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

Границы этой зоны, как указывают авторы [183], зависят от веро­ ятности выживания фотона и оптической площади сечения пучка

So. II-

На основании большого количества экспериментальных данных, полученных для искусственной мутной среды, индикатриса рассея­ ния которой близка к индикатрисам рассеяния реальных морских вод (см. рис. 1.3), А. П. Ивановым, С. А. Макаревичем и И. Д. Шербафом была составлена и рекомендована для инженер­ ных расчетов таблица относительной освещенности от коллимиро­ ванного светового пучка (2у„ = 0,5°) для различных значений оп­ тической глубины Ть, вероятности выживания фотона Л, оптиче­ ского диаметра пучка Dn=ed и оптического расстояния точки наблюдения от оси источника т,- [180]. Все данные табл. 7.1 полу­ чены для показателей при десятичном основании логарифмов. В таблице однозначная цифра с десятичным знаком означает ман­

= 7,3- ІО“4.

Оценка точности измерений показала, что данные, приведенные в табл. 7.1, характеризуют световое поле с относительной погреш-

грешность связана с неточным знанием оптических свойств среды и ошибками измерений в лабораторных условиях. В [180] указы­ вается, что в натурных условиях в измерения могут вноситься еще большие ошибки. Таблица 7.1 позволяет произвести ориентировоч­ ный расчет порядка величины освещенности при различных усло­ виях.

В заключение необходимо еще раз подчеркнуть, что в создании освещенности от коллимированного источника света большую роль играет рассеянное вдоль оси пучка излучение. Его влияние заметно начиная с самых малых оптических глубин, а на больших глуби­ нах роль рассеянного излучения становится решающей. В первом приближении можно считать, что ослабление освещенности, созда­ ваемой этим рассеянным излучением, идет сначала по экспоненте с одним показателем ослабления, а затем, после переходного уча­ стка,— также по показательному закону, но с другим, значительно меньшим, показателем. На показатель ослабления освещенности существенное влияние оказывает начальный оптический диаметр пучка и его угловое расширение. При бесконечно большом диа­ метре пучка начиная с некоторой глубины показатель ослабления освещенности [обозначим его а^_(т)] становится равным показа­

телю ослабления рассеянного излучения а, присущему глубинному световому режиму. Для реальных диаметров пучков его величина всегда больше, чем а, при этом она находится в пределах е > >сщ.(т) >ос.

188

7.6. Яркость дымки рассеянного излучения при наблюдении в водной среде, освещаемой узким пучком светового излучения

Для определения видимого контраста объекта, освещае­ мого узким пучком подводного прожектора, кроме знания осве­ щенности объекта, требуется знание величины вуалирующей ярко­ сти дымки, накладывающейся на яркость объекта и создающей фон, на котором наблюдается объект при отсутствии естественного освещения. Эта вуалирующая дымка часто называется дымкой обратного рассеяния. Существует много исследований [191, 192 и др.], затрагивающих вопросы определения яркости дымки обрат­ ного рассеяния при наблюдении объектов в прожекторном луче в атмосфере. Однако в этих исследованиях рассматривается яр­ кость однократно рассеянного излучения или кратности рассеяния, которая в лучшем случае не превышает трех [192]. Как показы­ вают экспериментальные данные, при подводном наблюдении во многих случаях недостаточно учитывать действие рассеяния малой кратности. В этих случаях необходимо принимать во внимание суммарное действие многократного рассеяния.

В небольшом количестве практических случаев, например при малых расстояниях наблюдения и малой базе между источником и точкой наблюдения, для приближенного расчета яркости дымки

жду осью пучка и направлением наблюдения; тi= el — оптическое расстояние (база) между излучателем и точкой наблюдения.

Применение этого выражения все же весьма ограничено, так как оно не учитывает не только многократное рассеяние, но и угло­ вую расходимость светового пучка. Для составления расчетной ме­ тодики определения яркости дымки с учетом различных факторов

и исследовал зависимость характеристики b от различных пара­ метров для мутной среды с индикатрисой рассеяния, близкой к ин­ дикатрисе рассеяния морской воды [92]. При измерениях яркости дымки обратного рассеяния использовался прибор, имеющий ко­ нечные размеры оптического диаметра входного объектива dB и

189

апертурного угла 2уп, в пределах которых происходило усреднение яркости. Экспериментальные данные показали, что b практически не меняется при изменении 2уп в пределах 7' —Г и 2уп в пределах 2,5' — 1°20/ при различных реально используемых величинах &da и sdii. Это дает возможность сопоставлять данные, полученные раз-

Ъ

ными авторами. Было найдено также, что максимальное изменение

-у —в зависимости от Л для морской воды не превышает 100%

в диапазоне углов и от 7,5 до 30° и оптических расстояний прием­ ника от оси излучателя %і в диапазоне от 0 до 2,3.

На рис. 7.14 а показана зависимость характеристики Ь от опти­ ческой базы тI для различных значений угла наблюдения ѵ. Для сравнения пунктирными кривыми представлены результаты расчета по формуле (7.21), учитывающей лишь однократное рассеяние.

190

С увеличением базы т* и уменьшением угла ѵ величина Ь, харак­ теризующая яркость дымки, уменьшается.

На рис. 7.14 б, в изображены зависимости характеристики b от угла наблюдения ѵ, откуда видно, что при большой базе неза­ висимо от Л между \gb и ѵ имеет место линейная связь.

Графики, приведенные на рис. 7.14, показывают, что формула (7.21) может быть использована для ориентировочных расчетов лишь при малых т; и больших углах V.

А. П. Ивановым на основании усреднения многочисленных экс­ периментальных данных при разных базах и оптических свойствах среды разработаны таблицы для определения характеристики Ь,

представлены значения величины b/bo при разных значениях опти­ ческих диаметров источника и приемника. Величина Ьо соответст­

найти яркость дымки, создаваемую узким световым пучком, нужно из табл. 7.3 найти значение Ь, соответствующее выбранным т; и

191

V, и помножить его на значение, взятое из табл. 7 .2 , соответствую­ щее фактическим величинам &dn и edn, и, наконец, произвести вы­ числения по формуле ( 7 . 2 2 ) . Этот способ позволяет находить лишь ориентировочные значения яркости дымки, так как суммарная от­ носительная погрешность, связанная с погрешностями лаборатор­ ных измерении и неточным значением оптических показателей мор­ ской среды, может быть весьма большой (см. п. 7 . 5 ) .

Для решения прикладных задач при ограниченном интервале оптических расстояний точки наблюдения от излучателя вычис­ лять яркость дымки обратного рассеяния можно по эмпирическим формулам, разработанным Левиным [194]. Как оказалось, яркость дымки в направлении и= 0 для оптических баз т;= 0 , 2 - н 0 , 7 хо­

где Фо— начальный световой поток источника, 5(0) — яркость его выходного отверстия.

Таким образом, результаты экспериментальных измерений яр­ кости дымки обратного рассеяния коллимированных пучков света при разных условиях показывают, что основными факторами, ока­ зывающими большое влияние на величину яркости дымки, является оптическая база между излучателем и приемником т; и угол на­ блюдения и. В меньшей степени дымка зависит от геометрических размеров самого пучка. При наилучшем взаимном расположении источника коллимированного излучения и наблюдательной системы влияние дымки может быть уменьшено и условия наблюдения приближены к оптимальным.

7.7. Общие вопросы видимости под водой при искусственном освещении

В п. 7.1 упоминалось о необходимости разграничения понятий дальности обнаружения, дальности исчезновения, дально­ сти видимости тонкой структуры (дальность различения), дально­ сти узнавания источника света и дальности обнаружения размы­ того светового пятна. Дальность обнаружения, в свою очередь,

следует разделять на дальность обнаружения при фиксированном наблюдении, когда известно, в каком направлении наблюдения должен появиться объект, и дальность обнаруоюения при нефикси­ рованном наблюдении, при котором наблюдателю не известно за­ ранее, в какой области пространства появится объект. Все эти понятия должны быть отнесены к определенным объектам. В под­ водной телевизионной технике, например, под дальностью види­ мости под водой для телевизионной установки подразумевают

192

дальность видимости белого диска диаметром 300 мм, располагае­ мого на оси зрения камеры. Иногда определяемую таким образом величину относят к прозрачности водоема, оцениваемой по макси­ мальной глубине визуальной видимости белого диска. Это отно­ шение называют относительной дальностью видимости [140].

Основными факторами, от которых зависит дальность видимо­ сти отражающих объектов, являются:

—гидрооптические характеристики среды;

—взаимное расположение объекта, наблюдателя или наблю­ дательной камеры и светильников;

—контрастная чувствительность системы наблюдения;

— размеры и отражающие свойства наблюдаемых объектов;

—фон, на котором наблюдается объект;

—энергетические характеристики осветительной установки. При наблюдении отражающих объектов под водой при искус­

ственном освещении, так же как и при естественном, видимая яр­ кость фона не бывает равна нулю, так как даже в случае наблю­ дения объекта, располагаемого на поверхности с нулевым коэф­ фициентом отражения, видимым фоном будет являться дымка рассеянного излучения. Поэтому видимость объекта в данном слу­ чае определяется его контрастом с фоном, а дальность видимо­ сти— величиной порогового контраста наблюдательной системы.

При подводном наблюдении с помощью телевизионной или фо­ тографической системы (подводной киносьемки) осветительная установка наряду с обеспечением необходимого контраста объекта [ с фоном должна обеспечить нужный уровень освещенности на фо­ токатоде передающей трубки или светочувствительной фотоэмуль­ сии. При заданных параметрах светильника и оптического устрой­ ства наблюдательной системы, а также определенных оптических свойствах среды существует так называемая энергетическая даль­ ность видимости, при которой обеспечивается минимальная осве­ щенность объекта, достаточная для работы наблюдательной си­ стемы (по Гершуну — дальность освещения) [140]. Поясним это примером. Для получения необходимой плотности почернения не­ гатива в фотографической системе освещенность объекта должна быть равна

р — коэффициент отражения объекта, LK— расстояние от объекта до камеры; остальные обозначения — те же, что в формуле (5.37).

В то же время направленный источник света обеспечивает на объекте освещенность, которая в первом приближении может быть выражена

К

ный показатель ослабления силы света источника, учитывающий действие рассеянного излучения; А„— расстояние от источника света до объекта.

Приравнивая (7.26) и (7.27), можно получить уравнение

где AL = Ljs — La (обычно LK> Ьи) .

Уравнение (7.28) определяет энергетическую дальность види­ мости. Так как Ьп входит и в левую, и в правую часть этого уравнения, то для его практического использования нужно постро­

энергетической дальности видимости. В тех случаях, когда нет не­ достатка в энергетической мощности осветительной установки, про­ стым увеличением освещенности существенно увеличить дальность видимости не удается. Как показывает опыт применения подвод­ ных телевизионных систем, достигаемые практические значения относительной дальности видимости составляют ~0,8 при обычном искусственном освещении непрерывного действия. А дальности хо­ рошего видения, т. е. дальности видения на стадии различимости, таких объектов, как некрупные рыбы величиной ~ 30 см, состав­ ляют 0,7—0,8 от предельной дальности видимости белого диска телевизионной системой или 0,55-ъ0,65 от величины условной проз­ рачности водоема, определяемой с помощью белого диска [140].

Как следует из предыдущих разделов этой главы, в расчетах условий, определяющих видимость объектов в водной среде при искусственном освещении, нельзя обойтись без учета влияния мно­ гократного рассеяния света. Поэтому методы оценки видимости, разработанные для наблюдения объектов в прожекторном пучке в атмосфере, мало пригодны для водной среды. Исключение могут составить частные случаи наблюдения в чистой воде при малой базе между наблюдателем и осветительным устройством и неболь­ ших оптических глубинах, при которых учет рассеяния малой крат­ ности для первого приближения достаточен (см. рис. 7.14). На практике именно этим и приходится часто ограничиваться ввиду трудности создания универсальной методики точного расчета ус­ ловий видимости и дальности видимости под водой при искусствен­ ном освещении, имеющем различные угловые характеристики све­ тового поля. Для ориентировочного расчета условий видимости — освещенности объекта и яркости дымки с учетом многократного

лишь порядок определяемых величин.

194

Некоторые соотношения, пригодные для расчета подводной ви­ димости при искусственном освещении, будут, рассмотрены в сле­ дующих разделах.

7.8. Видимость отражающих объектов. Свойства различных вариантов наблюдательных систем

Рассмотрим схему наблюдательной системы, изображен­

с рассуждениями, приведенными в и. 6.2, можно выразить с помо­

a =0 0' = —x/2

где Q(0', ф') — нормированная к единице функция рассеяния тол­ щи водной среды; 0', q/ — текущие угловые координаты, отсчиты­

ваемые от направления Ѳ, (р; Т І — коэффициент ослабления ярко­ сти для толщи водной среды, равной L, называемый иногда ко­ эффициентом передачи.

Поскольку поверхность объектов отражает по закону Ламберта, распределение яркости отраженного излучения выразится соотно­ шением

Распределение освещенности в плоскости изображений можно определить с помощью свертки функции распределения яркости в плоскости объектов с общей функцией рассеяния системы слой водной среды — объектив приемного устройства с учетом влияния яркости дымки обратного рассеяния. Так как слой водной среды вносит основной вклад в рассеяние излучения в подводной наблю­ дательной системе, функцией рассеяния объектива можно прене­ бречь. Для составляющей освещенности изображения в точке с уг­ ловыми координатами (Ѳ' + л, ф' + л), определяемой излучением, распространяющимся от плоскости объектов, можно записать:

где Ci — постоянная, зависящая от параметров объектива; ТІ — коэффициент ослабления яркости излучения, отраженного элемен­ тарной площадкой с центром в точке А'.

Составляющую освещенности изображения, обусловленную дымкой обратного рассеяния, можно выразить

нала на поверхности изображений. Видимость наблюдательной си­ стемы можно охарактеризовать величиной контраста сигналов, пришедших от двух соседних элементов наблюдаемого объекта.

196

Для телевизионной системы, например, контрастом будет являться отношение перепада сигналов к уровню шумов, которые опреде­ ляются в основном дробовыми шумами фотоэлектронной эмиссии, зависящими от величины максимального входного сигнала. Если освещенность двух соседних точек изображения, составляющих контраст, равна соответственно Д(Ѳі + я, фі+ я) и £’(Ѳ2+ я, ф2+ я) и при этом £(Ѳі + я, фі+ я) > £'(02+ я, ф2+ я ), то контраст на входе телевизионной системы можно выразить

налы на входе телевизионной системы, соответствующие освещен­ ностям £(Ѳі + я, фі + я) и Д(Ѳ2+ я , ф2+ я ); Дш[£'(Ѳі + я, фі + я ) — напряжение шумов, зависящее от максимальной освещенности фо­ токатода.

Считая телевизионную систему линейной и учитывая формулу Шоттки для дробовых шумов фотоэлектронной эмиссии (5.68), мо­ жно записать

к ' Е ( В) + я, <Р1 + тс) — Е (92 + Я. + и)

d УЕ (0] + л, <р] -j- it)

где d — постоянный множитель.

Принимая во внимание то обстоятельство, что полная освещен­ ность складывается из двух составляющих, определяемых выра­ жениями (7.31) и (7.32), выражение контраста телевизионной си­ стемы перепишем в следующем виде:

Дальностью видимости телевизионной системы будет являться расстояние, при котором входной контраст равен пороговой вели­

чине 7Ст = /С т. пор (см. п. 5.4).

Предельная дальность видимости, разрешающая способность и энергетическая дальность видимости подводных наблюдатель­ ных систем в значительной степени определяется их геометриче­ скими характеристиками. Рассмотрим свойства различных вариан­ тов наблюдательных систем.

Прогресс в развитии коллимированных источников света и за­ манчивость перспективы их использования в наблюдательных си­ стемах вызвали появление ряда теоретических и эксперименталь­ ных исследований, посвященных вопросам видимости в рассеиваю­ щей среде при освещении объектов узким сканирующим световым пучком (работы Левина [194], Браво-Животовского, Долина, Лучинина и Савельева [195], Кабанова [196]). Применение узкона­ правленных световых пучков в подводных наблюдательных систе­ мах дает ряд преимуществ по сравнению с использованием обыч­ ного освещения с широким угловым светораспределением.

197