hydrophysicsФундаментальная и прикладная гидрофизикаFundamental and Applied Hydrophysics2073-66732782-5221St. Petersburg Research Center of the Russian Academy of Sciences10.59887/fpg/7k5k-zu86-nxhzhydrophysics-724Research ArticleТЕХНИЧЕСКАЯ ГИДРОФИЗИКАTECHNICAL HYDROPHYSICSХарактеристики системы видения на волнах фотонной плотности при наблюдении подводных объектов через взволнованную поверхностьCharacteristics of the Image System based on Photon Density Waves in Observing Underwater Objects through a Waved SurfaceЛучининА. Г.LuchininA. G.

Лучинин Александр Григорьевич. Доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник

elibrary AuthorID: 472

603950, ул. Ульянова, д. 46, г. Нижний Новгород

Aleksandr G. Luchinin. Dr.Sci. (Phys.-Math.), Chief Researcher

AuthorID: 472

603950, Ul’anova str., 46, Nizhny Novgorod

luch@ipfran.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6804-6369КириллинМ. Ю.KirillinV. Yu.

Кириллин Михаил Юрьевич. Кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник 

elibrary AuthorID: 153037

603950, ул. Ульянова, д. 46, г. Нижний Новгород

Mikhail Yu. Kirillin. Ph.D. (Phys.-Math.), Senior Researcher

elibrary AuthorID: 153037

603950, Ul’anova str., 46, Nizhny Novgorod

kirillin@ipfran.ruИнститут прикладной физики РАНРоссияInstitute of Applied Physics, Russian Academy of SciencesRussian Federation202210102022153125–136Copyright © Лучинин А.Г., Кириллин М.Ю., 20222022Лучинин А.Г., Кириллин М.Ю.Luchinin A.G., Kirillin V.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://hydrophysics.spbrc.ru/jour/article/view/724

Исследовано влияние взволнованной поверхности на разрешающую способность систем видения, использующих для подсветки узкие модулированные пучки. Сформулированы соотношения, связывающие комплексные амплитуды волн фотонной плотности, распространяющихся через взволнованную границу и слой воды, с основными параметрами задачи. Эти соотношения учитывают конечную высоту волн и изменение длины траекторий фотонов при случайном преломлении лучей при вхождении в воду Введены усредненные по ансамблю реализаций поверхностного волнения оптическая передаточная функция взволнованной поверхности и функция рассеяния пучка. Исследованы зависимости этих функций от интегральных параметров волнения — дисперсии возвышений и дисперсии уклонов. Выполнены оценки вкладов поверхностного волнения и слоя воды в формирование оптических передаточных функций и в общий уровень сигнала от подводного объекта при его наблюдении с применением волн фотонной плотности. Показано, что в некотором диапазоне глубин, пространственных частот и частот модуляции пучка подсветки системы с применением волн фотонной плотности могут иметь преимущества перед системами со стационарной подсветкой.

The wavy surface effect on the resolution of optical imaging systems employing narrow modulated probing beams is studied. Relations are formulated connecting the complex amplitudes of the photon density waves (propagating through the wavy interface and the water layer) to the main parameters of the problem. These relations consider the finite waves height and the change in the photon trajectory length due to random refraction of rays upon entering the water. The optical transfer function of the wavy surface and the beam scattering function averaged over the ensemble of surface waving realizations are introduced. The dependences of these functions on the surface waves integral parameters, namely, the elevations and slopes dispersions, are examined. The contributions of surface waving and water layer to the generation of optical transfer functions and to the overall signal level from an underwater object when it is imaged using photon density waves are estimated. It is shown that in a certain range of depths, spatial frequencies, and illumination beam modulation frequencies, the systems employing photon density waves can demonstrate advantages over the systems with stationary illumination.  

системы видениявзволнованная поверхностьоптическая передаточная функцияволны фотонной плотностимногократное рассеяниеimaging systemswavy surfacemodulated transfer functionphoton density wavesmultiply scatteringАвторы признательны Л.С. Долину за полезные советы, которыми мы воспользовались при выполнении работы. Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования (проект 0030-2021-0006) и Российского фонда фундаментальных исследований (проект 19-02-00089а).We thank L.S. Dolin for helpful advice that we used in our work. This work was supported by the Ministry of Science and Higher Education of Russia (project 0030–2021– 0006) and the Russian Foundation for Basic Research (project 19–02–00089a).ReferencesЛучинин А.Г. Пространственный спектр узкого синусоидально модулированного пучка света в анизотропно рассеивающей среде // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1974. Т. 10, № 12. С. 1312–1317.Luchinin A.G. Spatial spectrum of a narrow sine-wave-modulated light beam in an anisotropically scattering medium. Izvestiya AN SSSR, Fizika Atmosfery i Okeana. 1974, 10, 1312–1317 (In Russian).Ремизович В.С., Рогозкин Д.Б., Рязанов М.И. Распространение узкого модулированного пучка света в рассеивающей среде с учетом флуктуаций путей фотонов при многократном рассеянии // Известия вузов. Радиофизика. 1982. Т. 25, № 8. С. 891–898.Remizovich V.S., Rogozkin D.B., Ryazanov M.I. Propagation of a narrow modulated beam of light in a scattering medium taking into account fluctuations of photon traces at multiple scattering. Izvestiya Vuzov, Radiofizika. 1982, 25, 8, 891–898 (In Russian).Luchinin A.G., Kirillin M. Yu. Temporal and frequency characteristics of a narrow light beam in sea water // Applied Optics. 2016. Vol. 55, N 27. P. 7756–7762. doi:10.1364/AO.55.007756Luchinin A.G., Kirillin M. Yu. Temporal and frequency characteristics of a narrow light beam in sea water. Applied Optics. 2016, 55, 7756–7762. doi:10.1364/AO.55.007756Лучинин А.Г., Кириллин М.Ю. Структура модулированного узкого пучка света в морской воде: моделирование методом Монте-Карло // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2017. Т. 53, № 2. С. 275–284. doi:10.7868/S0002351517020080Luchinin A.G., Kirillin M.Y. Structure of a modulated narrow light beam in seawater: Monte Carlo simulation. Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2017, 53, 2, 242–249. doi:10.1134/S0001433817020086Гордеев Л.Б., Лучинин А.Г., Щегольков Ю.Б. Экспериментальные исследования структуры узкого синусоидально модулированного пучка света в модельной анизотропно рассеивающей среде // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1975. Т. 11, № 1 С. 86–89.Gordeev L.B., Luchinin A.G., Shcegol’kov Yu.B. Experimental studies of the structure of a narrow sine-wave-modulated light beam in a model anisotropically scattering medium. Izvestiya AN SSSR, Fizika Atmosfery i Okeana. 1975, 11, 50–53 (In Russian).Mullen L., Laux A., Concannon B., Zege E.P., Katsev I.L., Prikhach A.S. Amplitude-modulated laser imager // Applied Optics. 2004. Vol. 43, N 19. 3874–3892. doi:10.1364/ao.43.003874Mullen L., Laux A., Concannon B., Zege E.P., Katsev I.L., Prikhach A.S. Amplitude-modulated laser imager. Applied Optics. 2004, 43, 19, 3874–3892. doi:10.1364/ao.43.003874Мулламаа Ю.-А.Р. Влияние взволнованной поверхности на видимость подводных объектов // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1975. Т. 11, № 2. С. 199–205.Mullamaa Yu.-A.R. Effect of a rough sea surface on the visibility of submerged objects. Izvestiya AN SSSR, Fizika Atmosfery i Okeana. 1975, 11, 199–205 (In Russian).Лучинин А.Г. Некоторые закономерности формирования изображения шельфа при его наблюдении через взволнованную поверхность моря // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1981. Т. 17, № 7. С. 732–736.Luchinin A.G. Some characteristics of the formation of a shelf image when it is observed through a wavy sea surface. Izvestiya AN SSSR, Fizika Atmosfery i Okeana. 1981, 17, 537–541 (In Russian).Долин Л.С., Левин И.М. Справочник по теории подводного видения. Л. Гидрометеоиздат, 1991. 230 c.Dolin L.S., Levin I.M. Handbook of underwater vision theory. Leningrad, Gidrometeoizdat, 1991. 230 p. (In Russian).Dolin L., Gilbert G., Levin I., Luchinin A. Theory of imaging through wavy sea surface. N. Novgorod: Institute of Applied Physics, 2006. 180 p.Dolin L., Gilbert G., Levin I., Luchinin A. Theory of imaging through wavy sea surface. N. Novgorod, Institute of Applied Physics, 2006. 180 p.Левин И.М. О наблюдении объектов, освещенных узким световым пучком, в рассеивающей среде // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1969. Т. 5, № 1. С. 62–76.Levin I.M. Observation of objects illuminated by narrow light beam in scattering medium. Izvestiya AN SSSR, Fizika Atmosfery i Okeana. 1969, 5, 32–36 (In Russian).Браво-Животовский Д.М., Долин Л.С., Лучинин А.Г., Савельев В.А. Некоторые вопросы теории видения в мутных средах // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1969. Т. 5, № 7. С. 672–684.Bravo-Zhivotovsky D.M., Dolin L.S., Luchinin A.G., Savel’ev V.A. Problems of the theory of imaging in turbid media. Izvestiya AN SSSR, Fizika Atmosfery i Okeana. 1969, 5, 672–684 (In Russian).Вебер В.Л., Лучинин А.Г. Влияние корреляционных эффектов на характеристики изображения дна водоема, наблюдаемого через взволнованную поверхность // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 2001. Т. 37, № 2. С. 257–264.Veber V.L., Luchinin A.G. Influence of correlation effects on characteristics of bottom imaging through the rough surface of a body of water. Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2001, 37, 239–246.Walker R.E. Marine Light Field Statistics. John Wiley&Sons, INC. 1994. 675 p.Walker R.E. Marine Light Field Statistics. John Wiley&Sons, INC., 1994. 675 p.Luchinin A.G., Kirillin M. Yu. Nonstationary optical transfer functions of underwater imaging systems // Applied Optics. 2017. Vol. 56, N 27. P. 7518–7524. doi:10.1364/AO.56.007518Luchinin A.G., Kirillin M. Yu. Nonstationary optical transfer functions of underwater imaging systems. Applied Optics. 2017, 56, 7518–7524. doi:10.1364/AO.56.007518Dolin L.S., Luchinin A.G. Water-scattered signal to compensate for the rough sea surface effect on bottom lidar imaging // Applied Optics. 2008. Vol. 47, N36. P. 6871–6878. doi:10.1364/ao.47.006871Dolin L.S., Luchinin A.G. Water-scattered signal to compensate for the rough sea surface effect on bottom lidar imaging. Applied Optics. 2008, 47, 6871–6878. doi:10.1364/ao.47.006871Лучинин А.Г., Долин Л.С. Модель системы подводного видения со сложно модулированным пучком подсветки // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2014. Т. 50, № 4. С. 468–476. doi:10.7868/S0002351514040099Luchinin A.G., Dolin L.S. Model of an underwater imaging system with a complexly modulated illumination beam. Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2014, 50, 411–419. doi:10.1134/S0001433814040185

The authors declare that there are no conflicts of interest present.