CN203798316U - 一种超高精度结冰探测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超高精度结冰探测装置，包括有宽带光源、光谱分析仪、光纤耦合器、镀膜光纤、光纤偏振控制器、光开关以及光纤探头，其中，所述宽带光源和光谱分析仪分别通过光纤连接至光纤耦合器同一侧的a、b两个端口；所述镀膜光纤安装在光纤偏振控制器上，并连接至光纤耦合器另一侧的c端口；所述光开关的输入端连接至光纤耦合器的d端口，其输出端连接有光纤探头。该装置能够实现对物体表面微米级厚度冰层的超高精度探测，准确预报结冰速率。此外，该装置集成度高、成本低，可实现分布式、实时探测，特别适用于飞机结冰探测，实现安全预警，并可广泛应用于其它需要对结冰状况进行探测或监测的领域。

Description

一种超高精度结冰探测装置

技术领域

本实用新型涉及光学检测的技术领域，尤其是指一种超高精度结冰探测装置。

背景技术

飞机结冰指的是飞机飞行时外表面上水分积聚冻结成冰的现象。结冰可导致飞机动力变差、失去平衡、妨碍目视飞行、影响通讯，甚至直接损坏飞机部件，给飞行安全带来重大隐患，是造成空难的主要原因之一。因此，飞机的防冰和除冰技术一直是飞机系统设计的重要课题。而高精度的结冰探测技术是机载结冰安全防护系统的关键组成部分，对于保障飞机安全飞行具有重要的意义。

目前，已有大量的传感器技术用于飞机结冰探测，主要分为以下几类：1、光学法结冰传感器，包括目测法、摄像法、红外阻断法、红外能量反射法和光纤法；2、热学法结冰传感器，包括电热法和热流法；3、电学法结冰传感器，包括电容法、电导法和导纳法；4、机械法结冰传感器，包括障碍法、压差法、谐振法；5、波导法结冰传感器，包括超声脉冲-回波法，微波谐振法，声板波法，声表面波法。

上述技术可测量的结冰厚度大多集中在0.1～5mm范围内。如英国Aerospace Composite Technologies公司研制的基于光纤法的结冰传感器可探测的冰层厚度为0.1～2mm；美国Innovative Dynamics公司研制的基于电容法的结冰传感器可探测的冰层厚度为0.5～1.5mm；美国Rosemount公司和国内华中科技大学研制的基于谐振法的结冰传感器可探测的冰层厚度分别为0.5～2mm和0.1～2mm；美国Simmonds公司研制的基于超声脉冲-回波法的结冰传感器可探测的冰层厚度为0.6～3.8mm。

在上述技术中，基于光纤法的光学传感器技术具有高灵敏度、高集成度、抗电磁干扰、信号远距离传输性能好、易于安装等优点，因而成为目前最具竞争力的新一代飞机结冰传感器，具有广阔的应用前景。

国际PCT专利“Ice detection apparatus and method”(WO2004/1100865A1)提出了一种光纤式结冰探测器，由光源、接收光纤束以及光电探测器阵列组成，通过测量冰层反射回光纤束的光信号强度推测冰层厚度。由于光信号耦合效率较低，且传感器输出电压为双值函数，因此，该方案测量范围小、测量精度低。

中国实用新型专利“光纤式结冰传感器”(CN101038183A)中提出了一种类似的装置，包括由发射光纤束和接收光纤束组成的探头，以及光源和信号检测电路，但该方案同样面临测量范围小和精度较低的问题。

中国实用新型专利“一种光纤式结冰传感器”(CN202075225U)对上述方案进行了改进，提出了一种双探头结构，包括冰厚测量探头和结冰类型识别探头，能有效识别飞机的结冰类型，但仍存在测量范围小和精度低的问题，其冰层最小检出下限约为0.1mm。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足与缺点，提供一种基于光学相干测量技术和光谱分析技术的超高精度结冰探测装置，能将冰层厚度检测下限提高至微米量级，准确预报结冰速率；在飞机飞行过程中，冰层厚度检测下限的提高意味着能够更早地进行安全预警，从而有更加充足的时间进行防冰和除冰操作，有效地降低空难发生的概率。

为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：一种超高精度结冰探测装置，包括有宽带光源、光谱分析仪、光纤耦合器、镀膜光纤、光纤偏振控制器、光开关以及光纤探头，其中，所述宽带光源和光谱分析仪分别通过光纤连接至光纤耦合器同一侧的a、b两个端口；所述镀膜光纤安装在光纤偏振控制器上，并连接至光纤耦合器另一侧的c端口；所述光开关的输入端连接至光纤耦合器的d端口，其输出端连接有光纤探头。

所述宽带光源工作在近红外波段，为脉冲光源或连续光源，其中心波长为λ_c，带宽为Δλ，冰层的折射率为n，基于该光源可获得的冰层厚度检测下限为：所述光谱分析仪能够探测到宽带光源所覆盖的工作波段，其光谱分辨率为δλ，可获得的冰层厚度检测上限为：

所述光纤耦合器为迈克尔逊结构。

所述镀膜光纤的输出端面镀高反射膜，将该光纤中传输的光束反射回光纤耦合器，并通过电动控制光纤偏振控制器的旋转来控制光束的偏振态。

所述光开关为1×N结构，N为自然数，用于将探测光束切换至指定的光纤探头。

所述光纤探头有多个，分布式安装到需探测结冰的位置。

所述光纤探头包括有准直透镜和聚焦透镜，其中，所述准直透镜和聚焦透镜同轴安装在圆形套筒中，所述聚焦透镜的焦平面位于圆形套筒的端面之外，两者之间的距离与可测量的最大冰层厚度相当，所述圆形套筒通过螺纹旋入底座，所述底座固定于被测物体表面。

由宽带光源输出的光束经过光纤耦合器后分为两束，其中一束光在镀膜光纤中传输，另一束光经光开关后传输到光纤探头，这两束光传输的光程严格相等。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本实用新型装置能够实现对物体表面微米级厚度冰层的超高精度探测，准确预报结冰速率；

2、本实用新型装置集成度高、成本低，可实现分布式、实时探测，特别适用于飞机结冰探测，实现安全预警，并可广泛应用于其它需要对结冰状况进行探测或监测的领域，如风力发电机叶片结冰监测、高压输电线路结冰监测以及高速公路路面结冰的监测等。

附图说明

图1为本实用新型所述超高精度结冰探测装置的示意图。

图2为本实用新型所述超高精度结冰探测装置中的光纤探头设计图。

图3为结冰时所测得的干涉光谱图。

图4为重建出的冰层厚度测量结果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，本实施例所述的超高精度结冰探测装置，包括有一个宽带光源1、一个光谱分析仪2、一个光纤耦合器3、一根镀膜光纤4、一个光纤偏振控制器5、一个光开关6以及三个光纤探头7、8、9。其中，所述宽带光源1和光谱分析仪2分别通过光纤连接至光纤耦合器3同一侧的a、b两个端口；所述镀膜光纤4安装在光纤偏振控制器5上，并连接至光纤耦合器3另一侧的c端口；所述光开关6的输入端连接至光纤耦合器(3)的d端口，其输出端连接三个光纤探头7、8、9。

本实用新型装置所选用的宽带光源1工作在近红外波段，可以为脉冲光源或连续光源。设其中心波长为λ_c，带宽为Δλ，冰层的折射率为n，根据光学相干测量原理，基于该光源可以获得的冰层厚度的检测下限为：

$\mathrm{\Δ}{z}_{\min }=0.44{\mathrm{\λ}}_c^2/\mathrm{n\Δ\λ}---\left(I\right)$

由上式(I)可知，本实用新型装置可获得的冰层厚度检测下限(即轴向分辨率的倒数)与光源的中心波长λ_c成正比，而与光谱带宽Δλ(取3dB带宽)成反比，因此，要获得更低的冰层厚度检测下限，所选用的宽带光源1应具有尽可能短的中心波长和尽可能宽的带宽。此外，光源中心波长的选择应避开冰和水的吸收峰，从而在检测冰层时获得尽可能强的反射光信号，提高探测灵敏度。目前常用的中心波长为830nm，1310nm，以及1550nm波段的近红外宽带光源都可以作为本实用新型装置的光源。假定这三种光源的光谱带宽都为Δλ＝50nm，冰的折射率取1.3(在不同波段有较小差异，这里为便于计算取固定值)，可以获得的冰层厚度检测下限分别为4.8μm，11.6μm和16.3μm。表明基于本方案可实现的冰层厚度检测下限可达微米量级，远远低于现有其他方案的冰层厚度检测下限(约0.1mm)。

本实用新型装置中所选用的光谱分析仪2的响应波段需覆盖宽带光源的整个工作波段。其光谱分辨率为δλ，则该装置可获得的冰层厚度检测上限为：

$\mathrm{\Δ}{z}_{\max }={\mathrm{\λ}}_c^2/4\mathrm{n\δ\λ}---\left(\mathrm{II}\right)$

由上式(II)可知，光谱分析仪2的分辨率越高(即δλ越小)，则本实用新型装置可获得的冰层厚度检测上限越高，仍以中心波长分别为830nm，1310nm，以及1550nm波段的宽带光源为例，假定光谱分辨率为δλ＝0.1nm，冰的折射率取1.3，则可获得的冰层厚度检测上限分别为1.4mm，3.3mm，和4.6mm，与现有其它方案的冰层检测厚度上限基本相同。因此，本方案在极大提高冰层厚度检测下限的基础上，提高了冰层厚度的可检测范围。

本实用新型装置中的光纤耦合器3为迈克尔逊结构，可传输中心波长为λ_c，带宽为Δλ的宽带光源1。

本实用新型装置所用的镀膜光纤4的输出端面镀高反射膜，将该光纤中传输的光束反射回光纤耦合器3，并可通过电动控制光纤偏振控制器5的旋转来控制光束的偏振态。

本实用新型装置中的光开关为1×N结构(N为自然数)，用于将光束切换至指定的光纤探头。所述光纤探头可以有多个，用于分布式安装到需探测结冰的位置，如飞机的机翼、挡风玻璃、发动机进气道、平尾等易结冰且容易造成安全隐患的位置。

本实用新型装置中所有的光纤探头完全一致，如图2所示，包括一个准直透镜11和一个聚焦透镜12，采用聚焦透镜12可有效提高反射光信号的收集能力，提高探测灵敏度。所述准直透镜11和聚焦透镜12同轴安装在圆形套筒中10。聚焦透镜12的焦平面位于圆形套筒10的端面之外，两者之间的距离与本实用新型装置可测量的最大冰层厚度相当。所述圆形套筒10表面为螺纹结构，可旋入有螺孔14的底座13中，底座13通过螺丝固定在被测物体表面15，使得聚焦透镜12的焦平面与被测物体表面重合。探头固定后，圆形套筒10的端面与被测物体表面之间有一段空隙，当被测物体表面出现冰层16时，即可通过该光纤探头进行探测。

上述装置中，由宽带光源1输出的光束经过光纤耦合器3后分为两束，其中一束光在镀膜光纤4中传输，另一束光经光开关6后传输到光纤探头。镀膜光纤4实质上是作为该探测装置的参考臂，其反射回光纤耦合器3的光束作为参考光。而光纤探头实质上是作为该装置的探测臂，从冰层反射回的光信号进入光纤耦合器3，作为样品光。调节光纤偏振控制器5，当参考光和样品光的偏振态一致时，可获得对比度最好的干涉条纹。此外，可通过光纤拉锥法精确控制镀膜光纤4的长度，使参考臂和探测臂(不包括冰层)的光程严格相等，以实现高精度的结冰探测。

本装置可实现的功能包括：(1)结冰厚度的实时高精度探测；(2)结冰速率的预测。以下对上述功能的实现原理和步骤进行详细阐述：

(1)结冰厚度的实时高精度探测

在如图1和2所示的装置中，开启宽带光源1和光谱分析仪2，将光开关6置于光纤探头7所在的光路中。

当安装光纤探头7的物体表面没有结冰时，光纤探头中输出的光入射到空气中，因而无反射样品光信号，此时光谱分析仪2中只能探测到镀膜光纤4端面反射回的参考光信号，即宽带光源1的光谱。

当物体表面结冰时，将会有样品光反射回光纤耦合器3，与参考光形成干涉条纹，此时通过电动调节光纤偏振控制器5，使干涉条纹达到最大幅度，如图3所示。通过对干涉条纹进行处理，即可计算出结冰厚度，具体算法流程为：1)将光谱分析仪2探测到的干涉光谱由波长域(λ)转换为波数域()；2)对波数域的光谱进行插值后，按照频率(波数)等间隔进行重采样；3)对重采样后的光谱数据进行傅里叶变换后取其强度值，并将直流量部分置0；4)作图显示不同深度对应的反射光强，如图4所示，第一个高反射峰表示冰层上表面，第二个高反射峰表示冰层的下表面，两个高反射峰之间的空间距离即为冰层厚度，可知冰层厚度为37.44um。

需要指出的是，当物体表面结冰厚度小于冰层厚度检测下限时，重建出的两个反射峰之间会出现重叠，即冰层的上表面和下表面无法区分；而当冰层厚度逐渐加厚时，干涉条纹密度逐渐增加，重建出的反射峰间距也会逐渐增大，可非常直观地观察到冰层变厚的过程；当结冰厚度大于冰层厚度检测上限时，干涉条纹密度超过光谱分析仪2的分辨率δλ，此时无法重建出正确的结果。

本实用新型装置中，由于需要探测物体表面上单个点的干涉信号就能获得冰层的厚度，因此可实现对冰层厚度的实时检测。

对于飞行中的飞机来说，结冰程度是判断其危险程度的重要指标。结冰程度是指飞机在结冰条件下飞行的整个时间内，表面上所结冰层的最大厚度，其等级标准为：0.1～5.0mm为弱结冰等级；5.1～15.0mm为轻度结冰等级；15.1～30.0mm为中度结冰等级；大于30mm为强结冰等级。本装置可在飞机出现弱结冰状态时提出预警，提供充足的时间进行防冰和除冰操作，减少空难发生的概率。

(2)结冰速率的预测

另一个衡量结冰对飞行安全危害程度的指标为结冰强度，通常用结冰速率(冰在飞机部件表面形成的速度)来描述。可通过测量在一定时间内、单位面积上的结冰量来计算结冰速率。

当仪器检测到结冰开始出现时，首先测得初始结冰厚度为Δz₁，在经过Δt时间后，测得结冰厚度为Δz₂，假定冰的比重为ρ，则可以计算出结冰速率为：

$v=\frac{\mathrm{\Δ}{z}_2-\mathrm{\Δ}{z}_1}{\mathrm{\Δt}}\mathrm{\ρ}$

根据结冰速率划分的结冰强度等级标准为：0.00～1.00g/cm²/h为弱结冰；1.01～6.00g/cm²/h为轻度结冰；6.01～12.00g/cm²/h为中度结冰；大于12.00g/cm²/h为强结冰。在飞行过程中，可结合结冰程度和结冰强度两个指标对飞行的危险性进行全面分析，在此基础上做出正确的操作判断，从而最大可能地降低空难发生的概率。

以上所述之实施例子只为本实用新型之较佳实施例，并非以此限制本实用新型的实施范围，故凡依本实用新型之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims (7)

1.一种超高精度结冰探测装置，其特征在于：包括有宽带光源(1)、光谱分析仪(2)、光纤耦合器(3)、镀膜光纤(4)、光纤偏振控制器(5)、光开关(6)以及光纤探头，其中，所述宽带光源(1)和光谱分析仪(2)分别通过光纤连接至光纤耦合器(3)同一侧的a、b两个端口；所述镀膜光纤(4)安装在光纤偏振控制器(5)上，并连接至光纤耦合器(3)另一侧的c端口；所述光开关(6)的输入端连接至光纤耦合器(3)的d端口，其输出端连接有光纤探头。

2.根据权利要求1所述的一种超高精度结冰探测装置，其特征在于：所述宽带光源(1)工作在近红外波段，为脉冲光源或连续光源，其中心波长为λ_c，带宽为Δλ，冰层的折射率为n，基于该光源可获得的冰层厚度检测下限为：所述光谱分析仪(2)能够探测到宽带光源(1)所覆盖的工作波段，其光谱分辨率为δλ，可获得的冰层厚度检测上限为：

3.根据权利要求1所述的一种超高精度结冰探测装置，其特征在于：所述光纤耦合器(3)为迈克尔逊结构。

4.根据权利要求1所述的一种超高精度结冰探测装置，其特征在于：所述镀膜光纤(4)的输出端面镀高反射膜，将该光纤中传输的光束反射回光纤耦合器(3)，并通过电动控制光纤偏振控制器(5)的旋转来控制光束的偏振态。

5.根据权利要求1所述的一种超高精度结冰探测装置，其特征在于：所述光开关(6)为1×N结构，N为自然数，用于将探测光束切换至指定的光纤探头。

6.根据权利要求1所述的一种超高精度结冰探测装置，其特征在于：所述光纤探头有多个，分布式安装到需探测结冰的位置。

7.根据权利要求1或6所述的一种超高精度结冰探测装置，其特征在于：所述光纤探头包括有准直透镜(11)和聚焦透镜(12)，其中，所述准直透镜(11)和聚焦透镜(12)同轴安装在圆形套筒(10)中，所述聚焦透镜(12)的焦平面位于圆形套筒(10)的端面之外，两者之间的距离与可测量的最大冰层厚度相当，所述圆形套筒(10)通过螺纹旋入底座(13)，所述底座(13)固定于被测物体表面。