книги из ГПНТБ / Хохлов, В. А. Видимость сигнальных огней и знаков судоходной обстановки в различных метеоусловиях учебное пособие для студентов судоводительской специальности

Рис. 2. К выводу световоздушного уравнения

Но на пути от а до dx световой поток будет ослабляться за счет рассеяния в среде и действительная яркость dp слоя dx будет мень­ ше, чем по (3). Ослабление светового потока на указанном отрезке пути подчиняется закону Бугера, на основании которого действи­ тельная яркость dp слоя dx будет равна

Аналогичным образом может быть описана яркость dPi любо­ го другого элементарного слоя, находящегося в слое на расстоя­ нии х от границы А.

lO

рактеризующее изменение яркости атмосферной дымки в зависи­ мости от протяженности L слоя.

Следует заметить, что слойL оптически однороден. Такое пред­ положение исключает применимость (5) к наклонным направле­ ниям.

Рассмотрим физический смысл коэффициента Б световоздуш­ ного уравнения. Если брать все более и более протяженный слой

(т. е. L со), то яркость (3j слоя сначала быстро возрастает,

а затем постепенно приближается к значению Б как к пределу. Таким образом, в физическом смысле коэффициент Б характери­ зует состояние яркостного «насыщения» слоя L. При значитель­ ном помутнении атмосферы яркость приземного слоя в горизон­ тальном направлении, как показывает опыт, на протяжении не­ скольких километров действительно достигает состояния насыще­ ния и при дальнейшем удлинении слоя практически остается по­

стоянной. Это означает, что яркость р1^слоя атмосферной дымки

может быть отожествлена с яркостью неба у горизонта.

Одним из важнейших соотношений учения о видимости являет­ ся уравнение дальности видимости реальных объектов. Оно впер­ вые было получено немецким геофизиком Кошмидером.

Вывод уравнения дальности видимости основывается на следу­ ющих предпосылках [5]:

а) интенсивность зрительного восприятия объекта определяет­ ся контрастом яркости между ним и окружающим фоном;

б) атмосферное помутнение снижает этот контраст до порого­ вого;

в) атмосферное помутнение, а также условия освещения одно­ родны от точки наблюдения до объекта;

г) объект имеет угловые размеры не меньше 0,3° (в пределах

11

атмосферной дымки. Аналогично выражается и наблюдаемая яр­ кость фона

12

Прологарифмировав последнее выражение по основанию е, по­ лучаем

( 7 )

Выражение (7) является уравнением дальности видимости любого реального объекта, проектирующегося на любом реальном фоне.

Из (7) видно, что дальность видимости реального объекта яв­ ляется сложной функцией пяти параметров: а, Ко, е, Б, Вф.

Если неизвестен хотя бы один из пяти параметров, задачу по оп­ ределению Sp решить невозможно.

Если объектом, проектирующимся на фоне неба, является аб­ солютно черная поверхность, то /Со=1. Тогда получим

J_

В качестве конкретной величины порога контрастной чувстви­ тельности зрения обычно берут 2—3%. Если взять е=0,02, то формула (9) примет вид

Выражение (10) представляет собой известную формулу Кошмидера, устанавливающую однозначную зависимость между даль­ ностью видимости абсолютно черного объекта на фоне неба у го­ ризонта и степенью оптического помутнения атмосферы, выража­ емой через показатель ослабления.* Дальность видимости абсо­ лютно черной поверхности, определяемая по (10) и однозначно характеризующая атмосферное помутнение, называется метеоро­

* Показатель ослабления (экстинкции) характеризует ослабление потока лу­

чистой энергии на единицу длины пути луча в атмосфере.

13

логической дальностью видимости (м.д. в.). Таким образом, метео­ рологическая дальность видимости есть условное выражение про­ зрачности атмосферы через такое расстояние, на котором под воз­ действием атмосферной дымки теряется видимость абсолютно черной поверхности, имеющей на этом расстоянии угловые разме­ ры не менее 20' и проектирующейся на фоне дымки у горизонта. По международному соглашению во всех странах мира метеостан­ ции определяют величину метеорологической дальности видимо­ сти (м.д. в), которая и дается в путевой информации судоводи­ телям.

В практике метеорологической службы весь диапазон измене­ ний м.д. в. принято разбивать на определенное число интервалов. Значениям м.д. в. по существующей 10-бальной шкале приводят­ ся в табл. 1.

Опыт показывает, что м. д. в. подвержена значительным колеба­ ниям. Прозрачность атмосферы обусловлена наличием в воздухе пылинок и ядер конденсации и зависит от неоднородности смежных между собою воздушных масс. Оптическая мутность обусловлена, в первую очередь, неравномерным нагреванием подстилающей по­ верхности в дневные часы, сопровождающимся конвекцией и раз­ витием турбулентности воздуха. Световые лучи, встречая на своем пути струйки или вихри, отличающиеся по своей плотности от ок­ ружающего воздуха, испытывают преломление, отражение и рас­ сеяние. В результате получается ослабление интенсивности света и понижение видимости отдельных предметов.

Кроме того, м. д. в. зависит от времени года. В летнее время м. д. в. значительно выше, чем в осеннее. Неодинакова она и в те­ чение суток. Наибольшего значения, как правило, м.д. в. достигает в 12—15 часов, наименьшего при восходе солнца, после захода солнца наблюдается снижение м. д. в. [6]. Согласно наблюдениям

14

с увеличением относительной влажности метеорологическая даль­ ность видимости уменьшается. Во время выпадения осадков м. д. в. сильно снижается, а при снегопадах приближается к видимости во время сильного тумана. М. д. в. в общем меняется в широких пре­ делах. Однако наибольший процент повторений на внутренних вод­ ных путях имеет прозрачность, характеризуемая 7-м и 8-м баллом метеорологической дальности видимости. Эти величины м. д. в. и по­ ложены в основу расчета дальности видимости знаков и сигналь­ ных огней судоходной обстановки.

§ 3. Видимость знаков судоходной обстановки днем

Работа глаза днем характеризуется тремя зрительными функ­ циями: разрешающей силой, контрастной чувствительностью и скоростью различения.

Разрешающая сила глаза—величина, обратная разрешаемому углу. Разрешающая сила глаза при неограниченном времени на­ блюдения черного предмета на белом фоне при дневной освещен­ ности называется остротой зрения. Острота зрения определяется посредством специальных таблиц, которыми пользуются врачиокулисты.

На таблицах для исследования остроты зрения изображены черной краской различные буквы и знаки. В результате испыта­ ния остроты зрения определяется наименьший угол б, под кото­ рым видны детали знаков и букв, которые испытуемый еще спо­ собен читать. Этот угол называется наименьшим разрешаемым углом, а его обратная величина—остротой зрения

За единицу остроты зрения принята острота зрения, соответ­ ствующая разрешаемому углу, равному одной дуговой минуте.

Разрешающая сила глаза зависит от свойств аппарата зрения,

•от формы и яркости объекта, от контраста с фоном, на котором он наблюдается. Чем больше контраст, тем меньше разрешаемый угол. Поэтому для разрешающей силы глаза характерно непосто­ янство ее значения не только для разных лиц, но и для одного и того же лица при решении разных зрительных задач. По данным работы [7] разрешающая сила глаза изменяется в течение суток примерно в 100 раз, особенно в сумерки и ночью. В связи с этим

15

процесса. При зрительном опознавании знака судоводитель не только выделяет объект относительно фона, но также различает его форму.

Определение формы знака связано с различением его деталей. Способность глаза различать мелкие детали, как уже говорилось, характеризуется разрешаемым углом. По данным разных иссле­ дователей для обеспечения различения формы знаков они должны просматриваться под углом не менее 3' в случае простых форм (круг, треугольник, цилиндр и т. п.) и под углом не менее 4—6' в случае боле сложных форм (буквы, цифры и т. п.).

С целью уточнения этих данных автором данной работы были проведены натурные исследования влияния контраста и угловых размеров знаков судоходной обстановки на сложность зритель­ ных задач обнаружения и опознавания. Результаты наблюдений

искаженная атмосферной дымкой степень видимости буя, измерен­ ная с расстояния 100—150 м. Измерения V0 проводились измери­ телем видимости ИДВ, разработанным в Главной геофизической обсерватории.

Из табл. 2 видно, что дальность узнавания, т. е. отчетливое вос­ приятие судоводителями формы плавучих знаков судоходной об­ становки, происходит на значительно более близком расстоянии, чем обнаружение. На стадии обнаружения судоводитель видит знак в виде пятна определенного цвета. Так, например, на рассто­ янии 5,1 км при SM— 8—10 км судоводитель не отличает черный буй от лодки. Т. е. на данной стадии не воспринимается детализи­ рованная структура знака. Из табл. 2 видно, что уверенное вос­ приятие судоводителями формы буев достигается для РБ в сред­ нем на расстоянии 1,4 км, для ОБ—2,7 км.

16

Из опыта известно, что объект с поперечным размером в 1 м с расстояния в 1 км, при наблюдении невооруженным глазом, виден под углом около 3,6'. Исходя из этого положения и из данных табл. 2, получаем, что для обнаружения плавучих знаков судоход­ ной обстановки необходимо, чтобы они просматривались под уг­

«критическое расстояние», на котором объект имеет угловой раз­ мер 15'Х15' и за пределами которого восприятие объекта сущест­

ность. Контрастная чувствительность—это способность глаза об­ наруживать рассматриваемый объект по его контрасту с фоном. Контрастная чувствительность определяется величиной, обратной пороговому контрасту яркости. Глаз человека при дневном уров­ не освещенности обладает высокой чувствительностью к восприя­ тию яркостного различия двух контрастирующих поверхностей. Пороги контрастной чувствительности днем для объектов с угло­ выми размерами не менее 30' составляет 1—5% [5]. При этом порог контрастной чувствительности глаза остается практически постоянным в диапазоне освещенностей от 200 до 20.103 лки силь­ но зависит от освещенности и яркости фона вне указанного диа­ пазона.

При низкой освещенности соотношение пороговой яркости и яркости фона в значительной мере определяется вуалирующим действием собственного света сетчатки, в результате чего в обла­ сти малых яркостей фона наблюдается резкий рост порогового контраста. Этим объясняется ухудшение видимости предметов и окружающего ландшафта в сумерки и ночью. В области высоких яркостей фона также происходит возрастание порога контрастной чувствительности. Снижение чувствительности зрительного ана­ лизатора в результате чрезмерной яркости фона или объекта, но сравнению с яркостью, на которую адаптирован глаз наблюдате­ ля, принято называть ослепленностью [8].

Всем судоводителям хорошо известно явление «солнечной до­ рожки»: отражение солнца от водной поверхности образует до­ рожку света, ширина и яркость которой зависит от высоты солн­ ца и степени волнения. Установлено, что максимальная яркость солнечной дорожки имеет место при высоте солнца над горизон­ том в 25° и слабом волнении. Глаз судоводителя на вахте адапти­ рован на уровень яркости водной поверхности. При появлении солнечной дорожки установившийся уровень зрительного воспри­ ятия изменяется в сторону уменьшения.

Снижение видимости объектов на солнечной дорожке происхо­ дит в результате уменьшения диаметра зрачка глаза судоводите­

ля и рассеяния светового потока в глазных средах, вследствие че­ го возникает вуалирующая световая пелена, снижающая эффек­ тивное значение контраста с фоном.

Автором данной работы были измерены пороги контрастной чувствительности на солнечной дорожке. В результате проведен­ ных исследований установлено, что пороги контрастной чувстви­ тельности в этих условиях возрастают до 40—50%• Отсюда ясно, почему трудно опознавать плавучие знаки судоходной обстановки в условиях слепящей яркости солнечной дорожки. Следует заме­ тить, что действие на зрение судоводителя слепящей яркости сол­ нечной дорожки в течение продолжительного времени, сильно утомляет его зрительный аппарат.

С целью повышения контрастной чувствительности и увеличе­ ния степени видимости плавучих знаков судоходной обстановки на солнечной дорожке автором были предложены защитные сред­ ства для глаз судоводителей. Это очки, изготовленные из поляри­ зационных фильтров. Применение этих защитных средств сни­ жает порог контрастной чувствительности глаза и позволяет полу­ чить выигрыш в улучшении видимости в 1,5—2 раза по сравнению с нейтральными фильтрами такой же плотности.

Для судоводителей быстроходных судов важное значение имеет такая функция зрения, как скорость различения. Скорость различения—это величина, обратная времени различения, т. е. ми­ нимальному времени экспозиции объекта, обеспечивающего реше­ ние той или иной зрительной задачи. Скорость различения зави­ сит от величины контраста объекта с фоном и яркости фона. Она увеличивается с увеличением контраста с фоном и яркости фона, причем особенно сильно при малых яркостях фона.

Экспериментально установлено, что скорость различения не­ ожиданно возникшего препятствия вдвое меньше по сравнению со случаем, когда судоводитель ожидает увидеть это препятствие. С увеличением скорости движения уменьшается скорость разли­ чения и уменьшается эффективный контраст, т. к. изображение объекта движется по сетчатке глаза, а контуры изображения вос­ принимаются нечетко. Это приводит к уменьшению дальности ви­ димости. В. А. Гавриловым [6] показано, что один и тот же ярко­ стный контраст между объектом и фоном дает различный зритель­ ный эффект в зависимости от характера контура объекта. Види­ мый контраст объекта с размытым контуром всегда оказывается меньше его собственного яркостного контраста.

В настоящее время на внутренних водных путях основным яв­ ляется глазомерный способ судовождения. При этом судоводители определяют расстояния до объектов путем сопоставления ряда признаков: в частности ожидаемого по законам перспективы раз­ мера известного предмета (его изображения на сетчатке), возмож­ ности различения отдельных деталей предмета; подсознательной оценки действия конвергирующих мышц глаза; сопоставления

18

взаимного расположения наблюдаемого и других предметов, на­ ходящихся в поле зрения. Как показывает опыт, зрительное опре­ деление расстояния значительно более точно осуществляется би­

Ввиду того, что наши глаза удалены друг от друга на некоторое расстояние, изображение, полученное одним глазом, несколько от­ личается на близком расстоянии от изображения, получаемого другим. В результате слияния этих (немного различающихся) изображений и получается впечатление рельефности наблюдаемых предметов.

Наряду с этим восприятию большей или меньшей удаленности помогают также конвергенция* и аккомодация.** Сведение зри­ тельных осей глаза есть признак близости объекта, разведение их—его удаленности. Конвергенция отсутствует при рассматрива­ нии предметов, удаленных в среднем более чем на 450 м. Наи­ большая удаленность объекта, при которой мы все еще способны воспринимать его рельефность, является 1300—2600 м (по данным разных исследований).

Необходимо заметить, что большое влияние на восприятие про­ тяженности пространства в различных направлениях оказывает привычка видеть предметы в атмосфере в определенных условиях освещения и перспективы.

При оценке дальности видимости в атмосфере предметы ка­ жутся нам дальше, чем на самом деле, если солнце светит сзади (когда воздух очень прозрачен), если задний фон предмета хоро­ шо освещен (когда пространство между предметом и глазом не просматривается), если оценка расстояния до предмета происходит над однородной, нерасчлененной поверхностью (водная гладь, большое поле ржи). Ошибки в определении расстояния до пред­ мета в противоположную сторону происходят при солнечном осве­ щении в лицо, при мерцающем свете и в сумерках, когда задний фон предмета плохо освещен, при подъеме местности, когда пред­ мет виден не полностью.

Для характеристики точности зрительного обнаружения разно­ удаленное™ двух предметов, наблюдаемых бинокулярно, пользу­ ются понятием порога глубинного зрения. Порог глубины харак­ теризуется минимальной разностью углов, образуемых линиями зрения на фиксируемый и удаленный объективы. Величина поро­ га глубины сильно зависит от уровня яркости. Уменьшение ярко­

глаза для обеспечения четкого изображения на сетчатке.

19