English Title: Combined Slope and Height Measurement of Wind Generated Water Waves at the Heidelberger Aeolotron

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Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren vorgestellt, mit dem es möglich ist, simultan großskalige und kleinskalige Wasserwellen in hoher räumlicher Auflösung zu messen. Dies wird durch eine kombinierte Höhen- und Neigungsmessung mit Methoden der digitalen Bildverarbeitung erreicht. Zur Neigungsmessung wird ein bereits bestehendes Verfahren erweitert, bei dem die neigungsabhängige Lichtbrechung an der Wasseroberfläche ausgenutzt wird. Es ermöglicht die Vermessung der Feinstruktur der Wasseroberfläche, wie sie durch kleinskalige Kapillarwellen gegeben ist. Besonderer Wert wurde auf die Neigungskalibration dieses Systems gelegt, wodurch systematische Fehler vermieden werden konnten. Zur Messung absoluter Höheninformation auf gröberen Skalen wurde ein auf den Neigungsbildern basierendes Stereoverfahren entwickelt. Die hierzu erforderlichen Techniken werden ausführlich beschrieben und deren Anwendbarkeit auf Wasserwellen gezeigt. Eine Kombination beider Verfahren ermöglicht eine skalenübergreifende Analyse der Wasseroberfläche. Auf diese Weise sind simultane, hochaufgelöste Messungen von Schwere- und Kapillarwellen möglich.

Translation of abstract (English)

In this thesis a new technique is presented, which is able to simultanously measure large and small scale water waves with high spatial resolution. This is achieved by a combined height and slope measurement in conjunction with digital image processing techniques. For the slope measurements a well established technique was improved. Utilizing light refraction at the water surface the slope of small scale waves is determined. This allows to sense the small scale structure of the water surface determined by capillary waves. To avoid systematic errors a detailed calibration procedure was developed. For absolute height measurements on coarser scales, a stereo technique based on the slope images was developed. The technical requirements and their implementation are described in detail and the applicability to water waves is shown. A combination of both techniques yields a scale overlapping method to measure water waves. Thus, simultanous measurements of gravity and capillary waves with high spatial resolution are enabled.