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

Глава 7. ПОДВОДНАЯ ВИДИМОСТЬ ПРИ ИСКУССТВЕННОМ ОСВЕЩЕНИИ

7.1. Подводное освещение

Подводное искусственное освещение требуется во всех случаях, когда при работе под водой естественного света недоста­ точно или он не обеспечивает получения требуемого качества вос­ приятия наблюдаемого объекта или явления. При малых освещен­ ностях и, следовательно, при малых уровнях яркости поля адапта­ ции (ниже 10 нит) начинает выключаться из работы колбочковый аппарат зрительного анализатора человека, при этом пороговый контраст зрения резко увеличивается, а дальность видимости сни­ жается. При недостаточном освещении не могут работать подвод­ ные телевизионные системы, невозможно проводить киносъемку,

адля осуществления фотосъемки требуются большие экспозиции.

Внастоящее время существует много различных типов подвод­ ных осветительных приборов [133, 140, 170—173]. С точки зрения применения их молено разбить на три группы:

1)светильники общего освещения, предназначенные для осве­ щения больших площадей и обеспечивающие возможность общей ориентировки. Сюда входят стационарные светильники для водо­ лазных работ, светильники «ближнего света», устанавливаемые на подводных аппаратах, всевозможные софиты для подводных кино- и фотосъемок и т. д. Сюда же можно отнести и лампы подводного освещения, используемые для привлечения рыбы в зону орудий лова;

2)светильники местного освещения для индивидуального ис­ пользования, создающие необходимый уровень освещенности рабо­ чего места. К ним относятся различного типа малые фонари ло­ кального действия;

3) светильники направленного действия — подводные прожек­

торы, предназначенные для освещения удаленных объектов в опре­ деленном направлении. К этой группе можно отнести, например, светильники «дальнего действия» подводных аппаратов, скани­ рующие осветительные системы для подводного телевидения, под­ водные лазерные установки и пр.

С точки зрения пространственного светораспределения все све­ тильники можно разделить на два основных типа: 1) широкого

167

светораспределения и 2) узконаправленного светораспределення. Это подразделение важно для рассмотрения особенностей действия осветительных приборов в системах подводного наблюдения. Под­ водные светильники могут быть непрерывного действия для обыч­ ного наблюдения и киносъемки, импульсные — для подводного фо­ тографирования, проблесковые — для сигнализации и связи и, на­ конец, со сканирующим лучом— для специальных систем подвод­ ного телевидения. Последние могут быть как непрерывными, так и импульсными.

При построении схем подводного освещения приходится прео­ долевать две принципиальные трудности, связанные с особенно­ стями распространения излучения в водной среде. Эти трудности составляют: во-первых, ослабление излучения, происходящее за счет процессов поглощения и рассеяния, и, во-вторых, появление вуалирующей дымки рассеянного излучения. Основным фактором, ограничивающим дальность подводного наблюдения в морских во­ дах, является именно образование дымки. По данным Гершуна и Вейнберга, увеличение мощности осветительной установки в. 10 раз приводит к увеличению дальности видимости под водой всего лишь на 15%, так как с ростом мощности осветителя растет вуалирую­ щая яркость дымки [170, 171].

Согласно Гершуну, следует четко разграничивать понятия дальности видимости и дальности освещения. Дальность освеще­ ния— это предельное расстояние от источника света до объекта, при котором объект виден и освещен еще в достаточной степени для того, чтобы различить его детали при наблюдении в непосред­ ственной близости. Визуальная дальность видимости отражающих объектов в несколько раз меньше предельной дальности освещения. Даже при очень большой мощности освещения и самом рациональ­ ном взаимном расположении наблюдаемого объекта и светильника ее величина не превышает, как правило, двукратного значения предельной глубины видимости стандартного белого диска, опус­ каемого в воду при дневном освещении. Дальность видимости на стадии различимости примерно на 20% меньше, чем предельная дальность видимости [170].

Учитывая многообразие целей использования осветительных приборов при подводных наблюдениях, в общее понятие дальности видимости при искусственном освещении (по аналогии с естест­ венным) можно вложить различное содержание, поэтому оно дол­ жно быть разделено на ряд частных понятий. При наблюдении отражающих объектов можно говорить:

—о дальности обнаружения, если с помощью осветительного прибора осуществляется поиск в пространстве;

—о дальности исчезновения, если производится слежение за объектом, перемещающимся относительно наблюдателя;

—о дальности видимости тонкой структуры объекта.

При наблюдении самосветящихся объектов под дальностью ви­ димости можно иметь в виду:

168

—дальность узнавания источника света, которая соответствует расстоянию до точки, куда еще доходят прямые лучи источника света, не претерпевшие рассеяния в водной среде;

—дальность обнаружения размытого светового пятна, образо­ вавшегося в результате полного рассеяния прямых лучей источ­ ника излучения.

Дальность видимости под водой, какое бы содержание в нее ни вкладывалось, зависит как от оптических свойств морской воды, так и в не меньшей степени от характера и качества осветительной установки. Для того чтобы подобрать необходимый для тех или иных конкретных условий оптимальный тип осветительного устрой­ ства и обеспечить требуемое качество освещения, необходимо знать закономерности распространения излучения от искусствен­ ных источников света, имеющих различное пространственное рас­ пределение.

7.2. Световое поле точечного источника света под водой

Излучение точечного источника света, погруженного в водную среду, распространяется радиально по всем направле­ ниям, претерпевая рассеяние и поглощение на своем пути. На ма­ лых оптических расстояниях световое поле составляют преимуще­ ственно световые лучи, не подвергшиеся рассеянию. По мере увеличения оптической дистанции проникновения излучения увели­ чивается часть рассеянного излучения, и на больших оптических расстояниях оно становится преобладающим.

Точечный источник света под водой легко имитировать обычной электрической лампой накаливания, имеющей практически сфери­ ческую форму тела распределения силы света. Если лампу на­ блюдать с близкого расстояния, то можно видеть яркое тело на­ кала, колбу и круглую светящуюся зону пространства вокруг лампы, яркость которой постепенно уменьшается к периферии. При удалении наблюдателя от лампы перестает быть видима сначала колба, приобретает неясные очертания тело накала, затем оно во­ все перестает быть видимым; в поле зрения остается лишь раз­ мытое световое пятно, яркость которого постепенно уменьшается при дальнейшем удалении наблюдателя.

На рис. 7.1 а приведены кривые углового распределения види­ мой яркости излучения лампы с молочной колбой в водной среде с е=0,28 м-1 (по Дантли [59]). По горизонтальной оси отложены значения углов, под которыми измерялась яркость по отношению к направлению на лампу. При измерениях использовался фото­ электрический телефотометр с углом зрения, равным 0,25°, на входном отверстии которого стоял сине-зеленый светофильтр. «По­ лочка» на кривых соответствует изображению колбы лампы, а расходящиеся по обеим сторонам от нулевого направления «хво­ сты» характеризуют яркость пятна рассеянного излучения, види­ мого из точки расположения фотометра. Из кривых видно, что со­ отношение между яркостью прямого излучения лампы и яркостью пятна с увеличением расстояния уменьшается.

169

где / — сила света источника.

170

Составляющую освещенности, создаваемой рассеянным излуче­ нием, можно определить экспериментальным путем. На рис. 7.2 приведена кривая ослабления в зависимости от расстояния сум­ марной освещенности на объекте, нормаль к которому направлена на источник света. Вычитая из полной величины освещенности составляющую, определяемую выражением (7.3), можно найти ве­ личину составляющей ЕѴ(Ь). Для ее расчета Дантли предложил

расчетов освещенности в водах с индикатрисами рассеяния, подоб­ ными индикатрисе рассеяния озера Виннипесоки. Близость этой индикатрисы к «средней» индикатрисе рассеяния морской воды по­ зволяет использовать выражение (7.5) также для ориентировочных расчетов применительно к другим водным бассейнам. Индикатриса рассеяния для озера Виннипесоки представлена на рис. 1—3 (кри­ вая 4).

Простые источники света для подводного освещения часто не имеют сферического распределения силы света. Излучение обыч­ ных ламп накаливания, например, может быть заэкранировано в значительном телесном угле герметичным токоподводящим уст­ ройством, или на часть поверхности колбы может быть наложено непрозрачное покрытие, специально ограничивающее телесный угол излучения лампы. Освещенность от таких ламп, создаваемая направленным потоком излучения, рассчитывается согласно соот­ ношению (7.3), а для расчета составляющей освещенности от рассеянного излучения Дантли была предложена эмпирическая

171

формула, аналогичная (7.4) и хорошо соответствующая вышеопи­ санной среде:

1 + 7 • 10'

где 2уп — полный угол излучения светового потока лампой. Выражение (7.6) нельзя использовать для расчета составляю­

щей освещенности от рассеянного излучения в случае использова­ ния источников света, имеющих угол выхода светового потока меньше 20°.

Приведенные выше соотношения для расчета обеих состав­ ляющих освещенности действительны для плоских объектов, нор­ маль к которым совпадает с направлением на источник света.

7.3. Световое поле коллимированного источника света под водой

Разработка лазеров, излучающих в сине-зеленой области спектра, пригодных для решения различных задач подводной тех­ ники, способствовала появлению большого количества работ по изучению распространения коллимированных пучков излучения в водной среде [174—185 и др.]. Многие работы носят общий ха­ рактер, и их результаты применимы для целей подводной свето­ техники.

Весьма обстоятельные экспериментальные исследования свето­ вого поля коллимированных источников света в искусственных рассеивающих средах с различным соотношением между рассея­ нием и поглощением были проведены А. П. Ивановым и его со­ трудниками [92, 177—183]. Рассеивающие среды моделировались путем добавления в воду растворов молока и нейтрального кра­ сителя-нигрозина. На рис. 7.3 приведены кривые распределения яркости излучения коллимированного источника света, имеющего угловую расходимость 2у„ = 0,5° в среде с Л=0,9.

По вертикальной оси отложены значения яркости в относитель­ ных единицах, а по горизонтальной — значения оптического рас­ стояния точки наблюдения от оси источника тг :!:. Измерения ярко-*

* В некоторых случаях при оценке светового поля коллимированных источ­ ников света удобно пользоваться так называемой оптической системой коорди­ нат, в которой по аналогии с оптической глубиной проникновения излучения вдоль оси пучка Ti,= eL величина минимального оптического расстояния от при­ емника до оси пучка выражается как тг=ег, где г — минимальное геометриче­ ское расстояние от приемника до оси источника, величины оптических диамет­ ров входного и выходного отверстий источника и приемника выражаются как Дп=ес?п и Du= edn, где dn и dn — соответствующие геометрические диаметры, оптические площади выходного и входного отверстий источника и приемника вы-

r^dl

ражаются как 5 o.ii—— ;— и о 0. п= — -— и т. д. Применение оптической

системы координат облегчает пересчет различных характеристик светового поля применительно к источникам и приемникам, имеющим различные конкретные гео­ метрические размеры.

172

Рис. 7.3. Распределение яркости излучения коллимированного источника света как функции оптического расстояния точки наблюдения от оси источника для различ­ ных оптических глубин и направлений наблюдения в среде с Л=0,9 (по А. П. Ива­ нову) .

сти производились через узкополосный сине-зеленый светофильтр для четырех оптических глубин xL и направлений наблюдения ѵп- Для направления наблюдения оп= 0 и расположения точки на­ блюдения на оптической оси источника характерен «пиковый» мак­ симум, который определяется прямым излучением узконаправлен­ ного источника света. При хгфО и ѴафО приемник регистрировал

173

излучение, яркость которого имеет свой максимум для различных направлений наблюдения ѵи, сдвигающийся от оптической оси по мере увеличения оптической глубины. Это объясняется постепен­ ным увеличением доли рассеянного излучения при удалении точки наблюдения от источника.

На рис. 7.4 изображены кривые зависимости видимой яркости рассеянного излучения от угла наблюдения для вод озера Виннипесоки [59]. Телефотометр, имевший угол зрения 2уп=0,25°, рас­ полагался на оптической оси коллимированного источника света с угловой расходимостью пучка 2уІІ = 0,01°. Показатель ослабления

следования— А. П. Ивановым и А. Я- Хайруллиной [179].

Измерения тонкой структуры поля в зоне распространения пря­ мого излучения проводились авторами в искусственной среде при различных значениях Л. Экспериментальная установка позволяла в значительных пределах изменять апертурные углы источника света и измерительного фотометра, оптические диаметры выход­ ного и входного отверстий соответственно, а также величины Л и ть при неизменной длине кюветы.

На рис. 7.5 изображены кривые зависимости силы света I от угла наблюдения ѵП в малой угловой зоне при 2уи= 7/, 2уп= 20/ для различных оптических глубин xL в практически чисто-рассеи- вающей среде (Л =1). Все кривые при о = 0 нормированы к еди­ нице и показывают относительное распределение. Кривая 1 отоб­ ражает угловое распределение силы света при прохождении пучка через слой дистиллированной воды. Она получена при уп<СУи и достоверно характеризует истинное распределение силы света ис­ точника. С увеличением оптической глубины падает контраст изо­ бражения источника света. Если говорить о дальности распознава­ ния источника света в мутной среде, о которой шла речь в п. 7.1,

174

то одним из факторов, ее определяющих, является величина этого контраста. Вторым фактором, влияющим на дальность распознава­

нием оптической глубины отношение сигнал/фон быстро падает, при этом чем меньше апертурные углы источника и приемника, тем на

а)

175

большей глубине величина / с//ф достигает значения, близкого к единице.

На рис. 7.6 б приведены кривые I J I ф в зависимости от xL для области их асимптотического сближения при различных диаметрах приемника.

Графики, приведенные на рис. 7.6, позволяют находить оптиче­ ские глубины, на которых при данных условиях распознается ис­ точник света, т. е. позволяют определять дальность распознавания светящегося объекта. Если, например, известно, что наблюдатель­ ная система распознает светящийся объект при соотношении сиг-

что световое поле коллимированных источников излучения зависит не только от гидрооптических характеристик среды и угловой апер­ туры источника, но и от оптической площади поперечного сечения входящего в среду пучка лучей S 0.п.

Дальность узнавания коллимированных источников света огра­ ничивается в основном падением контраста между видимой ярко­ стью светящегося выходного отверстия источника и яркостью фо­ нового излучения. Размытие изображения выходного отверстия ис­ точника, происходящее вследствие многократного рассеяния света вдоль оси пучка, играет второстепенную роль. Оно практически не приводит к изменению видимого углового размера источника, но может влиять на порог контрастной чувствительности системы на­ блюдения в зависимости от ее типа.

При измерении характеристик светового поля коллимирован­ ных источников света существенными факторами, влияющими на точность измерения, являются угловая апертура приемника све­ тового излучения и его оптический диаметр, которые должны быть возможно минимальными.

176