CN115585753B - 光纤式结冰传感器及冰外部形貌的识别方法 - Google Patents

Abstract

公开一种光纤式结冰传感器及冰外部形貌的识别方法，光纤式结冰传感器包括：多组光纤通道，所述多组光纤通道的一端汇聚形成检测端面，所述检测端面与目标设备的待测表面平齐；多个检测单元，与所述多组光纤通道的另一端通信连接，用于检测所述待测表面在各组光纤通道处的冰厚信息，其中，每个检测单元各自与一组光纤通道通信连接；曲线拟合模块，与所述多个检测单元通信连接，用于根据各个检测单元得到的冰厚信息对所述待测表面的冰外部形貌进行曲线拟合。该光纤式结冰传感器能够高效地对冰外部形貌进行测量，从而精确地识别出相关部件表面的冰外部形貌。

Description

光纤式结冰传感器及冰外部形貌的识别方法

技术领域

本公开总体说来涉及结冰探测技术领域，更具体地讲，涉及一种光纤式结冰传感器及冰外部形貌的识别方法。

背景技术

结冰传感器作为防除冰系统的重要组成部分，通过直接或间接方法确定待测表面的结冰厚度、结冰速率等结冰状态信息，依此对结冰严重程度进行判定，进而为防除冰系统提供输入、保障飞机飞行安全。目前，已经成熟的结冰探测方法包括机械法、电学法、热学法、波导法等，并成功发展出磁致伸缩、超声波、平膜式等各类结冰传感器。其中，光纤式结冰传感器由于结构简单、便于安装、精度和灵敏度高、抗干扰等优势，逐渐成为相关领域的研究热点，其工程应用也越来越广泛。目前，现有的光纤式结冰传感器以单点测量为主，一般只给出待测表面结冰严重程度信息，未涉及到单点或单部件的冰外部形貌测量，无法给出结冰外部形貌信息。而实际上，结冰外部形貌信息是开展飞机结冰后气动特性预测及其分析时所需关注的重要基础信息。

发明内容

本公开提供一种光纤式结冰传感器及冰外部形貌的识别方法，从而高效地对冰外部形貌进行测量，以精确地识别出相关部件表面的冰外部形貌。

在一个总的方面，提供一种可识别冰外部形貌的光纤式结冰传感器，包括：多组光纤通道，所述多组光纤通道的一端汇聚形成检测端面，所述检测端面与目标设备的待测表面平齐；多个检测单元，与所述多组光纤通道的另一端通信连接，用于检测所述待测表面在各组光纤通道处的冰厚信息，其中，每个检测单元各自与一组光纤通道通信连接；曲线拟合模块，与所述多个检测单元通信连接，用于根据各个检测单元得到的冰厚信息对所述待测表面的冰外部形貌进行曲线拟合。

可选地，所述多组光纤通道中的任意一组光纤通道包括发射通道和接收通道，其中，所述发射通道用于将该组光纤通道对应的检测单元发射的第一信号光传输至所述待测表面，所述接收通道用于将所述待测表面的结冰中返回的第二信号光传输至所述对应的检测单元；所述对应的检测单元包括发射单元和接收单元，其中，所述发射单元用于产生所述第一信号光，并将所述第一信号光发射至所述发射通道，所述接收单元用于接收所述第二信号光，并基于所述第二信号光得到所述待测表面在该组光纤通道处的冰厚信息。

可选地，所述发射单元包括Gold编码器、驱动电源、激光器，其中，所述Gold编码器用于根据所述对应的检测单元的编号生成Gold码，并根据所述Gold码生成包含Gold码信息的本征信号，其中，任意两个检测单元的编号互不相同；所述驱动电源用于根据所述本征信号来驱动所述激光器产生所述第一信号光，以使所述第一信号光包含Gold码信息。

可选地，所述第一信号光通过以下公式来表示：

其中， i表示检测单元的编号，表示第 i个检测单元发射的第一信号光，表示第 i个检测单元的光强信号，表示第 i个检测单元对应的Gold码，表示第一信号光的载波频率， t表示时间，表示相位。

可选地，所述接收单元包括光电转换模块、信号相关模块、冰厚响应模块，其中，所述光电转换模块用于将接收到的所述第二信号光转换为第一电信号；所述信号相关模块用于对所述第一电信号和所述本征信号进行信号相关操作，以得到第二电信号；所述冰厚响应模块用于根据预先确定的冰厚响应特性曲线从所述第二电信号中提取出所述待测表面在该组光纤通道处的冰厚信息。

可选地，所述Gold编码器还用于根据所述光电转换模块的性能参数来确定所述本征信号的频率。

可选地，所述信号相关模块包括乘法器和低通滤波器，其中，所述乘法器用于对所述第一电信号和所述本征信号进行乘法操作；所述低通滤波器用于对所述乘法操作的结果进行滤波操作，以得到所述第二电信号。

可选地，所述多组光纤通道呈线型排列，所述曲线拟合模块用于根据以下多项式函数来对所述待测表面的冰外部形貌进行曲线拟合：

其中，表示坐标 x处的结冰厚度，表示多项式函数中第 m项的拟合系数， n表示多项式的总项数，其中， n为奇数。

可选地，在所述多个检测单元的数量超过7的情况下， n为5。

在另一总的方面，提供一种冰外部形貌的识别方法，包括：利用如上所述的光纤式结冰传感器，得到目标设备的待测表面的冰外部形貌的拟合曲线，并且将所述拟合曲线作为所述冰外部形貌的识别结果。

根据本公开的实施例的光纤式结冰传感器及冰外部形貌的识别方法，能够高效地对冰外部形貌进行测量，以精确地识别出目标设备相关部件的待测表面的冰外部形貌，使得到的结冰信息更加充分，从而能够为结冰后的目标设备的气动特性分析提供重要基础数据；另外，通过使检测端面与待测表面平齐，还能够避免光纤式结冰传感器对目标设备本身流场的干扰。

将在接下来的描述中部分阐述本公开总体构思另外的方面和/或优点，还有一部分通过描述将是清楚的，或者可以经过本公开总体构思的实施而得知。

附图说明

通过下面结合示出实施例的附图进行的描述，本公开的实施例的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1是示出根据本公开的实施例的光纤式结冰传感器的框图；

图2是示出根据本公开的实施例的光纤式结冰传感器的基本原理图；

图3是示出根据本公开的实施例的光纤式结冰传感器的安装示意图；

图4是示出根据本公开的实施例的冰外部形貌曲线拟合的示意图。

具体实施方式

提供下面的具体实施方式以帮助读者获得对在此描述的方法、设备和/或系统的全面理解。然而，在理解本申请的公开之后，在此描述的方法、设备和/或系统的各种改变、修改和等同物将是清楚的。例如，在此描述的操作的顺序仅是示例，并且不限于在此阐述的那些顺序，而是除了必须以特定的顺序发生的操作之外，可如在理解本申请的公开之后将是清楚的那样被改变。此外，为了更加清楚和简明，本领域已知的特征的描述可被省略。

在此描述的特征可以以不同的形式来实现，而不应被解释为限于在此描述的示例。相反，已提供在此描述的示例，以仅示出实现在此描述的方法、设备和/或系统的许多可行方式中的一些可行方式，所述许多可行方式在理解本申请的公开之后将是清楚的。

除非另有定义，否则在此使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与由本公开所属领域的普通技术人员在理解本公开之后通常理解的含义相同的含义。除非在此明确地如此定义，否则术语（诸如，在通用词典中定义的术语）应被解释为具有与它们在相关领域的上下文和本公开中的含义一致的含义，并且不应被理想化或过于形式化地解释。

此外，在示例的描述中，当认为公知的相关结构或功能的详细描述将引起对本公开的模糊解释时，将省略这样的详细描述。

下面将参照图1至图4对根据本公开的实施例的光纤式结冰传感器及冰外部形貌的识别方法进行详细描述。

图1是示出根据本公开的实施例的光纤式结冰传感器的框图。

参照图1，根据本公开的实施例的光纤式结冰传感器100可包括多组光纤通道110、多个检测单元120和曲线拟合模块130。

多组光纤通道110的一端可汇聚形成检测端面，检测端面与目标设备的待测表面平齐。这里，目标设备可以但不限于是飞行器、风力发电机组等需要进行结冰探测的设备。进一步地，多组光纤通道110可包括n组光纤通道，这里，n的取值可由本领域技术人员根据实际情况来确定，例如n为10，但本公开不限于此。

多个检测单元120可与多组光纤通道110的另一端通信连接，用于检测待测表面在各组光纤通道处的冰厚信息。这里，每个检测单元各自与一组光纤通道通信连接。进一步地，多个检测单元120的检测单元数量为n，从而与多组光纤通道110的光纤通道数量相对应，以确保每个检测单元各自与一组光纤通道通信连接。

曲线拟合模块130可与多个检测单元120通信连接，用于根据各个检测单元得到的冰厚信息对待测表面的冰外部形貌进行曲线拟合。

根据本公开的实施例，多组光纤通道110中的任意一组光纤通道可包括发射通道和接收通道。这里，发射通道可用于将该组光纤通道对应的检测单元发射的第一信号光传输至待测表面，以及接收通道可用于将待测表面的结冰中返回的第二信号光传输至对应的检测单元。进一步地，对应的检测单元可包括发射单元和接收单元。这里，发射单元可用于产生第一信号光，并将第一信号光发射至发射通道，以及接收单元可用于接收第二信号光，并基于第二信号光得到待测表面在该组光纤通道处的冰厚信息。

根据本公开的实施例，发射单元可包括Gold编码器、驱动电源、激光器（例如但不限于是LED激光器）。这里，Gold编码器可用于根据对应的检测单元的编号生成Gold码，并根据Gold码生成包含Gold码信息的本征信号。进一步地，任意两个检测单元的编号互不相同，从而各个检测单元中的Gold编码器可对应生成互不相同的Gold码。更进一步地，驱动电源可用于根据本征信号来驱动激光器产生第一信号光，以使第一信号光包含Gold码信息。

作为示例，第一信号光可通过以下公式（1）来表示：

 （1）

这里， i可表示检测单元的编号（例如但不限于是1至n内的任一数字），可表示第 i个检测单元发射的第一信号光，可表示第 i个检测单元的光强信号，可表示第 i个检测单元对应的Gold码，可表示第一信号光的载波频率， t表示时间，表示相位。

另外，在上述公式（1）中，光强信号可由可根据第 i个检测单元的激光器的硬件参数来确定；载波频率与第一信号光的波长相关联，在针对结冰检测的一种实现中，第一信号光可采用680nm至1550nm范围内的波长，从而载波频率可相应为几百THz。

根据本公开的实施例，接收单元可包括光电转换模块、信号相关模块、冰厚响应模块。这里，光电转换模块可用于将接收到的第二信号光转换为第一电信号；信号相关模块可用于对第一电信号和本征信号进行信号相关操作，以得到第二电信号；冰厚响应模块可用于根据预先确定的冰厚响应特性曲线从第二电信号中提取出待测表面在上述该组光纤通道处的冰厚信息。

在一种可能的实现中，Gold编码器还可用于根据光电转换模块的性能参数（例如但不限于是转换速率）来确定本征信号的频率，例如，可确定本征信号的频率范围在100Hz至1MHz之内。作为示例，可在光电转换模块的性能满足条件时，Gold编码器生成频率高于预设阈值的本征信号，而在光电转换模块的性能不满足条件时，Gold编码器生成频率低于预设阈值的本征信号，但本公开不限于此，本领域技术人员可根据实际情况来依据性能参数确定本征信号的频率。

进一步地，信号相关模块可包括乘法器和低通滤波器。这里，乘法器可用于对第一电信号和本征信号进行乘法操作；低通滤波器可用于对乘法操作的结果进行滤波操作，以得到第二电信号。通过信号相关模块对第一电信号和本征信号进行信号相关操作，能够避免其他光纤通道的信号干扰，有效解决了多通道检测的信号干扰问题。换言之，第一信号光包含Gold码信息，而Gold码是一种伪随机码，具有良好的自相关性和互相关特性，由于第二信号光是第一信号光在待测表面的结冰中返回的，因此第二信号光不仅包含原始的冰厚信息，还包含相应的Gold码信息，从而某个接收单元在处理相关信号时，其他光纤通道的信号光会被当作噪声信号，从而有效地避免了其他光纤通道的信号光对该接收单元的信号干扰。

根据本公开的实施例，多组光纤通道110可呈线型排列，从而曲线拟合模块130可用于根据以下多项式函数（2）来对待测表面的冰外部形貌进行曲线拟合：

 （2）

这里，可表示坐标 x处的结冰厚度，可表示多项式函数中第 m项的拟合系数， n可表示多项式的总项数，并且 n为奇数。进一步地， n的具体数值可由本领域技术人员根据实际情况来确定，例如，针对结冰风洞中的相关结冰试验，为了简化试验方案，并且节约计算资源，可在多个检测单元120的检测单元数量超过7的情况下，将 n确定为5，但本公开不限于此。

为了更好地理解本公开的上述实施例，下面结合图2至图4，以相关设备是飞行器，待测表面是机翼前缘表面为例，来进行描述。图2是示出根据本公开的实施例的光纤式结冰传感器的基本原理图；图3是示出根据本公开的实施例的光纤式结冰传感器的安装示意图；图4是示出根据本公开的实施例的冰外部形貌曲线拟合的示意图。

如图2所示，光纤式结冰传感器主要由n组光纤通道、n个检测单元以及曲线拟合模块组成，每组光纤通道包括发射通道和接收通道，每个检测单元包括发射单元和接收单元，发射单元包括Gold编码器、驱动电源和激光器，接收单元包括光电转换模块、信号相关模块和冰厚响应模块。n组光纤通道的一端汇聚形成检测端面，检测端面与机翼前缘表面平齐，以避免对飞行器流场的干扰。

如图3所示，在安装光纤式结冰传感器时，可将n组光纤通道呈线型有序排列（n个检测单元与之对应），并将检测端面平齐地安装于图示机翼部段的机翼前缘表面，从而安装好的光纤式结冰传感器能够得到二维的冰外部形貌信息。然而本公开不限于此，在另一种可能的实现中（图3未示出），也可将n组光纤通道进行阵列式地有序排列，以使n个检测单元能够检测一定面积的机翼前缘表面的冰厚信息，从而安装好的光纤式结冰传感器能够得到三维的冰外部形貌信息。

返回参照图2，根据本公开的实施例的光纤式结冰传感器在工作时，针对任意一个检测单元，可先由Gold编码器根据该检测单元的编号生成Gold码，并根据Gold码生成本征信号，而后将本征信号输入至驱动电源中，进而驱动电源控制激光器产生包含Gold码信息的第一信号光，并将第一信号光耦合至发射通道中。这里，当机翼前缘表面无冰时，第一信号光将直接入射至空气中，从而检测单元最终无输出；而当机翼前缘表面覆冰时，第一信号光会在冰层内部发生折射、反射以及散射等现象，从而返回第二信号光至接收通道中。

接下来，第二信号光经接收通道接收后，接收通道可将第二信号光传输至该检测单元的光电转换模块，光电转换模块可将第二信号光转换为第一电信号，信号相关模块可将第一电信号与Gold编码器生成的本征信号进行信号相关操作，以得到第二电信号，然后冰厚响应模块可根据预先确定的冰厚响应特性曲线，从第二电信号中提取出该检测单元对应的冰厚信息。

在此基础上，曲线拟合模块可结合各个检测单元对应的冰厚信息，通过如上所述的多项式函数（2）来对机翼前缘表面的冰外部形貌进行曲线拟合，从而得到整个光纤式结冰传感器对应的机翼前缘表面的冰外部形貌信息。

如图4所示，根据本公开的实施例的光纤式结冰传感器，能够对机翼前缘表面的真实结冰外貌进行检测，得到拟合结冰外貌，从而将拟合结冰外貌作为光纤式结冰传感器的检测结果。

根据本公开的实施例的可识别冰外部形貌的光纤式结冰传感器中的各个检测单元采用了不同Gold码对驱动电源进行调制，由于Gold码具有良好的互相关性和自相关特性，因此在特定的检测单元进行信号处理时，其他通道的信号光会被当作噪声信号，不会对特定的检测单元的信号解调造成干扰，确保了特定的检测单元只敏感于其对应的那一组光纤通道位置处的冰厚信息，进而根据本公开的光纤式结冰传感器能够高效地对冰外部形貌进行测量，以精确地识别出目标设备相关部件的待测表面的冰外部形貌，使得到的结冰信息更加充分，从而能够为结冰后的目标设备的气动特性分析提供重要基础数据；另外，通过使检测端面与待测表面平齐，还能够避免光纤式结冰传感器对目标设备本身流场的干扰。

根据本公开的实施例，还提供一种冰外部形貌的识别方法。该识别方法可利用如上所述的光纤式结冰传感器，得到目标设备的待测表面的冰外部形貌的拟合曲线，并且将拟合曲线作为冰外部形貌的识别结果。通过利用上述光纤式结冰传感器来识别相关设备表面的冰外部形貌，使得冰外部形貌的识别工作易于实施，并且能够得到更为充分的结冰信息，为结冰后的目标设备的气动特性分析提供了重要基础数据。

根据本公开的实施例的冰外部形貌的识别方法可被编写为计算机程序并被存储在计算机可读存储介质上。当所述计算机程序被处理器执行时，可实现如上所述的冰外部形貌的识别方法。计算机可读存储介质的示例包括：只读存储器（ROM）、随机存取可编程只读存储器（PROM）、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、随机存取存储器（RAM）、动态随机存取存储器（DRAM）、静态随机存取存储器（SRAM）、闪存、非易失性存储器、CD-ROM、CD-R、CD+R、CD-RW、CD+RW、DVD-ROM、DVD-R、DVD+R、DVD-RW、DVD+RW、DVD-RAM、BD-ROM、BD-R、BD-R LTH、BD-RE、蓝光或光盘存储器、硬盘驱动器（HDD）、固态硬盘（SSD）、卡式存储器（诸如，多媒体卡、安全数字（SD）卡或极速数字（XD）卡）、磁带、软盘、磁光数据存储装置、光学数据存储装置、硬盘、固态盘以及任何其他装置，所述任何其他装置被配置为以非暂时性方式存储计算机程序以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构并将所述计算机程序以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构提供给处理器或计算机使得处理器或计算机能执行所述计算机程序。在一个示例中，计算机程序以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构分布在联网的计算机系统上，使得计算机程序以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构通过一个或多个处理器或计算机以分布式方式存储、访问和执行。

虽然已表示和描述了本公开的一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本公开的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改。

Claims (8)

1.一种可识别冰外部形貌的光纤式结冰传感器，其特征在于，包括：

多组光纤通道，所述多组光纤通道的一端汇聚形成检测端面，所述检测端面与目标设备的待测表面平齐；

多个检测单元，与所述多组光纤通道的另一端通信连接，用于检测所述待测表面在各组光纤通道处的冰厚信息，其中，每个检测单元各自与一组光纤通道通信连接；

曲线拟合模块，与所述多个检测单元通信连接，用于根据各个检测单元得到的冰厚信息对所述待测表面的冰外部形貌进行曲线拟合；其中，

所述多组光纤通道中的任意一组光纤通道包括发射通道和接收通道，其中，所述发射通道用于将该组光纤通道对应的检测单元发射的第一信号光传输至所述待测表面，所述接收通道用于将所述待测表面的结冰中返回的第二信号光传输至所述对应的检测单元；

所述对应的检测单元包括发射单元和接收单元，其中，所述发射单元用于产生所述第一信号光，并将所述第一信号光发射至所述发射通道，所述接收单元用于接收所述第二信号光，并基于所述第二信号光得到所述待测表面在该组光纤通道处的冰厚信息；其中，

所述发射单元包括Gold编码器、驱动电源、激光器，其中，

所述Gold编码器用于根据所述对应的检测单元的编号生成Gold码，并根据所述Gold码生成包含Gold码信息的本征信号，其中，任意两个检测单元的编号互不相同；

所述驱动电源用于根据所述本征信号来驱动所述激光器产生所述第一信号光，以使所述第一信号光包含Gold码信息。

2.如权利要求1所述的光纤式结冰传感器，其特征在于，所述第一信号光通过以下公式来表示：

，

其中，i表示检测单元的编号，表示第i个检测单元发射的第一信号光，表示第i个检测单元的光强信号，表示第i个检测单元对应的Gold码，表示第一信号光的载波频率，t表示时间，表示相位。

3.如权利要求1所述的光纤式结冰传感器，其特征在于，所述接收单元包括光电转换模块、信号相关模块、冰厚响应模块，其中，

所述光电转换模块用于将接收到的所述第二信号光转换为第一电信号；

所述信号相关模块用于对所述第一电信号和所述本征信号进行信号相关操作，以得到第二电信号；

所述冰厚响应模块用于根据预先确定的冰厚响应特性曲线从所述第二电信号中提取出所述待测表面在该组光纤通道处的冰厚信息。

4.如权利要求3所述的光纤式结冰传感器，其特征在于，所述Gold编码器还用于根据所述光电转换模块的性能参数来确定所述本征信号的频率。

5.如权利要求3所述的光纤式结冰传感器，其特征在于，所述信号相关模块包括乘法器和低通滤波器，其中，

所述乘法器用于对所述第一电信号和所述本征信号进行乘法操作；

所述低通滤波器用于对所述乘法操作的结果进行滤波操作，以得到所述第二电信号。

6.如权利要求1所述的光纤式结冰传感器，其特征在于，所述多组光纤通道呈线型排列，所述曲线拟合模块用于根据以下多项式函数来对所述待测表面的冰外部形貌进行曲线拟合：

，

其中，表示坐标x处的结冰厚度，表示多项式函数中第m项的拟合系数，n表示多项式的总项数，其中，n为奇数。

7.如权利要求6所述的光纤式结冰传感器，其特征在于，在所述多个检测单元的数量超过7的情况下，n为5。

8.一种冰外部形貌的识别方法，其特征在于，包括：利用如权利要求1至7中任一项所述的光纤式结冰传感器，得到目标设备的待测表面的冰外部形貌的拟合曲线，并且将所述拟合曲线作为所述冰外部形貌的识别结果。

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