Теория подводной видимости

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.

1. 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.

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

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

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

6. 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.

7. 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.

8. 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.

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

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

11. 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.

12. 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.

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

14. 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.

15. 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.

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

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

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.).

22. 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.

23. 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.).

24. 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.

25. 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.

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

27. 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.

28. 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.

29. 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.

30. 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.

31. 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.

32. 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.

33. 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.

34. 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.

35. 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.

36. 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.

37. 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.