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

системы. Бремя освещения объектов, расположенных в различных точках вдоль этой дистанции, будет различно, его распределение отображено на пространственно-временной диаграмме заштри­ хованным ромбом. Оно равно нулю при L' и L" и максимально

ствие дымки обратного рассеяния, от влияния которого в данной системе абсолютно освободиться не удается. Относительное влия­ ние дымки на изображение объектов, расположенных между L' и L", отображается тем же ромбом на пространственно-временной

диаграмме.

Второй вариант схемы наблюдения, использующей принцип

руется стробируемым приемником 2, представляющим собой пере­ дающую телевизионную трубку мгновенного действия — диссектор, в котором отсутствует какое-либо накопление изображения. Одновременно с посылкой световых сигналов блок источника света формирует электрические импульсы, которые после задержки в блоке 3 попадают в генератор синхронизирующих импульсов 4. Синхронизирующие импульсы управляют работой отклоняющей си­ стемы 5 диссектора и развертками телевизионного приемника 7. Для усиления видеосигналов, снимаемых с диссектора, служит уси­ литель 6.

Импульсная сканирующая система наблюдения объединяет в себе преимущества, которые дают принцип стробирования и прин­ цип сканирования. Именно с помощью такой системы можно до­ стичь предельно возможной дальности наблюдения, определяемой практически лишь прямым рассеянием излучения. Однако серьез­ ным препятствием для ее осуществления является необходимость получения большой частоты посылок света для обеспечения наблю­ дения подвижных объектов. Для получения, например, телевизион­ ного изображения в соответствии с принятым стандартом разло­ жения на 625 строк при 25 кадрах в секунду требуемая частота световых посылок должна быть около 9,75 мГц, что при настоящем уровне развития лазерной техники недостижимо. Современные ла­

208

зеры могут обеспечить частоту посылек порядка нескольких сотен герц при импульсной мощности в несколько сотен киловатт, но при частоте 100 Гц, например, время сканирования объекта при 625x625 элементах разложения равно около 1,1 ч. Тем не менее импульсные системы с двойным сканированием могут с успехом применяться для обнаружения крупных объектов в водной среде. При частоте 100 Гц за одну секунду можно получить изображение участка желаемой площади при 100 элементах разложения. Умень­ шая угол обзора, можно повысить разрешающую способность си­ стемы.

Посмотрим теперь, в какой степени стробирующие системы по­ зволяют освободиться от влияния дымки обратного рассеяния. Предположим, что источник света и приемник находятся рядом и источник в малом телесном угле излучает короткий световой импульс с распределением интенсивности во времени b{t), а при­ емник с апертурным углом 2уп принимает излучение, составляющее яркость дымки обратного рассеяния. Предположим далее, что в приемник попадает только однократно рассеянное излучение. Тогда зависимость яркости излучения, падающего на входное отверстие приемника, от времени можно рассчитать следующим образом:

рисы рассеяния в направлении, обратном направлению распрост­ ранения пучка (у = я ); f ( t ) — функция, учитывающая геометрию наблюдательной системы: при реальных апертурных углах источ­ ника и приемника и наличии реальной базы между ними различные точки среды вдоль линии визирования приемника вносят неодина­ ковый относительный вклад в создание освещенности входного отверстия приемника [208].

На рис. 7.24 приведены кривые зависимости яркости дымки обратного рассеяния от времени, рассчитанные Зеге и другими для однократного рассеяния по соотношению (7.48), а также кривые, учитывающие многократное рассеяние, полученные с помощью ме­ тода Монте-Карло [208]. При расчетах были приняты следующие исходные данные: 1) источник и приемник совмещены; 2) диаметр входного отверстия приемника равен диаметру выходного отвер­ стия приемника І> = 0,01 м; 3) угол излучения источника 2уи= 1 /; 4) изменение мощности источника во времени задано функцией te~$‘, которая хорошо описывает форму импульса лазера, при этом величина ß была принята равной 0,2 нс-1, что соответствует полу­ ширине импульса в -—•15 нс; 5) натуральный показатель ослабле­

морской воды. Был рассмотрен прием на коллимированный прием­ ник с 2уп = 1' и изотропный приемник с 2уп = я.

На графике рис. 7.24 а изображены кривые яркости дымки для

лежащие на кривой 1, получены по соотношению (7.48) и учиты­ вают лишь однократное рассеяние (кривые нормированы в точке при 100 нс). Совпадение точек, полученных для однократного рас­ сеяния, с точками, по которым построена кривая /, говорит о том,

В отн.ед.

Еотн.ед.

Рис. 7.24. Зависимость от времени видимой яркости и освещенности на входе приемника, обусловленных обратным рассеянием излучения, при посылке светового импульса в водную среду [2081.

что в данной среде по крайней мере до расстояния, соответствую­

деть, в случае применения приемника с большой угловой аперту­ рой использовать для расчета яркости дымки приближение одно­ кратного рассеяния нельзя: слишком велико влияние многократ­ ного рассеяния. Кривые 1, 2 хорошо описываются формулой

210

где А — постоянный параметр, зависящий от свойств приемника, источника и среды; к' — натуральный показатель поглощения света [208]. Таким образом, графики, приведенные на рис. 7.24, показы­ вают, что величина яркости дымки обратного рассеяния имеет наи­ большее значение в слоях водной среды, расположенных в непо­ средственной близости от наблюдательного устройства. При наблю­ дении удаленных объектов способ стробирования позволяет освободиться от влияния этой наиболее вредной части дымки. Од­ нако и в случае применения стробированного наблюдательного уст­ ройства совсем избежать влияния дымки нельзя из-за конечной длины дуга светового импульса (при длительности импульса 15— 20 нс, например, она равна 3,4-М,5 м). Следует иметь в виду, что вуалирующее действие дымки при открытии электронно-оптиче­ ского затвора приемника не одинаково в течение экспозиции: оно максимально в момент открытия затвора и спадает до нуля в мо­ мент закрытия (при условии, что система настроена на максималь­ ную экспозицию плоскости объектов и рассматривается однократ­ ное рассеяние). Составляющая количества освещения входного от­ верстия приемника, возникающая в результате действия дымки, равна

(7.50)

где En(t ) — составляющая освещенности входного отверстия при­ емника, вызываемая дымкой в данный момент и определяемая вы­ ражением (7.48); U и h — моменты открытия и закрытия затвора.

Составляющую количества освещения Hj, возникающую в ре­ зультате действия полезного светового сигнала, отраженного от объекта, можно определить с помощью выражений (7.40) для пер­ вого варианта импульсной системы и (7.41) для варианта с син­ хронным импульсным сканированием, учитывая, что # і =

=Ej(h — h) =EiAt, где At — длительность импульса.

Втех случаях, когда многократное рассеяние играет существен­ ную роль, форма светового импульса и его длительность заметно изменяются с увеличением оптической глубины. Это происходит вследствие того, что при многократном рассеянии фотоны попа­ дают в какую-либо точку пространства разновременно, проходя различный путь.

Внастоящее время существует ряд теоретических работ, посвя­ щенных нестационарному рассеянию света в мутных средах [208— 213], однако экспериментальные исследования в этой области по существу только начинаются.

Для иллюстрации влияния многократного рассеяния на размы­ тие светового импульса в водной среде приведем некоторые ре­ зультаты эксперимента, проведенного Ивановым, Калининым и другими в одном из озер Белоруссии [212]. На специальной плаву­ чей оптической скамье были установлены сине-зеленый лазер с длительностью импульса 15н-25 нс и нестробированный приемник со сменными насадками, обеспечивающими углы зрения 6, 12 и

211

27°. Источник и приемник были заглублены на 3 м, между ними имелась база, которая могла быть изменена, а ось приемника мо­ гла поворачиваться на любой угол в пределах круга по отношению к оси источника. Посылаемый в водную среду световой импульс и приходящий импульс с помощью специальных электронных уст­ ройств регистрировались на экране осциллографа за время одного цикла развертки, что позволяло измерить относительное уширение приходящего сигнала и время его прихода относительно посылки.

показывает, что в данном эксперименте максимальное значение величины Р достигало ~ 2 . Однако двукратное уширение импульса в этом случае соответствует противоположной ориентации осей источника и приемника и, следовательно, соответствует большой оптической глубине. При измерениях «на просвет», когда оси источ­ ника и приемника совпадали и были направлены навстречу друг другу, относительного уширения сигнала имеющейся аппаратурой обнаружено не было при изменении угловой апертуры приемника от 6 до 130°. Это говорит о том, что в данной среде при оптической глубине т = 30 искажение импульса мало. Очевидно, что при умень­

212

шении длительности световых посылок их относительное уширение должно становиться более заметным. Вопросы влияния многократ­ ного рассеяния на уширение световых импульсов и изменение ско­ рости их распространения имеют особенно большое значение для световой локации в водной среде, когда ставится задача не только обнаружения объекта, но и определения расстояния до него.

В настоящее время существует целый ряд реализаций принци­ па стробирования для улучшения видимости подводных объектов. Уже первые эксперименты показали, что применение этого способа позволяет в несколько раз увеличить дальность видимости по срав­ нению с дальностью видимости невооруженным глазом [198]. В табл. 7.4 приведены некоторые данные конкретных разработок, позволяющие судить о возможностях систем с использованием прин­ ципа стробирования. Кроме того, имеются сообщения о разработке систем подводного наблюдения, имеющей «теоретический предел дальности» —330 м [202].

Преимущества импульсных систем, использующих способ стро­ бирования излучения, для подводного наблюдения несомненны. Однако они требуют использования весьма сложного и дорогостоя­ щего электронного оборудования. В этом заключается их сущест­ венный недостаток.

Второй способ борьбы с дымкой обратного рассеяния — способ поляризационной дискриминации — свободен от этого недостатка в связи с простотой применяемых приспособлений. Сущность его заключается в применении круговой поляризации излучения источ­ ника света и установке на входе приемника анализатора, задер­ живающего часть излучения, рассеянного в водной среде [207].

Известно, что если пропустить заключенное в узком спектраль­ ном интервале плоскополяризованное излучение через кристалл, обладающий двойным лучепреломлением, то возникает эллиптичес­ кая поляризация, при которой электрический вектор описывает эллипс с угловой частотой, равной частоте световых колебаний [12]. В частном случае, когда толщина двулучепреломляющей пластинки кристалла такова, что обеспечивается разность хода двух лучей в четверть длины волны, конец вектора описывает окружность, и такая поляризация является круговой (см. п. 1.5). Применяемая в этом случае пластинка называется «пластинкой

вволны».

При отражении светового излучения, имеющего круговую поля­ ризацию, направление вращения электрического вектора меняется на противоположное. Это происходит при каждом акте отражения. Таким образом, при многократном отражении излучения, имею­ щего, например, правую круговую поляризацию, для нечетных актов отражения имеет место левое, а для четных — правое на­ правление вращения плоскости поляризации.

Отражение излучения от диффузно отражающего объекта про­ исходит после многократных отражений световых лучей на шеро­ ховатостях поверхности объекта или между частичками пигмента внутри прозрачного заполнителя лакокрасочного покрытия. В этом

213

случае, очевидно, четные и нечетные отражения равновероятны. Поэтому при освещении диффузного объекта излучением с круго­ вой поляризацией одного направления отраженное от объекта излучение имеет круговую поляризацию обоих направлений, а ин­ тенсивности поляризованных составляющих отраженного излуче­ ния равны. Заметим, что это­ го не происходит при зер­ кальном отражении.

Представим теперь, что диффузно отражающий объ­ ект рассматривается в рас­ сеивающей водной среде на­ блюдательной системой, имеющей на выходном от­ верстии источника света по­ ляризатор круговой поляри­ зации, состоящий из поля­ роида линейной поляризации и четверть волновой пла­ стинки, а на входном отвер­ стии приемника — анализа­ тор такой же конструкции и с таким же направлением «закручивания» плоскости поляризации. Тогда излуче­ ние от источника света, имеющее, как показано на рис. 7.26 а правую круговую поляризацию, отражаясь от объекта и частичек среды, оказывается частично поля­ ризованным с левым направ­ лением вращения электриче­ ского вектора. В приемник же проходит составляющая, имеющая только правое вра­ щение, при этом попадает в него только половина отра­ женной световой энергии (без учета поглощения в по­

ляроиде и четвертьволновой пластинке), идущей от объекта, но зато полностью срезается энергия однократного и других нечетных актов рассеяния, происходящих на частичках среды. Таким образом, уда­ ется значительно ослабить дымку обратного рассеяния луча.

Приведенное описание является упрощенным представлением взаимодействия излучения, имеющего круговую поляризацию, со средой. Однако практические эксперименты показывают, что использование круговой поляризации дает значительное улучшение видимости объектов под водой.

215

На рис. 7.26 6 показана схема экспериментальной установки Джилберта и Перника по исследованию влияния круговой поляри­ зации на видимость объектов под водой [207]. Телефотометр 1 че­ рез круговой анализатор 2, зеркала 3 и ящик со стеклянным дном 4 сканирует тест-объект 5, представляющий собой лист металла, окрашенный обычной эмалью. Тест-объект освещается источником света 6 через круговой поляризатор 7.

В табл. 7.5 приведены данные результатов измерений, получен­ ные на этой установке.

Таблица 7.5

Оценка данных табл. 7.5 показывает, что применение круговой поляризации позволяло в данных условиях эксперимента увеличи­ вать видимый контраст белого объекта в среднем в 15,1 раза, а видимый контраст черного объекта — в 13,6 раза.

Таким образом, если дальность видимости при совместном рас­ положении источника и приемника при обычных условиях состав­ ляла расстояние, равное 4 длинам ослабления, то с применением круговой поляризации она увеличилась в 2 раза, т. е. до 8 длин ослабления. Это было подтверждено фотографированием тест-объ­ ектов на различных расстояниях в обоих условиях.

Недостатком системы с поляризационной дискриминацией дымки обратного рассеяния является необходимость увеличения мощности излучения в связи с потерями, вносимыми поляризацион­ ными устройствами, и исключением из рассмотрения 50% световой энергии, отражающейся от объекта, что эквивалентно снижению коэффициента отражения объекта в 2 раза.

Сочетая различные методы улучшения видимости под водой — двойное сканирование, стробирование пучков и поляризационную дискриминацию дымки — при наличии достаточно мощных источ­ ников света можно довести дальность видимости в водной среде до значений, близких к физическому пределу, определяемому пря­

216

достоинством метода поляризационной дискриминации является то, что он позволяет освободиться от действия дымки обратного рассеяния первой кратности, оказывающей наибольшее вуалирую­ щее действие на изображение. При многократном рассеянии вклад четных и нечетных кратностей рассеяния в образование дымки ста­ новится практически одинаковым, и подавление «нечетной доли» улучшения изображения дать не может, так как вместе с тем по­ давляется «нечетная доля» излучения, отраженного от объекта. По­ этому применение поляризационной дискриминации прежде всего эффективно в системах с непрерывным освещением. В системах же со стробированием, предназначенных для наблюдения объектов на относительно больших оптических глубинах, применение поля­ ризационной дискриминации вряд ли целесообразно, так как роль многократного рассеяния в образовании дымки в этом случае ста­ новится велика, и при весьма малой возможности улучшить конт­ раст поляризационное устройство сильно ослабит световой поток и снизит энергетическую дальность видимости наблюдательной си­ стемы.

Выводы к главе 7

Рассмотрение различных вариантов систем подводного наблюдения с использованием искусственного освещения и методов борьбы с дымкой обратного рассеяния позволяет сделать следую­ щие выводы.

1. Применение для освещения коллимированных сканирующих световых пучков позволяет, во-первых, за счет увеличения прост­ ранственной концентрации энергии в пучке увеличить энергетичес­ кую дальность видимости, во-вторых, при рациональном относи­ тельном расположении источника и приемника уменьшить влияние дымки обратного рассеяния по сравнению с системами, использую­ щими широкие пучки, и, в-третьих, за счет уменьшения влияния на изображение прямого рассеяния излучения, идущего из ограничен­ ной освещенной зоны плоскости объектов, улучшить передачу контрастов и, следовательно, увеличить дальность видимости наб­ людательной системы.

2.Применение сканирующих приемников с узким полем зре­ ния также позволяет улучшить передачу контрастов наблюдатель­ ной системы, так как в этом случае резко сужаются пределы инте­ грирования рассеянного излучения, участвующего в создании осве­ щенности точки изображения и идущего из различных участков поверхности объектов.

3.С точки зрения передачи контрастов система со сканирую­ щим узким полем зрения приемника и широким пучком света идентична системе со сканирующим коллимированным пучком света II изотропным приемником. Однако последняя обладает, оче­

видно, большей энергетической дальностью видимости, так как

вэтом случае вся освещенная зона поверхности объектов находится

вполе зрения приемника, чем достигается максимальное исполь­ зование светового потока источника.

217