Видеополяриметрический комплекс для экологического мониторинга прибрежной акватории и океанологических исследований

Видеополяриметрический комплекс для экологического мониторинга прибрежной акватории и океанологических исследований

Важным свойством оптического излучения являются его поляризационные характеристики. Поляризационные измерения нашли широкое применение в оптике океана. Большое количество работ посвящено этой проблеме. На основе этих исследований предлагались различные варианты фото и видеополяриметров. Однако, какое-то время это направление не получало широкого развития видимо ввиду сложности видеополяриметрической аппаратуры. Благодаря развитию техники цифровой видео и фотосъемки в последнее время интерес к этой области значительно возрос. В ТОИ ДВО РАН разработана фото и видеополяриметрическая аппаратура для исследования характеристик поверхностного волнения и динамики поверхностных проявлений гидрофизических процессов. При разработке решено много технических и методических проблем. Была показана принципиальная возможность осуществления метода поляризационной видеосъемки и получена практическая реализация реконструкции рельефа морской поверхности с достаточно высокой точностью. В настоящее время комплекс модернизирован, улучшены его метрологические характеристики, пространственное и временное разрешение. Скорость съемки видеополяриметра возросла до 240 кадров/сек. Исследования проводятся с использованием нескольких видеосистем. Видеополяриметр, установленный на пирсе на высоте 5 метров над уровнем моря, предназначен для исследования мелкомасштабной части спектра волнения, имеет разрешение по поверхности до 1,7 мм в режиме видео и 0,8 мм. в режиме фото, скорость съемки до 240 кадров/сек. Видеополяриметр, установленный на вышке на высоте 100 метров над уровнем моря, имеет пространственное разрешение на расстоянии 1000 м от берега -7 см в режиме фото и 14 см в режиме видео. Этот прибор, установленный стационарно, обеспечит мониторинг волновой обстановки в прибрежной зоне МЭС м.Шульца ТОИ ДВО РАН. Видеополяриметр небосвода. Панорамная камера, сканирующая прибрежную акваторию в азимуте 260 градусов с периодом 20 сек. Квадрокоптер, камера которого имеет угловое разрешение 0,018 градусов/пиксель в режиме фото и 0,036 гадусов/пиксель в режиме видео. Камера квадрокоптера снабжена поляроидом-анализатором, вращающимся синхронно со скоростью съемки. Использование квадрокоптера вызвано необходимостью проведения исследований угловых зависимостей поляризационных характеристик восходящего излучения. В файлах изображений и комментариях к видео файлам, полученным с его помощью содержится информация о текущих координатах и высоте полета, что позволяет трансформировать изображения и результаты видеосъемки на горизонтальную плоскость и привязывать их к географическим координатам. Размеры изображений в режиме фото 4000Х3000, в режиме видео 1920Х1080. Контроль волнения проводится по изменению положения и ориентации дискового поплавка диаметром 0.35м относительно такого же диска-репера, установленного на берегу с помощью отдельной видеосистемы. Горизонтальные координаты дискового поплавка фиксированы специальной якорной системой, поэтому слежение за его положением позволяет измерять не только характеристики волнения, но и колебания уровня моря. Дисковый поплавок служит для контроля верификации результатов измерений пространственно временных характеристик морского волнения (ПВХМВ) по данным видеополяриметра, установленного на вышке. Для исследования волновых характеристик поверхности в области гравитационно-капиллярных пространственных частот проводятся измерения с пирса. Контроль точности измерений обеспечивает поплавковый волнограф, находящийся в поле зрения видеополяриметра.
Очень важной отличием предлагаемого подхода является возможность проверки соответствия результатов реконструкции уклонов и рельефа с реальностью. Эту возможность дают поплавки дисковой и сферической формы, расположенные в поле зрения видеополяриметров.
Результаты исследований актуальны для уточнения моделей взаимодействия океана и атмосферы, моделей взволнованной поверхности, параметризации турбулентного обмена атмосферы и морской поверхности при различных фоновых условиях, для задач экологического мониторинга прибрежных акваторий. Результаты, полученные с помощью видеополяриметрического комплекса, используются для совершенствования методики регистрации и идентификации поверхностных проявлений внутренних волн, вихревых образований, приповерхностных течений, динамики приповерхностного слоя атмосферы и поверхностных загрязнений поляризационными оптическими и радиолокационными системами дистанционного зондирования. В дальнейшем будут исследованы особенности пространственно- временных спектров волнения областей поверхностных проявлений внутренних волн, вихревых образований, поверхностных загрязнений которые будут использованы в качестве дешифровочных признаков при экологическом мониторинге прибрежной зоны океана оптическими береговыми судовыми и спутниковыми системами наблюдения.
Экспериментальные исследования проводятся на МЭС ТОИ ДВО РАН м.Шульца