CN114001670A - 一种基于电脉冲除冰的红外热波冰形检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电脉冲除冰的红外热波冰形检测方法，解决了目前积冰探测与防除冰技术整体不够优化，其技术方案要点是通过启动总开关，先通过低电压积冰冰形探测，得到积冰红外热像图，分析得到原始积冰冰形，并根据图像质量判定工作模式进行对应探测或除冰，实时跟踪碎冰状态预测碎冰运动轨迹并进行工作模式指导，本发明的一种基于电脉冲除冰的红外热波冰形检测方法，能实现电脉冲除冰和积冰探测一体化，系统布局更优化。

Description

一种基于电脉冲除冰的红外热波冰形检测方法

技术领域

本发明涉及航空航天装置防除冰技术，特别涉及一种基于电脉冲除冰的红外热波冰形检测方法。

背景技术

结冰会影响飞机的气动性能，给飞机造成安全隐患。因此，结冰及防除冰问题一直是研究的热点。飞机积冰冰形的确定是飞机设计和适航取证阶段的重要依据，一般采用工程估算、实验研究和数值模拟等方法。结冰冰形常用的测量方法包括描迹法、铸模法、被动式的可见光测量法、主动式的激光扫描、三维扫描、近红外扫描等。飞机除冰技术种类繁多，其中飞机电脉冲除冰系统是一种机械除冰方式。飞机电脉冲除冰系统的工作原理是通过电路对导线线圈产生脉冲电流，在积冰-蒙皮表面产生涡流电，从而产生瞬态电磁力，该力是冰层去除的主要动力。但目前结冰探测与防除冰技术大多系统各自独立，整体不够优化，还有待改进的空间。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电脉冲除冰的红外热波冰形检测方法，能实现电脉冲除冰和积冰探测一体化，系统布局更优化。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种基于电脉冲除冰的红外热波冰形检测方法，包括有以下步骤：

启动系统总开关，先启动低电压作为红外主动激励，通过红外热成像装置进行原始积冰检测获得原始积冰红外热像图，分析得到原始积冰冰形；

通过积冰红外热像图的质量判定工作模式，当判定为无需除冰需求时，电脉冲除冰装置启动原始积冰探测模式，按照设定周期间歇性监测除冰需求；当判定为除冰需求时，增加电脉冲除冰装置的输入电压进入除冰工作状态，并在完成除冰后进入除冰等待状态，等待下一次除冰工作；

红外热成像装置跟踪记录碎冰状态，根据碎冰状态预测碎冰运动轨迹并显示跟踪结果，判定积冰的残留状态，以确定除冰位置及控制输入电压量，指导后续积冰探测和除冰动作的发生。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

通过红外热成像装置进行探测，电脉冲除冰装置进行除冰工作，电脉冲除冰与积冰探测的一体化，既能适时监测积冰情况，又能实时完成防除冰工作，同时还根据冰形情况调节电压大小以达到节能及优化系统布局，整体更加优化。

附图说明

图1为本检测方法的实验系统示意框图；

图2为本检测方法的流程示意图；

图3为冰形轮廓分析流程流程图；

图4为冰形厚度反演流程图；

图5为工作模式电压阈值计算流程图；

图6为碎冰轨迹跟踪流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

根据一个或多个实施例，公开了一种基于电脉冲除冰的红外热波冰形检测方法，如图1所示，包括有对积冰进行图像采集的红外热成像装置、对获取的图像进行处理及控制的图像处理控制系统、受控于图像处理控制系统对积冰进行处理的电脉冲除冰装置。进行实验时，还包括有用于制造提供积冰实验环境的制冷控制系统。

红外热成像装置为用于采集积冰红外图像的红外热像仪，将探测采集的积冰红外图像传输至图像处理控制系统，图像处理控制系统对原始冰形进行分析，分析包括有积冰轮廓识别、积冰厚度值反演的定量识别、积冰结构三维重建。积冰轮廓识别基于Canny与PCA主成分分析进行积冰外围轮廓识别，基于能量积分法进行不规则积冰内部界线识别，运用几何传热学反问题研究法反演求解积冰几何厚度，再综合移动立方体的面绘制法实现积冰的三维结构重建。

如图2所示，包括有以下步骤：

启动系统总开关，先启动低电压作为红外主动激励，通过红外热成像装置进行原始积冰检测获得原始积冰红外热像图，通过原始积冰分析得到原始积冰冰形；

通过积冰红外热像图的质量判定工作模式，当判定为无需除冰需求时，电脉冲除冰装置启动原始积冰探测模式，按照设定周期间歇性监测除冰需求；当判定为除冰需求时，增加电脉冲除冰装置的输入电压进入除冰工作状态，并在完成除冰后进入除冰等待状态，等待下一次除冰工作；

红外热成像装置跟踪记录碎冰状态，根据碎冰状态预测碎冰运动轨迹并显示跟踪结果，判定积冰的残留状态，以确定除冰位置及控制输入电压量，指导后续积冰探测和除冰动作的发生。

通过指示灯进行工作模式指示，工作模式包括低电压下的原始积冰探测模式与高电压下的除冰与碎冰跟踪模式，当除冰指示灯非亮显时，电脉冲启动模式一：低电压下的积冰冰形探测，间歇地适时监测除冰需求；当指示灯显示为除冰需求时，增加电脉冲除冰系统输入电压使其进入模式二：高电压下的除冰及碎冰跟踪，确定积冰去除情况及碎冰轨迹。，增加电脉冲除冰系统输入电压使其进入除冰工作状态，同时红外热像仪记录瞬态的积冰冰层热分布，并判定积冰的残留情况，以此控制电压的输入量及确定闪光激励开启与否。根据积冰残留状态进一步判定模式一和二的选择。

原始积冰分析具体为基于Canny与PCA主成分分析进行积冰外围轮廓识别，基于能量积分法进行不规则积冰内部界线识别，运用集合传热学反问题研究法反演求解积冰几何厚度，综合移动立方体的面绘制法实现积冰的三维结构重建，得到积冰冰形。

其中，如图3所示，积冰边缘轮廓包括积冰外围轮廓和积冰表面的界线轮廓。由于积冰区与待防护区两种物性存在很大差异，积冰的外围轮廓即长度和宽度方向可以运用以一阶微分和二阶微分为基础的边缘检测方法进行积冰与外围界面轮廓的识别，如利用主成分分析法(PCA)从红外热图序列中抽取可以表征积冰特征的主成分，用以去除噪声和一些非重要特征。再运用Canny边缘检测算子从积冰蒙皮的红外热图序列主成分中提取边缘，以获得蒙皮上积冰区域外围轮廓。不同于积冰区与待防护区两者存在较大的物性差异，积冰表面若出现阶跃或屋脊等界线，用上述外围轮廓检测方法很难直接读取该界面。拟采用从积分角度出发、计算不连续处局部能量值的边缘检测方法，该方法可避免基于微分检测算法对光滑区域的要求。在灰度值图像分断面处计算以某个像素点为中心的像素灰度值标准方差，给定并比较局部能量函数与局部能量阈值的差值，从而判定出该积冰为不均匀厚度时积冰类型。

如图4所示，积冰厚度反演，在完成积冰的边缘检测后，进一步分析红外热波检测所得的积冰温度分布信息，运用分散模糊推理法重点解决积冰厚度传热反问题以实现定量识别积冰厚度，即目标函数是在划分的区域内测点处的测量温度与给定厚度进行温度计算所得的计算值之间的偏差，则在脉冲时长(KΔt)内第i个区域第n个测点位置的温度标准偏差为：

式中，K为脉冲时长内待反演厚度值位置处所对应的测量温度值的个数，Δt为离散时长，

和

分别为第k个时间点的测量及计算温度值。以测量点对应时间与位置处的计算温度与测量温度的偏差e_k,n,i作为推理系统的输入：

厚度补偿ζ_i为输出值，反演求解积冰厚度。

根据上述思路，具体步骤为，根据积冰边缘检测结果按边缘将积冰划分为若干个区域，按区域预测待反演厚度，再根据估测值建立积冰三维模型，同时正传热求解获得计算温度值；同时将测量得到的积冰红外温度值与计算值相比较，当满足规定偏差时则认为厚度范围完成，否则继续重复预估与建模步骤直至获得最优厚度值。

在获得积冰轮廓和厚度数据后，为进一步更直观显示积冰形状，对检测冰形进行三维重建工作，拟采用基于移动立方体(MC)的面绘制法，其优点在于重建效率高，所需数据量少，可满足在线快速监测需求。

不同工作模式下，如图5所示，电压的输出控制具体为：

基于积冰几何建模，输入激励电压；

通过基于有限元多物理场耦合分析，包括电路、电磁、传热与结构场，以获得积冰界面的应力，包括积冰正应力σ和剪应力τ；

运用正应力和剪应力的冰层失效准则，利用积冰检测和除冰激励控制准则进行分析判定；

运用有限元数值模拟法进行积冰耦合模型的温度和应力正问题求解，给定电脉冲除冰系统的电压输出值，利用间接耦合法求解积冰离散单元的热应力值，通过二分法重设输出电压值；

对输出阈值进行电压容差判断，当在允许电压容差范围内时，确定输出的电压值用于积冰检测和除冰激励的能量输出阈值；反之返回有限元多物理场耦合分析，再次进行判定输出。

运用正应力和剪应力的冰层失效准则，综合考虑积冰-基板粘附特性与冰间粘结特性参数对除冰性能的影响，利用以下积冰检测和除冰激励控制准则：

式中，σ和τ分别为考虑传热效应的积冰正应力与剪应力，σ_d和σ_s分别为积冰-基板正应力粘附强度与冰间的正应力粘结强度，τ_d和τ_s分别为积冰-基板剪应力粘附强度与冰间的剪应力粘结强度，a₁、a₂、b₁和b₂为与不同冰层失效准则相关的应力系数。α积冰-基板粘附强度对积冰脱落的影响权重，按实验条件分类统计除冰状态并运用凸显对比强度的CRITIC权重法进行客观赋权。当应力值满足上式时为除冰激励输出：其中当α＝1时，整块积冰从粘附层脱落；当α＝0时，积冰从冰间部分脱落，基板上留有残冰；当0＜α＜1时，两者情况兼有。当应力值不满足上式无积冰破坏时则为积冰检测激励输出。运用有限元数值模拟法进行积冰耦合模型的温度和应力正问题求解，在边界条件、初始条件与加载载荷中充分考虑电路参数、积冰物性、基板物性、结冰环境等因素，给定电脉冲除冰系统的电压输出值，利用间接耦合法求解积冰离散单元的热应力值，再通过二分法确定用于积冰检测和除冰激励的能量输出阈值。

碎冰轨迹跟踪其优点是用于判定除冰走向以便调整除冰激励位置与除冰能量，从而为优化除冰系统布局并尽可能减少除冰对设备的二次伤害。碎冰脱落轨迹跟踪是监测积冰分裂为多个碎块目标的运动过程。如图6所示，碎冰轨迹跟踪具体为：

获取碎冰红外热像图单元数据；

采用基于帧间差分与卡尔曼滤波的检测跟踪算法，利用帧间差分法筛选处理检测目标，用质心描述每一帧中碎冰单元的相对位置；

运用卡尔曼滤波器预测各个碎冰单元在图像中的运动轨迹，采用成本函数描述轨迹位置质心和目标实际质心的距离关系，通过匈牙利算法实现目标实际位置与轨迹位置的最小化总分配成本以输出轨迹的最优匹配；

最后通过轨迹数据后处理，如删除丢失轨迹、更新已分配或未分配的轨迹，拟合质心运动路径，通过轨迹数据后处理，最终显示跟踪结果。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (5)

1.一种基于电脉冲除冰的红外热波冰形检测方法，其特征是，包括有以下步骤：

启动系统总开关，先启动低电压作为红外主动激励，通过红外热成像装置进行原始积冰检测获得原始积冰红外热像图，分析得到原始积冰冰形；

通过积冰红外热像图的质量判定工作模式，当判定为无需除冰需求时，电脉冲除冰装置启动原始积冰探测模式，按照设定周期间歇性监测除冰需求；当判定为除冰需求时，增加电脉冲除冰装置的输入电压进入除冰工作状态，并在完成除冰后进入除冰等待状态，等待下一次除冰工作；

红外热成像装置跟踪记录碎冰状态，根据碎冰状态预测碎冰运动轨迹并显示跟踪结果，判定积冰的残留状态，以确定除冰位置及控制输入电压量，指导后续积冰探测和除冰动作的发生。

2.根据权利要求1所述的基于电脉冲除冰的红外热波冰形检测方法，其特征是，对原始积冰的分析具体为：

基于Canny与PCA主成分分析进行积冰外围轮廓识别，基于能量积分法进行不规则积冰内部界线识别，运用几何传热学反问题研究法反演求解积冰几何厚度，综合移动立方体的面绘制法实现积冰的三维结构重建，得到积冰冰形。

3.根据权利要求2所述的基于电脉冲除冰的红外热波冰形检测方法，其特征是，不同模式下的电压输出控制具体为：

基于积冰几何建模，输入激励电压；

通过基于有限元多物理场耦合分析，包括电路、电磁、传热与结构场，以获得积冰界面的应力，包括积冰正应力σ和剪应力τ；

运用正应力和剪应力的冰层失效准则，利用积冰检测和除冰激励控制准则进行分析判定；

运用有限元数值模拟法进行积冰耦合模型的温度和应力正问题求解，给定电脉冲除冰系统的电压输出值，利用间接耦合法求解积冰离散单元的热应力值，通过二分法重设输出电压值；

对输出阈值进行电压容差判断，当在允许电压容差范围内时，确定输出的电压值用于积冰检测和除冰激励的能量输出阈值；反之返回有限元多物理场耦合分析，再次进行判定输出。

4.根据权利要求3所述的基于电脉冲除冰的红外热波冰形检测方法，其特征是，积冰检测和除冰激励控制准则具体为：

设定积冰监测和除冰激励控制准则，公式如下：

式中，σ和τ分别为考虑传热效应的积冰正应力与剪应力，σ_d和σ_s分别为积冰-基板正应力粘附强度与冰间的正应力粘结强度，τ_d和τ_s分别为积冰-基板剪应力粘附强度与冰间的剪应力粘结强度，a₁、a₂、b₁和b₂为与不同冰层失效准则相关的应力系数；

α为积冰-基板粘附强度对积冰脱落的影响权重，根据分类统计除冰状态并运用凸显对比强度的CRITIC权重法进行客观赋权，具体为：

当应力值满足控制准则公式时，为除冰工作模式输出：其中当α＝1时，整块积冰从粘附层脱落；当α＝0时，积冰从冰间部分脱落，基板上留有残冰；当0＜α＜1时，两种脱落情况兼有；当应力值不满足控制准则公式时，为无积冰破坏，则为积冰检测工作模式输出。

5.根据权利要求1所述的基于电脉冲除冰的红外热波冰形检测方法，其特征是，碎冰轨迹跟踪具体为：

获取碎冰红外热像图单元数据；

利用帧间差分法筛选处理检测目标，用质心描述每一帧中碎冰单元的相对位置；

运用卡尔曼滤波器预测各个碎冰单元在图像中的运动轨迹，采用成本函数描述轨迹位置质心和目标实际质心的距离关系，通过匈牙利算法实现目标实际位置与轨迹位置的最小化总分配成本以输出轨迹的最优匹配；

通过轨迹数据后处理，最终显示跟踪结果。

Images