一种基于水体分层滤波的水下热源探测定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于海洋科学、热物理学和模式识别的交叉领域，具体涉及一种基于水体 分层滤波的水下热源探测定位方法。
【背景技术】
[0002] 我国"一带一路"战略中的"21世纪海上丝绸之路"跨越了广阔的海洋空间，新时期 的国家海洋战略，急需先进强大的海洋探测技术手段支撑，近年来海洋石油勘探、海洋化学 和海洋生物等产业为海洋经济提供了巨大的商机。而传统的利用船舶对海洋生物进行勘探 需要投入大量的人力、物力和财力，不适合对水下生物进行大范围的搜索。我国海洋国土正 受到多个沿岸国家的严重侵扰，绝大部分南沙岛礁已被东南亚小国侵占，所以急需水下目 标的探测手段作为保护国土的技术支撑。
【发明内容】
[0003] 本发明提出了一种水体分层滤波的水下热源探测定位方法，利用水下热源在水体 中的热传导和热对流的基本物理定律，对不同的水体层进行滤波处理，根据分层滤波最优 准则确定滤波深度，揭示水下目标的具体位置，从而实现精确地定位。
[0004] 本发明提供的一种水体分层滤波的水下热源探测定位方法，具体步骤如下：
[0005] (1)水体中水下热源的热辐射仿真步骤，包括以下子步骤：
[0006] 采用SolidWorks软件对海洋和潜艇进行几何模型的建立，运用ICEMCro对建立好 的几何模型进行网格的划分，接着将网格导入Fluent进行求解器的相关设置，用Tecplot对 求解计算得到的结果进行后处理。具体步骤如下：
[0007] (1.1)根据实际情况及相关理论知识，确定所建几何模型的大小尺寸和潜艇基于 海洋所处的位置。
[0008] (1.2)采用TGrid/(Tet/Hybrid)混合结构对几何模型进行网格划分。对潜艇壁面 进行网格划分时，参考边界层网格的划分，使其网格的细密程度远大于海洋壁面网格的细 密程度，从而提高计算结果的准确度和精确度。
[0009] (1.3)启动Fluent并导入划分好的网格，设置求解器及操作条件，对物理模型、边 界条件、初始条件等相关条件进行设定，设置完成后即可进行计算。具体过程包括以下子步 骤：
[0010] (1.3.1)启动Fluent，进入Fluent Launcher 界面，在Fluent Launcher 界面中的 Dimens ion中选择3D，保持默认设置，进入Fluent主界面。
[0011] (1.3.2)导入网格，检查网格质量，确保不存在负体积，并保存项目。
[0012] (1.3.3)定义求解器，保持默认设置。
[0013] (1.3.4)定义物理模型，在Model(模型设定)面板中选择湍流模型，采用二阶标准 k-ε模型。双击Energy选项，打开能量方程。
[0014] (1.3.5)设置材料性质和边界条件，由于Material(材料)面板中默认的流体材料 没有水选项，需要从材料数据库中进行复制。将单元格区域条件中Body流体类型设置为 Water-liquido
[0015] 假定潜艇是静止不动的，而海洋以潜艇实际的速度运动着。设置截面input的类型 为速度入口边界条件。截面output的类型为自由流出边界，不需要给定出口条件。设置 submarine的类型为固壁边界条件，且壁面静止无滑移。截面walls的类型为固壁边界条件， 将其设置为移动壁面。
[0016] (1.3.6)设置求解控制参数，方程组采用S頂PLE算法，保持默认设置对求解器进行 初始化。初始化完成后，对求解器进行计算。
[0017] (1.3.7)计算结果后处理，保存计算所得结果，使用Tecplot软件读入算例文件和 数据文件。激活等值线图层，选择目标变量为温度，绘制等值线，反复调整绘图参数直至得 到理想的温度等值线图。
[0018] (2)实测获取水下目标红外图象步骤，包括以下子步骤：
[0019] (2.1)利用实验室的中波制冷红外相机在多谱信息处理实验室外场环境下，选择 晴朗的天气环境和上午十一点的时间，每隔五分钟就拍摄一序列照片，获取水下目标在热 平衡状态下的红外图像。
[0020] (2.2)利用拍摄得到的红外序列图像，由于实验中热水袋的温度并不是恒定的，所 以从拍摄到的序列图中选取在热水袋放入一定时间后的图像，作为热平衡状态下的红外图 像。
[0021 ] (3)水体分层滤波步骤，包括以下子步骤：
[0022]水体不断地从各个方面吸收热量，同时又以各种形式散发热量，水体温度的高低 主要取决于海水热量的收支情况，根据热力学的三大定律，水体的热量的收支是平衡的。 [0023] (3.1)确定水体本身温度、盐度和密度的关系
[0024] 在分层滤波的过程中，由于水体本身的热量会极大地影响对水下目标的探测，因 此了解水体本身的特性对水下目标的探测是十分重要的。
[0025] 盐度、温度和密度是海水的三个状态参数，海水的密度随盐度、温度和压力而变 化。由于压力一般可由深度表示，所以对固定深度的海水来说，海水的密度只随温度和盐度 而变。
[0026] 海水盐度的通俗定义是lkg海水中所含盐分的总克数，国际海洋组织利用海水的 电导率随盐度的改变而改变的性质，重新定义了海水盐度，称为实用盐度。海水的实用盐度 由如下公式确定：
[0028] 上式中各常数如下：
[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为实用盐度定义的相对电导率，其值可用盐度计或相对电导率测定装置测定，t 为摄氏温度。该公式适用于2 < S < 42，-2°C < t < 35°C的温度范围。
[0037] 在1大气压下，海水的盐度
[0038] S = 0.030 = 1.8050C1
[0039] 其中，Cl为海水的氯度。海水的条件比重〇〇与氯度Cl的关系：
[0040] σ〇 = -〇 · 069+1 · 4708C1-0 · 00157Cl2+3 · 98*10-5C13 [0041 ]海水的密度〇t与条件比重和温度T之间的关系为：
[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)水体分层滤波过程
[0048] 原始图像中存在很多的椒盐噪声，利用中值滤波的方式去除图像中的噪声，由于 水下目标在水下的深度是未知的，所以对水体进行分层滤波处理，根据疑似目标区域的灰 度和非疑似目标区域的灰度间的方差准则，利用水体不同分层情况下的疑似目标区域与非 疑似目标区域的方差和最优方差准则确定最佳的分层深度，由此得到目标的准确位置。
[0049] (3.2.1)对原始图像中的椒盐噪声进行中值滤波处理，遍历图像中的每一个像素 点，采用m*m大小的模板，中值滤波的公式如下：
[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)代表原始图像（i，j)处的像素值，ng(i，j)代表中值滤波后（i，j)处的 像素值，m*m代表模板的大小。
[0052] (3.2.2)水体热量是立体分布的，而目标的深度位置是未知的，因此利用"剥洋葱" 的方法将水下目标所在背景环境的影响层层滤除。
[0053] (3.2.3)最优方