高建樹，鄭大川，于之靖，諸葛晶昌

(1.天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津 300072; 2.中國(guó)民航大學(xué)航空自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300)

機(jī)翼鋁蒙皮積冰及冰厚的近紅外多光譜檢測(cè)

高建樹1，鄭大川2，于之靖2，諸葛晶昌2

(1.天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津 300072; 2.中國(guó)民航大學(xué)航空自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300)

提出一種機(jī)翼鋁蒙皮積冰及冰厚的近紅外多光譜檢測(cè)方法，并根據(jù)理論模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。首先，根據(jù)冰和水在近紅外光譜下的光譜曲線不同，取1.16μm和1.26μm兩個(gè)通道的圖像的灰度值，求得對(duì)比度C值;然后，通過實(shí)驗(yàn)獲得C的閾值Cth。C＞Cth時(shí)，則認(rèn)為是冰，C＜Cth時(shí)，則認(rèn)為沒有冰，以此法來識(shí)別鋁蒙皮表面上積冰的位置。本文通過實(shí)驗(yàn)證明了冰厚與對(duì)比度C值存在線性關(guān)系。根據(jù)Cth和線性比例系數(shù)k兩個(gè)參數(shù)，由對(duì)比度C值的大小，可以獲得冰的厚度值。

積冰探測(cè);冰厚;近紅外多光譜;鋁蒙皮

1 引 言

飛機(jī)表面的冰、雪、霜等污染物對(duì)飛機(jī)飛行安全造成極大的危害。據(jù)美國(guó)國(guó)家運(yùn)輸安全委員會(huì)(NTSB)1975—1981年間飛機(jī)結(jié)冰事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。單是起飛階段就有82%的事故是在飛機(jī)上帶有霜、雪或冰的情況下強(qiáng)行起飛造成的，而且70%以上是災(zāi)難性事故，即致命的或?qū)︼w機(jī)產(chǎn)生重大的整體破壞性的事故［1］。因此，飛機(jī)除冰問題是影響民航冬季安全的重要因素之一。目前地面積冰檢測(cè)是靠除冰檢測(cè)人員的視覺和觸覺來完成的。眩光引起視覺疲勞和漏檢;高空作業(yè)和嚴(yán)寒的環(huán)境，觸覺檢查范圍有限，作業(yè)危險(xiǎn)。檢查效率較低，花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，而除冰液的防結(jié)冰保持時(shí)間有限，可能造成二次結(jié)冰，成為冬季飛機(jī)航班延誤的重要原因之一［2－3］。

飛機(jī)結(jié)冰探測(cè)技術(shù)已受到各國(guó)的極大重視，并投入了大量人力和物力進(jìn)行研究［4－13］。結(jié)冰傳感器目前已比較成熟，多種測(cè)量方法都在采用，如圖1所示。

圖1 積冰探測(cè)方法

在攝像法中，加拿大spar航空航天系統(tǒng)公司在加拿大運(yùn)輸部支持下，提出一種探冰方法。攝像機(jī)在幾個(gè)不同的光譜段內(nèi)，探測(cè)機(jī)翼表面反射的紅外輻射，采集的圖像進(jìn)行后續(xù)處理識(shí)別0.2 mm的冰厚。本文在攝像法的基礎(chǔ)上，根據(jù)冰和水在近紅外光譜下的反射率不同，提出針對(duì)鋁蒙皮上的積冰和冰厚的近紅外多光譜探測(cè)方法。

2 理論

當(dāng)基底表面覆有一層電介質(zhì)(冰或水)的時(shí)候，對(duì)近紅外光的影響如圖2所示。一部分光在電介質(zhì)與空氣接觸表面反射，其余光進(jìn)入電介質(zhì)。透過電介質(zhì)傳播到基底再被反射回空氣與電介質(zhì)接觸表面，一部分返回空氣，一部分再次被反射。如此重復(fù)，在傳播過程中一部分光電介質(zhì)和基底吸收。根據(jù)電介質(zhì)的不同對(duì)近紅外光的吸收率和反射率不同，得到不同的反射光譜。

圖2 飛機(jī)蒙皮表面電介質(zhì)的光譜反射/吸收模型

式中，d為冰厚;a(λ)為光譜的吸收率;R0(λ，θi)為第一次反射的光譜反射率;Rw(λ)為基底的光譜反射率;Re(λ，θi)為實(shí)際反射率。

殘冰檢測(cè)的原理［5］由圖3可知。選取低波段為1.16μm處反射光強(qiáng)度用 RL來表示，高波段為1.26μm處的反射光強(qiáng)度用RU來表示，且兩個(gè)波段的光具有相同的帶寬，可得:

通過光譜對(duì)比度C值的大小和閾值的設(shè)定來判定冰的有無以及厚度。

圖3 水和冰在近紅外光譜下的相對(duì)反射率曲線

3 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)使用近紅外像機(jī)為比利時(shí)Xenics公司的Xeva－2858。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境為陰天，環(huán)境光穩(wěn)定。在機(jī)翼蒙皮使用的鋁合金2024上，分多次噴灑水并結(jié)凍成冰，由測(cè)冰厚傳感器記錄每次噴灑后冰的厚度的變化，同時(shí)使用近紅外像機(jī)采集在 1.10，1.16，1.26和1.28μm四個(gè)通道數(shù)據(jù)，每個(gè)通道所使用的濾光片帶寬相同。圖像如圖4所示。

圖4 四個(gè)近紅外通道的圖像

4 數(shù)據(jù)分析

鋁在近紅外波段反射率很高，圖5所示其對(duì)應(yīng)的灰度值最高，并且其光譜曲線反應(yīng)的是外界環(huán)境光的近紅外光譜;而結(jié)冰位置隨著冰厚的增加，由式(1)可知，圖像的灰度值減小，且光譜曲線也隨之變化;歸一化后的四通道的灰度值，則更清晰反映了隨著冰厚的增加，該近紅外波段光譜曲線的變化。原因在于，水結(jié)冰后在1.26μm附近存在一個(gè)近紅外光譜吸收峰，隨著冰厚的增加，吸收率增加，反射率則相對(duì)減小。

圖5 鋁和不同厚度冰的四個(gè)通道的灰度值

根據(jù)式(2)求得的對(duì)比度C值分布(如圖6所示)并與冰厚存在線性關(guān)系(如圖7所示)?？傻霉?3)由此估算冰厚:

圖6 鋁和不同厚度冰的對(duì)比度C值

圖7 對(duì)比度C值與冰厚的關(guān)系

其中，d為冰厚;k為冰厚與對(duì)比度C值的線性比例系數(shù)(根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)k=9.625);Cth為鋁蒙皮上積冰識(shí)別的閾值，C＞Cth時(shí)，則認(rèn)為是冰，C＜Cth時(shí)，則認(rèn)為沒有冰(根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Cth=0.0178)。

5 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可得，本文提出近紅外多光譜檢測(cè)方法可以應(yīng)用與鋁蒙皮表面的積冰和冰厚的檢測(cè)。本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在陰天情況下獲得，不同的天氣環(huán)境［14－15］光譜曲線存在變化，對(duì)于對(duì)比度C值與冰厚的線性關(guān)系存在影響，即對(duì)線性比例系數(shù)k和閾值Cth存在影響。因此，在后續(xù)研究中加入積分球?qū)ν饨绛h(huán)境光進(jìn)行補(bǔ)償。

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Near infrared multispectral detection on icing and ice thickness of alum inum w ing cover

GAO Jian-shu1，ZHENG Da-chuan2，YU Zhi-jing2，ZHUGE Jing-chang2
(1.College of precision Instrument and Optoelectronics Engineering，Tianjin University 300072，China;
2.Aeronautical Automation College，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China)

In order to distinguish the icing from aluminum wing cover and measure the ice thickness，a near infrared multispectral detectionmethod is presented.Firstly，the contrast value C is calculated by using an algorithm for ice detection based on the different reflectance spectra between water and ice in a certain wavelength band.Then，the threshold Cthof C is obtained by experiments.When C＞Cth，it is considered that the ice exists，vice versa.The location of the icing on the aluminum wing cover is identified.A linear relationship between ice thickness and C is also proved by the experiment.According to the value of Cthand k，the ice thickness is calculated.

ice detection;ice thickness;near infrared multispectral;aluminum wing cover

TN219

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2014.04.00 9

1001-5078(2014)04-0391-04

國(guó)家自然科學(xué)基金(No.60939001);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)(No.ZXH2012C008)資助。

高建樹(1966－)，男，博士研究生，研究員，碩士生導(dǎo)師，主要從事機(jī)場(chǎng)除冰雪系統(tǒng)以及機(jī)場(chǎng)特種設(shè)備的研究。E-mail: jsgao@cauc.edu.cn

2013-08-26