【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于船舰尾流模型建立，尤其涉及一种基于实测数据构建舰船尾流三维模型的方法及系统。
技术介绍
1、我国的海洋国土广袤无垠，既是国家安全的重要屏障，也是经济发展的重要支撑，在维护海洋权益、建设海洋强国的过程中，舰船是不可或缺的武器装备。尾流是舰船在航行过程中由于螺旋桨搅动、壳体侧壁与水摩擦、水中空气搅拌破碎等原因产生的一条含气泡湍流。这些气泡从产生到消失最长需要几十分钟时间，可以绵延数千米长，以尾流为探测目标，鱼雷更容易发现目标。美国的mk45-f作为世界第一款尾流声自导鱼雷，利用尾流对声音的散射效果，引导尾流击中目标；俄罗斯的65型鱼雷则采用尾流声自导+主动声自导方式；意大利白头公司的“黑鲨”鱼雷采用主/被动声自导、线导和尾流自导，具有高速、大航程、低噪声、无航迹的特点。常规鱼雷主要依靠声波、电磁波等信号进行探测和制导，而尾流自导鱼雷则通过声学方式感知舰船尾流信息进行制导，抗干扰能力较强，不易受到外界干扰，因此研究尾流机理有着特殊的军事意义。
2、利用多波束声呐坐底布放测量舰船尾流是当前有效的研究方法，但在复杂海洋环境下，多波束声呐坐底测量的尾流声呐图像存在以下问题：海面混响干扰严重。混响是水体中众多散射体对主动声呐声源散射和反射信号的总和。由于海面对声波的强反射作用，使得海面混响是多波束声呐尾流探测的主要干扰，也是影响声呐探测性能的主要因素之一。声呐设备波束形成时，除了在较窄的主瓣上形成极大值以外，其旁瓣会在较宽的范围内接收信号，因此，当某一回波较强时，其附近波束的同一距离上会形成一条回波亮环，海面是大于尾
3、由于海面环境多变，且尾流目标随时间不断变化导致每帧图像数据的目标都是动态变化的，其尾流目标强度小于海面回波强度，在这特殊背景下，利用常见的边缘检测法的图像声呐降噪方法并不适用，无法在海面的强干扰亮环中提取出尾流声呐图像。因此，寻找一种实用的海面混响背景下的舰船尾流声呐图像处理方法成为目前研究的重点。同时利用实测的数据和尾流特性研究建立尾流模型将是必然趋势，可解决尾流测量试验难度大的问题，而这项研究的难点在于如何建立较为准确的尾流模型而且建立尾流预报模型。
技术实现思路
1、为解决上述问题，本专利技术的目的是提供一种基于实测数据构建舰船尾流三维模型的方法及系统，能够通过图像处理消除海面混响及旁瓣干扰，利用处理后的舰船尾流声呐图像既得到尾流长度、宽度、厚度的变化，又得到尾流内部气泡密度与散射强度随时间、空间的变化，建立相应的尾流三维模型并通过实验测得的尾流信息优化模型。该模型可应用到鱼雷仿真系统项目中，同时在军事上也可为尾流自导鱼雷提出新的思路和方法，探索其潜在的战术应用。
2、本专利技术提供的技术方案为：一种基于实测数据构建舰船尾流三维模型的方法，包括如下步骤：
3、通过多波束测量系统采集舰船行驶产生的尾流数据得到尾流声呐图像；
4、通过预处理消除尾流声呐图像中海面混响的干扰；
5、复原尾流声呐图像中亮环与尾流重合区域；
6、对所述尾流声呐图像进行聚类分割得到尾流区域；
7、对每帧尾流区域分析得到尾流长度、宽度、厚度、内部散射强度，通过最小二乘法对尾流长度、宽度、厚度、内部散射强度的变化规律进行拟合；
8、建立尾流横截面的二维模型；
9、基于尾流实测数据几何尺度与散射强度的变化将尾流二维模型发展为三维模型。
10、优选的，通过预处理消除尾流声呐图像中海面混响的干扰进一步包括：
11、计算图像矩阵区域每行散射强度的均值；
12、将散射强度大于预设阈值的区域定义为亮环，将亮环区域对应的矩阵的散射强度用目标强度值替换；
13、进一步还包括：将矩形与扇形边界之间的区域赋值为黑色，以避免将该部分区域作为前景区域进行处理。
14、进一步的，复原尾流声呐图像中亮环与尾流重合区域进一步包括：
15、对图像进行灰度化处理，即将彩色图像的r、g、b三个通道分量按照0.299、0.587、0.114的权值进行加权平均得到单通道的灰色图像；
16、通过二值化处理将图像处理为只包含黑与白两种颜色的图像；
17、通过中值滤波消除孤立的噪声像素；
18、将尾流与亮环重合区域视为间断，通过闭运算进行填补；
19、对图像进行log边缘检测得到多个轮廓；
20、通过计算各个轮廓内部面积得到面积最大的轮廓，该轮廓内部区域作为第一掩膜，轮廓外部区域作为第二掩膜，提取原始图像中所述第一掩膜对应区域，提取预处理后的图像中所述第二掩膜对应区域，将两部分图像区域按1：1进行图像融合以得到尾流声呐图像中亮环与尾流重合区域。
21、进一步的，对每帧尾流区域分析得到尾流长度、宽度、厚度、内部散射强度，通过最小二乘法对尾流长度、宽度、厚度、内部散射强度的变化规律进行拟合进一步包括：
22、通过舰船航速与尾流持续时间得到尾流长度；
23、通过matlab最小二乘函数lsqcurvefit对尾流宽度变化进行分段拟合，并算出拟合后不同时间段尾流宽度的扩散角；
24、通过matlab最小二乘函数lsqcurvefit对尾流厚度变化进行分段拟合；
25、对尾流中心散射强度的变化进行线性拟合；
26、通过散射强度变化得到尾流中心气泡密度随时间变化。
27、进一步的，建立尾流横截面的二维模型进一步包括：
28、根据声呐发射声波频率计算相应共振频率的气泡半径，其计算函数如下：
29、
30、其中，fres为气泡共振频率，单位为hz，气泡半径an单位为m，γ表示气体等压比热与等容比热之比，γ＝1.41，p0是作用在气泡上的压力，ρw是海水密度，取ρw＝1×103kg/m3；
31、基于气泡密度函数为d(x,y,z,an)，这个密度函数定义了在尾流横截面形状的特定位置上每立方米气泡的数量，an是气泡半径，n为气泡大小指数，x沿着尾流的方向，y垂直尾流的方向，z垂直水平面，
32、基于气泡密度函数服从高斯分布：
33、
34、σz决定了尾迹的深度，σy决定了尾迹的宽度，r为声呐与气泡群中心的水平距离，dx是尾流中心气泡密度沿x轴的变化，在尾流横截面的二维模型中设为常数。
35、进一步的，基于尾流实测数据几何尺度与散射强度的变化将尾流二维模型发展为三维模型进一步包括：
36、在海平面尾流边缘位置，散射强度视为-45db，与尾流中轴的距离计算σy如以下函数：
37、
38、计算σz如以下函数：
39、
40、引入时间t，把描述尾流横截面位置的气泡密度公式扩展为整个三维空间处的密度，如以下函数：
41、
42、优选的，所述多波束测量系统本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于实测数据构建舰船尾流三维模型的方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于实测数据构建舰船尾流三维模型的方法，其特征在于，通过预处理消除尾流声呐图像中海面混响的干扰进一步包括：
3.根据权利要求1所述的基于实测数据构建舰船尾流三维模型的方法，其特征在于，复原尾流声呐图像中亮环与尾流重合区域进一步包括：
4.根据权利要求1所述的基于实测数据构建舰船尾流三维模型的方法，其特征在于，对每帧尾流区域分析得到尾流长度、宽度、厚度、内部散射强度，通过最小二乘法对尾流长度、宽度、厚度、内部散射强度的变化规律进行拟合进一步包括：
5.根据权利要求1所述的基于实测数据构建舰船尾流三维模型的方法，其特征在于，建立尾流横截面的二维模型进一步包括：
6.根据权利要求5所述的基于实测数据构建舰船尾流三维模型的方法，其特征在于，基于尾流实测数据几何尺度与散射强度的变化将尾流二维模型发展为三维模型进一步包括：
7.根据权利要求1所述的基于实测数据构建舰船尾流三维模型的方法，其特征在于，所述多波束测量系统为声呐
8.一种基于实测数据构建舰船尾流三维模型的系统，其特征在于，包括：
9.一种电子设备，其特征在于，包括：
10.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质上存储有处理程序，所述处理程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任意一项所述的基于实测数据构建舰船尾流三维模型的方法。
...【技术特征摘要】
1.一种基于实测数据构建舰船尾流三维模型的方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于实测数据构建舰船尾流三维模型的方法，其特征在于，通过预处理消除尾流声呐图像中海面混响的干扰进一步包括：
3.根据权利要求1所述的基于实测数据构建舰船尾流三维模型的方法，其特征在于，复原尾流声呐图像中亮环与尾流重合区域进一步包括：
4.根据权利要求1所述的基于实测数据构建舰船尾流三维模型的方法，其特征在于，对每帧尾流区域分析得到尾流长度、宽度、厚度、内部散射强度，通过最小二乘法对尾流长度、宽度、厚度、内部散射强度的变化规律进行拟合进一步包括：
5.根据权利要求1所述的基于实测数据构建舰船尾流三维模型的方法，其特征在于，建立尾流横截面的二维...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈梦英，许伟杰，范靖翔，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所东海研究站，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。