenigstens die Strömung und/oder die Wassertiefe des Wellenfeldes zu bestimmen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß jede Welle des Seegangsfeldes wenigstens zweimal
optisch erfaßt wird.
3. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder
2, dadurch gekennzeichnet, daß das dreidimensionale
Spektrum einer Filterung nach dem Prinzip der Dispersi
onsrelation unterworfen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß zum Erhalt eines kalibrierten Seegangsspektrums
Ergebnisse von in situ gemessenen hydrographischen
Parametern in die Bewertung der Analyse einbezogen
werden.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2
bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das dreidimensionale
Spektrum in bezug auf Dispersion, Richtung und Frequenz
zum Erhalt einer Menge von vermeßbaren Bildern (Phase,
Varianz) einzelner Wellen separiert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die räumliche Verteilung der Wellenlänge einer
jeweiligen einzelnen Welle der Menge aller Bilder
(Phase, Varianz) zu jedem Punkt eines lokal begrenzten
Gebietes des Beobachtungsgebietes gesammelt wird, woraus
die räumliche Verteilung der hydrographischen Parameter
wie Wassertiefe und Strömung herleitbar ist.
7. Vorrichtung zur Erfassung von ein Seegangsfeld
beschreibenden hydrographischen Parametern, umfassend
einen wasseraufweisenden Wellentank, in dem durch
Antriebsmittel wenigstens die Amplitude, die Frequenz
und die Richtung der darin erzeugbaren Wellen einstell
bar ist, gekennzeichnet durch ein optisches Erfassungs
mittel (15), das in einem vorbestimmbaren Lotwinkel (16)
auf die Oberflächen (13) des Wassers (12) gerichtet ist,
wobei durch das optische Erfassungsmittel (15) ein
vorbestimmbarer Abschnitt der Oberfläche (13) des
Wassers (12) erfaßbar ist und wenigstens eine davon
erfaßbare Signalsequenz wenigstens zur Bestimmung der
Strömung und/oder der Wassertiefe des Wellenfeldes
heranziehbar ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß das optische Erfassungsmittel (15) eine Kameraein
richtung ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kameraeinrichtung eine CCD-Kamera ist.
10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7
bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Erfassungsmittel
(15) mit einem Rechner (17) unter Zwischen
schaltung eines Analog/Digital-Wandlers (18) verbunden
ist, wobei mittels des Rechners (17) die Ermittlung
hydrographischer Parameter in quasi Echtzeit durchführ
bar ist.
11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7
bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (13)
des Wassers (12) mit von einer Lichtquelle (19) er
zeugten Lichtes (20) beaufschlagt wird.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich
net, daß das Licht (20) auf einen Diffusor (21) geleitet
wird, wobei das vom Diffusor (21) reflektierte Licht
(200) auf die Oberfläche (13) des Wassers (12) geleitet
wird.
13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7
bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Lotwinkel (16)
des optischen Erfassungsmittels (15) zur Oberfläche (13)
des Wassers (12) im Bereich von 70° liegt.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE2000135931 DE10035931B4 (de) | 2000-07-21 | 2000-07-21 | Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung von ein Seegangsfeld in einem Wellentank beschreibenden hydrographischen Parametern |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8305257B2 (en) | 2009-09-02 | 2012-11-06 | Trizna Dennis B | Method and apparatus for coherent marine radar measurements of properties of ocean waves and currents |
CN112698406A (zh) * | 2020-12-22 | 2021-04-23 | 大连理工大学 | 一种海洋场地地震激励下海水速度势的模拟方法 |
CN114396919A (zh) * | 2022-02-24 | 2022-04-26 | 上海海洋大学 | 一种基于摄影测量的小水槽波浪要素的提取方法 |
Citations (1)
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DE19633008A1 (de) * | 1996-08-16 | 1998-02-19 | Diehl Gmbh & Co | Schiffgestütztes Verfahren zur Detektion von Treibminen |
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2000
- 2000-07-21 DE DE2000135931 patent/DE10035931B4/de not_active Expired - Fee Related
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