機翼鋁蒙皮積冰及冰厚的近紅外多光譜檢測

高建樹，鄭大川，于之靖，諸葛晶昌

(1.天津大學精密儀器與光電子工程學院，天津 300072; 2.中國民航大學航空自動化學院，天津 300300)

機翼鋁蒙皮積冰及冰厚的近紅外多光譜檢測

高建樹1，鄭大川2，于之靖2，諸葛晶昌2

(1.天津大學精密儀器與光電子工程學院，天津 300072; 2.中國民航大學航空自動化學院，天津 300300)

提出一種機翼鋁蒙皮積冰及冰厚的近紅外多光譜檢測方法，并根據(jù)理論模型進行實驗驗證。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兩個通道的圖像的灰度值，求得對比度C值;然后，通過實驗獲得C的閾值Cth。C＞Cth時，則認為是冰，C＜Cth時，則認為沒有冰，以此法來識別鋁蒙皮表面上積冰的位置。本文通過實驗證明了冰厚與對比度C值存在線性關系。根據(jù)Cth和線性比例系數(shù)k兩個參數(shù)，由對比度C值的大小，可以獲得冰的厚度值。

積冰探測;冰厚;近紅外多光譜;鋁蒙皮

1 引 言

飛機表面的冰、雪、霜等污染物對飛機飛行安全造成極大的危害。據(jù)美國國家運輸安全委員會(NTSB)1975—1981年間飛機結(jié)冰事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計。單是起飛階段就有82%的事故是在飛機上帶有霜、雪或冰的情況下強行起飛造成的，而且70%以上是災難性事故，即致命的或?qū)︼w機產(chǎn)生重大的整體破壞性的事故［1］。因此，飛機除冰問題是影響民航冬季安全的重要因素之一。目前地面積冰檢測是靠除冰檢測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)和嚴寒的環(huán)境，觸覺檢查范圍有限，作業(yè)危險。檢查效率較低，花費時間較長，而除冰液的防結(jié)冰保持時間有限，可能造成二次結(jié)冰，成為冬季飛機航班延誤的重要原因之一［2－3］。

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

圖1 積冰探測方法

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

2 理論

當基底表面覆有一層電介質(zhì)(冰或水)的時候，對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，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)為實際反射率。

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

通過光譜對比度C值的大小和閾值的設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反射率曲線

3 實 驗

實驗使用近紅外像機為比利時Xenics公司的Xeva－2858。

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

圖4 四個近紅外通道的圖像

4 數(shù)據(jù)分析

鋁在近紅外波段反射率很高，圖5所示其對應的灰度值最高，并且其光譜曲線反應的是外界環(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，反射率則相對減小。

圖5 鋁和不同厚度冰的四個通道的灰度值

根據(jù)式(2)求得的對比度C值分布(如圖6所示)并與冰厚存在線性關系(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比度C值

圖7 對比度C值與冰厚的關系

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

5 結(jié)論

通過實驗驗證可得，本文提出近紅外多光譜檢測方法可以應用與鋁蒙皮表面的積冰和冰厚的檢測。本文實驗數(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，對于對比度C值與冰厚的線性關系存在影響，即對線性比例系數(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)境光進行補償。

［1］XIE Yi.Aircraft icing accidents statistical analysis［J］.O-verseas flight，1996(3):23－28.(in Chinese)

謝毅.飛機結(jié)冰事故的統(tǒng)計分析［J］.國外試飛，1996 (3):23－28.

［2］Edmundo A Sierra Jr，Kimberlea Bender，Isabelle Marcil，et al.Human visual and tactile ice detection capabilities under aircraft post deicing conditions［C］//William J.Hughes Technical Center IRC.Springfield，Virginia:Nation Technical Information Service(NTIS)，2006.

［3］Doug Ingold.Gambit holdover time determination system (HOTDS)canadian regulatory initiatives［C］.2007 SAE Aircraft＆Engine Icing International Conference and Exhibition.Seville，Spain:2007－9－24.

［4］ZHANG Jie，ZHOU Lei，ZHANG Hong，et al.Aircraft icing detection technology［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2006，27(12):1578－1586.(in Chinese)

張杰，周磊，張洪，等.飛機結(jié)冰探測技術［J］.儀器儀表學報，2006，27(12):1578－1586.

［5］GAO Jianshu，HAN Renyi，YU Zhijing，et al.Near infrared multispectral solution to ice detection on CF composite material wings［J］.Optics and Precision Engineering，2011，19(6):1250－1255.(in Chinese)

高建樹，韓仁義，于之靖.復合材料結(jié)構(gòu)機翼表面殘冰的近紅外多光譜檢測［J］.光學 精密工程，2011，19 (6):1250－1255.

［6］YE Lin，WANG Ying，HUANG Qin，et al.The study on themethod of icing-thicknessmeasuring based on imaging［J］.Measurementand Testing，2006，33(6):4－5，8.(in Chinese)

葉林，王穎，黃琴，等.基于攝像的結(jié)冰厚度測量方法的研究［J］計量與測試技術，2006，33(6):4－5，8.

［7］WANG Hua，WANG Yilun，ZHANG Binhua.Theory of designing ice detector based on magnetostriction［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2003，18 (6):77280.(in Chinese)

王華，王以倫，張濱華.基于磁致伸縮原理的結(jié)冰傳感器設計理論［J］.電工技術學報，2003，18(6):77280.

［8］Pimpecml.Ultrasonic technology:a solution for inflight and onground ice detection［D］.ICAS and the American Institute of Aeronautics and Astronautics，1992，03:126.

［9］YIN Shengsheng，CHEN Bin，GE Junfeng，et al.Fiber-optical icing sensor for detecting the icing type［J］.Instrument Technique and Sensor，2012(5):9－11，23.(in Chinese)

尹勝生，陳斌，葛俊鋒，等.可識別冰型的光纖結(jié)冰傳感器［J］.儀表技術與傳感器，2012，(5):9－11，23.

［10］LIZongxing，CHEN Deyong，WANG Junbo.Design and fabrication of MEMS strain gauge icing sensors［J］.Chinese Journal of Sensors and Actuations，2011，24(8): 1108－1113.(in Chinese)

李宗興，陳德勇，王軍波.MEMS應變式結(jié)冰傳感器設計與制作［J］.傳感技術學報，2011，24(8): 1108－1113.

［11］Blair A Barbour.Ice monitoring and detection system［P］.United States patent，005557261A，1996－9－17.

［12］Gregiris，Dennis，John Etobicoke.Electro-Optic ice detection［P］.European patent，0785890B1，1996－5－9.

［13］Robert E Gagnon.Method and apparatus for layer thicknessmeasurement［P］.United States patent，0074415A1，2007－4－5.

［14］CHEN Xiuhong，WEI Heli.Variation of infrared Atmospheric transmittance based on atmospheric models in typical regions of china［J］.Laser＆Infrared，2008，38(11): 1090－1093.(in Chinese)

陳秀紅，魏合理.基于中國典型地區(qū)大氣模式的紅外透過率變化特征［J］.激光與紅外，2008，38(11): 1090－1093.

［15］LIXuebin，GONG Chunwen，LIChao，et al.Size distribution and attenation for infrared radiation of fog particles［J］.Laser＆Infrared，2009，39(7):1090－1093.(in Chinese)

李學彬，宮純文，李超，等.霧滴譜分布和霧對紅外的衰減［J］.激光與紅外，2009，39(7):1090－1093.

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

國家自然科學基金(No.60939001);中央高?；究蒲袠I(yè)務費(No.ZXH2012C008)資助。

高建樹(1966－)，男，博士研究生，研究員，碩士生導師，主要從事機場除冰雪系統(tǒng)以及機場特種設備的研究。E-mail: jsgao@cauc.edu.cn

2013-08-26