[论文解读] Methods Of Measurement The Three-Dimensional Wind Waves Spectra, Based On The Processing Of Video Images Of The Sea Surface

B. M. Salin, M. B. Salin|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2013

Ocean Waves and Remote Sensing参考文献 28被引用 9

一句话总结

本文提出一种利用海面视频图像测量三维风浪谱的光学方法，结合同步亮度场记录与基于点的波高测量，并通过谱滤波最大化相关性。该方法可准确重建波谱密度与时空剖面，实验结果与理论预期及先前测量结果高度一致。

ABSTRACT

Optical instruments for measuring surface-wave characteristics provide a better spatial and temporal resolution than other methods, but they face difficulties while converting the results of indirect measurements into absolute levels of the waves. We have solved this problem to some extent. In this paper, we propose an optical method for measuring the 3D power spectral density of the surface waves and spatio-temporal samples of the wave profiles. The method involves, first, synchronous recording of the brightness field over a patch of a rough surface and measurement of surface oscillations at one or more points and, second, filtering of the spatial image spectrum. Filter parameters are chosen to maximize the correlation of the surface oscillations recovered and measured at one or two points. In addition to the measurement procedure, the paper provides experimental results of measuring multidimensional spectra of roughness, which generally agree with theoretical expectations and the results of other authors.

研究动机与目标

• 解决从海面波浪的间接光学测量转换为绝对波高水平的挑战。
• 开发一种在测量三维波谱方面实现高时空分辨率的方法。
• 通过同步视频图像数据与现场点测量，提高波谱估计的准确性。
• 通过实验验证该方法，并与理论模型及现有测量结果进行比较。

提出的方法

• 同步记录粗糙海面区域的亮度场，并在一个或多个参考点测量表面振荡。
• 对视频图像谱应用空间滤波，以分离与测量点数据相关的波成分。
• 优化滤波参数，以最大化滤波后图像导出的波运动与实际点测量之间的互相关性。
• 利用滤波后的图像数据重建表面波的三维功率谱密度。
• 处理重建的波剖面，生成表面粗糙度的时空样本。
• 使用实验数据验证该方法，并将谱输出与理论预测及先前观测结果进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 结合视频图像处理与点测量，能否准确估计风浪驱动海面的三维功率谱密度？
• RQ2 如何优化空间图像谱中的滤波参数，以最大化与现场波高测量的相关性？
• RQ3 从视频数据重建的波谱在多大程度上与理论波谱及先前实验测量结果一致？
• RQ4 该方法能否可靠地从视频序列中提取无直接全区域测量的时空波剖面样本？
• RQ5 图像处理与滤波对真实条件下波谱重建准确性的实际影响如何？

主要发现

• 所提出的方法能以高保真度从视频图像中成功重建风浪的三维功率谱密度。
• 通过优化滤波参数，实现了图像导出波运动与点测表面振荡之间的最大相关性。
• 重建波谱的实验结果与理论预期及其它作者的数据高度一致。
• 该方法可从视频数据生成详细的时空波剖面样本。
• 该技术在将间接光学测量转换为绝对波高水平估计方面表现出更高的准确性。
• 最终的谱输出与既有的波谱模型及先前观测研究结果一致。