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

сти — аналогичное приведенному в табл. 5.6, но в 10 раз отличаю­

Для этих условий порог контрастной чувствительности телеви­ зионной системы в 100 раз меньше, чем в случае визуального на­ блюдения, проиллюстрированном на рис. 5.10. Из сопоставления рис. 5.15 и 5.10 видно, что такое понижение порога контрастной чувствительности наблюдательной системы приводит к значитель­ ному увеличению (в 2 раза) дальности видимости в мутной среде.

5.5. Расчет дальности видимости подводных объектов в условиях неустановившегося светового режима

В предыдущих разделах этой главы была рассмотрена методика расчета дальности видимости в среде с глубинным свето­ вым режимом. На основе уравнений для глубинного светового ре­ жима оказалось удобным проанализировать влияние различных факторов на величину дальности видимости в воде.

Зона глубин моря, где световой режим является установив­ шимся, а количественные характеристики имеющегося в среде поля естественного излучения позволяют проводить наблюдения с помощью того или иного средства, достаточно обширна. Однако существует также обширная зона, где световой режим не является глубинным, а угловое распределение яркости меняется с глубиной и зависит от времени суток и метеорологических условий. Полу­ чить точные расчетные соотношения для этой зоны невозможно из-за бесконечного разнообразия вариантов реального распреде­ ления яркости в верхних слоях моря. Следовательно, эту задачу следует решать приближенно. Если известны характеристики рас­ пределения яркости в среде на различных глубинах в данный мо­ мент, то можно рассчитать дальность видимости на любой глубине для любого направления.

Пусть распределение яркости в среде задано семейством кривых ßco(0, z), аналогичных изображенным на рис. 1.5. Установившийся световой режим соответствует глубинам, где изменение яркости для различных направлений отображается параллельными пря­ мыми на полулогарифмическом графике. Предположим, что наблю­ датель Н находится на глубине zH, лежащей выше этой зоны, и смотрит на плоский объект О с углом ориентации нормали Ѳ„. Представим себе, что объект удаляется от наблюдателя, при этом меняется его истинная яркость, зависящая от рассеивающих свойств и освещенности поверхности объекта, а также меняется ве­ личина яркости световой дымки, накладывающейся при наблюде­ нии на яркость объекта. На некотором расстоянии от наблюдателя разница между видимой яркостью объекта и яркостью дымки ста­ новится равной пороговой величине, и объект перестает быть ви­ димым.

137

Истинную яркость объекта можно выразить через освещен­ ность, которая в общем случае определяется интегрированием в соответствии с выражением (1.40). Однако расчет такого интег­ рала сложен, так как при неустановившемся световом режиме яр­ кость в среде зависит от вертикальных (зенитных) и горизонталь­ ных (азимутальных) углов. Для приближенного расчета освещен­ ности можно использовать методику, описанную в п. 1 настоящей главы. Для этого тело распределения яркости на глубине располо­ жения объекта нужно аппроксимировать телом вращения, имеющего ось, совпадающую с направлением распространения основного по­ тока на этой глубине. (Как показывают непосредственные измере­ ния, тело распределения яркости в верхних слоях моря имеет форму, близкую к эллипсоиду вращения [20, 21]). При расчете за нулевое направление (Ѳ = 0) удобно принимать направление оси тела вра­ щения, а затем вносить соответствующие коррективы.

Данные по освещенности различно ориентированных плоских объектов можно получить также экспериментальным путем. Для этого наряду с измерением распределения яркости в среде следует измерять также и угловое распределение освещенности. В этом случае можно избежать довольно громоздких вычислений.

Расчет яркости световой дымки, создаваемой толщей воды L, для какого-либо направления, если имеется кривая изменения яр-, кости с глубиной для этого направления, большого труда не пред­

тате рассеяния излучения в слое воды, лежащем между наблюда­

* Выражение (5.81) находится в согласии с формулой яркости дымки для глубинного режима (2.28). В самом деле, из (2.28) видно

что справедливо, так как яркость рассеянного излучения при глубинном режиме ослабляется по экспоненте с показателем а.

138

Задаваясь различными значениями г 'б и используя кривую

яркости Б(Ѳ, z), можно рассчитать значения яркости дымки, соот­ ветствующие различным удалениям объекта от наблюдателя L.

Видимый контраст объекта с фоном равен

ßoo (° + *■*..)

где А 'с(Ѳп, г 'б) — видимая яркость объекта. Она связана с истин­ ной яркостью соотношением

На предельном расстоянии видимости видимый контраст дол­ жен быть равен пороговой величине К' = /Спор. Для этого случая можно записать

Расстояние £ Шщ> при котором удовлетворяется равенство (5.85), является дальностью видимости для данного объекта при данных условиях наблюдателя. Это расстояние можно найти графически. Для этого нужно, задаваясь различными L, вычислить ряд значе­ ний разности видимых яркостей объекта и фона и построить кри­ вую на графике, по одной из осей которого откладывают расстоя­ ния L [или связанные с ним соотношением (5.80) значения глу­ бины z'o6], а на другой — разности яркости. Из графика нетрудно

найти расстояние, при котором разность яркости равна пороговой величине.

Предельное расстояние видимости черного объекта является (как это уже указывалось ранее) гидрологической дальностью ви­ димости, для которой справедливо следующее соотношение:

^ Д п о р = ^ п о р Д г о ( 0 ~ Ь ТС> г н)= В т ( Ѳ - Ь 'к , £н) — B l (Q-(-тс , Zn, L). (5.86)

Построив совместно на одном графике кривую изменения вели­ чины яркости дымки в зависимости от предполагаемой глубины расположения черного объекта и кривую яркости ßoo(9+ jt, z), мо­

дымки и гидрологическую дальность видимости при неустановив­ шемся световом режиме для озера Панд-Орей (штат Айдахо,

139

США) по известному угловому распределению яркости для разных глубин по данным Тайлера [39]. На рис. 5.16 приведены три кри­ вые распределения яркости по вертикали для направлений (0+ я) =

в среде. Расчет яркости дымки будем вести по соотношению (5.81) для наблюдателя, расположенного на глубине zH= 25 м. Показа­

Рис. 5.16. Кривые изменения яркости дымки в зависимости от расстояния для трех направлений наблюдения в среде с неустановмвшнмся световым режимом (штриховые линии), рассчитанные по кривым изменения яркости с глубиной (сплошные линии) для точки наблюдения, расположенной на глубине 25 м. Справа — графическое определение дальности видимости черного объекта по кривой изменения яркости дымки для направления 0 = 0 , построенной в линей­

ном масштабе.

^0 ,1 7 — , а пороговый контраст примем равным /<пор= 0,02. Со-

м

ставим таблицу значений яркости излучения для выбранных глу­ бин (считанных с графика рис. 5.16) и результатов расчета, вклю­ чая промежуточные (см. табл. 5.9).

На рис. 5.16 штриховыми линиями построены кривые изменения яркости дымки для трех направлений, в нижнем правом углу ри­ сунка кривая BL (0°, 25 м, L) построена в более крупном масштабе на графике с линейной шкалой яркости. Пунктирными линиями обозначены яркость фона 5^,(0°, 25 м) и пороговая разность ярко­ сти Äßnop. По этому графику легко определить, что вуалирующая яркость дымки при глубине 10 м отличается от яркости фона на величину пороговой разности яркости, следовательно, предельное расстояние видимости черного объекта для направления наблюде­ ния Ѳ= 180° (снизу вверх) равно 15 м.

140

,

Знание величины вуалирующей яркости дымки позволяет рас­ считывать видимые контрасты объекта и фона для различных рас­ стояний наблюдения. Если нужно рассчитать лишь гидрологичес­ кую дальность видимости, то колонку 10 в табл. 5.9 можно опус­ тить. Согласно (5.79),

■ßCo(ß-b T:> ~ н ) ~ BL(0 —}—тс, z u , L) — B^ (Ѳ-f-TC, z 0б) • 10 s/',

следовательно, для предельной глубины видимости справедливо соотношение

световом режиме можно использовать соотношения для глубинного светового режима. Для этого нужно по кривой В(Ѳ, z) определить значение показателя вертикального ослабления а для выбранного направления и соответствующего участка глубин, заменяя кривую на этом участке отрезком прямой линии.' При таком приближении

р. Igg (8. zi) —1gB (6, z2) *2 -

Подставляя найденную величину показателя вертикального ослабления а и измеренные значения показателя ослабления е в выражения типа (2.56) или (2.62), находим приближенную ве­ личину дальности видимости под водой при неустановившемся све-

142

Рис. 5.18. Диаграммы гидрологиче­ ской дальности видимости при неустановившемся световом режиме в плоскости вертикала Солнца, рас­ считанные по данным [39], получен­ ным при ясном солнечном небе для глубин 16,6 м (а), 29 м (б) и 66,1 м (в) (пунктирные диаграммы соответ­ ствуют установившемуся световому

режиму).

товом режиме. Если продублировать таким способом расчет, при­ веденный выше, то можно убедиться в следующих результатах:

Максимальная погрешность—-порядка 10%— соответствует на­ правлению распространения прямых солнечных лучей. Кривая яр­ кости для этого направления имеет наибольшую кривизну.

143

Рис. 5.19. Диаграммы гидрологиче­ ской дальности видимости, соответ­ ствующие тому же району, что и диа­ граммы на рис. 5.18, но рассчитанные по данным, полученным в пасмурный день для глубин 18,3 м (а), 30,5 м (б) и 55 м (в) (пунктирные диаграммы построены для установившегося све­

тового режима).

Для того чтобы проанализировать свойства диаграмм дально­ сти видимости при неустановившемся световом режиме, приведем рассчитанные диаграммы гидрологической дальности видимости для глубин озера Панд-Орей при разных условиях погоды. Данные углового распределения яркости В(Ѳ, г ) в плоскости вертикала Солнца и распределение показателя вертикального ослабления а(Ѳ, z) в водах озера Панд-Орей для ясного солнечного неба при высоте солнца /гѳ =56,6° и пасмурного неба при /гѳ =40° были получены Тайлером [39]. На рис. 5.18 и 5.19 построены диаграммы дальности видимости черного объекта при иеустановившемся све­ товом режиме для различных глубин и различных условий погоды (сплошные линии). Пунктирными линиями нанесены значения гид­

144

рологической дальности видимости при установившемся световом режиме.

Приведенные диаграммы показывают, что при неустановив­ шемся световом режиме значения дальности видимости при на­ правлениях наблюдения в верхнюю полусферу значительно выше, чем таковые при установившемся световом режиме. Для случая солнечного дня (рис. 5.18) и небольших глубин расположения наб­ людателя диаграммы имеют характерные отростки, обозначающие увеличение дальности видимости в направлениях, соответствую­ щих зоне максимальной яркости в среде. Для верхних слоев воды диаграммы дальности видимости асимметричны относительно вер­ тикали, что находится в соответствии с асимметрией светового поля в среде с неустановившимся распределением яркости. В пас­ мурный день (рис. 5.19) асимметрия диаграмм менее заметна и исчезает быстрей с увеличением глубины, чем в случае ясного сол­ нечного дня. Все диаграммы при любой погоде с увеличением глу­ бины стремятся принять форму диаграммы гидрологической даль­ ности видимости установившегося светового режима. Интересно заметить, что диаграммы, приведенные на рис. 5.18 а для солнеч­ ного дня и глубины 2=16,6 м и на рис. 5.19 6 для пасмурного дня и глубины 2=18,3 м, показывают, что с этих глубин можно наб­ людать поверхность воды, в то время как величина горизонтальной дальности видимости равна 10 м. Площадь наблюдаемой поверх- 7ЮСТИ, как можно видеть из этих диаграмм, в пасмурный день зна­ чительно больше, чем в солнечный, так как ширина угловой зоны, при которой дальность видимости больше, чем глубина расположе­ ния наблюдателя, в первом случае шире, чем во втором.

10 Заказ № С04

Глава 6. ПЕРЕДАЧА ИЗОБРАЖЕНИЯ В ПОДВОДНЫХ НАБЛЮДАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ

6.1. Оценка качества изображения в системах, применяемых для подводного наблюдения

В главе 5 были рассмотрены соотношения для расчета дальности видимости погруженных объектов, размеры которых удовлетворяли следующим условиям: угловой размер со^1° и Ь^>1, где L — расстояние наблюдения, а / — линейный размер объекта. Ухудшение видимости таких объектов при увеличении расстояния наблюдения происходит в основном за счет потери яркостного конт­ раста между объектом и фоном. Однако при увеличении дистан­ ции качество изображения ухудшается не только вследствие по­ тери яркостного контраста, но и за счет размытия контуров изоб­ ражения объекта, обусловленного процессами рассеяния света. Особенно это проявляется у объектов, имеющих малые угловые размеры (со < 1°). Явление размытия краев изображения приводит к тому, что их дальность видимости уменьшается по мере умень­ шения углового размера объекта. Кроме того, это явление сни­ жает разрешающую способность всей системы наблюдения, т. е. способность передавать раздельно изображения мелких деталей объекта или малых объектов, близко расположенных друг к другу.

В практике фотографии и телевидения разрешающая способ­ ность оптической системы часто определяется с помощью съемки специальных испытательных таблиц, которые называются мирами. На штриховой мире, например, имеется ряд квадратных участков с нанесенными штрихами, которые составляют определенную про­ странственную частоту V, выражаемую на изображении в «линиях на миллиметр». О разрешающей способности системы судят по квадрату с максимальным количеством штрихов, на изображении которого они еще заметны. При использовании радиальной миры разрешение определяют по диаметру кружка размытия, который измеряют на микрофотометре. По периметру кружка и количеству штрихов подсчитывают количество линий на миллиметр, различи­ мое данной оптической системой. На рис. 6.1 а приведены фото­ графии радиальной миры, полученные при съемке в одном из при­ брежных районов Черного моря с различных расстояний. Изоб-

146