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Development of a reflective stereo slope gauge for the measurement of ocean surface wave slope statistics

Kiefhaber, Daniel

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Abstract

An optical instrument for the measurement of surface ocean wave statistics has been developed and is presented in this thesis. Based on the reflective stereo slope gauge (RSSG) principle, it can simultaneously measure wave slope and height statistics. The instrument comprises a stereo camera setup and two light sources built from infrared LEDs (940 nm). Slope statistics are derived from the statistical distribution of the positions of specular reflections in images of the water surface. The parallax of the reflections in the stereo images gives the distance of the camera to the water surface which can be used to infer wave height statistics. A laboratory version of the instrument has been built, calibrated and tested in experiments at the Aeolotron wind wave facility. Two-dimensional slope probability distributions for slopes in the range of -0.05 < s_x,s_y < 0.05 were obtained for a range of wind speeds and clean water as well as surface slick conditions. The mean square slope of the surface was derived and compared to data from simultaneous reference measurements. The two data sets are found to agree well for lower wind speeds, at higher wind speeds significant deviations occur. The causes for these deviations have been identified and taken into account in designing the instrument for field measurements. This ocean version of the instrument is ready to accompany heat exchange measurements aboard a research vessel in the Baltic Sea in June 2010.

Translation of abstract (German)

Ein optisches Instrument zur Messung von Wellenstatistiken von Ozean-Oberflächenwellen wurde entwickelt und wird in dieser Arbeit präsentiert. Es basiert auf dem reflective stereo slope gauge (RSSG) Prinzip und kann gleichzeitig die Statistik von Wellenneigungen und Wellenhöhen messen. Das Instrument umfasst ein Stereo-Kamera-System und zwei Lichtquellen, die aus Infrarot-LEDs (940 nm) aufgebaut sind. Neigungsstatistiken werden aus der statistischen Verteilung der Positionen von spiegelnden Reflexen in Bildern der Wasseroberfläche gewonnen. Die Parallaxe der Reflexe in den Stereo-Bildern ergibt die Entfernung der Kamera zur Wasseroberfläche, aus welcher auf Wellenhöhenstatistiken zurückgeschlossen werden kann. Eine Laborversion des Instruments wurde aufgebaut, kalibriert und in Experimenten am Aeolotron Wind-Wellen-Kanal getestet. Zweidimensionale Neigungsverteilungen wurden sowohl für sauberes Wasser, als auch unter Oberflächenfilm-Bedingungen für verschiedene Windgeschwindigkeiten in einem Neigungsbereich -0.05 < s_x,s_y < 0.05 bestimmt. Die mittlere quadratische Neigung der Oberfläche wurde aus den Verteilungen abgeleitet und mit Daten aus simultanen Referenzmessungen verglichen. Die beiden Datensätze stimmen bei niedrigen Windgeschwindigkeiten gut überein, bei höheren Windgeschwindigkeiten treten signifikante Abweichungen auf. Die Gründe für diese Abweichungen wurden identifiziert und im Design des Instruments für Feldmessungen berücksichtigt. Diese Ozeanversion des Instruments steht bereit um im Juni 2010 Wärmeaustauschmessungen an Bord eines Forschungsschiffs in der Ostsee zu begleiten.

Item Type: Master's thesis
Date Deposited: 16. Nov 2011 13:16
Date: 2010
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Service facilities > Interdisciplinary Center for Scientific Computing
Subjects: 530 Physics
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