CC BY
32
© И.Б. Мовчан, А. А. Яковлева,
Н.Б. Соловьев, 2008
УДК 622.27/.001.572
И.Б. Мовчан, А.А. Яковлева, Н.Б. Соловьев
АЛГОРИТМ РЕГИСТРАЦИИ НЕФТЯНЫХ ПЛЕНОК В РЕАЛЬНОМ РЕЖИМЕ ВРЕМЕНИ ПОЛЕТА
Интенсивное загрязнение морских акваторий, в частности, морских акваторий России, определяет разработку технологии мониторинга, дающей оконтуривание нефтяных пленок в режиме съемок для предельного сокращения времени реагирования. Апробирование элементов этой технологии показало перспективность спектральных и ряда статистических оценок, ориентированных на характеристику степени стационарности возмущенной водной поверхности.
Increasing pollution of sea-areas, in particular, sea-areas of Russia supposes the development of monitoring technology, mapping the oil films for ultimate decreasing time of reaction. Approving the elements of this technology shows the effectiveness of spectrum parameters and the set of statistic ones focused on the estimation of stationarity degree of choppy water surface.
Семинар № 10
1. Постановка задачи
ТЪ условиях налаженной транс--Я-9 портной схемы от терминалов Тимано-Печоры и севера Русской платформы наибольшему загрязнению подвергаются Беломорский, Баренцевский и Печорский морские бассейны. В их пределах требуется организовать обработку дистанционных снимков возмущенной водной поверхности в реальном режиме времени полета.
2. Техническое решение задачи Учитывая способность нефтяных
пленок быстро увеличивать свою площадь с уменьшением толщины вплоть до мономолекулярного слоя, а также их исключительную подвижность, мониторинговый центр предлагается организовывать на патрульном судне, а в качестве зонда использовать радиуправляемый беспилотный комплекс. Такой подход обусловлен, вдобавок, ограниченным ресурсом по-
следнего: максимальная продолжи-
тельность полета - не более 3-х часов, максимальный радиус облета не превышает 25-30 км. В общем случае использовать пилотируемые аппараты представляется неэкономичным:
единственно, что должен нести аппарат, кроме двигателя и топливной емкости, - цифровой фотоаппарат, устройство автоматизированной привязки и транслирующий изображение модуль, а патрульное суд-но в состоянии нести на себе оборудование для утилизации нефтяного пятна. Данному варианту есть два альтернативных:
* выполнение съемок с пилотируемого аппарата (совмещается съемка радаром со съемкой в отраженном свете или в солнечном блике);
* мониторинг непосредственно с судна (использован радар бокового обзора в сочетании с фотографированием в видимом диапазоне спектра);
Рис. 1. Принципиальная схема оптического Фурье-процессора
* использование данных космического мониторинга высокого разрешения.
Для любой из перечисленных реализаций мониторинга остается актуальной разработка критериальной основы, предельно минимизирующей время анализа изображения возмущенной водной поверхности.
3. Алгоритмическое решение задачи
Основной алгоритмический элемент был выполнен в виде оптического Фу-рье-процессора (рис. 1), реализующего двумерное прямое и обратное преобразование Фурье по негативу взволнованной водной поверхности как результат пространственновременных преобразований когерентного излучения на неоднородностях транспаранта. Источником излучения служит Не-№ лазер с радиусом поперечного сечения луча не менее 2 мм. Для увеличения площади этого сечения после лазера устанавливается коллиматор: в нашем случае - объектив микроскопа.
Расходящийся лазерный пучок дифрагирует на неоднородностях транспаранта. Последние представлены:
1. Чередованием теней, подчеркивающих волновую структуру возмущенной водной поверхности;
2. Неравномерной зернистостью фотослоя;
3. Границами транспаранта.
Из них только первый тип неоднородностей является информативным. Для исключения второго транспарант помещался в кювету с веществом, абсолютный показатель преломления которого равен показателю преломления фотослоя (толуол или деколин). Для исключения третьего за транспарантом на пути распространения дифрагированного лазерного пучка помещалась диафрагма. За ней размещается собирающая линза, задняя фокальная плоскость которой является выходной плоскостью, где интерференция дифрагированных участков волнового фронта когерентного излучения порождает энергетический Фурье-спектр. В его структуре в отсутствие нефтяного загрязнения фотографируемой водной поверхности имеются гармоники, обусловленные длино-, средне- и коротковолновой составляющей волнений, тогда как нефтяная пленка подавляет коротковолновую рябь (рис.2), что отражается не только в исчезновении ряда гармоник спектра, но и в уменьшении его общей интенсивности. Для того, чтобы изменение интегральной интенсивности энергетического Фурье-спектра было эффективным критерием обнаруже-
ния пленок применялась круговая апертура для маскирования дифракционного максимума нулевого порядка (в окрестности нулевой пространственной частоты).
При численной реализации подхода погрешности, связанные с неоднородной зернистостью фотослоя и неидеальной юстировкой устройства автоматически исключаются, но возникают:
1. Погрешности, обусловленные ограниченностью выборки: если в оптическом варианте выборка может быть принята бесконечной (больше, чем 1024х1024), то в численной реализации она составляет в основном 512х512 точек. В преобразованиях Фурье указанная особенность дает конечные пределы интегрирования, что эквивалентно умножению бесконечной выборки на прямоугольную апертуру в предметной плоскости. В итоге на информативный спектр сигнала накладываются неинформативные гармоники от краев апертуры. Для исключения данного эффекта исходный сигнал
Рис. 2. Динамика энергетического Фурье-спектра: пунктирная линия - для случая чистой водной поверхности; сплошная линия - при наличии нефтяной пленки
умножается в предметной плоскости на окно Хэннинга
[3].
2. Погрешности, связанные с отсутствием строгого аналитического подхода и отвечающего ему численного алгоритма двумерного преобразования Фурье. Как известно, оно выполняется сперва по строкам, а затем по столбцам определяющей изображение матрицы. Для исключения накапливающейся численной погрешности реализовано трехчленное сглаживание структуры спектра [2].
В условиях относительно гомогенного характера исследуемой среды структура волнений ее свободной поверхности при данной силе и направленности ветрового потока может быть принята как пространственно стационарная при относительной стационарности данных батиметрии. Соответственно, в пределах зоны облета (вблизи судна) выбираеся участок, спектр волнений которого принимается за эталонный. В условиях ясной погоды или постоянной облачности (неизменной освещенности) поисковый критерий состоит в изменениии интегральной интенсивности спектра. В условиях переменной облачности таких критериев два: значимая девиация дисперсии
и/или значимая девиация структуры розы волнений, восстановленной по доминирующим простираниям гармоник.
Учитывая множество факторов, определяющих стационарный характер волнений в зоне мониторинга, разрабо-
тан альтернативный критерий определения позиции нефтяной пленки. Если совместить два идентичных негатива фотообраза взволнованной поверхости и сместить их друг относительно друга на некоторый пространственный шаг, то итоговый фотообраз будет содержать полутоновой муар. В численном варианте за процедурой сдвига следует суммирование по яркости пространственно совпадающих областей взволнованной поверхности [1]. В отсутствие загрязнений структура муара достаточно гомогенна, тогда как участок нефтяной пленки в силу несколько отличной структуры волнений маркируется пятнами в гомогенном муаре. Данный критерий требует меньше времени для пересчета, осуществляется в предметной плоскости (лишен погрешностей, связанных с разложениями по гармоническим рядам и ограничением этих рядов) позволяет не только более точно привязать пятно, но и определить его геометрию. К недостаткам можно
отнести необходимость визуального анализа муаровых образов.
Заключение
Задача картирования неоднородностей, проявленных в структуре визуально наблюдаемого объекта (возмущенной водной поверхности) является элементарной с точки зрения классической теории фильтрации. Сложность проблемы связана с обработкой, во-первых, оптического сигнала и, во-вторых, реализацией этой обработки в реальном режиме времени. Основным критерием параметризации неоднородностей (здесь - нефтяных пленок) выступают спектральные характеристики взволнованной водной поверхности. Их неоднозначность обусловила разработку дублирующей характеристики, связанной с преобразованием сложной структуры поверхностных волн в структуру кусочно-гомогенного муара. Алгоритмическая реализация критериев обоих типов выполнена в специализированной оболочке ЬаЬУіе1^.
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дж.С.Дэвис "Математическая статистика 3. Этнос Л., Эноксон Я."Спектральный
в геологии". М., 1995, 127 с. анализ". М, 1992, 201 с. ЕЕШ
2. Марпл-мл. Р. "Спектральные преобразования и их приложения". М., 2001, 76 с.
— Коротко об авторах -------------------------------------------------------------------
Мовчан И.Б., Яковлева А.А., Соловьев Н.Б. - С.-Петербургский государственный горный институт (технический университет).
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 10 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. Е.А. Ельчанинов.
Файл:
Каталог:
Шаблон:
1т
Заголовок:
времени полета Содержание:
Автор:
Ключевые слова:
Заметки:
Дата создания:
Число сохранений:
Дата сохранения:
Сохранил:
Полное время правки: 8 мин.
Дата печати: 25.11.2008 23:15:00
При последней печати страниц: 4
слов: 1 329 (прибл.)
знаков: 7 578 (прибл.)
7_Мовчан_алгоритм 10
Е:\С диска по работе в универе\ГИАБ_2008\11\семинар С:\и8ег8\Таня\АррБа1а\Коатт§\М1сго8ой\Шаблоны\Когта1.ёо Алгоритм регистрации нефтяных пленок в реальном режиме
1§ог_МоусЬап
03.09.2008 13:04:00 2
03.09.2008 13:04:00 Гитис Л.Х.
