References

hydrophysics

Фундаментальная и прикладная гидрофизика

Fundamental and Applied Hydrophysics

2073-66732782-5221

St. Petersburg Research Center of the Russian Academy of Sciences

hydrophysics-793

Research Article

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МОРСКИХ ОБЪЕКТОВ, ОКЕАНА И АТМОСФЕРЫ

INTERACTION OF MARINE OBJECTS*, OCEAN‏ AND ‏ATMOSPHERE

Теория подводной видимости

Theory of Underwater Imaging

Долин

Л. С.

Dolin

L. S.

Н. Новгород

N. Novgorod

Lev.Dolin@hydro.appl.sci-nnov.ru

Левин

И. М.

Levin

I. M.

Институт прикладной физики РАНРоссияInstitute of Applied PhysicsRussian Federation

Санкт-Петербургский филиал Института океанологии им. П. П. Ширшова РАНРоссияSaint-Petersburg Branch of the P. P. Shirshov Institute of Oceanology of RASRussian Federation

2015

16112022

822235

2022

Долин Л.С., Левин И.М.

Dolin L.S., Levin I.M.

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/793

Представлен обзор работ по теории подводной видимости. Изложена история исследований по этой проблеме. Универсальная теория подводной видимости предназначена для определения характеристик изображения и максимальной дальности видения протяженного объекта с неоднородным коэффициентом отражения для различных подводных систем видения, включая лазерные. Рассмотрены основные элементы этой теории: уравнение переноса изображения, функция размытия пучка и частотно-контрастная характеристика, алгоритмы вычисления параметров изображения объекта конечного размера, максимальная дальность видимости в воде. Параметры подводного светового поля, необходимые для этих алгоритмов, получаются в результате решения уравнения переноса излучения с использованием первичных гидрооптических характеристик. Представлена универсальная модель первичных гидрооптических характеристик для длин волн, близких к 550 нм, которая позволяет определить все используемые в теории подводной видимости первичные гидрооптические характеристики по значению показателя ослабления или даже по глубине видимости диска Секки. Описан алгоритм вычисления отношения сигнал/шум и максимальной дальности видимости в воде, который может быть использован для сравнения эффективности систем видения различных типов. Рассмотрены основные направления развития исследований подводной видимости, в частности, проблема наблюдения через взволнованную поверхность.

The paper presents an overview of the underwater imaging problem. A history of this problem is given. A universal underwater imaging theory is intended for computing image parameters and the maximal visibility distance of an extended target with inhomogeneous reflectance for various, including laser, underwater imaging systems. We consider the main elements of this theory: image transfer equation, beam spread function and modulation transfer function, the algorithms for computing image parameters of a target of limited size and the maximal visibility distance in water. Parameters of underwater light field, which are necessary for these algorithms, are given as a result of solution of the radiative transfer equation in terms of the water inherent optical properties. We present also a universal model of water inherent optical properties for wavelength close to 550 nm which makes it possible to determine all IOPs required for the underwater imaging theory using only the water attenuation coefficient or even Secchi depth. An algorithm for calculating the signal/noise ratio and the maximal sighting range in water are presented and used for comparison of efficiency of the imaging systems of various types. The main directions of the current investigations on the underwater imaging problem are considered, in particular, imaging through wavy sea surface.

подводное видениеуравнение переноса изображенияфункция размытия пучкачастотноконтрастная характеристикаподводное световое полеуравнение переноса излученияпервичные гидрооптические характеристикиотношение сигнал/шумдальность видимости в воденаблюдение через взволнованную морскую поверхность

underwater imagingimage transfer equationbeam spread functionmodulation transfer functionunderwater light fieldradiative transfer equationwater inherent optical propertiessignal/noise ratiosighting range in waterimaging through wavy sea surface

The work was supported by the Russian Foundation for Basic Research under grants No 13-05-00050 and 15-45-02610

References1

Duntley S. Q. Light in the sea // J. Opt. Soc. Am. 1963. V. 53. P. 214–233.

Duntley S. Q. Light in the sea. J. Opt. Soc. Am. 1963. V. 53. P. 214—233. 2. Preizendorfer R. Hydrologic Optics. Honolulu: NOAA, 1976. 1750 p.

Preizendorfer R. Hydrologic Optics. Honolulu: NOAA, 1976. 1750 p.

Ivanoff A. Introduction a L’oceanographie. Paris: Librairie Vuibert, 1975. V. 2. 392 p.

Jerlov N. Marine Optics. New York: Elsevier, 1976. 247 p.

Ivanov A. P. Phyzical background of hydrooptics. Minsk: Nauka i technika, 503 p. (in Russian).

Иванов А. П. Физические основы гидрооптики. Минск: Наука и техника, 1975. 503 с.

Levin I. M. Observation of objects illuminated by a narrow light beam in a scattering medium. Izv. Atmos. Ocean. Phys. 1969. V. 5, N 1. P. 32—39.

Левин И. М. О наблюдении объектов, освещенных узким световым пучком, в рассеивающей среде // Изв АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1969. Т. 5, № 1. С. 62–76.

Bravo-Zhivotovsky D. M., Dolin L. S., Luchinin A. G., Savel'ev V. A. Some problems of the theory of visibility in turbid media. Izv. Atmos. Ocean. Phys. 1969. V. 5, N 7. P.388—393.

Браво-Животовский Д. М., Долин Л. С., Лучинин А. Г., Савельев В. А. Некоторые вопросы теории видения в мутных средах // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1969. Т. 5, № 7. С. 672—684.

Mertence L., Replogle F. Use of point spread and beam spread functions for analysis of imaging systems in water. J. Opt. Soc. Am. 1977. V. 67, N 8. P. 1105—1117.

Mertence L., Replogle F. Use of point spread and beam spread functions for analysis of imaging systems in water // J. Opt. Soc. Am. 1977. V. 67, N 8. P. 1105–1117.

Dolin L. S., Levin I. M. Handbook of the theory of Underwater Vision. Leningrad: Gidrometeoizdat, 1991. 230 p. (in Russian).

Долин Л. С., Левин И. М. Справочник по теории подводного видения. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1991. 230 с.

Dolin L. S., Levin I. M. Optics, underwater. Encyclopedia of Applied Physics. New York: VCH Publ. 1995. V. 12. P. 571—601.

Dolin L. S., Levin I. M. Optics, underwater // Encyclopedia of Applied Physics. New York: VCH Publ. 1995. V. 12. P. 571–601.

Dolin L. S., Levin I. M. Underwater optics. Th. G. Brown et al. (Eds.): The Optics Encyclopedia, Weinheim, Wiley-VCH Publ, 2004. V. 5. P. 3237—3271.

Dolin L. S., Levin I. M. Underwater optics // Th. G. Brown et al. (Editors): The Optics Encyclopedia, Weinheim, Wiley-VCH Publ, 2004. V. 5. P. 3237–3271.

Dolin L. S., Gilbert G. D., Levin I. M., Luchinin A. G. Theory of imaging through wavy sea surface. N. Novgorod: Institute of Applied Physics, 2006. 180 p.

Duntley S. Q. Underwater visibility and photography. Optical aspects of oceanography. London—New York: 1974. P. 135—149.

Duntley S. Q. Underwater visibility and photography // Optical aspects of oceanography. London—New York: 1974. P. 135–149.

Gordon H., Brown O., Evans R., Brown J., Smith R., Baker K., Clark D. A semianalytic radiance model of ocean color. J. Geophyz. Research. 1988. V. 93, D 9. P. 10,909—10,924.

Gordon H., Brown O., Evans R., Brown J., Smith R., Baker K., Clark D. A semianalytic radiance model of ocean color // J. Geophyz. Research. 1988. V. 93, D 9. P. 10,909–10,924.

Sydor M., Arnone R. Effect of suspended particulate and dissolved organic matter on remote sensing of coastal and riverine waters. Applied Optics. 1997. V. 36, N 27. P. 6905—6912.

Sydor M., Arnone R. Effect of suspended particulate and dissolved organic matter on remote sensing of coastal and riverine waters // Applied Optics. 1997. V. 36, N 27. P. 6905–6912.

Voitov V. I. Secchi depth. Ocean optics. A. Monin [ed.], Moscow: Nauka Publ., 1983. V. 2. P. 21—25 (in Russian).

Войтов В. И. Относительная прозрачность // Оптика океана. Под ред. А. C. Монина, Москва: Наука, 1983. Т. 2. С. 21–26.

Arnone R., Tucker S., Hilder F. Secchi depth atlas of the world coastlines. SPIE Proceedings, 489, Ocean Optics VII. 1984. P. 195—201.

Arnone R., Tucker S., Hilder F. Secchi depth atlas of the world coastlines // SPIE Proceedings, 489, Ocean Optics VII. 1984. P. 195–201.

Levin I. M., Kopelevich O. V. Correlations between the Inherent Hydrooptical Characteristics in the spectral range close to 550 nm. Oceanology. 2007. V. 47, N 3. P. 344—348.

Левин И. М., Копелевич О. В. Корреляционные соотношения между первичными гидрооптическими характеристиками в области спектра около 550 нм // Океанология. 2007. Т. 47, № 3. С. 374–379.

Levin I., Darecki M., Sagan S., Radomyslskaya T. Relationships between inherent optical properties in the Baltic Sea for application to the underwater imaging problem. Oceanologia. 2013. N 55(1). P. 11—26.

Levin I., Darecki M., Sagan S., Radomyslskaya T. Relationships between inherent optical properties in the Baltic Sea for application to the underwater imaging problem // Oceanologia. 2013. N 55(1). P. 11–26.

Morel A., Prieur L. Analysis of variations in ocean color. Limnol. Oceanogr. 1977. V. 22, N 4. Р. 709—722.

Morel A., Prieur L. Analysis of variations in ocean color // Limnol. Oceanogr. 1977. V. 22, N 4. Р. 709–722. 21. Schoonmaker J. S., Hammond R. R., Heath A. L., Cleveland J. S. A numerical model for prediction of sublittoral optical visibility // SPIE Proc. Ocean Optics XII. Bergen: Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers. 1994. V. 2258. Р. 685–702.

Schoonmaker J. S., Hammond R. R., Heath A. L., Cleveland J. S. A numerical model for prediction of sublittoral optical visibility. SPIE Proc. Ocean Optics XII. Bergen: Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers. 1994. V. 2258. Р. 685—702.

Levin I. M., Radomyslskaya T. M. Secchi disk theory: a reexamination // Current Research on Remote Sensing, laser Probing, and Imagery in Natural Waters, edited by I. M. Levin, G. D. Gilbert, V. I. Haltrin, and C. Trees. Proceeding of SPIE. V. 6615. 2007. 66150O (11 p.).

Левин И. М., Радомысльская Т. М. Оценка гидрооптических характеристик по глубине видимости диска Секки // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2012. Т. 48, N 2. С. 239–246.

Levin I. M., Radomyslskaya T. M. Estimate of water inherent optical properties from Secchi depth. Izv. Atm. Physics. 2012. V. 48, N 2. P. 214—221.

Dolina I. S., Dolin L. S., Levin I. M., Rodionov A. A., Savel’ev V. A. Inverse problems of lidar sensing of the ocean // Current Research on Remote Sensing, laser Probing, and Imagery in Natural Waters, edited by I. M. Levin, G. D. Gilbert, V. I. Haltrin, and C. Trees. Proceeding of SPIE. 2007. V. 6615. 66150C (10 p.).

Родионов М. А., Долина И. С., Левин И. М. Корреляции между вертикальными распределениями показателя ослабления света и плотности воды в Северных морях // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2012. Т. 5, № 4. С. 39–46.

Rodionov M. A., Dolina I. S., Levin I. M. Correlations between depth distributions of water attenuation coefficient and density in north seas // Fundam. prikl. gidrofiz. 2012. V. 5, N 4. P. 39—46. (in Russian)

Dolina I. S., Dolin L.S. The effect of shear flow on the structure of lidar images of nonlinear internal waves // Proceedings of the VII International Conference «Current Problems in Optics of Natural Waters» (ONW 2013). St.-Petersburg. 2013. P. 12–15.

Luchinin A. G. Light pulse propagation along the path: atmosphere–rough surface–sea water // Applied Optics. 2010. V. 49, N 28. P. 5059–5066.

Luchinin A. G. Light pulse propagation along the path: atmosphere–rough surface–sea water // Applied Optics. 2010. V. 49, N 28. P. 5059—5066.

Dolin L. S., Levin I. M. Two approaches to computing the distance of underwater visibility // Proceedings of the VII International Conference «Current Problems in Optics of Natural Waters» (ONW 2013). St.-Petersburg, 2013. P. 124–127.

Лучинин А. Г. Теория подводного лидара со сложно модулированным пучком подсветки // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2012. Т. 48, N 6. С. 739–748.

Luchinin A. G. Theory of an underwater lidar with a complex modulated illuminating beam // Izv. Atmos. Ocean. Phys. 2012. V. 48, N 6. P. 739—748.

Luchinin A. G., Dolin L. S. Complex modulated waves of photon density in underwater imaging // Proceedings of the VII International Conference «Current Problems in Optics of Natural Waters» (ONW 2013). St.-Petersburg, 2013. P. 24–27.

Katsev I. L., Zege E. P., Prikhach A. S., Cochenour B., Mullen L. Propagation of the modulated laser beam through sea water: comparison theory with experiment // Proceedings of the VII International Conference «Current Problems in Optics of Natural Waters» (ONW 2013). St.-Petersburg, 2013. P. 128–132.

Левин И. М., Радомысльская Т. М., Савченко В. В. Видимость нефтяных пленок на поверхности воды из космоса // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2012. Т. 5, № 3. С. 75–84.

Levin I. M., Radomyslskaya T. M., Savchenko V. V. Visibility of oil films on the water surface from space // Fundam. prikl. gidrofiz. 2012. V. 5, N 3. P. 75—84.

Levin I. M., Radomyslskaya T. M., Osadchy V. Yu., Rybalka N. N., Aleshin I. V., Goncharov V. K., Klementieva N. Yu, Jing Zhou and Zhijun Li. Possibility of oil film detection on the ice cover of the sea surface // Proceedings of the Thirty-second Arctic and Marine Oil Spill Program (AMOP) Technical on Environmental Contamination and Response. Edmonton, Alberta. Canada. June 9–11. 2009. V. 2. P. 781–789.

Levin I. M., Radomyslskaya T. M. et al. Possibility of oil film detection on the ice cover of the sea surface // Proceedings of the Thirty-second Arctic and Marine Oil Spill Program (AMOP) Technical on Environmental Contamination and Response. Edmonton, Alberta. Canada. June 9—11. 2009. V. 2. P. 781—789.

Radomyslskaya T. M. Oil film detection on the ice cover of the sea surface // VII International Conference «Current Problems in Optics of Natural Waters» (ONW 2013). St.-Petersburg. 2013. P. 195–198.

Dolin L. S., Luchinin A. G., Titov V. I., Turlaev D. G. Correcting images of underwater objects distorted by sea surface roughness // Current Research on Remote Sensing, Laser Probing, and Imagery in Natural Waters. Proc. SPIE. 2007. V. 6615, 66150K. 12 p.

Dolin L. S., Luchinin A. G., Titov V. I., Turlaev D. G. Correcting images of underwater objects distorted by sea surface roughness. Current Research on Remote Sensing, Laser Probing, and Imagery in Natural Waters. Proc. SPIE. 2007. V. 6615, 66150K. 12 p.

Турлаев Д. Г., Долин Л. С. О наблюдении подводных объектов через взволнованную водную поверхность: новый алгоритм коррекции изображений и лабораторный эксперимент // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2013. Т. 49, № 3. С. 370–376.

Turlaev D. G., Dolin L. S. On imaging of underwater objects though a rough water surface: a new algorithm of image correction and a laboratory experiment // Izv. Atmos. Ocean. Phys. 2013. V. 49, N 3. P. 370—376.

Levin I., Savchenko V., Osadchy V. Correction of an image distorted by a wavy water surface: laboratory experiment // Applied Optics. 2008. V. 47, N 35. P. 6650–6655.

Levin I., Savchenko V., Osadchy V. Correction of an image distorted by a wavy water surface: laboratory experiment // Applied Optics. 2008. V. 47, N 35. P. 6650—6655.

Мольков А. А., Долин Л. С. Определение характеристик ветрового волнения по подводному изображению морской поверхности // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2012. Т. 48, № 5. С. 617–630.

Molkov A. А., Dolin L. S. Determining the wind wave parameters by an underwater image of the sea surface // Izv. Atmos. Ocean. Phys. 2012. V. 48, N 5. P. 617—630.

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