Рабочая программа науки утверждена постановлением Совета Ферганского филиала Ташкентского университета информационных технологий имени Мухаммада ал-Хоразмий от 30 августа 2022 года №1

Лекция-8. Системы подводного телевидения

План:
8.1. Системы подводного телевидения
8.2. Гидрооптические характеристики среды
8.3. Принципы построения подводных телевизионных систем
8.1. Системы подводного телевидения
Подводное телевидение широко применяется для проведения различных морских исследований. К их числу относится поиск затонувших кораблей и всевозможных предметов, съемка шельфа морского дна в прибрежных районах, изучение подводной флоры и фауны, обследование строящихся и эксплуатируемых подводных сооружений, в том числе плотин гидроэлектростанций, колес гидротурбин и т.д. Решение этих задач производится с помощью специальных телевизионных систем, располагающихся на подводных и надводных судах, в батисферах и батискафах.
Первые опыты по применению телевидения для подводных наблюдений были проведены проф. П.В. Шмаковым в 1935 году.
При построении систем подводного телевидения необходимо учитывать оптические свойства водной среды.
8.2. Гидрооптические характеристики среды
Существующие принципы построения подводных телевизионных систем основаны на учете оптических свойств воды, однозначно определяющих дальность видения под водой.
Прозрачность воды зависит от многих факторов, таких как глубина, время года, наличие планктона, течений и др.
Прозрачность воды на практике принято оценивать максимальной глубиной, на которой оказывается предельно различимым стандартный белый диск диаметром 30 см, опускаемый вертикально к поверхности моря. Несмотря на субъективность метода, он широко применяется в океанографических исследованиях. Ориентировочные данные о прозрачности воды, измеренной по белому диску, приведены ниже.
Максимальная глубина видимости белого диска, м
Белое море........................................…………. 8
Балтийское море...........................…………… 13
Баренцево море............................……………. 18
Черное море…………………………………… 25
Индийский океан……………………………… 50
Тихий океан…………………………………… 59
Саргассово море………………………............. 66
Объективной характеристикой прозрачности воды является коэффициент прозрачности τ, определяемый законом Бугера:
(8.1)
где Φτ и Φ0 - прошедший через слой x и падающий световые потоки соответственно, ε- показатель ослабления света в воде.
Формула (8.1) справедлива для однородной среды. Для неоднородной среды показатель ослабления является функцией расстояния, и тогда

где l - полная протяженность слоя воды.
Показатель ослабления ε равен сумме показателей поглощения κ и рассеяния σ, т.е.
.
Прологарифмировав выражение (8.1), получим формулу для показателя ослабления, ln/м

Аналогично:

где τп τр – коэффициенты прозрачности при наличии поглощения и рассеяния света в воде.
Существует приближенная эмпирическая формула, установленная для белого света и связывающая показатель ослабления с глубиной видимости белого диска zσ, взятой в метрах:
(8.2)
При гидрооптических расчетах часто пользуются понятием показателя вертикального ослабления естественного света γ, который всегда меньше показателя ε: γ= εP, где P- параметр, зависящий от формы индикатриссы рассеяния и так называемой вероятности выживания фотона Λ. Индикатриссой рассеяния называют график распределения рассеиваемых в воде световых лучей по углам. При этом следует, что наименьшему ослаблению света в воде подвергаются синие и зеленые лучи. Коротковолновая часть спектра претерпевает большое ослабление из-за сильного рассеяния, а длинноволновая часть - из-за сильного поглощения.
Ярко выраженные рассеивающие свойства воды приводят к значительному ослаблению контраста при переносе изображения из плоскости объекта в плоскость фотопреобразователя передающей телевизионной камеры. Контраст изображения объекта с фоном на входе фотопреобразователя Квх связан с действительным контрастом объекта К0 соотношением

где Eд - освещенность фотопреобразователя, создаваемая рассеивающей дымкой, E0 - освещенность фотопреобразователя от объекта или фона (большее значение).
Освещенность от дымки может быть найдена путем суммирования потоков, обратно отраженных от засвеченных слоев воды толщиной dz- каждый и направленных на фоточувствительную поверхность площадью Sф:
(8.3)
Подынтегральную функцию можно привести к виду
(8.4)
где x(π) – значение индикатриссы рассеяния в направлении π («назад»), ρоб и D – коэффициент пропускания и диаметр входного зрачка объектива.
Освещенность слоя dz, находящегося на расстоянии z от объектива:
(8.5)
где I₀- сила света источника освещения в осевом направлении, lz = z/cosψ - расстояние по оси от источника до слоя dz.
Из формулы (8.4) следует, что освещенность Eд зависит не только от рассеивающих свойств воды, но и от относительного расположения источника освещения объекта и передающей камеры с объективом О. Для уменьшения влияния дымки, необходимо уменьшать область пересечения поля зрения объектива и диаграммы направленности источника освещения И. Желательно, чтобы источник освещения располагался на расстоянии не ближе, чем 2-3 метра от камеры.
При наблюдении объекта на фоне толщи моря контраст K0 может быть рассчитан по формуле

где r0 - коэффициент яркости объекта, rм - коэффициент яркости моря, rм = 0,02-0,05.
Под коэффициентом яркости моря понимают отношение яркости диффузного излучения, идущего из толщи моря непосредственно под его поверхностью под заданным углом, к яркости идеально белой матовой поверхности, освещенной естественным светом.
Существенно влияние водной среды на изменение масштаба изображения, передаваемого подводной телевизионной системой. Это явление объясняется разницей в показателях преломления воды n1 = 1,33 и воздуха n3 = 1. Если передающая камера помещена в батисферу, снабженную плоским иллюминатором, то угол зрения передающей камеры, помещенной в воду, оказывается меньше угла зрения той же камеры, расположенной в воздухе. Это обстоятельство приводит к увеличению масштаба передаваемого изображения. Изменение угла зрения предающей камеры будет зависеть от его абсолютного значения в воздухе.
В тех случаях, когда уменьшение поля зрения нежелательно, рекомендуется применять сферический иллюминатор. При этом оптический центр объектива должен быть точно совмещен с центром радиуса кривизны сферы, что представляет определенные технологические трудности. При несовпадении обоих центров появляются дополнительные искажения, которые особенно существенны для лучей, падающих под большими углами.