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

где У — угол зрения наблюдательного устройства, соответствующий плоскому углу 2ß.

19 8

Рассмотрим некоторые другие варианты наблюдательных сис­ тем, отличающихся от системы, для которой справедливо равен­

ство (7.40).

Ко второму варианту отнесем систему, использующую двойное сканирование — узким практически параллельным световым пуч­ ком и узким полем зрения, в которой ось пучка и ось поля зрения в каждый момент времени пересекаются в точках, лежащих на по­ верхности объектов. В этом случае текущие углы Ѳ"= Ѳ' и cp"= q/, поэтому

Пусть в третьем варианте плоскость объектов освещается очень широким пучком излучения, который имеет место при осветитель­ ной установке, обеспечивающей «заливающий свет», или при есте­ ственном освещении, а прием осуществляется с помощью относи­ тельно широкоугольного объектива, проектирующего изображение на поверхность фотографического слоя или фотокатода передаю­ щей телевизионной трубки. В этом случае освещенность плоскости объектов можно считать равномерной, а распределение яркости равным

где Ti ( L) — коэффициент ослабления освещенности от широкого пучка света, Мп — светимость источника.

Тогда

За четвертый вариант примем систему, в которой прием свето­ вых сигналов от поверхности объектов, освещаемой сканирующим коллимированным пучком, осуществляется на изотропный прием­ ник, например на фотоэлемент с рассеивающей насадкой на входе, реагирующий на отраженное световое излучение, поступающее

в очень широком угле. В такой системе J q (co' — а") da" мало ме-

199

нулевой расходимостью. Первую составляющую освещенности для этого варианта можно выразить

Сравнение выражений (7.44) и (7.45) показывает, что наблюда­ тельная система с коллимированным пучком света и изотропным приемником идентична системе, в которой используется очень ши­ рокий пучок и коллимированный приемник, если не учитывать влияние дымки обратного рассеяния. Яркость дымки обратного рассеяния вызывает появление составляющей освещенности поверх­ ности изображения, определяемой выражением (7.32), не несущей никакой информации из плоскости объектов и снижающей конт­ раст изображения, образуемого первой составляющей освещенно­ сти. Для каждого из рассмотренных выше вариантов наблюдатель­ ной системы влияние дымки различно.

Таким образом, если известна функция рассеяния Q (0, гр), коэф­ фициенты передачи TL, T\(L) и яркость дымки обратного рассея­ ния 5 д ( Ѳ " + л ; , ф " + я ) , для всех рассмотренных систем можно рас­ считать распределение освещенности в плоскости изображения, величину контраста изображения и дальность наблюдения, при кото­ рой контраст изображения становится равным пороговой величине.

Коэффициент передачи для направленного излучения можно вычислить, используя приближенные формулы (7.8), (7.19), (7.20), а для широкого пучка — формулы (7.5), (7.6). Кроме того, для ориентировочного определения этих величин можно воспользо­ ваться экспериментальными данными, приведенными в п. 7.4, 7.5. Зависимость величины яркости дымки от различных факторов рас­ смотрена в п. 7.6.

Функция рассеяния мутной среды была измерена Левиным экс­ периментально с использованием модельных сред, имеющих раз­ личные оптические характеристики и индикатрису рассеяния, близ­ кую к индикатрисам рассеяния морской воды [194]. В качестве ис­

вероятностью выживания фотона А и различных оптических глу­

экспериментальных кривых, а функцию Q(0) для пучка с малой конечной расходимостью 2уп и диаметром d на расстоянии L сог­ ласно [194] можно считать приближенно равной функции Q(0) для пучка с нулевой расходимостью и диаметром d' = d+2y„L.

В процессе эксперимента было найдено, что коэффициент пере­ дачи для пучка с ed„ = 0,004 TL до оптических расстояний т = 5 при изменении А от 0,4 до 0,85 подчиняется закону Бугера, т. е. TL=

= io- el.

200

Браво-Животовским и др. была вычислена полная функция рас­ сеяния для пучка с конечной расходимостью 2уп=10' в среде с индикатрисой рассеяния, близкой к индикатрисе рассеяния чер­ номорской воды, для наблюдательных систем, соответствующих второму и четвертому (или пятому) вариантам [выражения (7.41), (7.44), (7.45)] [195]. Полученные кривые функции рассеяния при­ ведены на рис. 7.17. По левой шкале графика отложены относи­ тельные значения функции рассеяния для четвертого (или пятого)

Рис. 7.16. Экспериментальная зависимость функции рассеяния Q (Ѳ) при различных Л (а — 0,4; б — 0,55; в — 0,7; г — 0,85). Цифры у кривых обо­ значают величину оптической глубины гЬ (по Левину [194]).

варианта системы наблюдения, а на правой — квадрат функции рассеяния, соответствующий второму варианту. Масштаб правой шкалы в два раза меньше, чем левой. Как можно видеть, функция рассеяния для случая синхронного сканирования изображения зна­ чительно уже, благодаря чему разрешающая способность второго варианта системы наблюдения (7.41) существенно выше.

Знание функции рассеяния для толщи водной среды позволяет с помощью Фурье-преобразования вычислить частотно-контрастные характеристики различных вариантов подводных систем наблюде­

По оси абсцисс отложены относительные значения пространст­ венной частоты V. Из графиков видно, что с ее увеличением конт­ раст уменьшается и монотонно стремится к некоторой постоянной

201

с 2 7 =0 1 0' и разных оптических расстояний (обо­ значены цифрами у кривых) (по Браво-Жнвотов- скому и др. [195]).

Рис. 7.18. ЧКХ для варианта системы наблюдения с узким скани­ рующим световым лучом при 2 уп= 1 0' и изотропным приемником или системы с широким световым лучом и направленным прием­ ником 2 уп= 1 0' (а); для варианта системы наблюдения с двойным синхронным сканированием при 2уи=2уп=10' (б, е) (по Браво-

Животовскому и др. [195]).

величине, различной для разных оптических глубин. При дальней­ шем увеличении частоты появляется второй участок спада, начи­ нающийся при значениях ѵ, при которых угловая ширина полос на объекте сравнивается с величиной апертурного угла приемника; на этом участке контраст спадает до нуля (рис. 7.18 е). Как можно заметить, при одном и том же значении оптического расстояния и одинаковой контрастной чувствительности приемника наблюдатель­ ная система с двойным сканированием (рис. 7.18 6 и в) обеспечи­ вает значительно лучшую передачу контрастов, чем система, имею­ щая широкий световой пучок и изотропный приемник (рис. 7.18 а).

7.9. Видимость объектов в проходящем свете

От влияния дымки обратного рассеяния свободны наб­ людательные системы, схемы которых предусматривают наблюде­ ние в проходящем свете. В этом случае плоскость объектов нахо­

движении тел в водной сре­

стоянии Ьг от объектива расположена равномерно светящаяся по­ верхность осветительного щита с яркостью Вщ, излучающая по косинусному закону. На расстоянии Lx находится сферическая по­ верхность объектов с заданным распределением коэффициента про­ пускания Г0б(Ѳ, <р). Тогда полную освещенность поверхности изо­ бражений в такой системе можно выразить

в дополнение к пяти вариантам, описанным в предыдущем разделе.

203

Если вместо объектива в точке Р находится коллимированный сканирующий приемник, то полное распределение освещенности в седьмом варианте системы наблюдения будет следующим:

Рассмотренные выше системы обеспечивают наблюдение объек­ тов, которые сами не излучают световую энергию и для их обна­ ружения и распознавания необходимы специальные осветительные устройства. Кроме наблюдения таких объектов, на практике бы­ вает потребность наблюдения под водой самосветящихся объектов: источников света, используемых в качестве маяков, сигнальных огней, светящихся живых организмов и пр. Некоторые сведения по узнаванию источников света были приведены в п. 7.3. Коснемся теперь кратко вопроса о предельной дальности видимости объек­ тов, являющихся источниками излучения.

При наблюдении самосветящихся объектов, находящихся на большом расстоянии от наблюдателя, видимость определяется освещенностью, создаваемой на зрачке наблюдательного устрой­ ства, а дальность видимости — пороговой освещенностью. Разли­ чают три вида пороговой освещенности [84]:

1) пороговая освещенность на появление, когда наблюдатель ожидает появления светового сигнала в определенном направле­ нии (фиксированный порог Епор) ;

2)пороговая освещенность на исчезновение, когда расстояние между наблюдателем и источником светового сигнала при фикси­ рованном наблюдении увеличивается до исчезновения видимости сигнала;

3)пороговая освещенность на обнаружение, когда наблюда­ телю заранее неизвестно, с какого направления ожидать световой сигнал, и он вынужден осуществлять его поиск.

Минимальное значение пороговой освещенности соответствует второму случаю, а максимальное — случаю обнаружения светового сигнала при нефиксированном наблюдении.

Если наблюдение производится невооруженным глазом, то наи­ меньшая пороговая освещенность соответствует наблюдению све­ тового сигнала на совершенно темном фоне (при яркости, меньшей ІО-6 нт). Величина пороговой освещенности, полученная при этом условии, называется абсолютным световым порогом. Абсолютный световой порог колеблется для различных людей от 0,85-ІО-9 до 8,5-10-9 лк. По мере увеличения яркости фона чувствительность глаза падает и величина ЕПОр возрастает. Характер зависимости Епор от яркости фона показан на рис. 7.20 а, где кривая соответ­ ствует наблюдению белого точечного источника света в лаборатор­ ных условиях. Однако при подводном наблюдении на максималь­ ных расстояниях видимости источники света воспринимаются зре­ нием в виде световых пятен с относительно большими угловыми размерами и сильно размытыми краями. В этом случае пороговая освещенность резко возрастает, о чем свидетельствует график на

204

рис. 7.20 6, показывающий зависимость ДПор от углового размера пятна.

В качестве примера рассчитаем дальность видимости обычной

Рис. 7.20. Пороговая освещенность от белого точеч­

кой формулой Дантли (7.5) и будем считать характеристики е и а

средними в пределах видимого спек­ тра. На рис. 7.21 изображена рас­ Емк

считанная кривая ослабления осве­ щенности в зависимости от расстоя­ ния. Из графика на рис. 7.20 б вид­ но, что, если угловой размер пятна лежит в пределах 100-^500 мин, по­ роговая освещенность находится в пределах 7 -ІО-9—5 -ІО-8, что соот­ ветствует дальности видимости 140-f- 160 м. Для более точного расчета

Рис. 7.21. Зависимость освещенно­ сти, создаваемой погруженной 1 0 0 -0свечовой лампой накалива­ ния, от расстояния.

освещенности в качестве исходных величин следует брать спект­ ральные показатели е(А) и а (А,) и учитывать спектральное распре­ деление энергии излучения источника / (А).

Ряд сведений, полезных при рассмотрении видимости световых сигналов под водой, читатель может найти в литературных источ­ никах, касающихся видимости огней в замутненной атмосфере.

205

7.10. Методы подавления влияния дымки обратного рассеяния

Как следует из предыдущих разделов этой главы, три основных естественных фактора, препятствуют увеличению даль­ ности действия подводных наблюдательных систем при искус­ ственном освещении, это: 1) ослабление освещающего пучка, зави­ сящее от оптических свойств водной среды; 2) расширение пучков, связанное с прямым рассеянием, и 3) образование яркости дымки обратного рассеяния, вуалирующей изображение.

Ослабление излучения принципиально может быть скомпенси­ ровано увеличением мощности пучка. Расширение пучков света, распространяющихся как от источника до объекта, так и от объ­ екта до приемника, зависит только от свойств среды и простыми способами скомпенсировано быть не может. Влияние этого уширения на передачу контрастов сводится к минимуму применением способа двойного сканирования, который при соответствующем конструктивном выполнении наблюдательной системы позволяет также несколько ослабить влияние дымки по сравнению с другими способами наблюдения. Однако и в этом случае мешающее дейст­ вие дымки обратного рассеяния луча остается существенным. Если применить для наблюдения достаточно мощные источники света и каким-либо образом освободиться от влияния дымки обратного рассеяния, то только прямое рассеяние излучения, идущего от объ­ екта к приемнику, будет ограничивать его видимость и определять предельно достижимую дальность видимости.

Увеличение мощности источников света в настоящее время вполне реально. Достижения квантовой электроники позволяют создать лазеры огромной мощности, излучающие в нужной обла­ сти спектра. Найдены также эффективные способы подавления влияния дымки обратного рассеяния. В настоящее время наиболее часто используются два таких способа: так называемые способ стробирования излучения и способ поляризационной дискримина­ ции [198—207].

Способ стробирования излучения заключается в том, что для освещения объекта используются очень короткие импульсные по­ сылки световой энергии, имеющие длину цуга, во много раз мень­ шую расстояния наблюдения, а на входе приемника устанавлива­ ется электрооптический затвор, открывающийся в момент возвра­ щения светового импульса после отражения от объекта. Таким образом, удается освободиться от попадания на изображение боль­ шей части светового потока дымки обратного рассеяния. Один из возможных вариантов импульсной системы наблюдения изображен на схеме рис. 7.22 а. Она состоит из импульсного источника света 1, постоянно запертого управляемого электронно-оптического преоб­ разователя 2, устройства задержки 3, передающей телевизионной трубки с накоплением изображения 4 и приемного телевизионного устройства 5, на экране которого наблюдается изображение плос­ кости объектов 6. В момент излучения световой посылки источии-

206

ком света 1 в устройство задержки 3 поступает прямоугольный электрический импульс, равный по длительности световому им­ пульсу. Электрический импульс после задержки отпирает элект­ ронно-оптический преобразователь в нужный момент времени. Время задержки импульса и его длительность выбираются с таким расчетом, чтобы электронно-оптический преобразователь, выпол­ няющий роль затвора и одновременно усилителя изображения, открывался в момент прихода светового импульса и вновь закры­ вался по окончании его действия.

Рис. 7.22. Блок-схема импульсной системы наблюдения (а) и пространственно-времен­ ная диаграмма ее работы (б).

L

происходит только однократное рассеяние света, а многократное рассеяние отсутствует. Обозначим:

U = 0 — момент начала излучения светового импульса;

ti — время окончания излучения светового импульса (длитель­ ность импульса);

h — время достижения передним фронтом светового импульса плоскости объектов, находящейся на расстоянии L (начало осве­ щения объекта);

U— окончание освещения объекта;

к — время прихода переднего фронта отраженного светового импульса на вход приемника излучения;

/5 — время окончания воздействия светового импульса на при­ емник.

Очевидно, что для обеспечения приема всего светового им­ пульса, отражаемого от объекта, время открытия затвора должно

207