一种基于热量区域积分的水下热源检测方法与流程

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：
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。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。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。

技术实现要素：
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。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：(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O，水下热源的中心为O'，水下热源的潜深为h，水下热源的热扩散由O'向O最快，由O'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O处最强，向外逐渐减弱；(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；(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；(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。优选地，所述步骤(3)中，第i个尺度划分的所有区域的大小为wi×3wi，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。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：其中，代表水下目标对积分区域第r个像素点的影响，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，n代表积分区域像素点个数。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域其中，M为第i个尺度划分的区域个数，Ei,m为第i个尺度划分的第m个区域的积分能量。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。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。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；图2热源各向异性热传导示意图；图3是潜艇方向热扩散的二维示意图；图4是海洋模型的网格划分图；图5是海洋分层的仿真模型；图6是水下航行器尾流纵切面仿真结果；图7是运动水下航行器水下运动温度场伪彩色仿真结果；图8是判断点是否在一个封闭多边形里面的示意图；图9是海面的红外图原始图；图10是红外图拉伸效果图；图11是检测出来的疑似目标图。具体实施方式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。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。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：(1)建立水下热源的热扩散模型：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。令水下热源辐射到水平面的热扩散区域的中心为O，水下热源的中心为O'，水下热源的潜深(即O'到O的距离)为h，水下热源的热扩散由O'向O最快，由O'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O处最强，向外逐渐减弱；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(O'O方向)，航行器侧上方(除O'O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。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O，航行器到水平面的中心的距离为h，A和B表示假设的两个端点。(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；在本次仿真实验中，潜艇长度为100m，潜艇在水面下延着潜艇方向热扩散的二维示意图如图3所示，因此，可选取积分区域长度为2*h+lq＝200m。为计算方便，积分区域大小最大可选取为70m*210m。(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；(3-1)水下热源及海洋环境的温度场分布模型建立，获取水下热源到水平面的热扩散区域的仿真红外图像。采用SolidWorks软件对海洋和水下航行器进行几何模型的建立，运用ICEMCFD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，建立海洋环境下的水下航行器几何模型，并得到含有水下航行器的仿真红外图。(3-1-1)对海洋和水下航行器进行几何模型的建立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水下航行器基于海洋所处的位置，取计算区域为200m*600m，水下航行器的航深为50m。(3-1-2)对建立好的几何模型进行网格的划分采用TGrid/(Tet/Hybrid)混合结构对几何模型进行网格划分。对水下航行器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，网格划分图如图4所示。(3-1-3)将网格导入Fluent进行求解器的相关设置启动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：(a)启动Fluent并导入网格启动Fluent，进入FluentLauncher界面，在FluentLauncher界面中的Dimension中选择3D，保持默认设置，进入Fluent主界面。导入网格，检查网格质量，确保不存在负体积，并保存项目。(b)定义求解器，保持默认设置。对于操作条件，考虑重力的影响，在General(总体模型设定)面板中，勾选Gravity复选框，在Z中输入-9.81，即设置Z轴负方向上的重力加速度。(c)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。(d)设置材料性质，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。单击Create/Edit按钮，在弹出的物性参数设定对话框中，单击FluentDatabase按钮。此时将会弹出所需的材料数据库，在FluentFluidMaterials中选择Water-liquid并Copy。创建完成后，将单元格区域条件中Body流体类型设置为Water-liquid。(e)设置边界条件，为了仿真方便，在参数设定时，假定水下航行器是静止不动的，而海洋以水下航行器实际的速度即5m/s运动着。设置截面input的类型为速度入口边界条件，给定速度的大小为5m/s，温度为300k。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，给定水下航行器的温度为330k，单位体积生热率为100w/m3。截面walls的类型为固壁边界条件，将其设置为移动壁面，且给定移动速度为5m/s，方向为X轴正方向，设定壁面温度为330k。(f)设置求解控制参数，方程组采用SIMPLE算法，使残差的精度为0.00001，保持默认设置对求解器进行初始化。初始化完成后，设置迭代计算的步数为1000步，对求解器进行计算。(3-1-4)用Tecplot对求解计算得到的结果进行后处理计算结果后处理，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图。海洋分层的仿真模型如图5所示。水下航行器尾流纵切面仿真结果如图6所示，运动水下航行器水下运动温度场伪彩色仿真结果如图7所示。有以上仿真结果可知。潜艇的水下活动，通过海洋动力过程传导至海表面，可能对海表面温度产生细微扰动。通过高分辨率高精度的红外海面温度观测，识别海面温度的细微变化，就可能通过建立适当的反演模型，探测潜艇的水下航迹。(3-2)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。其中，第i个尺度划分的所有区域的大小为wi×3wi，25米≤wi≤70米，第i个尺度划分的第m个区域的积分能量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。本发明提出的热量区域能量积分的思想，其重要性在于，现有的红外相机分辨率低，噪声干扰大，无法达到检测出微弱的水下热源信号的目的。能量区域积分的重要方法，可以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。假定地水下目标温度范围为-50℃～50℃，长波红外图像的灰度比特为16位灰度级范围为0～65535，100/65536≈0.0015℃＝1.5mk为一个灰度值表示的温度变化量，判断水下目标存在的灰度阈值至少3个灰度级即为4.5mk，红外相机的灵敏度为30mk，加上环境噪声，相机可能检测不到温度的变化，利用如下公式可消除相机噪声温差和环境的噪声干扰。其中，代表水下目标对积分区域第r个像素点的影响，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，n代表积分区域像素点个数。(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。其中，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域M为第i个尺度划分的区域个数。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：假设疑似目标区域ti-1对应的矩形1的参数是：左上角的坐标是(x1,y1)，宽度是w1，高度是h1；ti对应的矩形2的参数是：左上角的坐标是(x2,y2)，宽度是w2，高度是h2。在检测时，数学上可以处理成比较中心点的坐标在x和y方向上的距离和宽度的关系。即两个矩形中心点在x方向的距离小于或等于两个矩形的平均宽度，同时y方向的距离小于或等于两个矩形的平均高度。下面是数学表达式：x方向：a＝(|(x1+w1/2)-(x2+w2/2)|＜|(w1+w2)/2|)y方向：b＝(|(y1+h1/2)-(y2+h2/2)|＜|(h1+h2)/2|)如果a&&b为真，则ti-1和ti重叠，若为假，则ti-1和ti不重叠。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：对于不规则图形的疑似目标区域ti-1和ti，假设ti是由p0p1p2...psp0这s个顶点组成的封闭图形，判断ti-1和ti是否重叠，就是分别判断p0p1p2...ps是否在ti-1内部，若p0p1p2...ps都不在ti-1内部，那么ti-1和ti不重叠，若p0p1p2...ps存在一个顶点在ti-1内部，那么ti-1和ti重叠。这里用到了水平/垂直交叉点判别法(适用于任意封闭多边形，包括凹多边形和凸多边形)。如图8所示，从P点作水平直线，求解出直线与多边形的所有交点，在x轴方向，从左到右依次取出两个交点IP1、IP2，如果P在多边形内部，则必然存在点P在IP1、IP2两点的中间(若重合也算作中间)。所以，我们可以顺序考虑多边形的每条边，求出交点的总个数。在求解直线和多边形交点的过程中，存在一些特殊情况，本算法约定如下，可以正确判断点是否在封闭多边形里面。对于多边形上一点P0，考虑边P0P2和P0的前一个点P1：a、如果只有P0P2水平，当P在P0P2所在直线上时，把P2加入交点集合；b、如果线段P1P0，P0P2都水平，当P1也在P0P2所在直线上时，则两次把P2加入交点集合。c、如果y＝p.y直线与其交点是P0，如果P1P0，P0P2都在y＝p.y的同一侧，则两次把P0加入交点集合。判断一点P是否在封闭多边形里面，p.x，p.y分别表示点P的横纵坐标，其具体算法流程如下：1)从P点作一条水平直线，从封闭多边形一点P0开始，遍历完整个多边形所有的点，它前一个点表示为P1，后一个点表示为P2。2)求水平直线与多边形的所有交点，考虑到特殊情况。如果线段P0P2水平，如果p.y＝p2.y，则把点P2加入交点集合。如果线段P0P2水平，p1.y＝p0.y，则再次把点P2加入交点集合。3)如果线段P0P2不水平，求出y＝p.y直线和线段P0P2的交点IP，如果IP和P0重合，判断线段P1P0和线段P0P2是否在直线y＝p.y两侧，如果是，则把IP加入交点集合。如果IP不和P0重合，则直接把IP加入交点集合。4)将交点集合点按横坐标大小排序。5)点在边界上判断为不在多边形内，若交点个数为奇数，判断点在多边形外，依次在交点集合中取两个点IP1,IP2，如果存在p.x＞＝p1.x且p.x＜＝p2.x，则点P在多边形里面，如果不存在，则点P在多边形外面。若ti-1和ti重叠，将ti-1和ti合并成一个目标区域。若ti-1和ti不重叠，则比较ti-1和ti的灰度均值，若目标为热源(即水下热源的温度高于环境温度)，则选取灰度均值较大者为目标区域；若目标为冷源(即水下热源的温度低于环境温度)，则选取灰度均值较小者为目标区域。检测不同尺度划分的疑似目标区域是否重叠后，对各尺度的疑似目标区域进行合并，得到最终的疑似目标区域。水下航行器在水下50m深运动时，海面的红外图原始图如图9所示，红外图拉伸效果图如图10所示，检测出来的疑似目标如图11所示，图11中粗线白框框出来的部分为识别出的水下热源及其尾迹的区域。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。