Определение уклонов морской поверхности методом лазерных «юбок»

Рассмотрен новый дистанционный способ определения уклонов морской поверхности, основанный на видеорегистрации изображения лазерного луча, падающего вертикально вниз на поверхность раздела. Изображение лазерного луча, рассеянного в воде, попадает в видеокамеру, преломляясь через взволнованную морскую поверхность. Показано, что по форме изображения можно определять уклоны поверхности, в частности распределение уклонов капиллярных волн. При наличии капиллярных волн изображение луча превращается в лазерную «юбку» - световой конус который начинается от точки падения луча на поверхность. По распределению освещённости в сечении лазерной юбки можно рассчитать распределение вероятности уклонов морской поверхности. Чем больше дисперсия у распределения уклонов, тем шире лазерная юбка. Уникальным свойством предложенного метода является то, что изменяя время накопления кадров τ, можно изменять интервал длин волн, которые формируют суммарную световую юбку. Так, при накоплении 6 кадров с частотой повторения 90 кадров в секунду дисперсия световой юбки формируется только капиллярными волнами, период которых меньше 6 / 90 = 0,067 с (частота больше 15 Гц). При увеличении времени накопления кадров в распределение уклонов вовлекаются всё более длинные волны. Традиционные методы измерения уклонов: буи, струнные волнографы, обрезают короткие волны, не фиксируя волны, размер которых меньше характерного размера прибора. Метод лазерных юбок работает наоборот, он может обрезать уклоны длинных волн. При этом можно гибко изменять частоту обрезки подбирая различное время накопления кадров. При времени накопления больше периода самых длинных волн измеряется полная дисперсия уклонов данного волнения. Приводится результаты натурных измерений на Гидрофизической платформе МГИ РАН.
Чувствительность метода такова, что позволяет регистрировать капиллярные волны амплитудой в 30 мкм с расстояния 8 метров. Использование интерференционного фильтра и поляризатора позволяет проводить измерений не только в темное время суток, но и при дневном освещении. Важным достоинством метода является возможность «мгновенного» определения распределения уклонов капиллярных волн даже по одному видеокадру в точение 0,01 секунды.
Исследование выполнено при поддержке гранта РНФ № 23-17-00189.