CN108128466B - 图像式结冰探测器及结冰探测方法 - Google Patents

Abstract

一种结冰探测器包括：至少一个结冰探测元件，该结冰探测元件中埋设有加热元件，并设置有温度传感器；至少一个图像获取组件，该图像获取组件被设置成，对准结冰探测元件，用于对结冰探测元件的表面进行图像采集；以及至少一个控制器，所述控制器通过有线或无线的方式与所述加热元件、所述温度传感器和所述图像获取组件相连接，且所述控制器被设置成，控制所述图像获取组件采集第一图像和第二图像，并通过比较所述第一图像和所述第二图像来确定是否存在结冰条件。还公开了用该结冰探测器进行的结冰探测方法。该结冰探测器及其探测方法能够提高对结冰情况探测的精度，并降低误报警率。

Description

图像式结冰探测器及结冰探测方法

技术领域

本发明涉及一种图像式结冰探测器，该结冰探测器能够齐平地安装在结冰表面上，并通过捕捉结冰图像来发出结冰信号。本发明还涉及一种结冰探测方法。

背景技术

结冰探测具有广泛的应用领域。例如，在北方冬季，需要对公路路面、风力发电机的叶片等部位、输电线路等需要进行结冰探测，以避免结冰对这些设施产生不利影响。此外，结冰探测对于飞机的飞行也有着十分重要的作用。在飞机飞行过程中，需要对诸如飞机机翼、尾翼、发动机气道等多个部位进行结冰探测，以防止这些部位结冰对飞行过程产生不利影响甚至导致安全事故。

目前，尤其是在飞机领域，已经开发出了多种用于结冰探测的装置，以帮助飞行员或飞机上的其他工作人员及时采取措施来避免结冰对飞机飞行产生的危害。

就结冰探测而言，目前主要采取以下的几种方式：

一种是所谓的“结冰探测”，即，将物体暴露在结冰条件中，当物体结冰时，设置在物体上的传感器可感测到该结冰情况，并且根据物体上的结冰情况间接地判断出气流中存在结冰条件。执行此种方式的探测器被称为“结冰探测器”。

还有一种是所谓的“结冰条件探测”，其中将物体暴露在具有结冰条件的环境中，例如暴露在具备结冰条件的气流中，设置在物体上的传感器感测该气流本身的参数，比如温度、含湿量等，这些参数可反映气流的结冰条件，因而可根据这些参数来直接判断气流中是否存在结冰条件。执行此种方式的探测器被称为“结冰条件探测器”。

常用的结冰探测器中包括基于磁致伸缩材料的振动原理的探测器、光电结冰探测器、超声波结冰探测器等。

此外，还有一种图像式结冰探测器，其能够捕捉飞机机翼等结冰表面上的结冰情况图像，并基于所捕捉到的图像来发出结冰信号。

在结冰探测领域，目前仍存在对结冰探测器进行改进的需求，以使该结冰探测器能够应用于更广泛的领域，并能够进一步提高探测精度，减少误报警的风险。

发明内容

本发明是为解决以上现有技术所存在的问题而做出的，其目的是提供一种改进的图像式结冰探测器，其能够提高对结冰情况探测的精度，并降低误报警率。

本发明的结冰探测器包括：

至少一个结冰探测元件，结冰探测元件中设置有温度传感器；

至少一个图像获取组件，图像获取组件被设置成，对准结冰探测元件，用于对结冰探测元件的表面进行图像采集；以及

至少一个控制器，控制器通过有线或无线的方式与温度传感器和图像获取组件相连接，且控制器被设置成，控制图像获取组件采集第一图像和第二图像，并能够通过比较第一图像和第二图像来：i) 调整获取第一图像和/或第二图像的时间间隔，以及ii) 确定是否存在结冰条件。

通过具有如上所述结构的结冰探测器，基于图像对比来判定是否存在结冰条件，从而在简化操作的同时提高探测精度，降低误报警率。进一步地，上述结冰探测器的控制器还能够根据比较结果来调整获取第一和/或第二图像的时间间隔，例如当两个图像相比较得到的差异性的值接近但还未达到结冰报警条件时，可缩短该时间间隔，可进一步地确保准确地探测到结冰条件，此外，还可在刚开始启动结冰探测时以较长的时间间隔来获取图像，从而节省结冰探测器的能耗。

较佳地，在结冰探测元件中还可埋设有加热元件，控制器可通过有线或无线的方式与该加热元件相连接。由此，可由控制器来控制该加热元件。通过设置该加热元件，可以在进行结冰探测之前先对结冰探测元件进行预加热，从而更准确地获取为结冰的图像，以作为参考图像；或者，也可在探测到结冰条件并发出结冰信号一段时间之后，清除凝结在结冰探测器上的冰，以便于之后继续进行结冰条件探测。

在一种具体实施结构中，结冰探测器包括两个结冰探测元件，分别为第一结冰探测元件和第二结冰探测元件，其中，第一结冰探测元件中设置有第一温度传感器，第二结冰探测元件中设置有第二温度传感器，第一图像是图像获取组件采集到的第一结冰探测元件的表面的图像，第二图像是图像获取组件采集到的第二结冰探测元件的表面的图像。

由此，可以通过比较第一结冰探测元件和第二结冰探测元件的图像差异，来进行结冰条件的探测。

较佳地，在第一结冰探测元件和第二结冰探测元件之间设置有隔绝件。由此避免第一结冰探测元件和第二结冰探测元件之间的互相干扰。

进一步较佳地，对应于第一结冰探测元件和第二结冰探测元件，包括两个图像获取组件，分别对第一结冰探测元件和第二结冰探测元件的表面进行图像采集。这样可提高图像的采集精度。当然，若只采用一个图像获取组件来同时采集第一和第二结冰探测元件的表面图像，同样可实现本发明的目的。

在另一种具体实施结构中，包括一个结冰探测元件，并且第一图像是基准图像，第二图像是在采集到了基准图像之后所采集到的实时图像。其中，基准图像可以以多种方式来设定，例如可以是温度传感器首次检测到接近冰点的温度时采集到的图像，或者，可以在采集到的实时图像和基准图像之间的差异值小于预定的阈值时，用新采集到的实时图像替代原来的基准图像，作为新的基准图像。

通过只设置一个结冰探测元件，该结构可适用于安装区域比较狭小的情形。

较佳地，结冰探测元件为透明元件。透明元件的设定可便于图像获取组件采集结冰探测元件的表面或表面附近的图像。

较佳地，在结冰探测元件中设有发光元件。该发光元件可以对图像采集区域进行照明，以使采集到的图像更加清晰。

较佳地，结冰探测元件的表面为粗糙表面。更具体地说，在结冰探测元件的表面上设置呈规则形状的表面特征部，表面特征部的形状为以下类型中的一种：连续的同心圆、连续的矩形、连续的菱形、不连续的凸起或它们的组合。

图像获取组件的一种较佳结构包括至少一个光纤传感器，该光纤传感器的一端连接在所述结冰探测元件上，例如埋设在结冰探测元件中，或者一体形成在结冰探测元件中，光纤传感器的另一端形成光纤束。

由光纤传感器构成的图像获取组件具有运行可靠性和使用寿命的优点。

本发明还涉及一种使用如上所述的结冰探测器来探测结冰条件的方法，该方法包括如下步骤：

a. 在遭遇结冰条件之前，由温度传感器以预定的时间间隔持续地检测结冰探测元件的表面或表面附近的温度；

b. 当温度传感器检测到的温度达到接近冰点温度的预设温度之后，启动图像获取组件，以采集第一图像和第二图像；

c. 比较第一图像和第二图像，并得出第一图像和第二图像之间的差异性；以及

d. 当差异性的值大于第一阈值时，发出结冰信号；

其中，在步骤c中，当差异性的值小于第二阈值但大于第三阈值时，将采集第一图像和第二图像的时间间隔变更为第二时间间隔，其中，第一阈值大于第二阈值，而第二阈值大于第三阈值，且第二时间间隔小于第一时间间隔。。

在此，举例来说，以上所提到的预设温度可以例如为1℃或2℃，第二时间间隔可为2s，第一～第三阈值可分别为20％、10％和5。。

较佳地，本发明的结冰探测器还可用来持续地检测是否存在结冰条件，为此，上述方法还可进一步地包括：

e. 在发出结冰信号之后，启动加热元件，以使所凝结的冰融化或脱落；

f. 停止加热元件，回到步骤b，并循环进行步骤b～f；以及

g. 通过预设程序或人工操作来终止对结冰条件的探测。

此处，第一时间间隔可例如为5s。

此外，步骤f还可较佳地包括将采集所述第一图像和所述第二图像的时间间隔变更为第三时间间隔，其中所述第三时间间隔小于所述第二时间间隔。在此，第三时间间隔可例如为1s。

进一步地，在结冰探测器包括两个结冰探测元件的情形中，即，当包括第一结冰探测元件和第二结冰探测元件时，上述步骤b还可包括：

b1. 当检测到第一结冰探测元件和第二结冰探测元件中的至少一个的表面温度达到预设温度之后，启动图像获取组件，获取图像；以及

b2. 使第一结冰探测元件中的加热元件工作，将第一结冰探测元件的表面温度保持在冰点以上，防止第一结冰探测元件的表面结冰，将从第一结冰探测元件的表面采集到的图像作为第一图像；以及，使第二结冰探测元件中的加热元件不工作，从而第二结冰探测元件的表面在遭遇结冰条件后会结冰，将从第二结冰探测元件的表面采集到的图像作为第二图像；

而在步骤e中，启动第二结冰探测元件中的加热元件，以使凝结在第二结冰探测元件的表面上的冰融化或脱落。

从另一方面来说，在结冰探测器只包括一个结冰探测元件的情形中，步骤b还可包括：

b3. 当检测到结冰探测元件的表面或表面附近的温度达到预设温度之后，启动图像获取组件，采集结冰探测元件的表面或表面附近的图像，作为第一图像，第一图像充当基准图像。

较佳地，在步骤c中，当所述差异性低于所述第三阈值时，将所获得的所述第二图像替代所述第一图像作为新的基准图像。

在结冰探测器包括一个结冰探测元件的情形中，结冰探测器可两种安装方式，即安装在撞击区或不安装在撞击区中。其中，在结冰探测器安装在撞击区的情形中，结冰探测器的结冰探测元件的表面面向气流，且第一图像和第二图像为结冰探测元件的表面的图像。而在结冰探测器不安装在撞击区的情形中，结冰探测器的结冰探测元件的表面与气流的流向平行，且第一图像和第二图像为掠过结冰探测元件的表面的水滴的图像。

附图说明

图1示出了安装有本发明的结冰探测器的结冰表面，该结冰表面例如为飞机机翼的表面。

图2a示出了本发明的第一实施例的结冰探测器的结构示意图，其中图像获取组件为摄像头。

图2b示出了本发明的第一实施例的结冰探测器的另一结构示意图，其中图像获取组件为光纤传感器组件。

图3示出了在图2a、2b所示的结冰探测器的结冰探测元件的表面上结冰的示意图。

图4示出了第一实施例的结冰探测器的结冰探测元件的表面上的表面特征部的一种形式。

图5示出了第一实施例的结冰探测器的结冰探测元件的表面上的表面特征部的另一种形式。

图6示出了第一实施例的结冰探测器的操作方式的流程图。

图7示出了本发明的第二实施例的结冰探测器的结构示意图，其中结冰探测器安装在撞击区中。

图8示出了本发明的第二实施例的结冰探测器的另一结构示意图，其中结冰探测器安装在非撞击区中。

图9a示出了本发明的第二实施例的结冰探测器的结构示意图，其中图像获取组件为摄像头。

图9b示出了本发明的第二实施例的结冰探测器的另一结构示意图，其中图像获取组件为光纤传感器组件。

图10a示出了第二实施例的结冰探测器的结冰探测元件的表面上的表面特征部的一种形式。

图10b示出了第二实施例的结冰探测器的结冰探测元件的表面上的表面特征部的另一种形式。

图11示出了第二实施例的结冰探测器的操作方式的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施方式进行描述。应当理解，图中所示的只是本发明的优选实施方式，相关领域中的技术人员可以对其中的细节作各种等效的变化、改型和组合，而这些都在本发明所要求的保护范围之内。

<第一实施例>

图1示出了安装有本发明的结冰探测器1的结冰表面2。其中，图1中将该结冰表面2显示为飞机的机翼，但本领域技术人员可以知道，该结冰探测器1也可用于其他应用场合，例如用于冬季公路路面、风力发电机、输电线路等等。本发明的结冰探测器1适于齐平地安装在诸如飞机机翼之类的结冰表面2上。

图2a示出了本发明的第一实施例的结冰探测器1的结构示意图。如图2a所示，结冰探测器1包括第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20。当遇到具备结冰条件的气流时，在第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20中的至少一个的表面上会结冰。例如在图3显示的是在第二结冰探测元件20的表面上凝结有冰3。此外，较佳地，第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20的表面可与结冰表面齐平地安装，从而如图3所示的那样与具备结冰条件的气流A直接接触。

在第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20之间设置有隔绝件30，该隔绝件30例如可为绝热绝缘的间隔条，由此阻隔第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20之间的热和电的传导。

在第一结冰探测元件10上设置有第一温度传感器11，第一温度传感器11可用来监测第一结冰探测元件10的表面温度。该第一温度传感器11例如可以嵌设在第一结冰探测元件10中，并且可以是例如微型温度传感器。在第一结冰探测元件10中还优选地埋设有加热元件，例如图中所示的第一电加热膜13，该第一电加热膜13能够对第一结冰探测元件10进行加热，以使第一结冰探测元件10保持在所需要的温度下，或者，该第一电加热膜13也可以用于在第一结冰探测元件10上结冰之后对第一结冰探测元件10加热，以使凝结在第一结冰探测元件10上的冰融化或脱落。

类似地，在第二结冰探测元件20中设置有第二温度传感器21，用于监测第二结冰探测元件20的表面温度。第二温度传感器21的设置方式可与第一温度传感器11相同，即，可嵌设在第二结冰探测元件20中，并且也可以是一个微型温度传感器。并且，在第二结冰探测元件20中也可优选地埋设有诸如图中所示的第二电加热膜14之类的加热元件，以用于对第二结冰探测元件20进行加热，使第二结冰探测元件20保持在所需要的温度下，或者使凝结在第二结冰探测元件20上的冰融化或脱落。

进一步地，虽然图中显示在第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20的每一个中都只设置一个温度传感器，但也可根据需要，例如出于提高测量精度的考虑等，在第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20中的至少一个上设置多于一个的温度传感器。

本发明的结冰探测器1还包括图像获取组件40，该图像获取组件40例如为微型照相机、摄像头、光传感器等。在图2a所示的示例性结构中，该图像获取组件40为摄像头，其对准第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20，用以获取第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20的表面上的图像。较佳地，结冰探测器1可以只包括一个图像获取组件40，该图像获取组件40被设置成可以同时获取第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20的表面上的图像。

或者，也可以对应于第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20设置两个图像获取组件40，分别用于获取第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20的表面上的图像。并且，在一种较佳的设置中，两个图像获取组件40的设置参数也可不同。例如，可以将第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20中的一个的操作方式设定为不加热，此时，可以将与之相对应的图像获取组件40的图像采集时间延长；同时，可对第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20中的另一个进行加热，使其表面上不结冰，相应地，与之相对应的图像获取组件40的采集时间可以缩短。这样，可以减少不必要的图像采集时间，以节约能源。

当然，也可根据需要针对第一结冰探测元件10或第二结冰探测元件20之一或每一个设置两个或更多的图像获取组件40。此外，也可以根据需要在第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20的基础上进一步设置附加的结冰探测元件，这也在本发明的保护范围之内。

图2b示出了第一实施例的结冰探测器1的另一种示例性结构，其中，作为对图2a中的摄像头形式的图像获取组件40的替代方案，图2b中的结冰探测器1的图像获取组件40呈光纤传感组件的形式。具体来说，在第一结冰探测元件10上连接有至少一个、较佳地多个第一光纤传感器41，具体较佳地是第一光纤传感器41的一端埋设或一体形成在第一结冰探测元件10中。相应地，以相同方式，在第二结冰探测元件20上连接有至少一个、较佳地多个第二光纤传感器42。这些第一光纤传感器41和第二光纤传感器42的另一端会聚到一起，形成光纤束43。该光纤束43可收集从第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20上的第一/第二光纤传感器41、42得到的相关结冰表面上的图像。该光纤传感器组件形式的图像获取组件40具有能耗低的优势。并且，各光纤传感器可以集成在第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20的透明元件中，从而避免在空中的低温条件下因起雾而难以成像或无法工作的问题，进而提高结冰探测器1的运行可靠性和使用寿命。

第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20较佳地包括透明元件，从而特别是其结冰表面由透明材料构成，这样可以更加有利于图像获取组件40获取第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20的表面的图像。

较佳地，可以将第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20的表面设置成粗糙表面，这一方面使得第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20的表面更容易结冰，从而使结冰探测器1对结冰条件更加敏感，另一方面，该粗糙表面也有助于图像获取组件40对第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20的表面进行识别。

粗糙表面可以通过多种方式来实现，例如，可以在第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20的表面上形成表面特征部22。该表面特征部22可以是规则的形状，比如同心圆、矩形、菱形等，例如，图4中示出了形成在第二结冰探测元件20的表面上的呈矩形的表面特征部22。

表面特征部22也可为断续的凸起，例如图5中示出，在第二结冰探测元件20的表面上形成有多个离散的凸起所构成的阵列，以构成第二结冰探测元件20上的表面特征部22。

表面特征部22可有利于紊流的形成，从而促进各结冰探测元件的结冰表面上的结冰。

在图4和5中只在第二结冰探测元件20的表面上显示出表面特征部22，不过本领域技术人员可知，在第一结冰探测元件10上也可形成有表面特征部22。此外，除了图中所示出的规则形状之外，表面特征部22也可以是不规则的形状。

为了能够更好地帮助图像获取组件40对第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20的表面进行图像采集，可以在第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20内设置发光单元，对第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20的表面进行照明，从而更清楚地显现出第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20的表面情况。例如，在第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20为透明材料的情形中，可以在第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20中嵌设LED元件23阵列（见图2a）。进一步地，可为LED元件23阵列配置光敏传感器，以调节LED元件23的发光强度。

回到图2a，结冰探测器1还包括控制器50，该控制器50与第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20中的加热元件相连接，以控制该加热元件的发热。控制器50与加热元件之间可通过电缆连接。控制器50还可与第一温度传感器11和第二温度传感器21相连接，接收第一温度传感器11和第二温度传感器21所检测到的第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20的表面温度。进一步地，控制器50还与图像获取组件40相连接，用于控制图像获取组件40，对第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20的表面进行图像采集。控制器50与第一温度传感器11、第二温度传感器21和图像获取组件40之间可通过信号线连接。

除了以上提到的电缆、信号线等有线连接方式之外，控制器50与加热元件、第一温度传感器11、第二温度传感器21和图像获取组件40之间的连接也可以无线方式来实现。因此，在图2a中，以虚线来表示控制器50与其他部件之间的连接。

虽然未在图2b中示出，但本领域技术人员可以知道，在图2b所示的构造中同样可以包括控制器50。此外，在附图所示的结构中只示意性地示出了一个控制器50，不过本领域技术人员可知，也可设置多个控制器，分别用于接收温度信息、控制加热元件、控制图像获取组件40等，而且这些控制器之间也可以是互相联通的。

下面将结合图6示出的流程图来具体描述第一实施例的结冰探测器1的操作方法：

一开始，结冰探测器1未处于结冰条件中，例如是在干空气中，因此第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20的表面上都没有结冰，为清洁表面，即，第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20的表面呈基本相同的特征。在此过程中，第一结冰探测元件10的第一温度传感器11和第二结冰探测元件20的第二温度传感器21对第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20上的表面温度进行检测。该温度检测是以预定的时间间隔持续进行。

当检测到第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20中至少一个的表面温度T降低到邻近冰点的预设温度T₀，例如降低到1℃或以下、或者2℃或以下时，表明有可能存在结冰的风险，此时进入步骤S1。在此步骤S1中，第一电加热膜13例如通过控制器50的控制启动，将第一结冰探测元件10的表面温度维持在冰点以上，例如30℃或以上。这可确保持第一结冰探测器10的表面清洁，不结冰。同时，第二电加热膜14不工作。

此后，进入步骤S2，其中，控制器50启动图像获取组件40，对第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20的表面进行图像采集。该图像采集可以以第一时间间隔t₁（比如5s）来进行。在图像获取组件40采集到第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20的表面图像之后，比较第一结冰探测元件10的表面图像和第二结冰探测元件20的表面图像。

可选地，若第一结冰探测元件10的表面图像和第二结冰探测元件20的表面图像之间的差异性的值V高于阈值V₁但低于阈值V₂时，进入步骤S3，将图像获取的时间间隔调整为第二时间间隔t₂，该第二时间间隔小于第一时间间隔t₁，比如可以是2s。在该情形中，差异性的值V高于阈值V₁但低于阈值V₂表明虽然未达到结冰条件，但已经接近该结冰条件，此时，将图像获取的时间间隔调整为较小的第二时间间隔，可在达成结冰条件时，更加准确和即时地探测到该结冰条件，减少甚至避免延迟报警的发生。而从另一方面来说，通过设置该时间间隔的调整功能，可以在离达到结冰条件还有一定差距的时候以较长的时间间隔来获取图像，有利于节约能耗。

进一步地，若第一结冰探测元件10的表面图像和第二结冰探测元件20的表面图像之间的差异性的值V高于阈值V₃时，其中阈值V₃大于阈值V₂，则判定处于结冰条件，进入步骤S4，发出结冰信号。结冰信号可以按需要持续一段时间，例如可以在除冰期间以及在除冰之后进行下一次结冰探测之前持续发出结冰信号。在此，该结冰信号可以是声音信号、光信号等。

此处，所谓的“差异性”可以参照第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20的表面上的清洁表面的面积来确定。例如，当第二结冰探测元件20的表面上结冰时，第二结冰探测元件20上的清洁表面会减少，比较第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20上的清洁表面的比值，可确定第一结冰探测元件10的表面和第二结冰探测元件20的表面之间的差异性。进一步地，差异性的阈值V₁~V₃可以基于具体的机型、飞行条件等情况来设定，例如可将这些阈值分别设定为5％、10％、20％等。

基于该结冰信号，例如飞行员之类的飞机上的工作人员可采取防冰措施，以防止结冰或去除结冰表面上已凝结的冰。

本发明的结冰探测器1还可用于持续地进行结冰条件的探测。具体来说，在上述步骤S4中，当发出的结冰信号之后，开启第二结冰探测元件20中的第二电加热膜14，将第二结冰探测元件20的表面加热到冰点以上，例如加热到2℃以上，并持续一段时间，例如持续20s，以确保凝结的冰能够融化或脱落，从而去除凝结在第二结冰探测元件20表面上的冰。

在除冰之后，将获取图像的时间间隔调整为第三时间间隔t₃，该第三时间间隔t₃小于第二时间间隔t₂，例如为1s。

接着，回到步骤S2，并循环进行步骤S2-S4，以持续地探测是否存在结冰条件。

最后，若要结束结冰探测器1对结冰条件的探测，可以通过预设程序或者人工操作来终止对结冰条件的持续探测，例如，在飞机的结冰条件探测的应用场合，可在预设程序中将结冰探测器1设置成当飞机着陆之后停止结冰条件探测的操作，也可以在飞机着陆之后手动地停止结冰探测。

<第二实施例>

图7和8示出了本发明的第二实施例的结冰探测器100的示意图，其中图7显示该结冰探测器100安装在撞击区，即，该结冰探测器100的结冰探测元件110的表面面向可能具备结冰条件的气流A，例如与气流A相垂直，或者，该结冰探测器100也可不安装在撞击区，即，该结冰探测器100的结冰探测元件110的表面与气流A的流向大致平行，如图8所示。如图7和8所示，结冰探测器100包括一个结冰探测元件110，在结冰探测元件110中埋设有诸如电加热膜120之类的加热元件。在结冰探测元件110中还设置有温度传感器111，该温度传感器111例如可埋设在结冰探测元件110中。

此外，以上在第一实施例中关于第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20所描述的其他特征也同样适用于第二实施例中的结冰探测元件110。

结冰探测器100还包括图像获取组件140，与第一实施例中的图像获取组件40类似，该图像获取组件140可以是微型照相机、光传感器等，例如图9a所示的摄像头或者图9b所示的光纤传感器组件（包括一个或多个光纤传感器141和光纤束142）的形式，以用于对结冰探测元件110进行图像采集。

较佳地，与第一实施例相同，结冰探测元件110也可包括透明材料，其中埋设LED元件130阵列。

结冰探测器100还包括控制器150（在图9a中示出），该控制器150通过有线或无线的方式与结冰探测元件110中的电加热膜120、温度传感器111和图像获取组件140相连接，从而控制结冰探测器100的操作。

如图10a和10b所示，在结冰探测器的结冰探测元件110的表面上也可形成表面特征部122，其形成为同心圆、菱形、矩形（图10a）等形状的凸起，或者是多个离散的凸起所构成的阵列（图10b）。

在第二实施例中，结冰探测器100只包括一个结冰探测元件110，因此其所占空间内相对较小，可用于安装区域比较狭小的场合。

下面将结合图11中所示的流程图来描述第二实施例的结冰探测器100的操作方式：

一开始，结冰探测器100未处于具备结冰条件的环境（例如气流A）中，因此结冰探测元件110的整个表面为清洁表面。此时，温度传感器111检测结冰探测元件110的温度，例如结冰探测元件110的表面或其表面附近的温度。该温度传感器111所检测到的温度值可例如传送至控制器150。

当温度传感器111探测到结冰探测元件110的表面或表面附近的温度T降低到邻近冰点的预设温度T₀，例如降低到1℃或以下、或者2℃或以下，表明存在结冰风险，进入步骤S1’。在该步骤中，例如通过控制器150来启动图像获取组件140。接着，在步骤S2’中，由图像获取组件140获取结冰探测元件110的清洁表面的图像（在图7所示的结冰探测器100安装在撞击区的情形中），或者获取掠过结冰探测元件110的表面的水滴图像（在图8所示的结冰探测器100不安装在撞击区的情形中）。将图像获取组件140此时获取的图像作为基准图像。

接着，在步骤S3’中，以第一时间间隔t₁来采集温度传感器111的表面或表面附近的实时图像，并将该实时图像与基准图像进行比较，并确定两者之间的差异性。其中，该第一时间间隔t₁例如为5s。

接着，在步骤S4’中，若得到的差异性的值V低于阈值V₁，则保持以第一时间间隔t₁来采集实时图像，并重复进行上述图像采集和比较的操作，并将所获得的图像作为新的基准图像。可选地，若得到的差异性大于阈值V₁，而小于阈值V₂，则将采集实时图像的时间间隔缩短到第二时间间隔t₂，例如缩短到2s，并且在步骤S5’中将以第二时间间隔t2所获取的图像与最后确定的那个基准图像相比较。

当得到的相似度大于阈值V3，则进入步骤S6’，在该步骤中判定结冰探测元件110的表面上已结冰（在图7所示的结冰探测器100安装在撞击区的情形中），或者判定遭遇了结冰条件（在图8所示的结冰探测器100不安装在撞击区的情形中），并基于该判定发出结冰信号。所述的判定以及结冰信号的发出可例如由控制器150来完成。该结冰信号可持续较长的时间，例如在进行除冰期间以及进行下一次探测之前持续地发出结冰信号，具体地例如为60s。

从以上所描述的步骤可见，以上所述的阈值V₁～V₃的关系是：V₁>V₂>V₃。

同样地，在该第二实施例的结冰探测器100的运行过程中，也可持续地进行结冰探测。即，在上述步骤S6’发出的结冰信号之后，例如由控制器150来控制结冰探测元件110中的电加热膜120运行，对结冰探测元件110进行加热，以使结冰探测元件110的温度上升并保持在冰点以上的一个温度中，例如1℃，较佳地为2℃。由此，在图7所示的结冰探测器100安装在撞击区的情形中，使结冰探测元件110表面上凝结的冰融化或脱落，或者，在图8所示的结冰探测器100不安装在撞击区的情形中，使掠过结冰探测元件110表面的水滴的实时图像恢复成与参考图像相同，或者说差异性达到或接近0％。为确保积冰溶化或被去除，电加热膜120持续运行一段时间，例如20s。

接着，回到步骤S4’，并重复进行步骤S4’～S6’，由此实现持续地检测是否存在结冰条件。

最后，可以通过预设程序或者通过人工操作结束对结冰条件的探测。例如在飞机飞行过程中的结冰探测的情形中，设定飞机着陆时停止结冰探测。

Claims (14)

1.一种结冰探测器，其特征在于，所述结冰探测器包括：

至少一个结冰探测元件，所述结冰探测元件中设置有温度传感器；

至少一个图像获取组件，所述图像获取组件被设置成，对准所述结冰探测元件，用于对所述结冰探测元件的表面进行图像采集；以及

至少一个控制器，所述控制器通过有线或无线的方式与所述温度传感器和所述图像获取组件相连接，且所述控制器被设置成，控制所述图像获取组件来采集第一图像和第二图像，并能够通过比较所述第一图像和所述第二图像来确定是否存在结冰条件；

其中，所述至少一个结冰探测元件包括第一结冰探测元件和第二结冰探测元件，其中，所述第一结冰探测元件中设置有第一温度传感器，所述第二结冰探测元件中设置有第二温度传感器，所述第一图像是所述图像获取组件采集到的所述第一结冰探测元件的表面的图像，所述第二图像是所述图像获取组件采集到的所述第二结冰探测元件的表面的图像。

2.如权利要求1所述的结冰探测器，其特征在于，在所述结冰探测元件中埋设有加热元件，所述控制器通过有线或无线的方式与所述加热元件相连接。

3.如权利要求1所述的结冰探测器，其特征在于，在所述第一结冰探测元件和所述第二结冰探测元件之间设置有隔绝件。

4.如权利要求1所述的结冰探测器，其特征在于，包括两个所述图像获取组件，分别对所述第一结冰探测元件和所述第二结冰探测元件的表面进行图像采集。

5.如权利要求1～4中任一项所述的结冰探测器，其特征在于，所述结冰探测元件为透明元件。

6.如权利要求5所述的结冰探测器，其特征在于，在所述结冰探测元件中设有发光元件。

7.如权利要求1～4中任一项所述的结冰探测器，其特征在于，所述结冰探测元件的表面为粗糙表面。

8.如权利要求7所述的结冰探测器，其特征在于，在所述结冰探测元件的表面上设置呈规则形状的表面特征部，所述表面特征部的形状为以下类型中的一种：连续的同心圆、连续的矩形、连续的菱形、不连续的凸起或它们的组合。

9.如权利要求1～4中任一项所述的结冰探测器，其特征在于，所述图像获取组件包括至少一个光纤传感器，所述光纤传感器的一端连接在所述结冰探测元件上，另一端形成光纤束。

10.使用如权利要求1所述的结冰探测器来进行结冰探测的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

a. 在遭遇结冰条件之前，由所述温度传感器以预定的时间间隔持续地检测所述结冰探测元件的表面或表面附近的温度；

b. 当所述温度传感器检测到的温度达到接近冰点温度的预设温度之后，启动所述图像获取组件，以第一时间间隔采集所述第一图像和所述第二图像；

c. 比较所述第一图像和所述第二图像，并得出所述第一图像和所述第二图像之间的差异性；以及

d. 当所述差异性的值大于第一阈值时，发出结冰信号。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，在所述结冰探测元件中埋设有加热元件，所述控制器通过有线或无线的方式与所述加热元件相连接，并且所述方法还包括以下步骤：

e. 在发出结冰信号之后，启动所述加热元件，以使所凝结的冰融化或脱落；

f. 停止所述加热元件，回到步骤b，并循环进行步骤b～f；以及

g. 通过预设程序或人工操作来终止对结冰条件的探测。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，在步骤c中，当所述差异性的值小于第二阈值但大于第三阈值时，将采集所述第一图像和所述第二图像的时间间隔变更为第二时间间隔，其中，所述第一阈值大于所述第二阈值，所述第二阈值大于所述第三阈值，且所述第二时间间隔小于所述第一时间间隔。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，步骤f还包括将采集所述第一图像和所述第二图像的时间间隔变更为第三时间间隔，其中所述第三时间间隔小于所述第二时间间隔。

14.如权利要求10～13中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤b包括：

b1. 当检测到所述第一结冰探测元件和所述第二结冰探测元件中的至少一个的表面温度达到所述预设温度之后，启动所述图像获取组件，获取图像；以及

b2. 使所述第一结冰探测元件中的所述加热元件工作，将所述第一结冰探测元件的表面温度保持在冰点以上，防止所述第一结冰探测元件的表面结冰，将从所述第一结冰探测元件的表面采集到的图像作为第一图像；以及，使所述第二结冰探测元件中的所述加热元件不工作，从而所述第二结冰探测元件的表面在遭遇结冰条件后会结冰，将从所述第二结冰探测元件的表面采集到的图像作为第二图像；

并且，在步骤e中，启动所述第二结冰探测元件中的所述加热元件，以使凝结在所述第二结冰探测元件的表面上的冰融化或脱落。