基于激光退偏振特性的過冷水測量系統(tǒng)設(shè)計

賈少龍，楊 飛，李 科，郝 奎，郝曉輝

(航空工業(yè)太原航空儀表有限公司，山西 太原 030006)

飛機積冰是指在特定氣象條件下的飛機表面產(chǎn)生水分凝結(jié)成冰的現(xiàn)象，多發(fā)生在飛機的升力表面、螺旋槳、旋翼、發(fā)動機進氣道等部件的迎風表面[1]。

飛機積冰嚴重威脅飛機的飛行安全。飛機表面發(fā)生輕度結(jié)冰就會降低飛機的飛行性能，主要表現(xiàn)為升力下降、阻力增加、升阻比大幅度下降等，進而造成飛機姿態(tài)控制困難。嚴重積冰時可能造成飛機在小迎角下出現(xiàn)失速或操作翼面發(fā)生失效等現(xiàn)象而導致機毀人亡[2-4]。

目前結(jié)冰傳感器根據(jù)關(guān)鍵技術(shù)可分為熱交換技術(shù)、諧振技術(shù)、磁滯伸縮技術(shù)、導電環(huán)技術(shù)傳感器等。飛機上安裝的飛機結(jié)冰預(yù)警系統(tǒng)可以統(tǒng)稱為結(jié)冰探測器系統(tǒng)，它是由一個或多個結(jié)冰探測器組成的，同時包含信號處理和報警電子系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要原理是結(jié)冰探測器探頭的局部溫度接近0℃，撞擊到傳感器的過冷水會在探頭上結(jié)冰，通過結(jié)冰探測器輸出的結(jié)冰情況信息，探測飛機是否已經(jīng)進入結(jié)冰云區(qū)。此信息可提醒機組人員，要開啟除冰、防冰系統(tǒng)，并采取正確的飛行操作[5]。如果此時環(huán)境中存在大量的過冷水，飛機機體也會短時結(jié)冰，導致飛機短時性能降低，影響飛行安全。由此可知，目前飛機上安裝的飛機結(jié)冰系統(tǒng)無法做到提前結(jié)冰預(yù)警。

飛機飛行過程中對結(jié)冰條件的提前預(yù)警可以向飛行機組人員提前發(fā)出警告，盡早地激活結(jié)冰防護系統(tǒng)或者避開結(jié)冰條件，使結(jié)冰對飛機飛行安全和性能的不良影響被降低到最小或者避免產(chǎn)生[6]。引起飛機結(jié)冰的氣象條件為大氣溫度接近或者低于冰點，并且環(huán)境中存在液態(tài)水。而此溫度下的液態(tài)水一般可以稱為過冷水。因此，能夠提前測量過冷水存在和其含量是進行提前結(jié)冰預(yù)警的關(guān)鍵。

介紹的基于激光退偏振特性的過冷水測量系統(tǒng)可以提前測量飛機飛行前方20 m范圍內(nèi)的過冷水含量，根據(jù)過冷水含量進行結(jié)冰預(yù)警。該系統(tǒng)在研制過程中的關(guān)鍵過程如下。

① 運用偏振光與云霧粒子的偏振特性開展非接觸式遠距離測量云霧粒子含量[7]的可行性論證工作。

② 運用Mie散射理論計算云霧粒子對偏振光散射相關(guān)參數(shù)并應(yīng)用Matlab仿真計算出云霧粒子后向散射回波能量的大小。

③ 系統(tǒng)在采集云霧粒子后向散射能量時容易受到太陽光的影響，因此如何消除太陽光影響，提高信噪比成為設(shè)計的難點。經(jīng)過理論計算和Multisim仿真證明使用調(diào)制解調(diào)方法對回波信號進行采集，可以濾除太陽光的影響，提高云霧粒子后向散射能量采集精度。

④ 運用Zemax開展光學仿真，在滿足技術(shù)要求的前提下考慮系統(tǒng)尺寸和采購周期等要求，以達到減小系統(tǒng)尺寸和縮短研制周期的目的。

⑤ 通過地面試驗和裝機試飛試驗，驗證系統(tǒng)的功能和性能。

目前已經(jīng)完成了原理樣機的研制和裝機試飛。通過與諧振式結(jié)冰信號器的裝機試飛對比試驗可知，該系統(tǒng)可探測飛機飛行路線上一定距離內(nèi)過冷水的存在，并發(fā)出結(jié)冰預(yù)警信號，與諧振式結(jié)冰信號器相比，該系統(tǒng)還具有響應(yīng)速度快、測量準確等優(yōu)點。

1 探測機理分析

根據(jù)相態(tài)，大氣中的云可以大致分為3種類型：水云(液態(tài))、冰云(固態(tài))和混合云(混合相態(tài))。溫度是云相態(tài)判識的重要依據(jù)：云頂溫度在0 ℃以上的云為水云，云底溫度在-40 ℃以下的云為冰云，0～-40 ℃之間的云可能為水云、冰云或混合云[8]。0 ℃以下的水云稱為過冷水云，云粒子因為缺乏冰核或其他原因仍然呈現(xiàn)為液態(tài)。利用偏振激光雷達對不同形態(tài)的云的退偏振特性進行研究，發(fā)現(xiàn)水云的退偏振比一般小于0.15，冰晶組成的卷云退偏振比在0.5左右，有時可達到0.8，而水滴和冰晶混合云的退偏振比在兩者之間[9]。

根據(jù)球形粒子的散射理論，假定散射粒子是球形的，且各向同性，當照射光為線偏振光時，散射光也是與入射光電矢量振動方向相同的線偏振光，而非球形粒子的散射光將不再是完全偏振光，也就是退偏振，可以利用其散射電磁輻射的退偏振信息，探測并區(qū)分球形和非球形粒子存在的比例。退偏振度定義為[10]：垂直分量的散射波強度與平行分量的散射波強度之比。偏振特性可以使用退偏振比來衡量。退偏振比定義圖示見圖1。

云霧粒子對激光能量的吸收和散射可以用Mie散射理論來進行分析。Mie散射是目前應(yīng)用廣泛的粒子散射和最常用最基礎(chǔ)的算法[11]。通過霧滴產(chǎn)生的散射光強度的大小，可以得到云中水滴平均直徑、液態(tài)水含量等數(shù)據(jù)。通常云中水滴的半徑范圍為0.5～50 μm[12]，當激光器發(fā)射波長為1550 nm、平均功率為1 W左右的激光時，正常云滴譜的后向散射回波能量在1×10-8～1×10-7W這個數(shù)量級。同時在白天考慮背景光的散射，在1550 nm波段處云中水滴的后向散射功率在1×10-6～1×10-5W這個數(shù)量級，該數(shù)值比正常云中水滴后向散射能量大兩個數(shù)量級，經(jīng)過后期信號處理可以濾除背景光的干擾。

2 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)有如下功能：

① 實時探測并解算目標云霧的退偏振比參數(shù)；

② 根據(jù)偏振通道能量值解算出過冷水含量；

③ 根據(jù)測量到過冷水含量的多少向機組人員發(fā)出不同等級的結(jié)冰預(yù)警信號；

④ 根據(jù)目標云霧的退偏振比解算出目標云霧中過冷水與冰晶的比例，進而推算出冰晶含量；

⑤ 產(chǎn)品探測及解算到的所有數(shù)據(jù)實時存入Access數(shù)據(jù)庫中，任務(wù)完畢飛機落地后拷貝入地面數(shù)據(jù)回放軟件中，供后期科研分析；

⑥ 系統(tǒng)應(yīng)具有軟件加載、故障檢測和故障存儲功能。

3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)由激光器溫控模塊、激光器驅(qū)動模塊、發(fā)射光學部件、接收光電部件、光電轉(zhuǎn)換模塊、信號處理模塊、數(shù)據(jù)解算模塊、電源模塊和殼體部分組成。

系統(tǒng)接收機上供電系統(tǒng)提供DC 28 V電源，電源模塊對輸入電源信號進行防雷、電壓尖峰抑制和濾波等處理后將其轉(zhuǎn)換為3.3 V電源和5 V電源，供其他模塊使用。

數(shù)據(jù)解算模塊通過采集激光器溫度值，輸出激光器溫控信號，使激光器在有效溫度范圍內(nèi)工作。同時解算模塊還輸出激光器驅(qū)動信號使其產(chǎn)生穩(wěn)定波長的激光。激光器產(chǎn)生的激光通過發(fā)射光學部件發(fā)射到待測云區(qū)域。激光照射到目標云中的水滴和冰晶后會產(chǎn)生散射光[13]，并發(fā)生退偏振現(xiàn)象。散射光通過接收光學部件內(nèi)部的偏振棱鏡將光束分為偏振光和退偏振光，偏振光和退偏振光經(jīng)光學透鏡改變光路后照射到銦鎵砷光電管的感光面上，該光電管安裝在光電轉(zhuǎn)換模塊上。光電轉(zhuǎn)換模塊將偏振光和退偏振光的光強信號轉(zhuǎn)換為電流信號，數(shù)據(jù)解算模塊內(nèi)的兩路A/D轉(zhuǎn)換器分別將經(jīng)過調(diào)制解調(diào)處理后的電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。系統(tǒng)通過采集到的兩路數(shù)字信號計算出退偏振比、過冷水含量和過冷水含量與冰晶比例等參數(shù)，利用計算的參數(shù)做出積冰預(yù)警判斷，并將預(yù)警信息和計算值通過RS485/RS422A串行數(shù)據(jù)總線傳輸給機載計算機進行結(jié)冰預(yù)警。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

4 軟件功能設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要實現(xiàn)系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)自檢測、激光器溫度采集、激光器溫度控制、激光器驅(qū)動、回波能量采集、參數(shù)解算、結(jié)冰預(yù)警信號輸出、存儲測量結(jié)果等功能。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

5 試驗測試

5.1 地面測試

系統(tǒng)測量路徑為20 m，目前國內(nèi)外冰晶云室較小，無法滿足測試要求。運用標準儀器偏振測量儀對多種物質(zhì)進行測量時發(fā)現(xiàn)，偏振光照射到不同材質(zhì)的布料時測量到的退偏振比有較大差異，表面光滑的布料退偏振比較小，表面較粗糙的布料退偏振比較大。此種現(xiàn)象與云霧中過冷水含量與冰晶含量比例不同時，測量的退偏振比不一致的現(xiàn)象相符。因此在地面測試時選擇不同材質(zhì)的布料作為待測物。

將系統(tǒng)放置于一個水平面內(nèi)，同時將待測布料懸掛于系統(tǒng)正前方，保證系統(tǒng)發(fā)射的激光可垂直照射到待測布料。變化布料與系統(tǒng)之間的距離，并記錄距離不同時布料的退偏振比。

不同材質(zhì)的布料測得的偏振能量、退偏振能量、產(chǎn)品的退偏振比(退偏振能量/偏振能量)和標準值如表1所示。

表1 產(chǎn)品地面測試

對測試數(shù)據(jù)進行分析可知，產(chǎn)品測得的不同材質(zhì)布料退偏振和標準值誤差在0.04以內(nèi)。隨著系統(tǒng)與布料之間距離的增加，測量的偏振能量和退偏振能量都在減少，但測量的退偏振比基本不變，在10 m和16 m時測量的退偏振比最大相差0.02。

由此可見，在距離不同時，利用系統(tǒng)都可以得到待測物質(zhì)相同的退偏振特性。此結(jié)論與當偏振光照射到物體時會發(fā)生散射，散射光同樣也是偏振光，偏振光在傳輸過程中會發(fā)生衰減但不會改變其偏振特性的結(jié)論[14]一致，可以證明系統(tǒng)的功能和性能滿足設(shè)計要求。

5.2 飛行試驗

目前該系統(tǒng)已經(jīng)安裝在人影作業(yè)飛機上，進行了多次探測任務(wù)。通過與機上現(xiàn)有設(shè)備大氣數(shù)據(jù)采集吊艙(太航自研)上安裝的諧振式結(jié)冰傳感器對比，選取兩架次飛行數(shù)據(jù)(見圖4、圖5)進行數(shù)據(jù)分析。

圖4 2020年5月9日飛行數(shù)據(jù)

圖5 2021年1月10日飛行數(shù)據(jù)

2020年5月9日試飛時間為10:17～12:18，試飛區(qū)域為山西省臨汾市上空，此區(qū)域當天的天氣狀況為多云，飛行高度約為4300 m，飛行區(qū)域內(nèi)大氣溫度為-3～-1 ℃。運用氣象知識分析可知此時飛行區(qū)域內(nèi)云中過冷水含有較為豐富。對圖4進行數(shù)據(jù)分析可知，當諧振式結(jié)冰傳感器振動頻率下降時，系統(tǒng)測量到的偏振能量和退偏振能量都會相應(yīng)增大，同時系統(tǒng)計算的退偏振比在0.15～0.2之間，此測量結(jié)果與實際天氣現(xiàn)象一致。

2021年1月10日試飛時間為14:30～17:17，試飛區(qū)域為山西省臨汾市上空，此區(qū)域當天的天氣狀況為多云，飛行高度約為4500 m，飛行區(qū)域內(nèi)大氣溫度為-13～-10 ℃。運用氣象知識分析，此時飛行區(qū)域內(nèi)云總冰晶含量較為豐富。對圖5進行數(shù)據(jù)分析可知，系統(tǒng)測量到的偏振能量和退偏振能量的變化關(guān)系和諧振式結(jié)冰信號器頻率變化可以很好地對應(yīng)，此時系統(tǒng)測量到的退偏振比在0.4～0.5之間，此測量結(jié)果與實際天氣現(xiàn)象也一致。

通過選取的兩次飛行試驗數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)可遠距離探測到云中過冷水和冰晶的存在。

6 結(jié)束語

正是由于飛機結(jié)冰探測對于保障飛行安全的重要性，西方發(fā)達國家對此關(guān)鍵技術(shù)一直非常重視。經(jīng)過50多年的發(fā)展和研究，目前飛機結(jié)冰探測技術(shù)已經(jīng)比較成熟。目前國外成型產(chǎn)品中，美國Rosemount公司的磁致伸縮式結(jié)冰傳感器和瑞典VibroMeter公司的平膜式結(jié)冰傳感器2種產(chǎn)品，以其較高的靈敏度和準確度，應(yīng)用較為廣泛。但是這兩種傳感器探測飛機結(jié)冰的方法為直接探測法，無法做到遠距離探測結(jié)冰條件，并提前發(fā)出結(jié)冰預(yù)警信息。針對這一問題，筆者提出了運用偏振光與云霧粒子不同的偏振特性設(shè)計的遠距離測量云霧粒子含量的系統(tǒng)。

目前該系統(tǒng)已經(jīng)完成研制并安裝在Y-12人工作業(yè)飛機上與諧振式結(jié)冰傳感器進行了對比飛行試驗，通過對試飛數(shù)據(jù)進行分析可知，該系統(tǒng)可以遠距離測量到過冷水存在，但是還需要進一步開展研制工作，具體如下。

① 目前試飛區(qū)域都在我國北方，北方的云基本都是冷云，后期還需要通過暖云試飛試驗進行驗證。

② 目前國內(nèi)可以產(chǎn)生冰晶的設(shè)備只有冰晶云室，無法滿足系統(tǒng)測量距離的要求，因此無法對系統(tǒng)輸出過冷水和冰晶比例進行測試和標定。鑒于此，筆者所在公司計劃研制滿足要求的冰晶云室以便進一步開展研制工作。

③ 該系統(tǒng)在人工增雨方面有較為廣闊的應(yīng)用。云中過冷水的存在與其含量是催化過冷云人工增雨潛力和增雨作業(yè)條件選擇的重要指標之一。目前系統(tǒng)還無法精確測量云中過冷水的含量，后期還需開展高山云霧試驗，通過與霧滴譜儀對比測試，驗證系統(tǒng)過冷水含量測量精度。

④ 目前系統(tǒng)的測量距離還較小，后期可增加激光器的功率，達到增加探測距離的目的。