潛艇熱尾流浮升對(duì)海面紅外特征影響及OpenGL仿真?

王 亮 王成安 周志權(quán) 王 軍 王好賢 王晨旭

1 引言

潛艇是我國(guó)海軍重要的作戰(zhàn)力量，它具有良好的隱蔽性、持久的續(xù)航能力和強(qiáng)大的突擊威力，因此潛艇和探測(cè)與反探測(cè)技術(shù)一直受到國(guó)內(nèi)外科研人員的關(guān)注。在潛艇的行進(jìn)過(guò)程中，由于存在冷卻裝置需要向海水中排放大量的冷卻水，冷卻水在浮升力的作用下浮升至海面形成熱尾流，雖然溫差比較小但其面積大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，隨著紅外探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)際上先進(jìn)測(cè)溫儀器能感知海面很小的溫度變化，熱尾流與其他海域的溫差很可能被紅外儀器探測(cè)到，而OpenGL作為一種專(zhuān)業(yè)的繪圖工具，可以仿真海面場(chǎng)景的紅外特性，因此以O(shè)penGL為工具研究熱尾流的表征特性對(duì)潛艇的隱身、探測(cè)有著重要意義。

在20世紀(jì)50年代，科研人員發(fā)現(xiàn)水下目標(biāo)排放的熱尾流會(huì)浮升至水面引起水面溫度異常，這種現(xiàn)象逐漸受到科研人員的重視。Merritt等[1]利用熱敏電阻研究了潛艇熱尾流溫度分布特性；之后齊力杰[2]在Merritt等潛艇尾流研究的基礎(chǔ)上提出了潛艇熱尾流的計(jì)算模型和典型計(jì)算結(jié)果；吳猛猛等[3]與張昊春等[4]采用VOF法研究了二維情況下潛艇熱尾流的浮升過(guò)程，發(fā)現(xiàn)浮力和海水垂直溫度梯度影響較大；楊衛(wèi)平等[5]對(duì)目標(biāo)模型紅外尾流的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試進(jìn)行縮比設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)利用區(qū)域灰度均值和均方差的起伏變化可有效探測(cè)水下航行體水面尾跡。在場(chǎng)景仿真方面，陳璐[6]對(duì)海面進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模擬，利用OGRE渲染生成動(dòng)態(tài)紅外海面，得到了比較真實(shí)可靠的紅外海面場(chǎng)景；蔣萬(wàn)秋[7]應(yīng)用OpenGL技術(shù)輸出海面紅外圖像，結(jié)果表明其仿真模型是正確的；張士成等[8]計(jì)算了探測(cè)天頂角和海面風(fēng)速對(duì)尾流與周?chē)Ｃ娴挠绊?，分析了不同條件下探測(cè)圖像的變化。但到目前為止，尚未有針對(duì)潛艇熱尾流浮升引起的表面溫度場(chǎng)特征進(jìn)行場(chǎng)景仿真的相關(guān)研究，本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于把熱尾流浮升引起的溫度變化利用OpenGL顯示出來(lái)。

2 潛艇熱尾流浮升現(xiàn)象的仿真

為了得到海面的溫度場(chǎng)，本文采用VOF模型[9]追蹤兩相交界面，該模型是計(jì)算互不相溶的兩種或多種流體常用的方法，它通過(guò)求解單獨(dú)的動(dòng)量方程和處理穿過(guò)區(qū)域的每一流體的體積分?jǐn)?shù)來(lái)模擬兩種或多種不能混合的流體。在計(jì)算單元中各相的體積分?jǐn)?shù)之和為1，對(duì)第p相流體來(lái)說(shuō)，有三種情況：若αp=0，則該單元中沒(méi)有第p相流體；若0＜αp＜1，則該單元中存在第p相流體與其他流體的交界面；若αp=1，則該單元全為第p相流體。

本文仿真潛艇熱尾流浮升現(xiàn)象的目的是獲得海面的溫度場(chǎng)，可通過(guò)后處理軟件輸出溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，仿真得到的海面溫度云圖如圖1所示。

3 海面紅外特征的模擬

OpenGL[10]（Open Graphics Library）是指定義了一個(gè)跨編程語(yǔ)言、跨平臺(tái)的編程接口規(guī)格的專(zhuān)業(yè)的圖形程序接口，它具有七大功能[11]，分別是：建模、變換、顏色模式設(shè)置、光照和材質(zhì)設(shè)置、紋理映射、位圖顯示和圖像增強(qiáng)功能和雙緩存動(dòng)畫(huà)功能。本文以O(shè)penGL為工具對(duì)海面場(chǎng)景進(jìn)行仿真，其工作流程如圖2所示。

為了繪制海面形狀，需要將本文選取的PM海浪譜表達(dá)式編入程序并采用glVertex3f()函數(shù)繪制高度場(chǎng)數(shù)組的每個(gè)點(diǎn)，之后把點(diǎn)連接成三角形，最后形成粗糙海面。為了獲得更好的仿真效果，可以加入天空背景。其原理是使用OpenGL中的二維紋理映射技術(shù)[12]，通過(guò)glTexParameterf()函數(shù)和glTex-Image2D()函數(shù)實(shí)現(xiàn)該技術(shù)。

采用PM海浪譜生成海面高度場(chǎng)數(shù)組的關(guān)鍵代碼如下所示：

getHeight[x][y]=getHeight[x][y]+5*Ajk*cos(k_wave*(x_temp*cos(theta)+y_temp*sin(theta))-omega*temps+RandomNum*2*PI);

本文選取RGB顏色模式顯示海面，采用如下的if-else語(yǔ)句劃分溫度區(qū)間，總共20個(gè)，此處僅列舉一個(gè)，再使用glNormal3f()函數(shù)和glVertex3f()函數(shù)計(jì)算頂點(diǎn)的法線(xiàn)向量并繪制該點(diǎn)。

1.if(a[i][add]＞=tmin&&a[i][add]＜(tmin+dt))

2.{

3.glColor3f(0,0,1);

4.}

經(jīng)過(guò)上述流程和代碼，得到的海面紅外特征如圖3所示，可以明顯地看出熱尾流浮升至海面呈現(xiàn)出錐形的形狀，中心溫度由高到低向周?chē)f減。

在實(shí)際的海洋環(huán)境中，有很多天氣、環(huán)境等因素影響海面的視景，下面分別考慮海風(fēng)和海霧兩種因素對(duì)海面視景的影響。在程序中改變PM譜中風(fēng)速參數(shù)可觀察海風(fēng)速對(duì)海面形狀的影響，在頭文件fog.h中改變霧化指數(shù)可觀察海霧對(duì)海面視景的影響，效果如圖4所示。

由仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，存在海風(fēng)時(shí)，海面形狀變得更加粗糙；存在海霧時(shí)，海面視景變得更模糊。通過(guò)考慮海風(fēng)和海霧的影響，可真實(shí)地仿真實(shí)際海洋環(huán)境中的海面場(chǎng)景。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從仿真潛艇熱尾流的排放和浮升過(guò)程出發(fā)，得到海面溫度云圖及溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，然后以O(shè)penGL為工具仿真天空背景下的海面場(chǎng)景，采用顏色繪制技術(shù)得到熱尾流浮升海面紅外特征圖像，最后分析了海風(fēng)和海霧對(duì)海面場(chǎng)景的影響。本文實(shí)現(xiàn)了海面紅外特征的真實(shí)顯示，對(duì)海面場(chǎng)景紅外仿真的研究有一定的指導(dǎo)意義。

［1］Merritt G E.Wake growth and collapse in stratified flow［J］.AIAA Journal，1973，12（7）：940-949.

［2］齊力杰.潛艇尾流尺度的計(jì)算［J］.青島大學(xué)學(xué)報(bào)工程技術(shù)版，1999，14（3）：72-74.

［3］吳猛猛，陳伯義，張修峰，等.溫度分層海洋中水下航行體引起水面特征參數(shù)變化規(guī)律的研究［J］.紅外技術(shù)，2010，04：242-246.

［4］張昊春，吉宇，馬銳，等.水下航行體熱尾流浮升特性研究［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2015，07：24-28.

［5］楊衛(wèi)平，張志龍，李吉成.水下縮比航行體熱尾流的紅外探測(cè)實(shí)驗(yàn)［J］.國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，38（4）：107-112.

［6］陳璐.海面紅外輻射特性建模與仿真［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2013：6–8.

［7］蔣萬(wàn)秋，趙云峰，袁水平.海面背景紅外圖像建模與OpenGL仿真［J］.電光與控制，2009，16（11）：19-21.

［8］張士成，楊楨，楊立.基于海面粗糙度的艦船尾流紅外探測(cè)［J］.紅外技術(shù)，2011，33（1）：27-31.

［9］羅恒，陳科，尤云祥，等.運(yùn)動(dòng)潛體尾跡及其與隨機(jī)海面相互作用的數(shù)值模擬［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，41（9）：1435-1440.

［10］曲嘯.基于OpenGL的空間仿真可視化技術(shù)研究［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2013：5-6.

［11］梁夢(mèng)潔.基于OpenGL的真實(shí)感三維海面模擬［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2013：29-30.

［12］施萊爾，賽勒斯，克賽尼希，等.OpenGL編程指南［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014：196-197.