一種超高精度結冰探測裝置及其實時探測結冰厚度方法
【專利摘要】本發明公開了一種超高精度結冰探測裝置及其實時探測結冰厚度方法，其裝置包括有寬帶光源、光譜分析儀、光纖耦合器、鍍膜光纖、光纖偏振控制器、光開關以及光纖探頭，其中，所述寬帶光源和光譜分析儀分別通過光纖連接至光纖耦合器同一側的a、b兩個端口；所述鍍膜光纖安裝在光纖偏振控制器上，并連接至光纖耦合器另一側的c端口；所述光開關的輸入端連接至光纖耦合器的d端口，其輸出端連接有光纖探頭。該裝置能夠實現對物體表面微米級厚度冰層的超高精度探測，準確預報結冰速率。此外，該裝置集成度高、成本低，可實現分布式、實時探測，特別適用于飛機結冰探測，實現安全預警，并可廣泛應用于其它需要對結冰狀況進行探測或監測的領域。
【專利說明】一種超高精度結冰探測裝置及其實時探測結冰厚度方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及光學檢測的【技術領域】，尤其是指一種超高精度結冰探測裝置及其實時探測結冰厚度方法。
【背景技術】
[0002]飛機結冰指的是飛機飛行時外表面上水分積聚凍結成冰的現象。結冰可導致飛機動力變差、失去平衡、妨礙目視飛行、影響通訊，甚至直接損壞飛機部件，給飛行安全帶來重大隱患，是造成空難的主要原因之一。因此，飛機的防冰和除冰技術一直是飛機系統設計的重要課題。而高精度的結冰探測技術是機載結冰安全防護系統的關鍵組成部分，對于保障飛機安全飛行具有重要的意義。
[0003]目前，已有大量的傳感器技術用于飛機結冰探測，主要分為以下幾類:1、光學法結冰傳感器，包括目測法、攝像法、紅外阻斷法、紅外能量反射法和光纖法；2、熱學法結冰傳感器，包括電熱法和熱流法；3、電學法結冰傳感器，包括電容法、電導法和導納法；4、機械法結冰傳感器，包括障礙法、壓差法、諧振法；5、波導法結冰傳感器，包括超聲脈沖-回波法，微波諧振法，聲板波法，聲表面波法。
[0004]上述技術可測量的結冰厚度大多集中在0.1?5mm范圍內。如英國AerospaceComposite Technologies公司研制的基于光纖法的結冰傳感器可探測的冰層厚度為
0.1?2mm ;美國Innovative Dynamics公司研制的基于電容法的結冰傳感器可探測的冰層厚度為0.5?1.5mm ;美國Rosemount公司和國內華中科技大學研制的基于諧振法的結冰傳感器可探測的冰層厚度分別為0.5?2mm和0.1?2mm ;美國Simmonds公司研制的基于超聲脈沖-回波法的結冰傳感器可探測的冰層厚度為0.6?3.8_。
[0005]在上述技術中，基于光纖法的光學傳感器技術具有高靈敏度、高集成度、抗電磁干擾、信號遠距離傳輸性能好、易于安裝等優點，因而成為目前最具競爭力的新一代飛機結冰傳感器，具有廣闊的應用前景。
[0006]國際 PCT 專利 “Ice detection apparatus and method” (W02004/1100865A1)提出了一種光纖式結冰探測器，由光源、接收光纖束以及光電探測器陣列組成，通過測量冰層反射回光纖束的光信號強度推測冰層厚度。由于光信號耦合效率較低，且傳感器輸出電壓為雙值函數，因此，該方案測量范圍小、測量精度低。
[0007]中國發明專利“光纖式結冰傳感器”(CN101038183A)中提出了一種類似的裝置，包括由發射光纖束和接收光纖束組成的探頭，以及光源和信號檢測電路，但該方案同樣面臨測量范圍小和精度較低的問題。
[0008]中國實用新型專利“一種光纖式結冰傳感器”(CN202075225U)對上述方案進行了改進，提出了一種雙探頭結構，包括冰厚測量探頭和結冰類型識別探頭，能有效識別飛機的結冰類型，但仍存在測量范圍小和精度低的問題，其冰層最小檢出下限約為0.1mm。
【發明內容】
[0009]本發明的目的在于克服現有技術的不足與缺點，提供一種基于光學相干測量技術和光譜分析技術的超高精度結冰探測裝置及其實時探測結冰厚度方法，能將冰層厚度檢測下限提高至微米量級，準確預報結冰速率；在飛機飛行過程中，冰層厚度檢測下限的提高意味著能夠更早地進行安全預警，從而有更加充足的時間進行防冰和除冰操作，有效地降低空難發生的概率。
[0010]為實現上述目的，本發明所提供的技術方案其超高精度結冰探測裝置，包括有寬帶光源、光譜分析儀、光纖耦合器、鍍膜光纖、光纖偏振控制器、光開關以及光纖探頭，其中，所述寬帶光源和光譜分析儀分別通過光纖連接至光纖耦合器同一側的a、b兩個端口 ；所述鍍膜光纖安裝在光纖偏振控制器上，并連接至光纖耦合器另一側的c端口 ；所述光開關的輸入端連接至光纖耦合器的d端口，其輸出端連接有光纖探頭。
[0011]所述寬帶光源工作在近紅外波段，為脈沖光源或連續光源，其中心波長為λ。，帶寬為Λ λ，冰層的折射率為η，基于該光源可獲得的冰層厚度檢測下限為:
Δ 二 0Α4λ；/πΑλ.所述光譜分析儀能夠探測到寬帶光源所覆蓋的工作波段，其光譜分辨
率為δ λ，可獲得的冰層厚度檢測上限為:Δζ_ =λ^/4η?λ。
[0012]所述光纖耦合器為邁克爾遜結構。
[0013]所述鍍膜光纖的輸出端面鍍高反射膜，將該光纖中傳輸的光束反射回光纖耦合器，并通過電動控制光纖偏振控制器的旋轉來控制光束的偏振態。
[0014]所述光開關為IXN結構，N為自然數，用于將探測光束切換至指定的光纖探頭。
[0015]所述光纖探頭有多個，分布式安裝到需探測結冰的位置。
[0016]所述光纖探頭包括有準直透鏡和聚焦透鏡，其中，所述準直透鏡和聚焦透鏡同軸安裝在圓形套筒中，所述聚焦透鏡的焦平面位于圓形套筒的端面之外，兩者之間的距離與可測量的最大冰層厚度相當，所述圓形套筒通過螺紋旋入底座，所述底座固定于被測物體表面。
[0017]由寬帶光源輸出的光束經過光纖耦合器后分為兩束，其中一束光在鍍膜光纖中傳輸，另一束光經光開關后傳輸到光纖探頭，這兩束光傳輸的光程嚴格相等。
[0018]本發明所述的超高精度結冰探測裝置的實時探測結冰厚度方法，如下:
[0019]開啟寬帶光源和光譜分析儀，將光開關置于光纖探頭所在的光路中；
[0020]當安裝光纖探頭的物體表面沒有結冰時，光纖探頭中輸出的光入射到空氣中，因而無反射樣品光信號，此時光譜分析儀中只能探測到鍍膜光纖端面反射回的參考光信號，即寬帶光源的光譜；
[0021]當物體表面結冰時，將會有樣品光反射回光纖耦合器，與參考光形成干涉條紋，此時通過電動調節光纖偏振控制器，使干涉條紋達到最大幅度，并通過對干涉條紋進行處理，即可計算出結冰厚度，其算法流程為:1)將光譜分析儀探測到的干涉光譜由波長域λ轉換
為波數域& = ￥.2)對波數域的光譜進行插值后，按照頻率等間隔進行重采樣；3)對重采
樣后的光譜數據進行傅里葉變換后取其強度值，并將直流量部分置O ;4)作圖顯示不同深度對應的反射光強 ，第一個高反射峰表示冰層上表面，第二個高反射峰表示冰層的下表面，兩個高反射峰之間的空間距離即為冰層厚度。[0022]當物體表面結冰厚度小于冰層厚度檢測下限時，重建出的兩個反射峰之間會出現重疊，即冰層的上表面和下表面無法區分；而當冰層厚度逐漸加厚時，干涉條紋密度逐漸增加，重建出的反射峰間距也會逐漸增大，可直觀地觀察到冰層變厚的過程；當結冰厚度大于冰層厚度檢測上限時，干涉條紋密度超過光譜分析儀分辨率δ λ，此時無法重建出正確的結果。
[0023] 本發明與現有技術相比，具有如下優點與有益效果:
[0024]1、本發明裝置能夠實現對物體表面微米級厚度冰層的超高精度探測，準確預報結冰速率；
[0025]2、本發明裝置集成度高、成本低，可實現分布式、實時探測，特別適用于飛機結冰探測，實現安全預警，并可廣泛應用于其它需要對結冰狀況進行探測或監測的領域，如風力發電機葉片結冰監測、高壓輸電線路結冰監測以及高速公路路面結冰的監測等。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1為本發明所述超高精度結冰探測裝置的示意圖。
[0027]圖2為本發明所述超高精度結冰探測裝置中的光纖探頭設計圖。
[0028]圖3為結冰時所測得的干涉光譜圖。
[0029]圖4為重建出的冰層厚度測量結果圖。
【具體實施方式】
[0030]下面結合具體實施例對本發明作進一步說明。
[0031]如圖1所示，本實施例所述的超高精度結冰探測裝置，包括有一個寬帶光源1、一個光譜分析儀2、一個光纖耦合器3、一根鍍膜光纖4、一個光纖偏振控制器5、一個光開關6以及三個光纖探頭7、8、9。其中，所述寬帶光源I和光譜分析儀2分別通過光纖連接至光纖耦合器3同一側的a、b兩個端口 ；所述鍍膜光纖4安裝在光纖偏振控制器5上，并連接至光纖率禹合器3另一側的c端口 ；所述光開關6的輸入端連接至光纖稱合器(3)的d端口，其輸出端連接三個光纖探頭7、8、9。
[0032]本發明裝置所選用的寬帶光源I工作在近紅外波段，可以為脈沖光源或連續光源。設其中心波長為λ。，帶寬為Λ λ，冰層的折射率為η，根據光學相干測量原理，基于該光源可以獲得的冰層厚度的檢測下限為:
[0033]Aznilll =0A4A；/nAA(J)
[0034]由上式⑴可知，本發明裝置可獲得的冰層厚度檢測下限(即軸向分辨率的倒數)與光源的中心波長入。成正比，而與光譜帶寬Λ λ (取3dB帶寬)成反比，因此，要獲得更低的冰層厚度檢測下限，所選用的寬帶光源I應具有盡可能短的中心波長和盡可能寬的帶寬。此外，光源中心波長的選擇應避開冰和水的吸收峰，從而在檢測冰層時獲得盡可能強的反射光信號，提高探測靈敏度。目前常用的中心波長為830nm，1310nm,以及1550nm波段的近紅外寬帶光源都可以作為本發明裝置的光源。假定這三種光源的光譜帶寬都為Λ λ =50nm，冰的折射率取1.3(在不同波段有較小差異，這里為便于計算取固定值)，可以獲得的冰層厚度檢測下限分別為4.8 μ m, 11.6 μ m和16.3 μ m。表明基于本方案可實現的冰層厚度檢測下限可達微米量級，遠遠低于現有其他方案的冰層厚度檢測下限(約0.1mm)。
[0035]本發明裝置中所選用的光譜分析儀2的響應波段需覆蓋寬帶光源的整個工作波段。其光譜分辨率為δ λ，則該裝置可獲得的冰層厚度檢測上限為:
[0036]
氣a* =I/4 威(J J )
[0037]由上式(II)可知，光譜分析儀2的分辨率越高(即δ λ越小)，則本發明裝置可獲得的冰層厚度檢測上限越高，仍以中心波長分別為830nm，13IOnm,以及1550nm波段的寬帶光源為例，假定光譜分辨率為δ λ = 0.lnm，冰的折射率取1.3，則可獲得的冰層厚度檢測上限分別為1.4mm, 3.3mm，和4.6mm，與現有其它方案的冰層檢測厚度上限基本相同。因此，本方案在極大提高冰層厚度檢測下限的基礎上，提高了冰層厚度的可檢測范圍。
[0038]本發明裝置中的光纖耦合器3為邁克爾遜結構，可傳輸中心波長為λ。，帶寬為Δ λ的寬帶光源I。
[0039]本發明裝置所用的鍍膜光纖4的輸出端面鍍高反射膜，將該光纖中傳輸的光束反射回光纖稱合器3,并可通過電動控制光纖偏振控制器5的旋轉來控制光束的偏振態。
[0040]本發明裝置中的光開關為I X N結構(N為自然數)，用于將光束切換至指定的光纖探頭。所述光纖探頭可以有多個，用于分布式安裝到需探測結冰的位置，如飛機的機翼、擋風玻璃、發動機進氣道、平尾等易結冰且容易造成安全隱患的位置。
[0041]本發明裝置中所有的光纖探頭完全一致，如圖2所示，包括一個準直透鏡11和一個聚焦透鏡12，采用聚焦透鏡12可有效提高反射光信號的收集能力，提高探測靈敏度。所述準直透鏡11和聚焦透鏡12同軸安裝在圓形套筒中10。聚焦透鏡12的焦平面位于圓形套筒10的端面之外，兩者之間的距離與本發明裝置可測量的最大冰層厚度相當。所述圓形套筒10表面為螺紋結構，可旋入有螺孔14的底座13中，底座13通過螺絲固定在被測物體表面15，使得聚焦透鏡12的焦平面與被測物體表面重合。探頭固定后，圓形套筒10的端面與被測物體表面之間有一段空隙，當被測物體表面出現冰層16時，即可通過該光纖探頭進行探測。
[0042]上述裝置中，由寬帶光源I輸出的光束經過光纖耦合器3后分為兩束，其中一束光在鍍膜光纖4中傳輸，另一束光經光開關6后傳輸到光纖探頭。鍍膜光纖4實質上是作為該探測裝置的參考臂，其反射回光纖耦合器3的光束作為參考光。而光纖探頭實質上是作為該裝置的探測臂，從冰層反射回的光信號進入光纖耦合器3，作為樣品光。調節光纖偏振控制器5，當參考光和樣品光的偏振態一致時，可獲得對比度最好的干涉條紋。此外，可通過光纖拉錐法精確控制鍍膜光纖4的長度，使參考臂和探測臂(不包括冰層)的光程嚴格相等，以實現高精度的結冰探測。
[0043]本裝置可實現的功能包括:(I)結冰厚度的實時高精度探測；(2)結冰速率的預測。以下對上述功能的實現原理和步驟進行詳細闡述:
[0044](I)結冰厚度的實時高精度探測
[0045]在如圖1和2所示的裝置中，開啟寬帶光源I和光譜分析儀2，將光開關6置于光纖探頭7所在的光路中。
[0046]當安裝光纖探頭7的物體表面沒有結冰時，光纖探頭中輸出的光入射到空氣中，因而無反射樣品光信號，此時光譜分析儀2中只能探測到鍍膜光纖4端面反射回的參考光信號，即寬帶光源I的光譜。
[0047]當物體表面結冰時，將會有樣品光反射回光纖耦合器3，與參考光形成干涉條紋，此時通過電動調節光纖偏振控制器5，使干涉條紋達到最大幅度，如圖3所示。通過對干涉條紋進行處理，即可計算出結冰厚度，具體算法流程為:1)將光譜分析儀2探測到的干涉光
譜由波長域(λ)轉換為波數域
【權利要求】
1.一種超高精度結冰探測裝置，其特征在于:包括有寬帶光源(I)、光譜分析儀(2)、光纖率禹合器(3)、鍍膜光纖(4)、光纖偏振控制器(5)、光開關(6)以及光纖探頭,其中,所述寬帶光源(I)和光譜分析儀(2)分別通過光纖連接至光纖耦合器(3)同一側的a、b兩個端口 ；所述鍍膜光纖(4)安裝在光纖偏振控制器(5)上，并連接至光纖耦合器(3)另一側的c端口 ；所述光開關出)的輸入端連接至光纖耦合器(3)的d端口，其輸出端連接有光纖探頭。
2.根據權利要求1所述的一種超高精度結冰探測裝置，其特征在于:所述寬帶光源(I)工作在近紅外波段，為脈沖光源或連續光源，其中心波長為λ。，帶寬為Λ λ，冰層的折射率 為η，基于該光源可獲得的冰層厚度檢測下限為:Δζ.=0_44<//7Δ2.所述光譜分析儀(2)能夠探測到寬帶光源(I)所覆蓋的工作波段，其光譜分辨率為δ λ，可獲得的冰層厚度檢測上限為i
3.根據權利要求1所述的一種超高精度結冰探測裝置，其特征在于:所述光纖耦合器(3)為邁克爾遜結構。
4.根據權利要求1所述的一種超高精度結冰探測裝置，其特征在于:所述鍍膜光纖(4)的輸出端面鍍高反射膜，將該光纖中傳輸的光束反射回光纖耦合器(3)，并通過電動控制光纖偏振控制器(5)的旋轉來控制光束的偏振態。
5.根據權利要求1所述的一種超高精度結冰探測裝置，其特征在于:所述光開關(6)為I XN結構，N為自然數，用于將探測光束切換至指定的光纖探頭。
6.根據權利要求1所述的一種超高精度結冰探測裝置，其特征在于:所述光纖探頭有多個，分布式安裝到需探測結冰的位置。
7.根據權利要求1或6所述的一種超高精度結冰探測裝置，其特征在于:所述光纖探頭包括有準直透鏡(11)和聚焦透鏡(12)，其中，所述準直透鏡(11)和聚焦透鏡(12)同軸安裝在圓形套筒(10)中，所述聚焦透鏡(12)的焦平面位于圓形套筒(10)的端面之外，兩者之間的距離與可測量的最大冰層厚度相當，所述圓形套筒(10)通過螺紋旋入底座(13)，所述底座(13)固定于被測物體表面。
8.根據權利要求1所述的一種超高精度結冰探測裝置，其特征在于:由寬帶光源(I)輸出的光束經過光纖耦合器(3)后分為兩束，其中一束光在鍍膜光纖(4)中傳輸，另一束光經光開關(6)后傳輸到光纖探頭，這兩束光傳輸的光程嚴格相等。
9.一種權利要求1或2所述超高精度結冰探測裝置實現的實時探測結冰厚度方法，其特征在于:開啟寬帶光源和光譜分析儀，將光開關置于光纖探頭所在的光路中； 當安裝光纖探頭的物體表面沒有結冰時，光纖探頭中輸出的光入射到空氣中，因而無反射樣品光信號，此時光譜分析儀中只能探測到鍍膜光纖端面反射回的參考光信號，即寬帶光源的光譜； 當物體表面結冰時，將會有樣品光反射回光纖耦合器，與參考光形成干涉條紋，此時通過電動調節光纖偏振控制器，使干涉條紋達到最大幅度，并通過對干涉條紋進行處理，即可計算出結冰厚度，其算法流程為:1)將光譜分析儀探測到的干涉光譜由波長域λ轉換為波數域々2)對波數域的光譜進行插值后，按照頻率等間隔進行重采樣；3)對重采樣后
A.9的光譜數據進行傅里葉變換后取其強度值，并將直流量部分置O ;4)作圖顯示不同深度對應的反射光強，第一個高反射峰表不冰層上表面，第二個高反射峰表不冰層的下表面，兩個高反射峰之間的空間距離即為冰層厚度。
10.根據權利要求9所述的一種超高精度結冰探測裝置的實時探測結冰厚度方法，其特征在于:當物體表面結冰厚度小于冰層厚度檢測下限時，重建出的兩個反射峰之間會出現重疊，即冰層的上表面和下表面無法區分；而當冰層厚度逐漸加厚時，干涉條紋密度逐漸增加，重建出的反射峰間距也會逐漸增大，可直觀地觀察到冰層變厚的過程；當結冰厚度大于冰層厚度檢測上限時，干涉條紋密度超過光譜分析儀分辨率δ λ，此時無法重建出正確的結果。
【文檔編號】B64D15/20GK103940352SQ201410171272
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月25日 優先權日:2014年4月25日
【發明者】曹祥東, 張鳳杰, 李德榮, 崔索超, 鄧建 申請人:廣州飛拓優視光電科技有限公司, 武漢虹拓新技術有限責任公司