Оценка погрешностей измерений дисперсии уклонов морских гравитационно-капиллярных волн методом лазерных «юбок»

Метод лазерных «юбок» позволяет дистанционно и оперативно определять распределение уклонов морской поверхности с разделением вкладов различных фракций волнения. Метод основан на видеорегистрации пространственного распределения яркости изображения лазерного луча, направленного вертикально вниз и рассеянного в толще воды. Видеокамера, расположенная сбоку и выше точки падения луча, наблюдает его через взволнованную поверхность раздела вода — воздух.
Проведен детальный анализ физических принципов, объясняющих возникновение светового конуса («юбки») ниже точки падения лазерного луча на морскую поверхность. Показано, что структура лазерной «юбки» определяется двумя механизмами. Первый механизм обусловлен первичным преломлением лазерного луча в точке падения на поверхность: за время накопления кадров преломленный луч смещается в некотором угловом секторе, что расширяет «юбку». Однако этот механизм не является основным. Второй механизм появления лазерной «юбки» связан с вторичным преломлением изображения лазерного луча. Рассматриваются особенности возникновения локальных светящихся областей и перераспределения освещенности в лазерной «юбке». Оцениваются погрешности определения дисперсии уклонов, связанные с первичным преломлением луча, а также конечной шириной его изображения.
Отдельное внимание уделяется возможностям определения вкладов различных частотных компонент волнения в суммарную дисперсию уклонов морской поверхности. Изменение времени накопления видеокадров позволяет изменять диапазон волновых компонент, участвующих в формировании лазерной «юбки». Приведены расчеты границы обрезки низкочастотных капиллярных волн. Получено, что для регистрации только капиллярной фракции время накопления кадров должно составлять 0,03 с (ν>14Гц). Это соответствует сложению 3-х кадров при частоте съемки 90 к/с. Для измерения гравитационно-капиллярной фракции (ν>4Гц) время накопления возрастает до 0,1 с.
Результаты исследования направлены на уточнение физической модели формирования лазерных «юбок» и обоснование выбора пространственно-временных параметров обработки видеозаписей гравитационно-капиллярного волнения. Приводятся результаты натурных измерений при различных ветровых условиях, которые уточняют связь дисперсии уклонов гравитационно-капиллярных волн со скоростью ветра.