RU2598400C2 - Method of determining slopes of water surface - Google Patents
Method of determining slopes of water surface Download PDFInfo
- Publication number
- RU2598400C2 RU2598400C2 RU2014152768/28A RU2014152768A RU2598400C2 RU 2598400 C2 RU2598400 C2 RU 2598400C2 RU 2014152768/28 A RU2014152768/28 A RU 2014152768/28A RU 2014152768 A RU2014152768 A RU 2014152768A RU 2598400 C2 RU2598400 C2 RU 2598400C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- water surface
- slopes
- components
- lidars
- determining
- Prior art date
Links
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области океанологических измерений и преимущественно может быть использовано для контроля состояния поверхности океана.The invention relates to the field of oceanological measurements and can mainly be used to monitor the state of the ocean surface.
Анализ оптических и радиолокационных изображений и их интерпретация требуют детальной информации о топографической структуре морской поверхности [1]. Основным физическим параметром морской поверхности, определяющим рассеяние радиоволн и света, являются ее уклоны [2, 3]. Наибольший вклад в дисперсию уклонов дают короткие поверхностные волны, измерение которых в натурных условиях представляет технически сложную задачу [4].Analysis of optical and radar images and their interpretation require detailed information about the topographic structure of the sea surface [1]. The main physical parameter of the sea surface, which determines the scattering of radio waves and light, are its slopes [2, 3]. The shortest surface waves make the largest contribution to the dispersion of slopes, the measurement of which under natural conditions is a technically difficult task [4].
Физической основой предлагаемого метода определения уклонов морской поверхности путем индикации бликов зеркального отражения является следующее. При лазерном зондировании морской поверхности лидаром с совмещенным источником и приемником оптического сигнала блики регистрируются при попадании луча на площадки поверхности, ориентированные перпендикулярно лазерному лучу. При вертикальном зондировании это площадки, ориентация которых близка к горизонтальной.The physical basis of the proposed method for determining sea surface slopes by indicating specular reflections is the following. When laser sensing the sea surface with lidar with a combined source and receiver of the optical signal, glare is detected when a beam hits a surface area oriented perpendicular to the laser beam. In vertical sounding, these are sites whose orientation is close to horizontal.
При вертикальном зондировании уклон площадки ξ, при которой происходит зеркальное отражение, не должен превышать некоего критического значения ξk, т.е. должно выполняться условиеIn vertical sounding, the slope of the ξ site at which specular reflection occurs should not exceed a certain critical value ξ k , i.e. the condition must be met
Критическое значение ξk определяется высотой Н лидара над водной поверхностью и диаметром d апертуры фотоприемника [5]The critical value ξ k is determined by the height H of the lidar above the water surface and the diameter d of the aperture of the photodetector [5]
Вероятность того, что уклон морской поверхности лежит в диапазоне (1), определяется отношением суммарной длительности бликов зеркального отражения τ, зарегистрированных в течение сеанса измерений, к длительности сеанса измерений Т. Таким образом, получаемThe probability that the slope of the sea surface lies in the range (1) is determined by the ratio of the total duration of specular reflection τ recorded during the measurement session to the duration of the measurement session T. Thus, we obtain
где Р - вероятность уклонов.where P is the probability of slopes.
При выводе выражений (1)-(3) учтено, что в поле поверхностных волн математическое ожидание уклона равно нулю. Аналогичным образом можно получить условие для наклонного зондирования морской поверхности.In the derivation of expressions (1) - (3), it was taken into account that in the field of surface waves the mathematical expectation of the slope is zero. Similarly, you can get the condition for oblique sounding of the sea surface.
Одним из аналогов заявленного технического решения является способ определения уклонов морской поверхности по бликам зеркального отражения, регистрируемым при сканировании водной поверхности лучом лазера [6]. Сканирование осуществляется в одной плоскости, перпендикулярной невозмущенной водной поверхности. Сходными с признаками заявленного изобретения являются такие признаки аналога: облучение морской поверхности лазером, регистрация бликов зеркального отражения, расчет по статистике бликов характеристик уклонов. Недостатком аналога является низкая точность определения уклонов водной поверхности, поскольку в процессе сканирования расстояние от лидара до точки водной поверхности, от которой происходит зеркальное отражение, постоянно меняется.One of the analogues of the claimed technical solution is a method for determining slopes of the sea surface by specular reflections detected when a laser beam scans the water surface [6]. Scanning is carried out in one plane perpendicular to the unperturbed water surface. Similar to the features of the claimed invention are the following features of the analogue: laser irradiation of the sea surface, registration of specular reflection flares, calculation of glare characteristics by slope statistics. The disadvantage of the analogue is the low accuracy of determining slopes of the water surface, since during the scanning process the distance from the lidar to the point of the water surface from which the specular reflection occurs is constantly changing.
Наиболее близким к изобретению по совокупности признаков и поэтому выбранным в качестве прототипа, является способ [5] определения характеристик уклонов по бликам зеркального отражения при вертикальном зондировании морской поверхности. При реализации этого способа предполагается, что уклоны поверхности имеют Гауссово распределение. Распределение Гаусса является двухпараметрическим: зависит от математического ожидания случайной величины, которое в нашем случае равно нулю, и от ее дисперсии. Поэтому, зная вероятность попадания уклонов в интервал (1), мы однозначно определяем их распределение.Closest to the invention by the totality of features and therefore selected as a prototype, is a method [5] for determining the characteristics of slopes by the flare of specular reflection during vertical sounding of the sea surface. When implementing this method, it is assumed that the surface slopes have a Gaussian distribution. The Gaussian distribution is two-parameter: it depends on the mathematical expectation of a random variable, which in our case is zero, and on its dispersion. Therefore, knowing the probability of slopes falling into the interval (1), we uniquely determine their distribution.
Такие признаки прототипа, как зондирование водной поверхности неподвижным вертикально ориентированным лазерным лучом, регистрация бликов зеркального отражения, расчет плотности вероятностей компоненты уклонов водной поверхности и определение статистических моментов уклонов, являются сходными с существенными признаками заявленного технического решения.Such features of the prototype as sounding the water surface with a stationary vertically oriented laser beam, recording specular reflections, calculating the probability density of the components of the slopes of the water surface and determining the statistical moments of the slopes are similar to the essential features of the claimed technical solution.
Недостатком прототипа является низкая точность определения характеристик уклонов морской поверхности. Этот недостаток является следствием того, что априори предполагается, что распределение является Гауссовым и изотропным, а измерение длительности бликов осуществляется только при вертикальном зондировании. В то же время известно, что нелинейные эффекты в поле поверхностных волн приводят к отклонению распределений уклонов поверхностных волн от распределения Гаусса [7], что существенно влияет на характеристики бликов зеркального отражения при лазерном зондировании морской поверхности [8]. Установлено, что при углах зондирования, близких к нулевым, в реальном волновом поле вероятность бликов зеркального отражения выше, чем рассчитанная для Гауссовой поверхности, превышение может достигать 29%. При углах зондирования 10°-15° реальная вероятность ниже, расхождение может достигать 40% [9].The disadvantage of the prototype is the low accuracy of determining the characteristics of the slopes of the sea surface. This drawback is a consequence of the fact that a priori it is assumed that the distribution is Gaussian and isotropic, and glare duration measurement is carried out only with vertical sounding. At the same time, it is known that nonlinear effects in the field of surface waves lead to a deviation of the distribution of surface wave slopes from the Gaussian distribution [7], which significantly affects the characteristics of specular reflections during laser sensing of the sea surface [8]. It is established that at probing angles close to zero in a real wave field, the probability of specular reflection glare is higher than that calculated for a Gaussian surface, the excess can reach 29%. At sensing angles of 10 ° –15 °, the real probability is lower, the discrepancy can reach 40% [9].
В основу изобретения поставлена задача создания способа определения уклонов водной поверхности, в котором учитываются отклонения распределений уклонов от распределения Гаусса.The basis of the invention is the task of creating a method for determining slopes of the water surface, which takes into account the deviations of the distribution of slopes from the Gaussian distribution.
Техническим результатом является повышение точности определения характеристик уклонов водной поверхности. Это достигается путем проведения одновременных измерений бликов зеркального отражения, создаваемых площадками с разными уклонами, что позволяет строить плотность вероятностей уклонов не по одной, как в прототипе, а по нескольким точкам.The technical result is to increase the accuracy of determining the characteristics of slopes of the water surface. This is achieved by conducting simultaneous measurements of specular reflections created by sites with different slopes, which allows you to build the probability density of slopes not by one, as in the prototype, but by several points.
Квазигауссовы распределения, к классу которых относятся распределения уклонов, описываются распределением Грама-Шарлье. Как правило, при определении распределения уклонов используются модели, в которых учитываются кумулянты до четвертого порядка. Поэтому для построения распределения уклонов в форме Грама-Шарлье необходимо знать минимум три кумулянта (еще один кумулянт известен априори, поскольку среднее значение уклонов равно нулю). Таким образом, одновременное измерение бликов зеркального отражения необходимо проводить минимум при трех углах падения.Quasi-Gaussian distributions, the class of which includes the distribution of slopes, are described by the Gram-Charlier distribution. As a rule, when determining the distribution of slopes, models are used in which cumulants up to the fourth order are taken into account. Therefore, to construct the distribution of the slopes in the Gram-Charlier form, it is necessary to know at least three cumulants (one more cumulant is known a priori, since the average value of the slopes is zero). Thus, the simultaneous measurement of specular reflection flares must be carried out at least at three angles of incidence.
Поставленная задача решается тем, что в способе определения уклонов водной поверхности, согласно которому заданная точка поверхности облучается с высоты Н лазером, луч которого неподвижен и ориентирован вертикально, регистрируются блики зеркального отражения, по ним рассчитывается плотность вероятностей компоненты уклонов, по которой определяют статистические моменты уклонов, новым является то, что определяют или одну, или две компоненты уклонов водной поверхности, при определении каждой из компонент одновременно с зондированием вертикальным лучом заданную точку водной поверхности зондируют при ненулевых углах падения неподвижными лучами двух или более лидаров, каждый из которых расположен на расстоянии Н от заданной точки водной поверхности и лучи которых лежат в одной плоскости с вертикальным лучом, регистрируют всеми лидарами блики зеркального отражения и рассчитывают плотность вероятностей соответственно или одной, или двух компонент уклонов водной поверхности, при этом при определении двух компонент плоскости расположения лучей лидаров, предназначенных для определения каждой из компонент, взаимно перпендикулярны.The problem is solved in that in the method for determining the slopes of the water surface, according to which a given surface point is irradiated from a height H by a laser whose beam is stationary and oriented vertically, specular reflections are recorded, and the probability density of the slopes component is calculated from them, according to which the statistical moments of the slopes are determined , new is that one or two components of slopes of the water surface are determined when each component is determined simultaneously with sounding a preset point of the water surface is probed at a non-zero angle of incidence by fixed beams of two or more lidars with fixed rays, each of which is located at a distance H from a given point on the water surface and whose rays lie in the same plane with the vertical ray, the specular reflection is recorded by all lidars and the density is calculated probabilities, respectively, of either one or two components of the slopes of the water surface, while determining two components of the plane of the arrangement of the rays of lidars intended To determine each of the components are mutually perpendicular.
Заявленный способ позволяет определять одну компоненту уклонов водной поверхности, как в прототипе, или получать двумерное распределение уклонов водной поверхности.The claimed method allows to determine one component of the slopes of the water surface, as in the prototype, or to obtain a two-dimensional distribution of the slopes of the water surface.
Способ осуществляют следующим образом.The method is as follows.
Для реализации предложенного способа могут быть использованы лидары, аналогичные лидару, описанному в работе [6]. В качестве источника оптического излучения используется He-Ne лазер типа ЛГИ-203 мощностью 4 мВт.To implement the proposed method, lidars similar to the lidar described in [6] can be used. As a source of optical radiation, a He-Ne laser of the LGI-203 type with a power of 4 mW is used.
Рассмотрим пример определения одной компоненты уклонов (вторая компонента определяется аналогично). Используют лидар для вертикального зондирования морской поверхности, который расположен на высоте Н от заданной точки поверхности, и два лидара для наклонного зондирования, каждый из которых расположен также на расстоянии Н от заданной точки поверхности и так, что лучи всех трех лидаров, направленные в заданную точку, лежат в одной вертикальной плоскости.Consider the example of determining one component of the slopes (the second component is defined similarly). They use lidar for vertical sensing of the sea surface, which is located at a height H from a given point on the surface, and two lidars for oblique sounding, each of which is also located at a distance H from a given point on the surface and so that the rays of all three lidars directed to a given point lie in one vertical plane.
Заданную точку морской поверхности одновременно зондируют всеми лидарами. По измерениям, выполняемым каждым лидаром, регистрируют блики зеркального отражения и по этим данным рассчитывают плотность вероятностей компоненты уклонов морской поверхности. Далее, зная плотность вероятностей, рассчитываются статистические моменты компоненты уклонов, такие как дисперсия, асимметрия и эксцесс.A given point on the sea surface is simultaneously probed by all lidars. According to the measurements performed by each lidar, specular reflections are recorded and the probability density of the components of the slopes of the sea surface is calculated from these data. Further, knowing the probability density, the statistical moments of the components of the slopes, such as dispersion, asymmetry, and excess, are calculated.
При этом в случае определения двух компонент уклонов морской поверхности плоскость расположения лучей лидаров, предназначенных для определения первой компоненты, перпендикулярна плоскости расположения лучей лидаров, предназначенных для определения второй компоненты.Moreover, in the case of determining two components of the slopes of the sea surface, the plane of the arrangement of the rays of lidars intended to determine the first component is perpendicular to the plane of the arrangement of the rays of lidars intended to determine the second component.
Источники информацииInformation sources
1. Пустовойтенко В.В. Спутниковые средства дистанционного зондирования в системе экологического мониторинга морских акваторий // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон. - 2003. - Т. 9. - С. 125.1. Pustovoitenko VV Satellite remote sensing in the system of environmental monitoring of marine areas // Environmental safety of coastal and shelf zones. - 2003. - T. 9. - S. 125.
2. Запевалов А.С. Зависимость статистики бликов зеркального отражения при лазерном зондировании морской поверхности от характеристик ее локальных уклонов // Оптика атмосферы и океана. - 2000 - Т. 13, №12. - С. 1123-1127.2. Zapevalov A.S. The dependence of the statistics of specular reflection flare during laser sensing of the sea surface on the characteristics of its local slopes // Atmospheric and Ocean Optics. - 2000 - T. 13, No. 12. - S. 1123-1127.
3. Басе Ф.Г., Брауде С.Я., Калмыков А.И., Мень А.В., Островский И.Е., Пустовойтенко В.В., Розенберг А.Д., Фукс И.М. Методы радиолокационных исследований морского волнения (радиоокеанография) // Успехи физических наук. - 1975. - Том 116. - С. 741-743.3. Base F.G., Braude S.Ya., Kalmykov A.I., Men A.V., Ostrovsky I.E., Pustovoitenko V.V., Rosenberg A.D., Fuchs I.M. Methods of radar research of sea waves (radio oceanography) // Uspekhi Fizicheskikh Nauk. - 1975. - Volume 116. - S. 741-743.
4. Христофоров Г.Н., Запевалов А.С., Смолов В.Е. Контактные измерения спектра ветровых волн в широком диапазоне частот // Экспериментальные методы исследования океана, Севастополь: МГИ АН УССР. - 1978. - С. 43-48.4. Khristoforov G.N., Zapevalov A.S., Smolov V.E. Contact measurements of the spectrum of wind waves in a wide frequency range // Experimental methods for the study of the ocean, Sevastopol: MGI AN USSR. - 1978. - S. 43-48.
5. Александров А.П., Легеза В.П. Лазерный измеритель среднеквадратичных наклонов взволнованной морской поверхности // Морской гидрофизический журнал, 1988, № 6, С. 51-56. - прототип.5. Alexandrov A.P., Legeza V.P. Laser meter of the mean square slopes of the excited sea surface // Marine Hydrophysical Journal, 1988, No. 6, P. 51-56. - prototype.
6. Христофоров Г.Н., Запевалов А.С., Смолов В.Е., Фельдман Ю.Р. Лазерная локация топографических неоднородностей на шероховатой морской поверхности // Морской гидрофизический журнал. - 1993. - №6. - С. 64-73.6. Khristoforov G.N., Zapevalov A.S., Smolov V.E., Feldman Yu.R. Laser location of topographic heterogeneities on a rough sea surface // Marine Hydrophysical Journal. - 1993. - No. 6. - S. 64-73.
7. Запевалов А.С. Статистические модели взволнованной морской поверхности. Для задач дистанционного зондирования // Saarbrücken: LAP LAMBERT Academic Publishing. - 2012. - 69 с.7. Zapevalov A.S. Statistical models of an agitated sea surface. For Remote Sensing // Saarbrücken: LAP LAMBERT Academic Publishing. - 2012 .-- 69 s.
8. Запевалов А.С., Ратнер Ю.Б. Эффекты квазигауссового характера распределения уклонов морской поверхности при лазерном зондировании // Оптика атмосферы и океана. - 2002. - Т. 15. - №10. - С. 958-928.8. Zapevalov A.S., Ratner Yu.B. Effects of the quasi-Gaussian nature of the distribution of slopes of the sea surface during laser sounding // Optics of the atmosphere and ocean. - 2002. - T. 15. - No. 10. - S. 958-928.
9. Запевалов А.С. Вероятность бликов зеркального отражения при наклонном зондировании морской поверхности // Океанология, 2005, т. 45, №1, С. 16-20.9. Zapevalov A.S. The probability of specular reflection flare during oblique sounding of the sea surface // Oceanology, 2005, v. 45, No. 1, P. 16-20.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014152768/28A RU2598400C2 (en) | 2014-12-24 | 2014-12-24 | Method of determining slopes of water surface |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014152768/28A RU2598400C2 (en) | 2014-12-24 | 2014-12-24 | Method of determining slopes of water surface |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2014152768A RU2014152768A (en) | 2016-07-20 |
| RU2598400C2 true RU2598400C2 (en) | 2016-09-27 |
Family
ID=56413192
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014152768/28A RU2598400C2 (en) | 2014-12-24 | 2014-12-24 | Method of determining slopes of water surface |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2598400C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2746186C1 (en) * | 2019-12-20 | 2021-04-08 | Виктор Вячеславович Стерлядкин | Scanning optical wave recorder |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5110217A (en) * | 1989-08-01 | 1992-05-05 | Gte Government Systems Corporation | Method for optically and remotely sensing subsurface water temperature |
| RU2073203C1 (en) * | 1992-06-30 | 1997-02-10 | Морской гидрофизический институт АН Украины | Device for determination of characteristics of rough reflecting surface |
| RU2353954C1 (en) * | 2007-02-26 | 2009-04-27 | Морской гидрофизический институт Национальной академии наук Украины (МГИ НАН Украины) | Method for remote definition of medium characteristics of open water reservoir |
| RU2388013C2 (en) * | 2008-03-11 | 2010-04-27 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Государственный Научно-Исследовательский Навигационно-Гидрографический Институт Министерства Обороны Российской Федерации" | Method for functional jamming laser systems for searching for submerged underwater objects and device for realising said method |
| RU2503041C2 (en) * | 2009-12-28 | 2013-12-27 | Морской гидрофизический институт Национальной академии наук Украины (МГИ НАН Украины) | Method for remote determination of characteristics of surface water body environment |
-
2014
- 2014-12-24 RU RU2014152768/28A patent/RU2598400C2/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5110217A (en) * | 1989-08-01 | 1992-05-05 | Gte Government Systems Corporation | Method for optically and remotely sensing subsurface water temperature |
| RU2073203C1 (en) * | 1992-06-30 | 1997-02-10 | Морской гидрофизический институт АН Украины | Device for determination of characteristics of rough reflecting surface |
| RU2353954C1 (en) * | 2007-02-26 | 2009-04-27 | Морской гидрофизический институт Национальной академии наук Украины (МГИ НАН Украины) | Method for remote definition of medium characteristics of open water reservoir |
| RU2388013C2 (en) * | 2008-03-11 | 2010-04-27 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Государственный Научно-Исследовательский Навигационно-Гидрографический Институт Министерства Обороны Российской Федерации" | Method for functional jamming laser systems for searching for submerged underwater objects and device for realising said method |
| RU2503041C2 (en) * | 2009-12-28 | 2013-12-27 | Морской гидрофизический институт Национальной академии наук Украины (МГИ НАН Украины) | Method for remote determination of characteristics of surface water body environment |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2746186C1 (en) * | 2019-12-20 | 2021-04-08 | Виктор Вячеславович Стерлядкин | Scanning optical wave recorder |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2014152768A (en) | 2016-07-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Abdallah et al. | Wa-LiD: A new LiDAR simulator for waters | |
| Sathe et al. | Estimating turbulence statistics and parameters from ground-and nacelle-based lidar measurements: IEA Wind expert report | |
| Steinvall et al. | Experimental evaluation of an airborne depth-sounding lidar | |
| Smalikho et al. | Accuracy of estimation of the turbulent energy dissipation rate from wind measurements with a conically scanning pulsed coherent Doppler lidar. Part I. Algorithm of data processing | |
| Newman et al. | An error reduction algorithm to improve lidar turbulence estimates for wind energy | |
| RU2466425C1 (en) | Method of measuring characteristics of wavy water surface | |
| Qin et al. | Stepwise decomposition and relative radiometric normalization for small footprint LiDAR waveform | |
| CN114509409B (en) | Chlorophyll concentration vertical section inversion method of satellite-borne single photon laser radar | |
| RU2598400C2 (en) | Method of determining slopes of water surface | |
| Marchant et al. | Aglite lidar: a portable elastic lidar system for investigating aerosol and wind motions at or around agricultural production facilities | |
| Chiang et al. | A new mobile and portable scanning lidar for profiling the lower troposphere | |
| Greeley et al. | Characterizing the system impulse response function from photon-counting LiDAR data | |
| van Dooren | Doppler Lidar Inflow Measurements | |
| Afanasiev et al. | Verification of a passive correlation optical crosswind velocity meter in experiments with a Doppler wind lidar | |
| Dolin | Theory of lidar method for measurement of the modulation transfer function of water layers | |
| RU2353954C1 (en) | Method for remote definition of medium characteristics of open water reservoir | |
| Lebedev et al. | The development of optical methods for sea surface slope measurement | |
| Li et al. | A novel full-waveform LiDAR echo decomposition method and simulation verification | |
| Jutzi et al. | Precise range estimation on known surfaces by analysis of full-waveform laser | |
| Saputra et al. | Effect of Turbidity, Temperature and Salinity of Waters on Depth Data from Airborne LiDAR Bathymetry | |
| Banakh et al. | Wind sensing in an atmospheric boundary layer by means of micropulse coherent Doppler lidars | |
| RU2501037C1 (en) | Radar method of determining parameters of large-scale wave on water surface | |
| Jin et al. | Suppression of precipitation bias on wind velocity from continuous-wave Doppler lidars | |
| Anna et al. | Physical modelling of point-cloud (3D) and full-wave-form (4D) laser imaging | |
| Karlsson et al. | The impact of sea state condition on airborne lidar bathymetry measurements |