(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111444134.9 (22)申请日 2021.11.30 (71)申请人 哈尔滨工程大 学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区南 通大街145号哈尔滨工程大学科技处 知识产权办公室 (72)发明人 李玉祥　柴雪婷　孙晓桐　邓政伟　 任广越　朱正　史金辉　 (51)Int.Cl. G06F 30/28(2020.01) G06T 15/00(2011.01) G06T 15/04(2011.01) G06T 15/55(2011.01) G06T 17/20(2006.01) G06F 119/14(2020.01) G06F 111/10(2020.01)G06F 113/08(2020.01) G06F 119/08(2020.01) (54)发明名称 一种舰船尾 迹红外仿真方法 (57)摘要 本发明公开了一种舰船尾迹红外仿真方法， 包括： 步骤1： 建立开尔文尾迹红外辐射模型； 步 骤2： 建立热尾迹温度模型； 步骤3： 将理论模型渲 染成总体海面尾迹红外图像。 本发明运用GPU加 速处理计算开尔文尾迹高度场及尾迹微面元法 线， 并制作成偏移纹理和法线纹理便于后续计 算， 解决了仿真中细节表现不足及仿真负担过大 的问题； 将开尔文尾迹及热尾迹自身辐射、 天空 辐射反射及太阳辐射反射相结合， 在三维红外场 景中实现了舰船尾 迹的红外 定量仿真。 权利要求书2页 说明书7页 附图6页 CN 114169264 A 2022.03.11 CN 114169264 A 1.一种舰船尾迹红外 仿真方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤1： 建立 开尔文尾迹红外辐射模型； 步骤2： 建立热尾迹温度模型； 步骤3： 将理论模型渲染成总体海面尾迹红外图像。 2.根据权利要求1所述的一种舰船尾迹红外仿真方法， 其特征在于： 步骤1所述建立开 尔文尾迹模型包括： 步骤1.1： 建立平面网格， 建立 开尔文尾迹几何高度模型， 利用GPU并行处 理加速计算； 步骤1.2： 建立开尔文尾迹偏移纹理及 法线纹理， 计算并渲染开尔文自身红外辐射仿真 图， 利用GPU并行处 理加速计算； 步骤1.3： 基于Cox ‑Munk模型生成开尔文尾迹微面元反射模型并计算尾迹对天空辐射 和太阳辐射的反射。 3.根据权利要求1所述的一种舰船尾迹红外仿真方法， 其特征在于： 步骤2所述建立热 尾迹温度模型包括： 步骤2.1： 建立因动力系统对 海水搅动产生的热尾迹的模型； 步骤2.2： 建立因动力系统的热排水产生的热尾流的模型。 4.根据权利要求2所述的一种舰船尾迹红外仿真方法， 其特征在于： 步骤1.1所述开尔 文尾迹几何高度模型 具体为： zs(x,y)＝z0(x+l,y)+z1(x+l,y)+C z0(x‑l,y)‑Cz1(x‑l,y) 其中C为水的粘滞系数， 且有： 其中， zs(x,y)为开尔文尾迹的波高， l为船长， b为半船宽， d为吃水深度， θk为开尔文波 传播的方向与x轴正方向的夹角， k0＝g/V2， g是重力加速度常数， V是船舶在海面 上的航行速 度。 5.根据权利要求2所述的一种舰船尾迹红外仿真方法， 其特征在于： 步骤1.2所述建立 开尔文尾迹偏移纹理及法线纹理具体为： 根据开尔文尾迹几何高度模型将z方向的偏移量 制成偏移纹理材质， 用法线的定义计算微面元的法线， 并将法线制作成纹理材质， 法线向量 满足： 其中， 为法线向量， 为高度场对x的偏导， 为高度场对y的偏导， X 为笛卡尔坐标系下海面上点的坐标， n ormalize函数是将向量归一 化。 6.根据权利要求2所述的一种舰船尾迹红外仿真方法， 其特征在于： 步骤1.3所述开尔 文尾迹微 面元反射模型 具体为：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114169264 A 2其中， 是海面微小单元dA的平均反射率， e是海 面微小面元辐射的入 射方向； f 是海面微小面元辐射的反射方向； n是单元海面的法线方向， 由步骤1.2得到的法线纹理提 供； β 是海面微小面元与水平面夹角； θe是辐射入射方向e与Z轴的夹角， 即方位角； θn是海面 微小面元法线方向n与Z轴的夹角； 是e在XOY平面上的投影与X轴正方向的夹角， 即天顶 角； 在XOY平面上的投影与X轴负方向的夹角； 是n在XOY平面上的投影与X轴正方向的 夹角； χ 是海面 微小面元辐射的出射方向e与海面 微小面元法线n的夹角。 7.根据权利要求6所述的一种舰船尾迹红外仿真方法， 其特征在于： 步骤1.3所述尾迹 对天空辐射和太阳辐射的反射 通过下面公式计算： Mref＝ρskyMsky( λ )+ρsunMsun( λ ) 其中， Mref表示接收端探测器接收到反射的环境红外辐射能量， ρsky为开尔文尾迹对天 空背景辐射的漫反射率， Msky( λ )为天空背景对开尔文尾迹的辐射能量； ρsun为开尔文尾迹对 太阳辐射的反射率， Msun( λ )表示太阳垂直照射在开尔文尾迹的辐射能量， ρsky和ρsun根据开 尔文尾迹微 面元反射模型 得到。 8.根据权利要求3所述的一种舰船尾迹红外仿真方法， 其特征在于： 步骤2.1所述因动 力系统对 海水搅动产生的热尾迹的模型 具体为： 其中， L为热尾迹的模型长， W 为热尾迹的模型宽 。 9.根据权利要求3所述的一种舰船尾迹红外仿真方法， 其特征在于： 步骤2.2所述因动 力系统的热排水产生的热尾流的模型 具体为： 其中， b为热尾流半径， D为舰船宽度； s为热尾流长度； H为舰船吃水深度； θ为尾流浮升 角。 10.根据权利要求1所述的一种舰船尾迹红外仿真方法， 其特征在于： 步骤3所述将理论 模型渲染成总体海面尾迹红外图像包括： 在Unity  3D中建立尾迹三维模型， 在尾迹的位置 添加摄像机组件和光源组件， 调整摄像机组件属性模拟红外探测接收器的成像位置和视 角， 调整光源组件模拟 太阳的位置， 在尾迹模型上创建C#语言的高度模 型计算脚本， 并创建 Compute Shader文件将C#中复杂计算用GPU加速处理， 然后创建Shader语言的红外画面渲 染脚本， 根据开尔文尾迹模型及热尾迹模型计算尾迹的红外自身辐 射强度， 根据反射模型 计算反射红外辐射强度， 生成总体 尾迹红外 仿真图像。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114169264 A 3