книги из ГПНТБ / Соколов, О. А. Видимость под водой

у

604 № Заказ

Рис. 4.6. Изменение цветности объектов с глубиной.

/ — зеленый, / / — желтый, I I I — оранжевый, I V — подводное излучение, V — красный, V I — синий, V I I — фиолетовый.

Как можно видеть из графика на рис. 4.6 а все кривые цветно­ сти стремятся сойтись в синей области при глубинах погружения объектов, немногим превышающих 100 м. На этих глубинах цвет объектов становится неразличим даже при наблюдении с нулевого расстояния. Из графика можно видеть также, что изменение цвет­ ности с глубиной происходит для разных объектов с разной скоро­ стью, например, желтый объект меняет свой цвет значительно мед­ леннее и воспринимается окрашенным по отношению к окружаю­ щему фону на больших глубинах, чем фиолетовый или красный.

На графике рис. 4.6 6 аналогичные кривые построены для вод Калифорнийского залива. Для этого района кривые цветности объ­ ектов устремляются при увеличении глубины в желто-зеленую об­ ласть цветового графика, куда стремится цветность подводного из­ лучения. Это происходит благодаря присутствию в водной среде данного района большого количества взвеси и зеленой массы фито­ планктона, богатого хлорофиллом. Скорость изменения цветности с глубиной для обоих районов различна вследствие отличия гидро­ оптических характеристик вод. Кривые цветности объектов на этом графике также построены в предположении нулевого расстояния наблюдения.

Посмотрим, как меняется цветность объектов при изменении расстояния наблюдения.

4.4. Изменение цветности погруженных объектов при изменении расстояния наблюдения. Дальность видимости цветных объектов под водой

При увеличении расстояния между наблюдателем и на­ блюдаемым объектом на его цвет начинают влиять действие изби­ рательного пропускания излучения водной толщей и действие вуа­ лирующей световой дымки, цвет которой накладывается на цвет на­ блюдаемого объекта. Предположим, наблюдатель, находящийся на

глубине г, исследует объект с углом ориентации нормали Ѳп=-^-

з

с расстояния L по горизонтали (направление наблюдения Ѳ= -g-n).

В этом случае кажущаяся с расстояния L спектральная яркость из­ лучения объекта равна

dBQ[ ^ , z, L, \) = dß0(~f , г, l) • 1(ГМХ)Ч

9 8

кость излучения световой дымки в направлении наблюдателя —

на глубине 2 при дистанции наблюдений L и длине волны К.

В соответствии с уравнением (2.29) для световой дымки в гори­

толщи, т. е. спектральная яркость фона на глубине 2 при длине волны %для горизонтального направления наблюдения.

Таким образом, спектральная яркость излучения объекта для наблюдателя, удаленного от него на расстояние L по горизонтали, будет казаться равной

d B o f ö , z, L, b)=<tö0(4 - , 2 , x)7'(X )+dßeo(^ - , 2 , Х )[1 -7 ’(Х)].

(4.8)

Уравнение (4.8) можно использовать для составления выраже­ ний компонентов кажущегося цвета объекта

770

770

/( - £ - . 2, L)*= j‘ y(X)jéo(4-.

стей излучения объекта и фона.

Световая видимая яркость объекта количественно равна компо­

7*

Чтобы молено было использовать данные измерений спектраль­ ного состава подводного излучения, имеющиеся в виде кривых спек­ тральной облученности ECK, z ) (или кривых спектральной плотно­ сти яркости излучения в направлении 0= 0), для установления зави­ симости изменения кажущегося цвета объектов от расстояния наблюдения преобразуем систему (4.9) в подходящую для этой цели форму. Сделаем допущения:

1) облученность вертикального плоского объекта Ѳ =-^- в ос­

новном создается за счет нисходящего излучения, поэтому относи­ тельное спектральное распределение излучения, падающего на объект, примем равным относительному спектральному распреде­ лению этого нисходящего излуче­

ния для данной глубины; 2) относительное распредел

ние спектральной облученности горизонтальной плоскости счита­ ем тождественным относительно­ му распределению спектральной плотности яркости излучения для

Рис. 4.7. Кривые спектральных плотно­ стей облученности и яркости (в относи­ тельных единицах), полученные в одно и то же время.

1 — облученность; 2 — яркость.

направления 0= 0. Правомочность такого допущения видна из экс­ периментальных данных, иллюстрируемых рис. 4.7 [ПО].

Тогда спектральную яркость вертикального плоского объекта можно выразить

кальной плоскости на глубине 2.

Спектральная облученность вертикальной плоскости связана со спектральной облученностью горизонтальной плоскости при наблю­

где а1— постоянный коэффициент для данных условий облучения среды на глубине z (значения углов в выражении облученности от­ носятся к направлениям нормалей к облучаемым плоскостям), или

1 0 0

Соотношение, аналогичное (4.11), можно записать и для спект­ ральных плотностей яркости излучения, распространяющегося в на-

. я

правлениях Ѳ=— и Ѳ= л:

и (4.14), для кажущейся спектральной яркости объекта, наблюдае­

Спектральная плотность облученности, входящая в систему, счи­ тывается с графиков или берется из таблиц. При этом, если постав­ лена задача вычисления только трехцветных коэффициентов, т. е. координат цветности объектов, не обязательно подставлять в си­ стему (4.17) абсолютные значения е(я, 2, X), можно воспользо­ ваться относительными величинами. Вместо спектральной

101

плотности облученности можно также пользоваться спектральной плотностью яркости излучения, так как относительное распределе­

с этими данными отношение освещенностей плоскостей с направле­

нием нормалей Ѳп=-£- и Ѳп = я для «слабовытянутого» углового-

распределения яркости равно 0,55, а для «сильновытянутого» 0,3. Следовательно, величину первого коэффициента можно считать за­ ключенной в пределах

я і= 0 ,3 0,55.

Коэффициент Аз, определяющий соотношение яркостей в гори­ зонтальном и вертикальном (в зенит) направлениях, может изме­ няться в широких пределах в зависимости от характера освещения

значение а2, тем большее влияние оказывает дымка на изменение кажущейся цветности объекта при увеличении расстояния наблю­ дения.

Спектральный показатель ослабления е (Я) приближенно можно' определить по спектральному показателю вертикального ослабле­ ния, так как для реальных вод средней прозрачности а ^ 0 ,2 5 е [4]. Значения а (Я) можно рассчитать по кривым спектральной плотно­ сти облученности или яркости излучения, полученным на разных глубинах для направления распространения излучения Ѳ= я.

Спектральный коэффициент диффузного отражения моря R(z, Я) также рассчитывается по кривым спектральной плотности облучен­ ности с помощью соотношения (4.15).

На рис. 4.8 а, б приведены два рассчитанных с использованием системы (4.17) цветовых графика, иллюстрирующих изменение ка­ жущейся цветности окрашенных объектов при увеличении расстоя­ ния наблюдения. Рисунок 4.8 а соответствует глубине 8 м в богатых фитопланктоном прибрежных водах Тихого океана южнее СанДиего, а рис. 4.8 6 — глубине 9 м в водах Калифорнийского залива.. Гидрологическая дальность видимости в первом случае, как пока­ зывает расчет, равнялась 6—7 м, а во втором случае 4—5 м. Оба графика изменения кажущейся цветности объектов (в зависимости от расстояния) аналогичны. Все кривые сходятся в точку, соответ­ ствующую цветности подводного излучения на данной глубине. Эллипс, построенный вокруг предполагаемой точки схождения кри­ вых, показывает пороговую зону, цвета внутри которой различимы быть не могут [111]. Из графиков видно, что при расстоянии на­ блюдения около 1,5—2,5 м (расстояния обозначены на графиках цифрами возле кривых) цветности объектов уже не различаются,, за исключением желтого, для которого это расстояние в водах Ка­ лифорнийского залива (рис. 4.8 6) равно около 3 м.

102

Рис. 4.8. Зависимости видимой цветности объектов от расстояния наблюдения по горизонтали.

Глава 5. РАСЧЕТ ДАЛЬНОСТИ ВИДИМОСТИ ОБЪЕКТОВ ПОД ВОДОЙ

5.1. Расчет функций §от„ (ÖJ и (0)

В главе 2 (п. 2.6) было показано, что для расчета даль­ ности видимости произвольно ориентированного плоского объекта под водой, кроме знания оптических параметров среды и отражаю­ щих свойств объекта, необходимо знание функций Ьотн (Ѳ) и &отн(Ѳп), а для расчета дальности видимости плоского объекта, перперпендикулярного направлению наблюдения, — знаниефункции Р°° (0).

Функция Ьотн(Ѳ)=-----является относительным распре- e + acos0

делением яркости излучения в глубинном режиме водной среды. Она должна быть получена путем непосредственных измерений тела распределения яркости среды.* В главе 2 было установлено, что направление распространения излучения, которое составляет фон при наблюдении, отличается от направления визирования на 180°. Поэтому величину ЬОти(0 + л;) можно рассматривать как отно­ сительную яркость фона при наблюдении в направлении 0. Как это

в направлении 0 к освещенности плоскости со стороны нормали, имеющей то же направление. В случае, если 0 — направление

* Относительное распределение яркости в глубинном режиме водной среды можно рассчитать, используя приближенные методы Амбарцумяна и Соболева, изложенные в [19, 28, 30], и других авторов [110а]. Однако в качестве исходных данных для расчета необходимо иметь такие характеристики, как индикатриса

с

рассеяния .ѵ(у) и соотношение между рассеянием и общим ослаблением Л = — >

измерение которых in situ составляет не меньшую сложность, чем прямое изме­ рение &отп(Ѳ). Кроме того, сам расчет представляет собой сложную задачу при сильно вытянутой индикатрисе рассеяния, присущей реальной морской среде.

105

В частном случае при наблюдении в вертикальном направлении Ѳ= 0 значение р«,(Ѳ) равно

(5.4)

О

Выражение (5.4) показывает, что для нахождения роо(л) доста­ точно в соответствующих пределах проинтегрировать функцию от­ носительного распределения яркости в зависимости от угла Ѳ, ко­ торая может быть задана плоской диаграммой.

Если при нахождении &0Тн(я) и рто(я) можно обойтись одинар­ ным интегрированием функции распределения яркости по плоской диаграмме, учитывая наличие симметрии светового поля относи­ тельно вертикали в среде с глубинным распределением яркости, то ДЛЯ &оти (Ѳп ) И рсо (Ѳ) при Ѳ=+0, л этого сделать нельзя. Очевидно,

что при нахождении &0тп(Ѳп ) и роо(Ѳ) нужно интегрировать функ­

цию распределения яркости по пространственной диаграмме, с со­ ответствующей стороны от плоскости, проходящей через центр диа­ граммы и рассекающей тело вращения диаграммы на две части.

106