RU2746186C1 - Scanning optical wave recorder - Google Patents

Scanning optical wave recorder Download PDF

Info

Publication number
RU2746186C1
RU2746186C1 RU2019142815A RU2019142815A RU2746186C1 RU 2746186 C1 RU2746186 C1 RU 2746186C1 RU 2019142815 A RU2019142815 A RU 2019142815A RU 2019142815 A RU2019142815 A RU 2019142815A RU 2746186 C1 RU2746186 C1 RU 2746186C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
beams
wave
height
slopes
laser beams
Prior art date
Application number
RU2019142815A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виктор Вячеславович Стерлядкин
Original Assignee
Виктор Вячеславович Стерлядкин
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Виктор Вячеславович Стерлядкин filed Critical Виктор Вячеславович Стерлядкин
Priority to RU2019142815A priority Critical patent/RU2746186C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2746186C1 publication Critical patent/RU2746186C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C13/00Surveying specially adapted to open water, e.g. sea, lake, river or canal

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: hydrometry; oceanography.
SUBSTANCE: invention relates to the field of hydrometry and oceanography, methods for measuring the height of the interface between liquid and air, methods for measuring the slopes of the interface, for example, measuring the wave height, wave spectrum, slope spectrum. Disclosed is a method for measuring the angles of inclination and wave height of the water surface relative to its equilibrium state. The laser beams are directed along the vertical Z axis. The scattered radiation is recorded using a digital video camera. The boundaries of the illumination of the laser beams on a digital matrix, taking into account the calibration, are converted into wave applicates. The laser beams are scanned over the surface with the video recording frequency, two beams are synchronously scanned in mutually perpendicular directions X and Y, or the third beam is added to the two perpendicular beams, which, synchronously with the first two, scans at a certain distance from the first two, and the instantaneous profile of the surface along the scan path of two or three beams is calculated taking into account the scanning speed and the speed of vertical movement of the surface height at each point of the trajectories.
EFFECT: multiple increase in the accuracy and reliability of measurements of heights (applicates) of the wave surface along the scanning lines, slopes at each point in selected directions and two-dimensional slopes averaged at various spatial scales (from millimeters to meters) due to which the spatial resolution increases and it is possible to register not only gravitational-capillary, but also capillary waves.
3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области гидрометрии и океанографии, методам измерения высоты границы раздела между жидкостью и воздухом, методам измерения уклонов поверхности раздела, например, измерению высоты волнения, спектра волнения, спектра уклонов.The invention relates to the field of hydrometry and oceanography, methods for measuring the height of the interface between liquid and air, methods for measuring the slopes of the interface, for example, measuring the wave height, wave spectrum, slope spectrum.

Известен способ определения высоты границы раздела воздух-жидкость и уклонов поверхности с помощью струнного волнографа [1]. В нем измеряют электрическое сопротивление вертикально расположенных струн, частично погруженных в жидкость. При изменении уровня жидкости сопротивление погруженной части струны уменьшается, и по общему сопротивлению каждой струны определяют высоту границы раздела. Недостатком метода является невысокая точность измерений из-за изменения сопротивления струны при ее смачивании, за счет осаждения солей и водорослей на струне и электроде, за счет флуктуаций сопротивления жидкости, из-за емкостных свойств электрической цепи. Другим способом является измерение углового положения бликов солнца, отраженных от поверхности с высоты самолета [2]. Но этот метод не является всепогодным, и сложен в реализации. Возможны измерения уклонов по отраженному лазерному излучению [3]. Недостатком этого способа является уход блика из апертуры приемной системы при даже небольших уклонах, что не позволяет измерять уклоны уже при умеренном волнении. В способе, описанном в [4] проводятся измерения высоты волнения водной поверхности относительно ее равновесного состояния и измерение уклонов поверхности. В методе три лазерных луча направляют вертикально вдоль оси Z, рассеянное излучение регистрируют с помощью цифровой видеокамеры, границы засветки лазерных лучей на цифровой матрице с учетом пространственной калибровки переводят в аппликаты волнения. При этом одновременное измерение аппликат в трех точках обеспечивает возможность регистрации уклонов в двух направлениях и получения двумерного распределения уклонов. Недостатком является фиксированный масштаб положения координат трех точек, а также суммирование изображения за время экспозиции одного кадра, что приводит к размытию границы засветки и ухудшению точности измерений.A known method for determining the height of the air-liquid interface and surface slopes using a string wave recorder [1]. It measures the electrical resistance of vertically positioned strings partially immersed in a liquid. When the level of the liquid changes, the resistance of the immersed part of the string decreases, and the height of the interface is determined by the total resistance of each string. The disadvantage of this method is the low accuracy of measurements due to a change in the resistance of the string when it is wetted, due to the deposition of salts and algae on the string and electrode, due to fluctuations in the resistance of the liquid, due to the capacitive properties of the electrical circuit. Another method is to measure the angular position of the sun's glare, reflected from the surface from the height of the aircraft [2]. But this method is not all-weather and is difficult to implement. It is possible to measure the slopes by the reflected laser radiation [3]. The disadvantage of this method is that the glare leaves the receiving system aperture at even small slopes, which does not allow measuring slopes even at moderate waves. In the method described in [4], measurements of the wave height of the water surface relative to its equilibrium state and measurement of surface slopes are carried out. In the method, three laser beams are directed vertically along the Z axis, the scattered radiation is recorded using a digital video camera, the boundaries of laser beams illumination on a digital matrix, taking into account spatial calibration, are converted into wave applicates. At the same time, the simultaneous measurement of the applicate at three points provides the possibility of registering slopes in two directions and obtaining a two-dimensional distribution of slopes. The disadvantage is the fixed scale of the position of the coordinates of three points, as well as the summation of the image during the exposure of one frame, which leads to blurring of the exposure boundary and deterioration of the measurement accuracy.

Наиболее близким аналогом, (прототипом) является измерение аппликат волновой поверхности с помощью лазерного луча или лазерного ножа или двух ортогональных лазерных ножей, направляемых вдоль вертикальной оси, и регистрации одиночной или протяженной метки на поверхности с помощью цифровой видеокамеры [5]. При этом проводится пересчет положения меток на видеокадре в пространственные координаты с дальнейшим вычислением аппликат и уклонов поверхности. Недостатком метода является суммирование изображения метки за время выдержки кадра, что приводит к размыванию точек по высоте. При скоростях вертикального перемещения волны 0.6 м/с (что происходит уже при ветре 10 м/с) и длительности выдержки 1/40 с размывание составит 15 мм, что приводит к низкой точности измерений как аппликат в отдельных точках поверхности, так и уклонов.The closest analogue (prototype) is measuring the applicate of the wave surface using a laser beam or a laser knife or two orthogonal laser knives directed along the vertical axis, and registering a single or extended mark on the surface using a digital video camera [5]. In this case, the position of the marks on the video frame is recalculated into spatial coordinates with the further calculation of the applicate and slopes of the surface. The disadvantage of this method is the summation of the mark image during the exposure time of the frame, which leads to blurring of points in height. At a speed of vertical movement of the wave of 0.6 m / s (which occurs even with a wind of 10 m / s) and a shutter speed of 1/40 s, the blurring will be 15 mm, which leads to a low measurement accuracy of both the applicate at individual points of the surface and the slopes.

Технический результат предложенного способа заключается в многократном повышении точности и надежности измерений высот (аппликат) волновой поверхности вдоль линий сканирования, уклонов в каждой точке в выбранных направлениях и двумерных уклонов, усредненных на различных пространственных масштабах (от единиц миллиметра до метров). При этом повышается пространственное разрешение и удается регистрировать не только гравитационно-капиллярные, но и капиллярные волны.The technical result of the proposed method consists in a multiple increase in the accuracy and reliability of measurements of heights (applicate) of the wave surface along the scanning lines, slopes at each point in the selected directions and two-dimensional slopes averaged at various spatial scales (from units of millimeter to meters). This increases the spatial resolution and it is possible to register not only gravitational-capillary, but also capillary waves.

Для достижения технического результата в предложенном способе лазерные лучи направляют вдоль вертикальной оси Z, рассеянное излучение регистрируют с помощью цифровой видеокамеры, границы засветки лазерных лучей на цифровой матрице с учетом калибровки переводят в аппликаты волнения.To achieve the technical result in the proposed method, the laser beams are directed along the vertical Z-axis, the scattered radiation is recorded using a digital video camera, the boundaries of the illumination of the laser beams on the digital matrix, taking into account the calibration, are converted into wave applicates.

Новым в способе является то, что лазерные лучи сканируют по поверхности с частотой видеосъемки, два луча синхронно сканируют во взаимно перпендикулярных направлениях, в другом варианте добавляется третий луч, который синхронно с первыми двумя сканирует на некотором расстоянии от первых двух, а мгновенный профиль поверхности вдоль траектории сканирования двух или трех лучей рассчитывают с учетом скорости сканирования и скорости вертикального перемещения высоты поверхности в каждой точке траекторий. Точность измерений повышается за счет того, что при сканировании время освещения каждой точки поверхности и размытие изображения за счет ее движения уменьшается в десятки раз. Надежность измерений повышается за счет повышения отношения сигнал/шум на видеокадрах. Кроме того, при использовании трех синхронно сканирующих лучей на каждом двойном видеокадре всегда есть три синхронные точки, на которых можно построить мгновенный треугольник и по стандартной процедуре определить его двумерный уклон в пространстве. При этом на каждом видеокадре можно найти множество таких треугольников различного масштаба (от мм до максимального расстояния между точками лучей). Учет скорости сканирования лучей и скорости вертикального перемещения высоты поверхности в каждой точке траекторий позволяет привести профиль поверхности к единому моменту времени, равному моменту начала сканирования, т.е. получить мгновенный профиль поверхности. Анализ серии видеокадров позволяет получить временную зависимость высот и уклонов, что позволяет рассчитать пространственные и временные характеристики волнения. Использование интерференционных светофильтров при регистрации лазерного излучения на камеры обеспечит селекцию только полезного излучения лазеров и снизит фоновое излучение. Это позволит проводить измерения в любое время суток.The novelty in the method is that the laser beams are scanned over the surface with the video recording frequency, two beams are scanned synchronously in mutually perpendicular directions, in another version, a third beam is added, which, synchronously with the first two, scans at some distance from the first two, and the instantaneous profile of the surface along the scanning trajectories of two or three beams are calculated taking into account the scanning speed and the speed of vertical movement of the surface height at each point of the trajectories. The measurement accuracy is increased due to the fact that during scanning, the time of illumination of each point of the surface and the blurring of the image due to its movement is reduced tenfold. Measurement reliability is increased by increasing the signal-to-noise ratio in video frames. In addition, when three synchronous scanning beams are used, there are always three synchronous points on each double video frame at which an instant triangle can be constructed and its two-dimensional slope in space can be determined using the standard procedure. At the same time, on each video frame, you can find many such triangles of various scales (from mm to the maximum distance between the points of the rays). Taking into account the scanning speed of the rays and the speed of vertical displacement of the surface height at each point of the trajectories makes it possible to bring the surface profile to a single moment in time equal to the moment of the beginning of scanning, i.e. get an instant surface profile. Analysis of a series of video frames makes it possible to obtain the time dependence of heights and slopes, which makes it possible to calculate the spatial and temporal characteristics of waves. The use of interference filters when registering laser radiation with cameras will ensure selection of only useful laser radiation and reduce background radiation. This will allow measurements to be taken at any time of the day.

На фиг. 1 показана схема оптических измерений. Лазерная система 1 производит сканирование водной поверхности 2 лучами 3. Два луча синхронно сканируют во взаимно ортогональных направлениях X и Y, а третий синхронно с первыми двумя сканирует на некотором расстоянии от первых двух лучей под углом 45° к осям X и Y. Видеокамера 4 находится в плоскости составленной биссектрисой между осями X и Y и вертикальной осью Z. В любой момент времени три точки лучей создают треугольник, размеры которого меняются в течение цикла сканирования.FIG. 1 shows a diagram of optical measurements. The laser system 1 scans the water surface 2 with beams 3. Two beams are synchronously scanned in mutually orthogonal directions X and Y, and the third, synchronously with the first two, scans at a certain distance from the first two beams at an angle of 45 ° to the X and Y axes. in the plane composed by the bisector between the X and Y axes and the vertical Z axis. At any given time, three points of the rays create a triangle, the dimensions of which change during the scan cycle.

На фиг. 2. представлена схема сканирования поверхности двумя или тремя лазерными лучами с частотой работы видеокамеры. Первый луч по оси X (траектория 0-1), второй по оси Y (траектории 0-2), а третий по траектории 3-4. Видеокамера 4 находится в плоскости составленной биссектрисой между осями X и Y и вертикальной осью Z.FIG. 2. shows the scheme of surface scanning by two or three laser beams with the frequency of the video camera. The first ray along the X-axis (trajectory 0-1), the second along the Y-axis (trajectory 0-2), and the third along the trajectory 3-4. Video camera 4 is in a plane composed by a bisector between the X and Y axes and the vertical Z axis.

На фиг. 3 представлен видеокадр одиночного лазерного луча, вошедшего в морскую воду. Верхняя точка четко регистрируется и соответствует границе раздела вода воздух. При сканировании с частотой кадров верхняя кромка прописывает точную линию мгновенного профиля поверхности без усреднения за время выдержки.FIG. 3 shows a video frame of a single laser beam entering the sea water. The upper point is clearly recorded and corresponds to the water-air interface. When scanning at a frame rate, the top edge records the exact line of the instantaneous surface profile without averaging over the exposure time.

В способе прототипе происходит непрерывное освещение поверхности ножевым лучом. Учитывая, что скорость вертикального перемещения точек поверхности по оси Z может достигать 0.5-2 м/с, получается, что за время выдержки, например 0.02 с, освещенная лазерным ножом поверхность сместится по вертикали на 10-40 мм, а точность регистрации высоты в каждой точке будет иметь примерно такой же масштаб. Это не позволит получить уклоны за счет регистрации высоты поверхности в соседних пикселах, которые располагаются на расстоянии порядка 1-10 мм. Следовательно, способ-прототип будет испытывать затруднения даже при регистрации гравитационно капиллярных волн. В отличие от прототипа в предложенном способе размывание границы поверхности на видеокадрах не происходит, поскольку время освещения каждой точки поверхности (пиксела матрицы) более чем в 100 раз меньше, чем длительность выдержки. Например, при протяженности развертки 600 мм, разрешении камеры 1 мм и диаметре луча 2 мм длительность освещения одного пиксела составит 1/300 от длительности выдержки. При частоте сьемки 25 кадров в секунду и выдержке 1/40 с, время освещения пиксела составит 1/12000 с. При этом смещение поверхности раздела даже при вертикальной скорости поверхности 2 м/с не превысит 0,17 мм, а разрешение по горизонтальным координатам X,Y будет близко к размеру пиксела, т.е. 1 мм. Это позволит регистрировать не только гравитационно капиллярные волны, но и чисто капиллярные составляющие волнения.In the prototype method, the surface is continuously illuminated with a knife beam. Considering that the speed of vertical movement of surface points along the Z axis can reach 0.5-2 m / s, it turns out that during a holding time, for example 0.02 s, the surface illuminated by a laser knife will shift vertically by 10-40 mm, and the accuracy of registering the height in each point will have approximately the same scale. This will not allow obtaining slopes by registering the surface height in adjacent pixels, which are located at a distance of about 1-10 mm. Consequently, the prototype method will experience difficulties even when registering gravitational capillary waves. Unlike the prototype, the proposed method does not blur the surface boundary in video frames, since the illumination time of each surface point (matrix pixel) is more than 100 times less than the exposure time. For example, with a scan length of 600 mm, a camera resolution of 1 mm, and a beam diameter of 2 mm, the duration of illumination of one pixel will be 1/300 of the exposure duration. At 25 frames per second and shutter speed of 1/40 s, the pixel illumination time will be 1/12000 s. In this case, the displacement of the interface, even at a vertical surface velocity of 2 m / s, will not exceed 0.17 mm, and the resolution along the horizontal coordinates X, Y will be close to the pixel size, i.e. 1 mm. This will make it possible to register not only gravitational capillary waves, but also purely capillary components of waves.

В предложенном способе происходит выигрыш не только в пространственном разрешении, но в отношении сигнал/шум. Действительно, в прототипе лазерный луч ножевой, поэтому освещенность информационных пикселов на границе раздела пропорциональна энергии лазера, излученной за время выдержки Wизл поделенной на число освещаемых пикселов на границе раздела. При длительности выдержки равной 1/40 с и типичной скорости вертикального движения волны 0.6 м/с размытие границы составит 15 мм. Если длина ножевого луча составит 600 мм, а размер одного пиксела 1 мм2, то световая энергия, приходящаяся на пиксел составит Wизл/(600*15). В предложенном решении при сканировании поверхности лучом той же горизонтальной протяженности в направлении вертикали будет освещаться только один пиксел на границе раздела (смещение границы составит 0.1 мм) и световая энергия, приходящаяся на информационный пиксел на границе поверхности составит Wизл/(600*1), т.е. возрастет в 15 раз. Это повышает отношение сигнал/шум на информационных пикселах граница раздела и повышает надежность измерений, позволяет автоматизировать процесс обработки и проводить онлайн измерения параметров волнения.In the proposed method, there is a gain not only in spatial resolution, but in the signal-to-noise ratio. Indeed, in the prototype the laser beam is knife-edge, so the illumination of the information pixels at the interface is proportional to the laser energy emitted during the exposure time W rad divided by the number of illuminated pixels at the interface. With a shutter speed of 1/40 s and a typical vertical wave velocity of 0.6 m / s, the blurring of the border will be 15 mm. If the length of the knife beam is 600 mm, and the size of one pixel is 1 mm 2 , then the light energy per pixel will be W rad / (600 * 15). In the proposed solution, when scanning a surface with a beam of the same horizontal length in the vertical direction, only one pixel at the interface will be illuminated (the boundary displacement is 0.1 mm) and the light energy per information pixel at the surface boundary will be W rad / (600 * 1), those. will increase 15 times. This increases the signal-to-noise ratio at the information pixels of the interface and increases the reliability of measurements, makes it possible to automate the processing process and conduct online measurements of wave parameters.

При падении лазерного луча на поверхность четко визуализируется верхняя точка на границе раздела, ниже которой происходит засветка за счет рассеяния луча, проникшего в воду, как на фотографии фиг. 3. При сканировании лазерным лучом вдоль некоторой прямой будет визуализироваться четкая верхняя граница поверхности с размытием, не превышающим доли миллиметра, а ниже произойдет засветка нижнего полупространства. При сканировании поверхности в двух ортогональных направлениях верхние границы лучей будут регистрироваться от 0 точки их пересечения вдоль линий 0-1 и 0-2, В альтернативном варианте, при сканировании тремя лучами будет регистрироваться также верхняя граница лучей 3-4.When the laser beam hits the surface, the upper point at the interface is clearly visualized, below which the illumination occurs due to the scattering of the beam that has penetrated into the water, as in the photograph in Fig. 3. When scanning with a laser beam along a certain straight line, a clear upper boundary of the surface with a blur not exceeding a fraction of a millimeter will be visualized, and below the lower half-space will be illuminated. When scanning a surface in two orthogonal directions, the upper bounds of beams will be recorded from the 0 point of their intersection along lines 0-1 and 0-2. Alternatively, when scanning with three beams, the upper bounds of beams 3-4 will also be recorded.

Важным действием является учет смещения поверхности раздела за время перемещении луча по поверхности и приведение высоты границы раздела к единому моменту времени, равному моменту начала развертки. Для этого мгновенный профиль поверхности вдоль траектории сканирования двух или трех лучей рассчитывают с учетом скорости сканирования и скорости вертикального перемещения высоты поверхности в каждой точке траектории.An important step is to take into account the displacement of the interface during the movement of the beam over the surface and to bring the height of the interface to a single instant of time equal to the instant of the beginning of the sweep. For this, the instantaneous profile of the surface along the scanning path of two or three beams is calculated taking into account the scanning speed and the speed of vertical movement of the surface height at each point of the path.

Для лучшей избирательности длина волны у третьего луча может выбираться отличной от первых двух и регистрироваться на другом канале видеокамеры, не меньшая регистрация первых двух лучей.For better selectivity, the wavelength of the third beam can be selected different from the first two and recorded on another channel of the video camera, no less than the registration of the first two beams.

Использования интерференционных светофильтров также существенно уменьшит фоновое излучение и позволит проводить измерения в любое время суток.The use of interference filters will also significantly reduce the background radiation and allow measurements to be taken at any time of the day.

Использование предложенного метода позволяет одновременно, с временной точностью до 1/1000 с получить значения аппликат в любых двух или трех выбранных точках на лучах поверхности, фиг. 2, с пространственной точностью до 1 пиксела (1 мм). По этим значением по стандартной методике определяется двумерный мгновенный уклон поверхности, усредненный на выбранном треугольнике, фиг. 2. Обработка видеоряда из последовательности кадров позволяет получать двумерное распределение уклонов на масштабе выбранного треугольника. При синхронном сканировании размеры треугольников плавно изменяются от десятков сантиметров до единиц миллиметров, что позволяет получать пространственно временные характеристики волнения с высокой точностью и в большом интервале масштабов.The use of the proposed method allows simultaneously, with a time accuracy of up to 1/1000 s, to obtain the values of the applicate at any two or three selected points on the rays of the surface, Fig. 2, with a spatial accuracy of 1 pixel (1 mm). From this value, according to the standard technique, the two-dimensional instantaneous slope of the surface is determined, averaged over the selected triangle, Fig. 2. Processing a video sequence from a sequence of frames allows one to obtain a two-dimensional distribution of slopes on the scale of the selected triangle. With synchronous scanning, the dimensions of the triangles smoothly change from tens of centimeters to a few millimeters, which makes it possible to obtain the spatio-temporal characteristics of waves with high accuracy and in a wide range of scales.

Пример реализации способа при использовании двух ортогональных лучей поясняется на фиг. 1. Лазерная система 1 устанавливается стационарно на выносной консоли на морской платформе на высоте 4 м над уровнем воды и зондирует вниз вдоль ось Z. При этом формируются два ортогонально сканирующих лазерных луча, которые синхронно и равномерно по времени отклоняются по углу так, чтобы длина освещенных отрезков 0-1 и 0-2 на поверхности моря составляла по 0.6 м. Видеокамера 4 находится в плоскости, составленной биссектрисой между осями X и Y и осью Z, размещается на платформе на высоте 4 м ориентируется на освещенные участки под средним углом 50° к вертикали, фиг. 1.An example of the implementation of the method using two orthogonal beams is illustrated in FIG. 1. Laser system 1 is installed permanently on a remote console on an offshore platform at a height of 4 m above the water level and probes downward along the Z axis. In this case, two orthogonally scanning laser beams are formed, which are simultaneously and uniformly deflected in time in an angle so that the length of the illuminated segments 0-1 and 0-2 on the sea surface were 0.6 m each.Camera 4 is located in the plane made up by the bisector between the X and Y axes and the Z axis, is placed on a platform at a height of 4 m and is oriented to the illuminated areas at an average angle of 50 ° to vertical, fig. one.

Частота видеокамер синхронизуется с частотой сканирования лучей. При этом на каждом i-том кадре камеры 4 будет зарегистрированы верхние границы поверхности на траекториях 0-1 и 0-2, начиная от точки 0 пересечения лучей до точек 1 и 2, фиг. 2. Матрица видеокамеры калибруются по стандартной методике, описанной, например, в прототипе [5]. В результате для каждого i-того кадра и для каждой j-той дискретной координаты xj, по треку границы 0-1 на видеокамере можно поставить в соответствие координаты Xj и Zj в пространстве, т.е. найти зависимость Zi,j(Xj), а для каждого i-того кадра и для каждой k-той дискретной координаты yk по треку границы 0-2 можно определить координаты Yk и Zk в пространстве, т.е. найти зависимость Zi,k(Yk). Затем, вычисляется нулевой уровень невозмущенной поверхности в каждой точке j и k как среднее по большому числу кадров N:

Figure 00000001
и
Figure 00000002
и вычисляются значения высот поверхности (аппликаты) в каждой точке
Figure 00000003
и
Figure 00000004
The frequency of the video cameras is synchronized with the scanning frequency of the beams. In this case, on each i-th frame of camera 4, the upper boundaries of the surface will be recorded on trajectories 0-1 and 0-2, starting from point 0 of intersection of the rays to points 1 and 2, Fig. 2. The matrix of the video camera is calibrated according to the standard technique described, for example, in the prototype [5]. As a result, for each i-th frame and for each j-th discrete coordinate x j , along the track of the boundary 0-1 on the video camera, you can assign coordinates X j and Z j in space, i.e. find the dependence Z i, j (X j ), and for each i-th frame and for each k-th discrete coordinate y k along the track of the boundary 0-2, we can determine the coordinates Y k and Z k in space, i.e. find the dependence Z i, k (Y k ). Then, the zero level of the unperturbed surface is calculated at each point j and k as an average over a large number of frames N:
Figure 00000001
and
Figure 00000002
and the values of the surface heights (applicates) are calculated at each point
Figure 00000003
and
Figure 00000004

В альтернативном решении третий трек располагается перпендикулярно биссектрисе угла X0Y на расстоянии 1 м от точки пересечения ортогональных лучей. При этом его длина составляет, например, 0,2 м. Аппликаты на третьем треке

Figure 00000005
определяются аналогичным образом, они служат для расчета двумерных уклонов большого масштаба, фиг. 2.In an alternative solution, the third track is located perpendicular to the bisector of the X0Y angle at a distance of 1 m from the intersection of the orthogonal rays. Moreover, its length is, for example, 0.2 m.Applications on the third track
Figure 00000005
are defined in a similar way, they serve to calculate large scale 2D slopes, FIG. 2.

Следует учесть, что, за время сканирования поверхность успевает смещаться по вертикали. Получается, что высота поверхности (аппликаты ξi) в разных точках линии сканирования измеряются в различные моменты времени. Поэтому проводится процедура приведения всех высоты в i-том кадре к единому моменту времени, ti равному началу сканирования в i-том кадре. Для этого требуется учесть смещение высот в каждой точке за время движения луча по траектории. Это учитывается следующим образом. Рассмотрим это учет на примере траектории 0-1 по оси X.It should be taken into account that, during the scan, the surface has time to shift vertically. It turns out that the surface height (applicates ξ i ) at different points of the scanning line are measured at different times. Therefore, the procedure is carried out to bring all heights in the i-th frame to a single moment in time, t i equal to the beginning of scanning in the i-th frame. This requires taking into account the displacement of heights at each point during the movement of the ray along the trajectory. This is taken into account as follows. Let us consider this accounting for the example of the trajectory 0-1 along the X axis.

• Угловая скорость сканирования

Figure 00000006
поддерживается постоянной, при этом скорость νx,i движения луча по поверхности на i-том кадре составит величину:• Angular scanning speed
Figure 00000006
is maintained constant, while the speed ν x, i of the beam movement on the surface on the i-th frame will be:

Figure 00000007
Figure 00000007

где Z0 - высота лазера 1 над невозмущенной поверхностью,

Figure 00000008
- средняя высота поверхности на i-том кадре, М - число дискретных точек по оси X (на треке 0-1).where Z 0 is the height of laser 1 above the unperturbed surface,
Figure 00000008
is the average surface height on the i-th frame, M is the number of discrete points along the X axis (on track 0-1).

• Время перемещения луча по координате X от начала скана Xi,1 до точки Xi,j (задержка):• Time of movement of the beam along the X coordinate from the beginning of the scan X i, 1 to the point X i, j (delay):

Δtзад,i,j=(Xi,j-Xi,1)/νx,i Δt back, i, j = (X i, j -X i, 1 ) / ν x, i

• Скорость вертикального смещения каждой точки Xi,j вычисляется из сравнения аппликат в двух соседних кадрах:• The rate of vertical displacement of each point X i, j is calculated from comparing the applicate in two adjacent frames:

νz,i,j=(ξi+1,ji,j)/τповт, где τповт - период повторения кадров.ν z, i, j = (ξ i + 1, ji, j ) / τ rep , where τ rep is the frame repetition period.

• В результате получаем

Figure 00000009
- «мгновенный» профиль высоты поверхности вдоль оси X, приведенный к моменту начала развертки ti, в котором учитывается вертикальное смещение точек за время развертки:• As a result, we get
Figure 00000009
- "instantaneous" profile of the surface height along the X axis, reduced to the time of the beginning of the sweep t i , which takes into account the vertical displacement of points during the sweep:

Figure 00000010
Figure 00000010

Аналогично рассчитывается мгновенный профиль поверхности по второй ортогональной траектории сканирования 0-2 и по третьей траектории сканирования 3-4.Similarly, the instantaneous surface profile is calculated along the second orthogonal scanning path 0-2 and along the third scanning path 3-4.

Одномерные уклоны поверхности - это тангенс угла наклона нормали к поверхности в каждой точке траектории. Для уклонов по оси X они находятся по обычной формуле:One-dimensional surface slopes is the tangent of the slope of the normal to the surface at each point on the trajectory. For slopes along the X axis, they are found using the usual formula:

Figure 00000011
Figure 00000011

Аналогично определяют одномерные уклоны поверхности по другим направления сканирования.Similarly, one-dimensional surface slopes are determined in other scanning directions.

Двумерные уклоны поверхности вычисляют по стандартной методике по значениям мгновенных высот в трех любых точках поверхности раздела, не лежащих на одной прямой. При сканировании по двум ортогональным направлениям три точки треугольника можно выбирать на участках 0-1 и 0-2, изменяя масштаб от единиц миллиметров до размеров

Figure 00000012
При альтернативном варианте с тремя лучами верхний масштаб треугольников существенно возрастает.Two-dimensional slopes of the surface are calculated according to the standard technique from the values of the instantaneous heights at any three points of the interface that do not lie on one straight line. When scanning in two orthogonal directions, three points of the triangle can be selected in sections 0-1 and 0-2, changing the scale from units of millimeters to sizes
Figure 00000012
In the alternative with three beams, the top scale of the triangles increases significantly.

Статистическая обработка серии видеокадров позволяет получить временные зависимости высот и уклонов водной поверхности.Statistical processing of a series of video frames makes it possible to obtain time dependences of the heights and slopes of the water surface.

В результате применения предложенного способа удается с высокой временной и пространственной точностью получить как временные, так и пространственные зависимости для высот водной поверхности и уклонов поверхности в диапазоне масштабов от единиц миллиметров до метров, что необходимо для широкого круга научных и прикладных задач. При этом метод является дистанционным, практически всепогодным, не приводит к возмущению измеряемой среды, не подвержен влиянию ветра, волн и течения, позволяет проводить автоматизацию обработки и регистрировать волновые параметры в реальном масштабе времени.As a result of the application of the proposed method, it is possible with high temporal and spatial accuracy to obtain both temporal and spatial dependences for the heights of the water surface and surface slopes in the range of scales from millimeters to meters, which is necessary for a wide range of scientific and applied problems. At the same time, the method is remote, practically all-weather, does not lead to disturbance of the measured medium, is not subject to the influence of wind, waves and currents, allows for the automation of processing and registration of wave parameters in real time.

ЛитератураLiterature

1. Авторское свидетельство СССР №513250, МКИ G01C 13/00. Волнограф, А.К. Куклин. -Заявлено 23.01.1975. Опубл. 18.05.1976.1. USSR author's certificate No. 513250, MKI G01C 13/00. Volnograf, A.K. Kuklin. -Stated 01/23/1975. Publ. 05/18/1976.

2. Сох С., Munk W. Slopes of the sea surface deduced from photographs of sun glitter, J. Optical. Soc. America, 1954, Vol.44, No. 11, pp.838-850.2. Sokh S., Munk W. Slopes of the sea surface deduced from photographs of sun glitter, J. Optical. Soc. America, 1954, Vol. 44, No. 11, pp. 838-850.

3. Запевалов A.C. Статистические модели морской поверхности в задачах рассеяния акустического и электромагнитного излучения // Дисс. … докт. физ.-мат.наук. Севастополь: Морской гидрофизический институт НАН Украины, 2008. 290 с.3. Zapevalov A.C. Statistical models of the sea surface in problems of scattering of acoustic and electromagnetic radiation // Diss. ... doct. physical and mathematical sciences. Sevastopol: Marine Hydrophysical Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008.290 p.

4. А. Александров, Э. Вайндруж, В. Легеза «Светолучевой многоканальных волнограф», стр. 205-209 в сб. «Неконтактные методы измерения океанографических параметров», М.: Гидрометеоиздат, 1983.4. A. Aleksandrov, E. Vayndruzh, V. Legeza "Light beam multichannel wave recorder", pp. 205-209 in collection. "Non-contact methods for measuring oceanographic parameters", Moscow: Gidrometeoizdat, 1983.

5. Караев В.Ю., Мешков Е.М. Способ определения угла наклона и высоты волнения водной поверхности относительно ее равновесного состояния. Патент РФ №2 448 324 G01C 13/00.5. Karaev V.Yu., Meshkov E.M. Method for determining the angle of inclination and wave height of the water surface relative to its equilibrium state. RF patent No. 2 448 324 G01C 13/00.

Claims (3)

1. Способ измерения углов наклона и высоты волнения водной поверхности относительно ее равновесного состояния, в котором лазерные лучи направляют вдоль вертикальной оси Z, рассеянное излучение регистрируют с помощью цифровой видеокамеры, границы засветки лазерных лучей на цифровой матрице с учетом калибровки переводят в аппликаты волнения, отличающийся тем, что лазерные лучи сканируют по поверхности с частотой видеосъемки, два луча синхронно сканируют во взаимно перпендикулярных направлениях X и Y, или к двум перпендикулярным лучам добавляется третий луч, который синхронно с первыми двумя сканирует на некотором расстоянии от первых двух, а мгновенный профиль поверхности вдоль траектории сканирования двух или трех лучей рассчитывают с учетом скорости сканирования и скорости вертикального перемещения высоты поверхности в каждой точке траекторий.1. A method for measuring the angles of inclination and wave height of the water surface relative to its equilibrium state, in which the laser beams are directed along the vertical Z axis, the scattered radiation is recorded using a digital video camera, the boundaries of the illumination of laser beams on a digital matrix, taking into account the calibration, are converted into wave applicates, which differ by the fact that the laser beams are scanned over the surface with the video recording frequency, two beams are synchronously scanned in mutually perpendicular directions X and Y, or a third beam is added to the two perpendicular beams, which, synchronously with the first two, scans at some distance from the first two, and the instantaneous profile of the surface along the scanning trajectory of two or three beams is calculated taking into account the scanning speed and the speed of vertical movement of the surface height at each point of the trajectories. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что длины волн лазерных лучей различны.2. The method according to claim 1, characterized in that the wavelengths of the laser beams are different. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при регистрации рассеянного излучения используют интерференционные фильтры.3. The method according to claim 1, characterized in that when the scattered radiation is recorded, interference filters are used.
RU2019142815A 2019-12-20 2019-12-20 Scanning optical wave recorder RU2746186C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019142815A RU2746186C1 (en) 2019-12-20 2019-12-20 Scanning optical wave recorder

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019142815A RU2746186C1 (en) 2019-12-20 2019-12-20 Scanning optical wave recorder

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2746186C1 true RU2746186C1 (en) 2021-04-08

Family

ID=75353498

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019142815A RU2746186C1 (en) 2019-12-20 2019-12-20 Scanning optical wave recorder

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2746186C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4277167A (en) * 1976-08-25 1981-07-07 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Depth mapping system
RU2410643C1 (en) * 2009-06-30 2011-01-27 Учреждение Российской академии наук Институт прикладной физики РАН Method to measure angles of inclination and height of water surface roughness relative to its balanced condition
JP4798363B2 (en) * 2006-06-14 2011-10-19 独立行政法人海上技術安全研究所 Hull draft measurement device
RU2474788C1 (en) * 2011-07-07 2013-02-10 Учреждение Российской академии наук Институт прикладной физики РАН Method of measuring tilt angle and wave height of water surface relative equilibrium state thereof
RU2598400C2 (en) * 2014-12-24 2016-09-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Морской гидрофизический институт РАН" (ФГБУН "МГИ РАН") Method of determining slopes of water surface

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4277167A (en) * 1976-08-25 1981-07-07 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Depth mapping system
JP4798363B2 (en) * 2006-06-14 2011-10-19 独立行政法人海上技術安全研究所 Hull draft measurement device
RU2410643C1 (en) * 2009-06-30 2011-01-27 Учреждение Российской академии наук Институт прикладной физики РАН Method to measure angles of inclination and height of water surface roughness relative to its balanced condition
RU2474788C1 (en) * 2011-07-07 2013-02-10 Учреждение Российской академии наук Институт прикладной физики РАН Method of measuring tilt angle and wave height of water surface relative equilibrium state thereof
RU2598400C2 (en) * 2014-12-24 2016-09-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Морской гидрофизический институт РАН" (ФГБУН "МГИ РАН") Method of determining slopes of water surface

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Leighton et al. Velocity fields in the solar atmosphere: I. Preliminary report
CN106546513B (en) A kind of three-dimensional precipitation particle measurement based on orthogonal double-view field and reconstruct device and method
US9532029B2 (en) 3d scanning laser systems and methods for determining surface geometry of an immersed object in a transparent cylindrical glass tank
CN103591939B (en) Based on simulation sea bed topographic survey method and the measurement mechanism of active stereo vision technique
Moore et al. Development of a new underwater bathymetric laser imaging system: L-bath
KR101419407B1 (en) System and method for measuring snowfall using optical device
Piironen et al. Convective boundary layer mean depths and cloud geometrical properties obtained from volume imaging lidar data
Zhai et al. Shipborne wind measurement and motion-induced error correction of a coherent Doppler lidar over the Yellow Sea in 2014
Yu et al. Measuring droplet fall speed with a high-speed camera: indoor accuracy and potential outdoor applications
Sterlyadkin et al. Scanning laser wave recorder with registration of “instantaneous” sea surface profiles
RU2746186C1 (en) Scanning optical wave recorder
CN106097343A (en) Optical field imaging equipment axial resolution determinator and method
RU2749727C1 (en) Scanning laser recorder recording "instant" shape of surface
Pierrottet et al. Characterization of 3-D imaging lidar for hazard avoidance and autonomous landing on the Moon
RU2474788C1 (en) Method of measuring tilt angle and wave height of water surface relative equilibrium state thereof
RU2410643C1 (en) Method to measure angles of inclination and height of water surface roughness relative to its balanced condition
RU2448324C2 (en) Method of determining angle of inclination and wave height on water surface relative equilibrium state thereof
Jahne et al. Optical measuring technique for small scale water surface waves
US3242836A (en) Method for measuring sea surface condition
Waas et al. Combined slope-height measurements of short wind waves: first results from field and laboratory measurements
RU2377612C1 (en) Mono-static method of determination of cloudiness low border altitude
RU2712755C1 (en) Optical string wave meter
CN106679571B (en) A kind of method of non-contact measurement wild animal individual morphology parameter
EA028167B1 (en) Method of determining distance to an object, its height and width
Flach et al. Vision-based techniques for refraction analysis in applications of terrestrial geodesy