Оценка спектров ветровых волн с длинами от сантиметров до метра по изображениям поверхности моря

В. В. Баханов1, А. А. Демакова1, А. Е. Кориненко2, М. С. Рябкова1, В. И. Титов1,✉

1 Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород, Россия

2 Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

✉ e-mail: titov@hydro.appl.sci-nnov.ru

Аннотация

Рассматривается метод исследования спектров морских волн, основанный на спектральной обработке изображений морской поверхности в рассеянном свете неба. Обсуждены механизмы формирования изображения морской поверхности при наклонном визировании. Показано, что при освещении поверхности ясным небом в рамках двухмасштабной модели волнения спектр изображения морской поверхности будет пропорционален спектру уклонов волн. Описан разработанный в Институте прикладной физики РАН оптический спектроанализатор на некогерентном свете, позволяющий регистрировать двумерные спектры изображений морской поверхности в реальном времени. Спектроанализатор обладает исключительно широким динамическим диапазоном (до 40-50 дБ). Время регистрации одного двумерного спектра составляет 1 с. При установке спектроанализатора на океанографической платформе или на баке корабля регистрируются спектры волн длиной от метра до нескольких сантиметров в зависимости от высоты над уровнем моря и угла визирования. Представлен метод восстановления абсолютных значений спектров волн, основанный на использовании спектра тест-объекта. Приводятся предварительные результаты измерения спектров волн оптическим методом со стационарной океанографической платформы в п. Кацивели и с движущегося судна, выполненные при различных скоростях ветра. Сделан вывод о соответствии полученных спектров волн имеющейся эмпирической информации о спектрах в рассматриваемом диапазоне ветровых волн. Обсуждаются полученные угловые распределения энергии волн и особенности спектров, наблюдаемые в зонах сликов. Для исследования особенностей динамики спектров волн разработан способ отображения текущих двумерных спектров волн с хорошим разрешением по пространственной частоте и направлению волн.

Временная зависимость текущих спектров уклонов волн представлена в виде горизонтальных полос, каждая из которых соответствует определенному направлению распространения волн, при этом внутри каждой полосы по вертикали меняется пространственная частота волны от коротких до длинных волн. Яркость изображений будет пропорциональна спектру уклонов в условной цветовой шкале.

Ключевые слова

морская поверхность, оптика, изображение поверхности, яркость поверхности, обработка изображений, дистанционное зондирование, спектральный анализ, спектр волн, ветровые волны

Благодарности

Работа выполнена при поддержке РФФИ, гранты 16-05-00858а, 15-05-07726а, 15-45-02610 р_поволжье_а. Использованы сопутствующие метеоволновые данные, полученные по государственному заданию № 0827-2014-0010.

Для цитирования

Оценка спектров ветровых волн с длинами от сантиметров до метра по изображениям поверхности моря / В. В. Баханов [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2018. Т. 34, № 3. С. 192-205. EDN YNHCTB. doi:10.22449/0233-7584-2018-3-192-205

Bakhanov, V.V., Demakova, A.A., Korinenko, A.E., Ryabkova, M.S. and Titov, V.I., 2018. Estimation of the Wind Wave Spectra with Centimeters-to-Meter Lengths by the Sea Surface Images. Physical Oceanography, 25(3), pp. 177-190. doi:10.22449/1573-160X-2018-3-177-190

DOI

10.22449/0233-7584-2018-3-192-205

Список литературы

  1. A unified directional spectrum for long and short wind-driven waves / T. Elfouhaily [et al.] // J. Geophys. Res. 1997. Vol. 102, iss. C7. P. 15781–15796. doi:10.1029/97JC00467
  2. Караев В. Ю., Баландина Г. Н. Модифицированный спектр волнения и дистанционное зондирование океана // Исследование Земли из космоса. 2000. № 5. С. 45-56.
  3. Karaev V., Kanevsky M., Meshkov E. The effect of sea surface slicks on the Doppler spectrum width of a backscattered microwave signal // Sensors. 2008. Vol. 8, iss. 6. P. 3780-3801. https://doi.org/10.3390/s8063780
  4. Спектры поверхностного волнения для задач дистанционного зондирования: обзор популярных моделей и обсуждение новой модели / М. С. Рябкова [и др.] // Пятнадцатая Всероссийская открытая конференция "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса" : тезисы, 13-17 ноября 2017. Москва : ИКИ, 2017. С. 300.
  5. Experimental study of the microwave radar Doppler spectrum backscattered from the sea surface at low incidence angles / M. S. Ryabkova [et al.] //XXXIInd General Assembly and Scientific Symposium of the International Union of Radio Science (URSI GASS), 19-26 Aug. 2017, Montreal, QC, Canada. IEEE, 2017. P. 1-4. doi: 10.23919/URSIGASS.2017.8105008
  6. Directional short wind wave spectra derived from the sea surface photography / M. V. Yurovskaya [et al.] // J. Geophys. Res. Vol. 118, iss. 9. P. 1–15. doi:10.1002/jgrc.20296, 2013
  7. Kosnik M. V., Dulov V. A. Extraction of short wind wave spectra from stereo images of the sea surface // Measurement science and technology. 2011. Vol. 22, No. 1. 015504. doi:10.1088/0957-0233/22/1/015504
  8. Исследование динамики двумерных спектров морского волнения / В. И. Титов [и др.] // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2010. Т. 7, № 1. С.273–285. URL: http://d33.infospace.ru/d33_conf/sb2010t1/273-285.pdf (дата обращения: 20.04.2018).
  9. Титов В. И., Зуйкова Э. М., Лучинин А. Г. Исследование пространственно-временных спектров короткомасштабного волнения оптическим методом // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Севастополь : МГИ, 2010. Вып. 21. С. 197-206.
  10. Development of optical remote sensing technique for monitoring of water basins / V. Titov [et al.] // Proc. SPIE. Vol. 8532, Remote Sensing of the Ocean, Sea Ice, Coastal Waters, and Large Water Regions 2012. Bellingham, Washington : SPIE, 2012. 85320J. doi:10.1117/12.974421
  11. Remote sensing technique for near-surface wind by optical images of rough water surface / V. I. Titov [et al.] // Int. J. Remote Sens. 2014. Vol. 35, iss. 15. P. 5946–5957. doi: 10.1080/01431161.2014.948223
  12. Мониторинг состояния поверхности моря по пространственно-временным оптическим изображениям / В. И. Титов [и др.] // Исследование Земли из Космоса. 2014. № 5. С. 3-14. URL: file:///C:/Users/User/Downloads/izkTitov2014.pdf (дата обращения: 20.04.2018).
  13. Chapman R. D., Irani G. B. Errors in estimating slope spectra from wave images // Applied Optics. 1981. Vol. 20, iss. 20. P. 3645-3652. https://doi.org/10.1364/AO.20.003645
  14. Определение спектров волнения по оптическому изображению морской поверхности / В. В. Баханов [и др.] // Известия вузов. Радиофизика. 2006. Т. 49, № 1. С. 53-63.
  15. Устройство оптической спектральной обработки изображения шероховатой поверхности : пат. 2400705 Рос. Федерация / Зуйкова Э. М., Титов В. И., Троицкая Ю. И.; № 2009103024; заявл. 30.01.2009; опубл. 27.09.2010.
  16. О’Нейл Э. Введение в статистическую оптику. М. : Мир, 1966. 254 с.
  17. Brunger A. P., Hooper F. C. Anisotropic sky radiance model based on narrow field of view measurements of shortwave radiance // Solar Energy. 1993. Vol. 51, iss. 1. P. 53-64. doi:10.1016/0038-092X(93)90042-M

Скачать статью в PDF-формате