一种基于热量区域积分的水下热源检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于物理海洋学、热物理学和信息处理交叉的技术领域，更具体地，涉及一 种基于热量区域积分的水下热源检测方法。
【背景技术】
[0002] 水下目标识别的研究一直受到许多学者、工程技术人员以及军事部门的极大关 注，在海洋工程、通信工程和军事公安等方面都有广泛的开拓和需求，特别是海上监视、水 下管道、海底探矿和水中目标(如石油平台、海底沉船、坝基裂缝等）的检测与识别都离不开 图像技术的开发与研究。
[0003] 水下航行器运动时，航行器本身扰流，以及螺旋桨的推进水流，会对周围海水产生 扰动。扰动通过湍流运动最终扩散，并会对附近海水的温度分布产生细微影响。同时水下航 行器本身作为一个移动的水下热源，同样会对经过的海水温度产生影响，通过海洋动力过 程传导至海表面，会对海表面温度产生扰动。水下航行器运动时产生的能量大部分转换成 热能，能量不会凭空消失，最终传到水面，造成区域的能量差异。
[0004] 水下航行器运动时产生的冷尾迹(或产生的热量)经过热传导和热对流，会造成海 面的能量差异，在对含有水下航行器的海面进行成像的红外图中，对于单个像素而言，能量 差异不明显，相机可能检测不到温度的变化。在红外相机普遍温度分辨率较低的情况下，现 有的水下航行器检测方法，只考虑到通过图像处理的手段来检测水下目标，没有考虑到热 物理学在图像处理中的应用，导致检测率低，虚警率高。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于热量区域积分的水 下热源检测方法，能消除相机噪声温差和环境的噪声干扰，检测率高，虚警率低。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供了一种水下热源检测方法，其特征在于，包括如下步 骤：
[0007] (1)建立水下热源的热扩散模型：令水下热源辐射到水平面的热扩散区域的中心 为〇，水下热源的中心为〇 '，水下热源的潜深为h，水下热源的热扩散由0 '向0最快，由0 '向水 下热源下方最慢，水下热源辐射到水平面的热扩散区域的热强度在〇处最强，向外逐渐减 弱；
[0008] (2)根据水下热源的热扩散模型，由水下热源的潜深h确定能量积分区域的大小；
[0009] (3)获取包含水下热源辐射到水平面的热扩散区域的红外图像，根据能量积分区 域的大小对红外图像进行多尺度划分，以多尺度划分的区域为单位进行能量积分；
[0010] (4)根据多尺度划分的区域的积分能量，得到每个尺度划分的疑似目标区域，合并 每个尺度划分的疑似目标区域的重叠区域，得到最终的疑似目标区域，实现水下热源的检 测。
[0011 ]优选地，所述步骤⑶中，第i个尺度划分的所有区域的大小为Wl X 3Wl，第i个尺度 划分的第m个区域的积分能量
其中，g表示红外图像，c表示 红外图像一行划分的区域数目，m%c表示m模c〇
[0012] 优选地，所述步骤(3)中，利用如下公式消除相机噪声温差和环境的噪声干扰：
[0013]
[0014] 其中，4?^代表水下目标对积分区域第r个像素点的影响，<i7：代表红外相机等效 噪声温差对积分区域第r个像素点的影响，代表环境噪声对积分区域第r个像素点的影 响，η代表积分区域像素点个数。
[0015] 优选地，所述步骤(4)中，根据第i个尺度划分的所有区域的积分能量，得到第i个 尺度划分的疑似目标区±|!
实中， Μ为第i个尺度划分的区域个数，E1>m为第i个尺度划分的第m个区域的积分能量。
[0016] 优选地，所述步骤(4)中，在两个疑似目标区域均为矩形时，通过如下方法判断是 否重叠:在两个矩形的中心点在图像坐标系X方向的距离小于或等于两个矩形的平均宽度， 且两个矩形的中心点在图像坐标系y方向的距离小于或等于两个矩形的平均高度时，判断 两个疑似目标区域重叠;否则判断两个疑似目标区域不重叠。
[0017] 优选地，所述步骤(4)中，在两个疑似目标区域中至少有一个为不规则图形时，通 过如下方法判断是否重叠:在其中一个疑似目标区域图形的所有顶点都不在另一个疑似目 标区域图形内时，判断两个疑似目标区域不重叠;否则判断两个疑似目标区域重叠。
[0018] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效 果:在现有相机温度分辨率较低、噪声干扰大，无法达到检测出微弱的水下热源信号的目的 的情况下，利用基于热量区域积分的水下热源检测的方法，能消除相机噪声温差和环境的 噪声干扰，使信号差异达到可探测的强度，从而实现检测出水下热源的目的。
【附图说明】
[0019] 图1是本发明实施例的基于热量区域积分的水下热源检测方法流程图；
[0020] 图2热源各向异性热传导示意图；
[0021 ]图3是潜艇方向热扩散的二维示意图；
[0022]图4是海洋模型的网格划分图；
[0023]图5是海洋分层的仿真模型；
[0024] 图6是水下航行器尾流纵切面仿真结果；
[0025] 图7是运动水下航行器水下运动温度场伪彩色仿真结果；
[0026] 图8是判断点是否在一个封闭多边形里面的示意图；
[0027]图9是海面的红外图原始图；
[0028]图10是红外图拉伸效果图；
[0029]图11是检测出来的疑似目标图。
【具体实施方式】
[0030] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0031] 本发明提出一种基于热量区域积分的水下热源遥感探测方法，目的在于利用航空 器和航天器探测水下各种热源，包括水下航行器。其关键在于，建立水下热源的热扩散模 型，利用热量区域积分方法消除相机噪声温差或环境的噪声干扰，使信号差异达到可探测 的强度，从而大尺度探测出疑似目标区域，在现有的国内外文献中还没有看到与本发明相 同或相似的报道。
[0032] 如图1所示，本发明实施例的基于热量区域积分的水下热源检测方法包括如下步 骤：
[0033] (1)建立水下热源的热扩散模型：
[0034]水面上由航行器产生的热扩散的强弱形式为由航行器正上方最强向四周减弱的 圆盘模式;而水面下的扩散形式可以认为是因尺度不同而引起的椭球扩散模式，假设航行 器四周无任何遮挡，则热扩散方式表现为球形。
[0035] 令水下热源辐射到水平面的热扩散区域的中心为0，水下热源的中心为0 '，水下热 源的潜深（即〇'到〇的距离）为h，水下热源的热扩散由0'向0最快，由0'向水下热源下方最 慢，水下热源辐射到水平面的热扩散区域的热强度在0处最强，向外逐渐减弱；
[0036] 如图2所示，是热源各向异性热传导示意图，航行器位于水下时，热扩散是向航行 器的四周进行扩散。但根据热传播的原理可知，热传播的强度由强及弱可分为:航行器正上 方(〇 ' 〇方向），航行器侧上方(除〇 ' 〇方向）以及航行器下方。因此水面上由航行器产生的热 扩散的强弱形式为由航行器正上方最强向四周减弱的圆盘模式;而水面下的扩散形式可以 认为是因尺度不同而引起的椭球扩散模式。
[0037] 假设航行器四周无任何遮挡，则热扩散方式表现为球形，图2由虚线ACB旋转组成 的。但实际则不存在，实际则被不同的介质空气分离。设潜艇热扩散到水平面的中心为〇,