潜艇热尾流浮升对海面红外特征影响及OpenGL仿真∗

王 亮 王成安 周志权 王 军 王好贤 王晨旭

1 引言

潜艇是我国海军重要的作战力量，它具有良好的隐蔽性、持久的续航能力和强大的突击威力，因此潜艇和探测与反探测技术一直受到国内外科研人员的关注。在潜艇的行进过程中，由于存在冷却装置需要向海水中排放大量的冷却水，冷却水在浮升力的作用下浮升至海面形成热尾流，虽然温差比较小但其面积大，持续时间长，随着红外探测技术的发展，国际上先进测温仪器能感知海面很小的温度变化，热尾流与其他海域的温差很可能被红外仪器探测到，而OpenGL作为一种专业的绘图工具，可以仿真海面场景的红外特性，因此以OpenGL为工具研究热尾流的表征特性对潜艇的隐身、探测有着重要意义。

在20世纪50年代，科研人员发现水下目标排放的热尾流会浮升至水面引起水面温度异常，这种现象逐渐受到科研人员的重视。Merritt等[1]利用热敏电阻研究了潜艇热尾流温度分布特性；之后齐力杰[2]在Merritt等潜艇尾流研究的基础上提出了潜艇热尾流的计算模型和典型计算结果；吴猛猛等[3]与张昊春等[4]采用VOF法研究了二维情况下潜艇热尾流的浮升过程，发现浮力和海水垂直温度梯度影响较大；杨卫平等[5]对目标模型红外尾流的静态和动态测试进行缩比设计发现利用区域灰度均值和均方差的起伏变化可有效探测水下航行体水面尾迹。在场景仿真方面，陈璐[6]对海面进行了静态和动态模拟，利用OGRE渲染生成动态红外海面，得到了比较真实可靠的红外海面场景；蒋万秋[7]应用OpenGL技术输出海面红外图像，结果表明其仿真模型是正确的；张士成等[8]计算了探测天顶角和海面风速对尾流与周围海面的影响，分析了不同条件下探测图像的变化。但到目前为止，尚未有针对潜艇热尾流浮升引起的表面温度场特征进行场景仿真的相关研究，本文的创新点在于把热尾流浮升引起的温度变化利用OpenGL显示出来。

2 潜艇热尾流浮升现象的仿真

为了得到海面的温度场，本文采用VOF模型[9]追踪两相交界面，该模型是计算互不相溶的两种或多种流体常用的方法，它通过求解单独的动量方程和处理穿过区域的每一流体的体积分数来模拟两种或多种不能混合的流体。在计算单元中各相的体积分数之和为1，对第p相流体来说，有三种情况：若αp=0，则该单元中没有第p相流体；若0＜αp＜1，则该单元中存在第p相流体与其他流体的交界面；若αp=1，则该单元全为第p相流体。

本文仿真潜艇热尾流浮升现象的目的是获得海面的温度场，可通过后处理软件输出温度场数据，仿真得到的海面温度云图如图1所示。

3 海面红外特征的模拟

OpenGL[10]（Open Graphics Library）是指定义了一个跨编程语言、跨平台的编程接口规格的专业的图形程序接口，它具有七大功能[11]，分别是：建模、变换、颜色模式设置、光照和材质设置、纹理映射、位图显示和图像增强功能和双缓存动画功能。本文以OpenGL为工具对海面场景进行仿真，其工作流程如图2所示。

为了绘制海面形状，需要将本文选取的PM海浪谱表达式编入程序并采用glVertex3f()函数绘制高度场数组的每个点，之后把点连接成三角形，最后形成粗糙海面。为了获得更好的仿真效果，可以加入天空背景。其原理是使用OpenGL中的二维纹理映射技术[12]，通过glTexParameterf()函数和glTex-Image2D()函数实现该技术。

采用PM海浪谱生成海面高度场数组的关键代码如下所示：

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

本文选取RGB颜色模式显示海面，采用如下的if-else语句划分温度区间，总共20个，此处仅列举一个，再使用glNormal3f()函数和glVertex3f()函数计算顶点的法线向量并绘制该点。

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

2.{

3.glColor3f(0,0,1);

4.}

经过上述流程和代码，得到的海面红外特征如图3所示，可以明显地看出热尾流浮升至海面呈现出锥形的形状，中心温度由高到低向周围递减。

在实际的海洋环境中，有很多天气、环境等因素影响海面的视景，下面分别考虑海风和海雾两种因素对海面视景的影响。在程序中改变PM谱中风速参数可观察海风速对海面形状的影响，在头文件fog.h中改变雾化指数可观察海雾对海面视景的影响，效果如图4所示。

由仿真结果可以发现，存在海风时，海面形状变得更加粗糙；存在海雾时，海面视景变得更模糊。通过考虑海风和海雾的影响，可真实地仿真实际海洋环境中的海面场景。

4 结语

本文从仿真潜艇热尾流的排放和浮升过程出发，得到海面温度云图及温度场数据，然后以OpenGL为工具仿真天空背景下的海面场景，采用颜色绘制技术得到热尾流浮升海面红外特征图像，最后分析了海风和海雾对海面场景的影响。本文实现了海面红外特征的真实显示，对海面场景红外仿真的研究有一定的指导意义。

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

［2］齐力杰.潜艇尾流尺度的计算［J］.青岛大学学报工程技术版，1999，14（3）：72-74.

［3］吴猛猛，陈伯义，张修峰，等.温度分层海洋中水下航行体引起水面特征参数变化规律的研究［J］.红外技术，2010，04：242-246.

［4］张昊春，吉宇，马锐，等.水下航行体热尾流浮升特性研究［J］.舰船科学技术，2015，07：24-28.

［5］杨卫平，张志龙，李吉成.水下缩比航行体热尾流的红外探测实验［J］.国防科技大学学报，2016，38（4）：107-112.

［6］陈璐.海面红外辐射特性建模与仿真［D］.西安：西安电子科技大学，2013：6–8.

［7］蒋万秋，赵云峰，袁水平.海面背景红外图像建模与OpenGL仿真［J］.电光与控制，2009，16（11）：19-21.

［8］张士成，杨桢，杨立.基于海面粗糙度的舰船尾流红外探测［J］.红外技术，2011，33（1）：27-31.

［9］罗恒，陈科，尤云祥，等.运动潜体尾迹及其与随机海面相互作用的数值模拟［J］.上海交通大学学报，2007，41（9）：1435-1440.

［10］曲啸.基于OpenGL的空间仿真可视化技术研究［D］.西安：西安电子科技大学，2013：5-6.

［11］梁梦洁.基于OpenGL的真实感三维海面模拟［D］.西安：西安电子科技大学，2013：29-30.

［12］施莱尔，赛勒斯，克赛尼希，等.OpenGL编程指南［M］.北京：机械工业出版社，2014：196-197.