Использование последовательных оптических изображений морской поверхности для оценки характеристик волнения и течений

Представлен метод оценки дисперсионных характеристик волнения по двум фрагментам изображения морской поверхности, сделанным с задержкой во времени. В основе подхода лежит анализ спектра сдвига фаз яркости фрагментов. Разрез фазового спектра в направлении наибольшей когерентности дает оценку дисперсионного соотношения волн. Отклонение дисперсионной кривой от теоретически предсказанного линейного дисперсионного соотношения для гравитационных волн соответствует проекции скорости течения в данном направлении. В отсутствии течения для волн на мелкой воде ход дисперсионной кривой позволяет оценить глубину моря. Использование компонентов спектра в достаточно широком диапазоне углов позволяет получить оценку полного вектора течения.

Методика была протестирована на фотографиях, сделанных с самолета, а также оптических снимках со спутников Sentinel-2 и Ресурс-П, где задержка во времени порядка 1 с между съемками в различных каналах обеспечивается благодаря особой конструкции датчиков.

Валидация подхода проводилась путем сопоставления восстановленной скорости течений со значениями геострофической скорости, полученной по данным спутниковой альтиметрии. Достоверность получаемых оценок также подтверждается выполнением законов сохранения, следующих из уравнений распространения волновых лучей.

Продемонстрирована возможность оценки скорости и направления объектов на морской поверхности, в частности, обрушений ветровых волн.

Приводятся оценки погрешности методики для различной точности совмещения снимков, величины временного сдвига между снимками и ошибок в его определении.
Развитие предложенного подхода в приложении к новым спутниковым данным могло бы послужить созданию нового инструмента оценки скорости течений из космоса.

Работа выполнена в рамках государственного задания по теме № 0827-2018-0003 и гранта РНФ №17-77-30019