一種基于水體分層濾波的水下熱源探測定位方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于海洋科學、熱物理學和模式識別的交叉領域，具體涉及一種基于水體 分層濾波的水下熱源探測定位方法。
【背景技術】
[0002] 我國"一帶一路"戰略中的"21世紀海上絲綢之路"跨越了廣闊的海洋空間，新時期 的國家海洋戰略，急需先進強大的海洋探測技術手段支撐，近年來海洋石油勘探、海洋化學 和海洋生物等產業為海洋經濟提供了巨大的商機。而傳統的利用船舶對海洋生物進行勘探 需要投入大量的人力、物力和財力，不適合對水下生物進行大范圍的搜索。我國海洋國土正 受到多個沿岸國家的嚴重侵擾，絕大部分南沙島礁已被東南亞小國侵占，所以急需水下目 標的探測手段作為保護國土的技術支撐。

【發明內容】

[0003] 本發明提出了一種水體分層濾波的水下熱源探測定位方法，利用水下熱源在水體 中的熱傳導和熱對流的基本物理定律，對不同的水體層進行濾波處理，根據分層濾波最優 準則確定濾波深度，揭示水下目標的具體位置，從而實現精確地定位。
[0004] 本發明提供的一種水體分層濾波的水下熱源探測定位方法，具體步驟如下：
[0005] (1)水體中水下熱源的熱輻射仿真步驟，包括以下子步驟：
[0006] 采用SolidWorks軟件對海洋和潛艇進行幾何模型的建立，運用ICEMCro對建立好 的幾何模型進行網格的劃分，接著將網格導入Fluent進行求解器的相關設置，用Tecplot對 求解計算得到的結果進行后處理。具體步驟如下：
[0007] (1.1)根據實際情況及相關理論知識，確定所建幾何模型的大小尺寸和潛艇基于 海洋所處的位置。
[0008] (1.2)采用TGrid/(Tet/Hybrid)混合結構對幾何模型進行網格劃分。對潛艇壁面 進行網格劃分時，參考邊界層網格的劃分，使其網格的細密程度遠大于海洋壁面網格的細 密程度，從而提高計算結果的準確度和精確度。
[0009] (1.3)啟動Fluent并導入劃分好的網格，設置求解器及操作條件，對物理模型、邊 界條件、初始條件等相關條件進行設定，設置完成后即可進行計算。具體過程包括以下子步 驟：
[0010] (1.3.1)啟動Fluent，進入Fluent Launcher 界面，在Fluent Launcher 界面中的 Dimens ion中選擇3D，保持默認設置，進入Fluent主界面。
[0011] (1.3.2)導入網格，檢查網格質量，確保不存在負體積，并保存項目。
[0012] (1.3.3)定義求解器，保持默認設置。
[0013] (1.3.4)定義物理模型，在Model(模型設定)面板中選擇湍流模型，采用二階標準 k-ε模型。雙擊Energy選項，打開能量方程。
[0014] (1.3.5)設置材料性質和邊界條件，由于Material(材料)面板中默認的流體材料 沒有水選項，需要從材料數據庫中進行復制。將單元格區域條件中Body流體類型設置為 Water-liquido
[0015] 假定潛艇是靜止不動的，而海洋以潛艇實際的速度運動著。設置截面input的類型 為速度入口邊界條件。截面output的類型為自由流出邊界，不需要給定出口條件。設置 submarine的類型為固壁邊界條件，且壁面靜止無滑移。截面walls的類型為固壁邊界條件， 將其設置為移動壁面。
[0016] (1.3.6)設置求解控制參數，方程組采用S頂PLE算法，保持默認設置對求解器進行 初始化。初始化完成后，對求解器進行計算。
[0017] (1.3.7)計算結果后處理，保存計算所得結果，使用Tecplot軟件讀入算例文件和 數據文件。激活等值線圖層，選擇目標變量為溫度，繪制等值線，反復調整繪圖參數直至得 到理想的溫度等值線圖。
[0018] (2)實測獲取水下目標紅外圖象步驟，包括以下子步驟：
[0019] (2.1)利用實驗室的中波制冷紅外相機在多譜信息處理實驗室外場環境下，選擇 晴朗的天氣環境和上午十一點的時間，每隔五分鐘就拍攝一序列照片，獲取水下目標在熱 平衡狀態下的紅外圖像。
[0020] (2.2)利用拍攝得到的紅外序列圖像，由于實驗中熱水袋的溫度并不是恒定的，所 以從拍攝到的序列圖中選取在熱水袋放入一定時間后的圖像，作為熱平衡狀態下的紅外圖 像。
[0021 ] (3)水體分層濾波步驟，包括以下子步驟：
[0022]水體不斷地從各個方面吸收熱量，同時又以各種形式散發熱量，水體溫度的高低 主要取決于海水熱量的收支情況，根據熱力學的三大定律，水體的熱量的收支是平衡的。 [0023] (3.1)確定水體本身溫度、鹽度和密度的關系
[0024] 在分層濾波的過程中，由于水體本身的熱量會極大地影響對水下目標的探測，因 此了解水體本身的特性對水下目標的探測是十分重要的。
[0025] 鹽度、溫度和密度是海水的三個狀態參數，海水的密度隨鹽度、溫度和壓力而變 化。由于壓力一般可由深度表示，所以對固定深度的海水來說，海水的密度只隨溫度和鹽度 而變。
[0026] 海水鹽度的通俗定義是lkg海水中所含鹽分的總克數，國際海洋組織利用海水的 電導率隨鹽度的改變而改變的性質，重新定義了海水鹽度，稱為實用鹽度。海水的實用鹽度 由如下公式確定：
[0028] 上式中各常數如下：
[0029] ao = 0.008bo = 0.005
[0030] ai = -〇. 1692 bi = -〇. 0056
[0031] a2 = 25.3815 b2 = -0.0066
[0032] a3=14.0941 b3 = -0.0375
[0033] a4=-7.0261 b4 = 0.0636
[0034] a5 = 2.7081 b5 = -〇.0144
[0035] K = 0.00162
[0036] Rt為實用鹽度定義的相對電導率，其值可用鹽度計或相對電導率測定裝置測定，t 為攝氏溫度。該公式適用于2 < S < 42，-2°C < t < 35°C的溫度范圍。
[0037] 在1大氣壓下，海水的鹽度
[0038] S = 0.030 = 1.8050C1
[0039] 其中，Cl為海水的氯度。海水的條件比重〇〇與氯度Cl的關系：
[0040] σ〇 = -〇 · 069+1 · 4708C1-0 · 00157Cl2+3 · 98*10-5C13 [0041 ]海水的密度〇t與條件比重和溫度T之間的關系為：
[0042] στ= Σ τ+(σ〇+〇. 1324) [1-Ατ+Βτ(σ0+Σ0)]
[0043] Στ=-(Τ-3.98)2(Τ+283)/503.570(Τ+67.26)
[0044] Ατ=Τ(4 · 7867-0 ·098185Τ+0 ·0010843Τ2) X 10-3
[0045] Βτ=Τ( 18 ·030-0 · 8164Τ+0 ·01667Τ2) X 10-3
[0046] Σ 〇 = -〇.1324
[0047] (3 · 2)水體分層濾波過程
[0048] 原始圖像中存在很多的椒鹽噪聲，利用中值濾波的方式去除圖像中的噪聲，由于 水下目標在水下的深度是未知的，所以對水體進行分層濾波處理，根據疑似目標區域的灰 度和非疑似目標區域的灰度間的方差準則，利用水體不同分層情況下的疑似目標區域與非 疑似目標區域的方差和最優方差準則確定最佳的分層深度，由此得到目標的準確位置。
[0049] (3.2.1)對原始圖像中的椒鹽噪聲進行中值濾波處理，遍歷圖像中的每一個像素 點，采用m*m大小的模板，中值濾波的公式如下：
[0050] ng(i, j)=median{g(i-m/2, j-m/2),. . . ,g(i, j),. . .g(i+m/2, j+m/2)}
[0051] 式中g(i，j)代表原始圖像（i，j)處的像素值，ng(i，j)代表中值濾波后（i，j)處的 像素值，m*m代表模板的大小。
[0052] (3.2.2)水體熱量是立體分布的，而目標的深度位置是未知的，因此利用"剝洋蔥" 的方法將水下目標所在背景環境的影響層層濾除。
[0053] (3.2.3)最優方