DE10035931B4

DE10035931B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung von ein Seegangsfeld in einem Wellentank beschreibenden hydrographischen Parametern

Info

Publication number: DE10035931B4
Application number: DE2000135931
Authority: DE
Inventors: Christian M. Senet; Jörg Dr. Seemann; Friedwart Dr. Ziemer; Gottfried Schymura
Original assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Current assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Priority date: 2000-07-21
Filing date: 2000-07-21
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2020-07-22
Also published as: DE10035931A1

Abstract

Verfahren zur Ermittlung von ein Seegangsfeld beschreibenden hydrographischen Parametern, wobei das Seegangsfeld in einem Wasserkörper, insbesondere in einem Wellentank, erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
a. im Wellentank eine Mehrzahl von Bezugspunkten postiert und deren kartesische Weltkoordinaten bestimmt werden,
b. daß wenigstens ein Abschnitt des Seegangsfeldes optisch erfaßt wird,
c. daß nachfolgend die erfaßte optische Signalsequenz 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 Signalsequenzen 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.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von ein Seegangsfeld beschreibenden hydrographischen Parametern, 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.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung dieser Art sind bekannt (Entwicklung eines Verfahrens zur Messung kombinierter Höhen- und Neigungsverteilungen von Wasseroberflächen mit Stereoaufnahmen, Diplomarbeit von Stefan Waas, Institut für Umweltphysik der Ruprecht-Karl-Universität Heidelberg, 1988). Für Untersuchungen im Bereich des Wasserbauingenieurwesens 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 erzeugbaren Wellen einstellbar sind. Bisher wurden in den besagten Wellentanks zur Messung der Wellen sogenannte Wellenmeßdrähte oder Lasersensoren verwendet, mit denen eindimensionale Frequenzspektren der Oberflächenauslenkung 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 zustandegekommene Lösungen zur Bemessung und Beurteilung der durch Seegang erzeugten Kräfte beispielsweise auf Küstenformationen, Wasser- oder Hafenbauten zur Verfügung.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen dem Wasserbauingenieurwesen und der Meeres- bzw. See gangsforschung 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 hydrographische 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 Seegangsfeldern erweitert und vertieft werden kann.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch, daß

a. im Wellentank eine Mehrzahl von Bezugspunkten postiert und deren kartesische Weltkoordinaten bestimmt werden,
b. daß wenigstens ein Abschnitt des Seegangsfeldes optisch erfaßt wird,
c. daß nachfolgend die erfaßte optische Signalsequenz 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 Signalsequenzen 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 Wellenfeldes zu bestimmen.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt im wesentlichen darin, daß, wie angestrebt wird, über die in einem Wellentank erzeugten natürlichen Seegangszustände qualitative und quantitative Aussagen gemacht werden können, die sowohl für das Wasserbauingenieurwesen als auch für die Meeres- und Seegangsforschung einen sehr viel tieferen Einblick in das Verhalten des Seeganges geben, als es mit den im Stand der Technik bisher bekannten und verwendeten Methoden möglich war. Erfindungsgemäß können Aussagen über Wellenfelder mit nahezu beliebiger Frequenz- und Richtungsverteilung gemacht werden, und zwar bei in Wellentanks erzeugten Seegangsfeldern, was zudem die Anwendungsbandbreite von Wellentanks 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 Wellenperiode bzw. höchsten Frequenz wenigstens zweimal abzutasten.

Allgemein gilt, daß die Wellenlänge λ bzw. die Wellenzahl k einer Seegangswelle in linearer Nährung mit der Wellenperiode P bzw. der Wellenfrequenz ω über die sogenannte lineare Dispersionsrelation von Seegangswellen verknüpft sind. Strömung und Wassertiefe verändern jedoch die FOrm der Dispersionsrelation. Vorteilhafterweise wird deshalb das dreidimensionale Spektrum (Bildspektrum) einer Filterung nach dem Prinzip der Dispersionsrelation unterworfen, d.h. die Dispersionsrelation wird als Signalfilter verwendet, um den spektralen Anteil des Seegangs vom Rauschen zu trennen. Die spektralen Signale, welche sich in der Umgebung einer durch die Dispersionsrelation definierten Fläche im Spektralraum befinden, werden dem Signal zugeordnet, wohingegen diejenigen Signale außerhalb dieser Umgebung dem Rauschen zugeordnet und ggf. verworfen werden.

Um aus dem durch das Verfahren erhaltenen dreidimensionalen 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 Parameter. 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 Strömung (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 vorbestimmbaren 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 Signalsequenz (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 Signalsequenzen (Bildsequenzen).

Prinzipiell kann jede feste oder flüssige Oberfläche, deren dynamisches Verhalten mit einer Dispersionsrelation 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 Kameraeinrichtung 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 erfindungsgemäßen Betrieb der Vorrichtung herangezogen werden kann.

Um Aussagen über das mittels der optischen Erfassungseinrichtung 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 Analog/Digital-Wandlers zu verbinden, so daß, wie angestrebt, mittels des Rechners die Ermittlung der hydrographischen Parameter in quasi Echtzeit durchführbar ist.

Wie oben erwähnt, erfaßt das optische Mittel die Änderung 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 Kalibrierung 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 erfassenden gewünschten Gebiet reflektierend stets auf den Diffusor trifft.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nachfolgenden schematischen Zeichnungen und Flußdiagramme im einzelnen beschrieben. Darin zeigen:
1 eine Vorrichtung zur Erfassung optischer Bildsequenzen,
2 die Anordnung einer hier als CCD-Kamera ausgebildeten Einrichtung zur Erfassung optischer Bildsequenzen und einer Lichtquelle bezüglich der Wasseroberfläche in einem Wassertank in der Seitenansicht,
3 eine Darstellung in der Ansicht von oben gemäß Darstellung von 2,
4 ein Aufsichtsschema eines Wassertanks, wobei die Markierungen "+" Bezugspunkte bezeichnen und S₀,..., S₄ Positionen von in situ Wellendrähten bezeichnen, wohingegen die durchgezogenen Linien Trapeze in den Gebieten A und B markieren, die jeweils von einem elektronischen Erfassungsmittel aufgenommene Gebiete darstellen,
5 Bezugspunkte, die an den Positionen S₀,..., S₄ von 4 positioniert sind,
6a das mittels des Verfahrens bzw. der Vorrichtung gelieferte Rohbild im Bildkoordinatensystem,
6b ein Beispiel eines Rohbildes gemäß 6a, jedoch in Weltkoordinaten transformiert,
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 (
),
8a eine räumliche Darstellung der Dispersionsrelation für Oberflächenwellen im Wellenzahl-Frequenzraum ohne durch eine oberflächennahe Strömung dopplerverschobene (deformierte) Dopplerverschiebung,
8b eine Darstellung gemäß 8a, jedoch mit einer durch eine oberflächennahe Strömung dopplerverschobene (deformierte) Dopplerverschiebung,
9a bis 9d eine schematische Darstellung einer Dispersions-Richtungs-Frequenzseparation, wobei das Bildspektrum durch Anwendung von Dispersions-Richtungs- und Frequenzseparation in sogenannte DDF-Bins zerlegt ist,
10 das Flußschema einer Aufnahme einer optischen Bildsequenz der Seegangsoberfläche und deren Transformation von Bildkoordinaten in Weltkoordinaten,
11 eine Darstellung eines Ablaufschemas zur Durchführung einer globalen und lokalen Analyse von Bildsequenzen in Weltkoordinaten,
12 das Ablaufschema einer globalen Analyse zur Bestimmung hydrographischer Parameter der Seegangsfelder, für welche die Annahme der Homogenität und Stationarität erfüllt ist,
13 das Ablaufschema einer lokalen Analyse zur Bestimmung hydrographischer Parameter für Seegangsfelder, bei denen Homogenität nicht erfüllt ist, und
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 dispersionsgefiltert und c. die Phase richtungsgefiltert darstellt.
Es wird zunächst Bezug genommen auf die 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 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 erzeugbaren Wellen bestimmen. Derartige Wellentanks 14 sind in Wasserbauversuchsanstalten oder sonstigen ähnlichen Zwecken dienenden Einrichtungen vorhanden, wobei diese unter anderem der Erforschung von Strömungen, Seegangsfeldern und dergleichen in ozeanischen Gewässern und Küstengewässern dienen. Einem standardmäßig vorhandenen Wellentank 14 wird die Vorrichtung 10 zugeordnet.
1 zeigt schematisch den Aufbau der Vorrichtung 10 in bezug auf die Erfassung von Signalsequenzen (Bildsequenzen) entsprechend der Höhe, der Richtung, der Wellenperiode sowie der Wellenfrequenz und umfaßt ein optisches Erfassungsmittel 15, vergleiche auch die 2 und 3, das unter einem bestimmten Lotwinkel, beispielsweise 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 3, erfaßt. Im Strahlenerfassungsbereich des Erfassungsmittels 15 ist ein Diffusor 21 angeordnet, der von einer Lichtquelle 19 mit Licht 20 beaufschlagt wird. Der Diffusor 21 stellt somit die eigentliche Beleuchtungsquelle dar, die auch bei der in 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 Diffusors 21 ist so gewählt, daß jede vom optischen Erfassungsmittel 15 erfaßte Facette der Wasseroberfläche 13 im Idealfall bei jeder durch den Wellengang im Seegangsfeld 11 hervorgerufenen Oberflächenneigung so ausgerichtet ist, daß der Strahlengang, ausgehend von dem optischen Erfassungsmittel 15, sodann an der Wasseroberfläche 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 Modulation des an der Wasseroberfläche 13 reflektierten Lichtes 200 aufgrund des Seeganges im erfaßten Seegangsfeld 11.
Die vom optischen Erfassungsmittel 15, das vorzugsweise eine CCD-Kamera ist, erfaßten Signalsequenzen (Bildsequenzen) 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 Verfahren bearbeitet werden.
Im Wellentank 14, vergleiche 4 und 5, ist eine Mehrzahl von Bezugspunkten 23 angeordnet, deren kartesische Weltkoordinaten bestimmt werden. Die Bezugspunkte 23 sind in 4 mit "+" bezeichnet. In 4 sind zudem Positionen S₀,..., S₄ erkennbar, die Positionen von Wellendrähten bezeichnen, die für die Kalibrierung der erfaßten Signalsequenzen (Bildsequenzen) herangezogen werden. Mit den Bezugspunkten 23 ist eine geometrische Entzerrung der erfaßten Signalsequenzen (Bildsequenzen) 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 eingegangen wird, wird noch Bezug genommen auf die Darstellung von 7, in der die unterschiedliche Reflektivität 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 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 Erfassungsmitteln 15 ist aber nicht zwingend, vielmehr kann dieses geeignet in Abhängigkeit des zu untersuchenden Problems gewählt werden.
Die mit der optischen Erfassungseinrichtung 15 aufzunehmenden 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 x_b und y_b der Bezugspunkte 23 werden mit einem Mustererkennungsalgorithmus aus den erfaßten Bildsequenzen ermittelt.
Es wird zur weiteren Beschreibung Bezug genommen auf 9, in der das Ablaufschema einer geometrischen Transformation dargestellt ist. Das Ergebnis der geometrischen Transformation liefert die Bildsequenz in Weltkoordinaten, wobei Weltkoordinaten das dreidimensionale Koordinatensystem x_W, y_W, z_W des realen Raumes sind, der von der optischen Erfassungseinrichtung ausgebildet wird. Das Bildkoordinatensystem hingegen beschreibt das zweidimensionale Koordinatensystem x_b, y_b, das die Anordnung der Pixel/Grauwerte in der erfaßten Bildsequenz beschreibt. Die Transformation des zweidimensionalen Bildes von den Bildkoordinaten x_b, y_b in ein zweidimensionales Bild in Weltkoordinaten x_W, y_W wird durch die geometrische Transformation vorgenommen. Die dritte Dimension z_W ist dann willkürlich beispielsweise auf 0 gesetzt, was hier der mittleren oder ruhenden Wasseroberfläche 13 entspricht. Die Bildsequenzen werden nach der Methode von Tsai in das Weltkoordinatensystem übertragen.
Zur Beschreibung der Analyse der erfaßten Signalsequenzen (Bildsequenzen) des erfaßten Seegangsfeldes zur Bestimmung der hydrographischen Parameter wird auf 10 verwiesen. Die mittels des Verfahrens gelieferten Bildsequenzen in Weltkoordinaten können nun einer globalen Sequenzanalyse oder einer lokalen Sequenzanalyse zugrundegelegt werden. Diese Unterteilung ist aus folgenden Gründen sinnvoll. Die globale Sequenzanalyse ist für Seegangsoberflächen geeignet, welche die Bedingungen der Homogenität und der Stationärität erfüllt, was bedeutet, daß die von der optischen Erfassungseinrichtung 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 Inhomogenitäten, beispielsweise durch Seegangsdiffraktion oder -refraktion aber auch Inhomogenitäten im Abbildungsverhalten, 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.
Globales Analyseverfahren
Eingangsgrößen für das globale Analyseverfahren sind die optischen Signalsequenzen (Bildsequenzen) in Weltkoordinaten und zur Kalibrierung benötigte in situ Vergleichsmessungen. Vergleichsmessungen sind beispiels weise eine Mehrzahl über die Zeit erfaßter Auslenkungen der Meeresoberfläche, aufgenommen beispielsweise mit Wellendrähten und Lasern. Die vom optischen Erfassungsmittel 15 erfaßten optischen Signalsequenzen (Bildsequenzen) enthalten die raumzeitliche Information über das erfaßte Wellenfeld in Form von Grauwerten G(x_w, y_w, 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 x_w, y_w in Wellenzahlen k_x = 2π/x_w, k_y = 2π/y_w zerlegt. Das Ergebnis der Fast Fourier Transformation ist das dreidimensionale Wellenzahl-Frequenz-Spektrum S(k_x, k_y, ω), kurz Bildspektrum genannt. Nachfolgend werden die Wassertiefe d und die Strömung u_x, u_y durch Anpassung der Seegangs-Signalkoordinaten des Bildspektrums an die theoretische Dispersionsrelation der Seegangswellen, vergleiche 8, berechnet. Das Verfahren zur Berechnung der Wassertiefe und Strömung ist vorzugsweise ein sogen. "Least-Squares Verfahren". Die mittels des Verfahrens erhaltenen Strömungs- und Wassertiefenparameter sind die gewünschten Ausgabegrößen der Analyse.
Die Wellenlänge λ bzw. die Wellenzahl k einer Seegangswelle sind in linearer Nährung mit der Wellenperiode τ bzw. der Wellenfrequenz ω über die lineare Dispersionsrelation von Seegangswellen verknüpft. Die Dispersionsrelation im dreidimensionalen Wellenzahl-Frequenz-Raum ist in 8a dargestellt. Strömung und Wassertiefe verändern jedoch die Form der Dispersionsrelation. Diese Verformung der Dispersionsrelation ist für die Strömung in 8b exemplarisch dargestellt. Nach Bestimmung der Form der Dispersionsrelation mit der Strömungs-Tiefenregression im spektralen Wellenzahl-Frequenz-Raum wird die Dispersionsrelation als Signalfilter 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 zugeordnet. Zur Bestimmung von kalibrierten Seegangsspektren wird aus dem dreidimensionalen Bildspektrum S(k_x, k_y, 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 Berechnungsmethode, die auf der dreidimensionalen Fast Fourier Transformation basieren, sind über das aufgenommene Seegangsfeld 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 11, die das Ablaufschema der globalen Analyse zur Bestimmung hydrographischer Parameter für Seegangsfelder zeigen, für welche die Annahme Homogenität erfüllt ist, sind die Strömung (zweidimensionaler Vektor der oberflächennahen Strömung), Wassertiefe und Seegangsspektrum.
Lokales Analyseverfahren
Eingangsgrößen für das lokale Analyseverfahren sind die optischen Signalsequenzen (Bildsequenzen) in Weltkoordinaten, 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 12, ebenfalls mittels der Ausführung der dreidimensionalen Fast Fourier Transformation analog zum globalen Analyseverfahren, siehe oben, eingeleitet. Auch die Strömungs-Tiefenregression 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 8b verwiesen, wo, im Unterschied zu 8a, eine Dopplerverschiebung der Dispersionsrelation durch eine oberflächennahe 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 Sig-nalspektrum verwendet wird, da im Gegensatz zum Vari-anzspektrum die Phase des spektralen Signals erhalten wird. Das dreidimensionale komplexwertige Bildspektrum wird mit der Methode der sogen. Dispersion-Direction-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 ausgeprägt ist. In 9 ist schematisch die Dispersion-Direction-Frequency-Separation dargestellt. Die Dis persion-Direction-Frequency-Separation zerlegt das dreidimensionale Bild in sogenannte DDF-Bins.
Die DDF-Bins, jeweils in einer Wellenzahlebene konstanter 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 13 ist eine Reihe von räumlichen Phasenbildern beispielhaft dargestellt. Der aus 12 ersichtliche Schritt eines lokalen Wellenzahlfits geht davon aus, daß die komplexwertige Wellenzahl, bis auf die imaginäre Einheit i, der Proportionalitätsfaktor zwischen dem komplexen Bild und dem komplexwertigen Gradientenbild ist. Dieser Proportionalitätsfaktor 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 Bildspektren werden aus den blockweise gemittelten DDF-separierten Varianzbildern entnommen. Die Wellenzahlkoordinaten des Bildspektrums werden durch Umkehrung der Diepersionsrelation berechnet. Analog zur globalen Kalibrierung werden mittels der in situ Messungen die Bildspektren in lokale Seegangsspektren überführt.
Die Ausgangsgröße des lokalen Analyseverfahrens sind Strömungs- und Tiefenparameter und lokale Seegangsspektren.
Schließlich wird noch auf 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 13a ersichtlich, dispersionsgefilterte Phase sind aus der 13b ersichtlich und dispersions- und richtungsgefilterte Phasen sind aus der 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 vorliegen. Setzt man diese an jeden räumlichen Punkt mit der zugehörigen Grauwertvarianz oder spektralen Energie zusammen, so erhält man ein lokales Wellenzahl-Richtungsspektrum 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

Verfahren zur Ermittlung von ein Seegangsfeld beschreibenden hydrographischen Parametern, wobei das Seegangsfeld in einem Wasserkörper, insbesondere in einem Wellentank, erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß a. im Wellentank eine Mehrzahl von Bezugspunkten postiert und deren kartesische Weltkoordinaten bestimmt werden, b. daß wenigstens ein Abschnitt des Seegangsfeldes optisch erfaßt wird, c. daß nachfolgend die erfaßte optische Signalsequenz 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 Signalsequenzen 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.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Welle des Seegangsfeldes wenigstens zweimal optisch erfaßt wird.
Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dreidimensionale Spektrum einer Filterung nach dem Prinzip der Dispersionsrelation unterworfen wird.
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.
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.
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.
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 einstellbar ist, gekennzeichnet durch ein optisches Erfassungsmittel (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.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Erfassungsmittel (15) eine Kameraeinrichtung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kameraeinrichtung eine CCD-Kamera ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Erfas sungsmittel (15) mit einem Rechner (17) unter Zwischenschaltung eines Analog/Digital-Wandlers (18) verbunden ist, wobei mittels des Rechners (17) die Ermittlung hydrographischer Parameter in quasi Echtzeit durchführbar ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (13) des Wassers (12) mit von einer Lichtquelle (19) erzeugten Lichtes (20) beaufschlagt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, 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.
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.