The Problem of Reconstructing the Profile of the Sea Surface from the Video Image of Laser Beams

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Currently, there are no remote methods for recording the instantaneous two-dimensional profile of the sea surface Z(x, y, t) in field conditions. There are no methods for recording capillary wave profiles directly on the sea surface. The short-wave component of sea waves plays a very important role in radiometry in the formation of the surface's own radiation and in solving inverse radar problems. This article proposes an optical measurement technique that makes it possible to measure the parameters of the entire wave spectrum, including capillary waves with amplitude of less than 0.1 mm. However, the author has not yet been able to fully solve the inverse problem of reconstructing the two-dimensional wave profile. The author considered it expedient to formulate this problem and involve the scientific community in its successful solution. Obtaining the profile of sea waves Z(x, y, t) in natural conditions with a high update rate will allow obtaining complete information about the characteristics of waves, temporal and spatial spectra of elevations, spectra of slopes, and studying the evolution of waves when the wind changes. Of particular value is the possibility of recording and studying the short-wave components of waves, including capillary waves.

Full Text

Restricted Access

About the authors

V. V. Sterlyadkin

MIREA-Russian Technological University

Author for correspondence.
Email: sterlyadkin@mail.ru
Russian Federation, Moscow

References

  1. Антонов В.В., Садовский И.Н. Исследование параметров морского волнения в рамках международного натурного эксперимента CAPMOS05: контактные измерения с использованием пятиструнного волнографа // Современ. проблемы дистанц. зондирования Земли из космоса. 2007. № 1. С. 254–261.
  2. Бадулин С.И., Захаров В.Е. Спектр Филлипса и модель диссипации ветрового волнения // Теорет. и мат. физика. 2020. Т. 202(3). С. 353–363.
  3. Глебова Т.В., Иванов С.Г., Каледин С.Б. и др. Оценка радиусов кривизны поверхностных волн по измеренным амплитудам лазерно-бликовых сигналов в натурных экспериментах // Физические основы приборостроения. 2021. Т. 10. № 2(40). С. 74–80.
  4. Запевалов А.С. Статистические модели морской поверхности в задачах рассеяния акустического и электромагнитного излучения: дис. … физ.-мат. наук. Севастополь: МГИ НАН Украины, 2008. 290 c.
  5. Запевалов А.С., Большаков А.Н., Смолов В.Е. Исследование уклонов морской поверхности с помощью массива волнографических датчиков // Океанология. 2009. Т. 49. № 1. С. 37–44.
  6. Захаров В.Е., Филоненко Н.Н. Спектр энергии для стохастических колебаний поверхности жидкости // Докл. АН СССР. 1966. Т. 170(6). С. 1292–1295.
  7. Захаров В.Е., Филоненко H.H. Слабая турбулентность капиллярных волн // Приклад. механика и теорет. физика. 1967. № 5. С. 62–67.
  8. Иванов С.Г., Каледин С.Б., Носов В.Н. и др. Перспективы применения беспилотных летательных аппаратов для лазерного зондирования морской поверхности // Физические основы приборостроения. 2021. Т. 10. № 1(39). С. 70–81.
  9. Калинин С.А., Лейкин И.А. Измерение уклонов ветровых волн в Каспийском море // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1988. Т. 24. № 11. С. 1210–1217.
  10. Караев В.Ю., Мешков Е.М. Способ определения угла наклона и высоты волнения водной поверхности относительно её равновесного состояния: патент на изобретение RU2448324 C2. 20.04.2012.
  11. Лебедев Н.Е., Алескерова А.А., Плотников Е.М. Развитие оптических методов измерений уклонов морской поверхности // Современ. проблемы дистанц. зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13. № 3. С. 136–149.
  12. Стерлядкин В.В. Сканирующий оптический волнограф: патент РФ № 2746186. 20.12.2019.
  13. Стерлядкин В.В. Сканирующий лазерный волнограф с регистрацией “мгновенной” формы поверхности: патент РФ № 2749727. 16.10.2020.
  14. Стерлядкин В.В., Куликовский К.В. Измерение капиллярных волн лазерным волнографом // Российский технолог. журн. 2022. Т. 10. № 5. C. 100–110. https://www.rtj-mirea.ru/jour/article/view/571/415
  15. Юровская М.В., Кудрявцев В.Н., Широков А.С., Надоля И.Ю. Натурные измерения спектра поверхностных волн по фотографиям с беспилотного мультикоптера // Современ. проблемы дистанц. зондирования Земли из космоса. 2018. Т. 15. № 1. С. 245–257.
  16. Banner M.L., Jones I.S., Trinder J. Wavenumber spectra of short gravity waves // J. Fluid Mechanics. 1989. V. 198. P. 321–344. https://doi.org/10.1017/S0022112089000157
  17. Bock E.J., Hara T. Optical measurements of capillary-gravity wave spectra using a scanning laser slope gauge // J. Atmospheric and Oceanic Technology. 1995. V. 12. P. 395–403. https://doi.org/10.1175/1520–0426(1995)0122.0.CO;2
  18. Bréon F.M., Henriot N. Spaceborne observations of ocean glint reflectance and modeling of wave slope distributions // J. Geophysical Research: Oceans. 2006. V. 111. No. 6. Article C06005. https://doi.org/10.1029/2005JC003343
  19. Cox C., Munk W. Slopes of the sea surface deduced from photographs of sun glitter // J. Optical Society of America. 1954. V. 44. No. 11. P. 838–850.
  20. Hughes B.A., Grant H.L., Chappel R.W.A. Fast response surface-wave slope meter and measured wind components // Deep-Sea Research. 1977. V. 24. P. 1211–1223. https://doi.org/10.1016/0146-6291(77)90524-0
  21. Hwang P.A., Wang D.W., Walsh E.J. et al. Airborne measurements of the wave number spectra of ocean surface waves. Part I: Spectral slope and dimensionless spectral coefficient // J. Physical Oceanography. 2000. V. 30. No. 11. P. 2753–2767.
  22. https://doi.org/10.1175/1520–0485(2001)031<2753: AMOTWS>2.0.CO;2
  23. Shaw J.A., Churnside J.H. Scanning-laser glint measurements of sea-surface slope statistics // Applied Optics. V. 36. P. 4202–4213. https://doi.org/10.1364/AO.36.004202
  24. Sterlyadkin V.V., Kulikovskii K.V., Kuzmin A.V. et al. Scanning laser wave recorder with registration of “instantaneous” sea surface profiles // J. Atmospheric and Oceanic Technology. 2021. V. 38. No. 8. P. 1415–1424. https://doi.org/10.1175/JTECH-D-21-0036.1

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Schematic of wave measurements from an offshore platform. Scanner 1 directs the needle laser beam 2 along the specified trajectory 3. The radiation scattered by the surface is recorded on a digital video camera 4.

Download (322KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Two pairs of consecutive video images of laser beams obtained at night and daytime from the offshore platform. In the lower photos capillary waves are registered in the daytime.

Download (903KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Results of field measurements: a - distribution of surface slopes for a rectangular triangle with sides 283×253 mm [23]; b - spectrum of elevations in a separate point of the profile in logarithmic scale for the developing wave 26.08.2021, Katsiveli. The degree indices at the first, second and third (capillary) sites are 4.5 ± 0.3, 4.0 ± 0.2 and 2.6 ± 0.3.

Download (629KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Path of rays through the agitated sea surface: a - lateral view, ray projections on the xz plane; b - top view, xy section.

Download (158KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Dependence of coordinates of point A on sea surface slopes: a) curve 1 - dependence of coordinate x of luminous point A on slope γx of sea surface at LED depth zc = 0.2 m and absence of slope along y-axis, curve 2 - the same at γy = 10°; b) dependence of displacement of point A along y-axis on slope γy along y-axis. The slopes along the x-axis are indicated in the legend on the graph.

Download (441KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Displacement of the image of the luminous diode located at a given depth zc during the passage of a harmonic wave λ = 50 cm; a - at the wave amplitude of 7.5 mm, the depth of the LED zc = 0.3 m and different directions α relative to the x-axis: 1 - α = 1°, 2 - α = 10°, 3 - α = 45°, 4 - α = 80°, 5 - α = 89°; b - at the wave direction α = 45° and different amplitude A of the wave and depth of the LED zc (indicated in the legend).

Download (544KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Dependence of displacement of point A along y-axis on slope γy: a - for these plots A = (0.124, y, 0), slope γx of the sea surface is indicated in the legend; b - the same, but the x-coordinate at point A is further away - A = (0.187, y, 0)

Download (502KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Laser beam shape on the sea surface at a capillary wave λ = 15 mm, A = 0.2 mm, which propagates at an angle α = 45° with respect to the x-axis.

Download (171KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. Plots of video frames with magnification: a - night measurements, image scale on two axes is represented by 50 mm segments, thin vertical line - beam shape at undisturbed surface, curve ab - average beam shape at absence of capillary wave; b - capillary waves registered in the daytime.

Download (222KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. Geometry of two-dimensional sea surface profile measurements, top view: 1, 2 - orthogonally located video cameras; 3 - two sets of laser beams incident on the surface; 4 - area of the measured sea surface.

Download (69KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».