基于激光退偏振特性的過冷水測量系統(tǒng)設(shè)計

賈少龍，楊 飛，李 科，郝 奎，郝曉輝

(航空工業(yè)太原航空儀表有限公司，山西 太原 030006)

飛機(jī)積冰是指在特定氣象條件下的飛機(jī)表面產(chǎn)生水分凝結(jié)成冰的現(xiàn)象，多發(fā)生在飛機(jī)的升力表面、螺旋槳、旋翼、發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道等部件的迎風(fēng)表面[1]。

飛機(jī)積冰嚴(yán)重威脅飛機(jī)的飛行安全。飛機(jī)表面發(fā)生輕度結(jié)冰就會降低飛機(jī)的飛行性能，主要表現(xiàn)為升力下降、阻力增加、升阻比大幅度下降等，進(jìn)而造成飛機(jī)姿態(tài)控制困難。嚴(yán)重積冰時可能造成飛機(jī)在小迎角下出現(xiàn)失速或操作翼面發(fā)生失效等現(xiàn)象而導(dǎo)致機(jī)毀人亡[2-4]。

目前結(jié)冰傳感器根據(jù)關(guān)鍵技術(shù)可分為熱交換技術(shù)、諧振技術(shù)、磁滯伸縮技術(shù)、導(dǎo)電環(huán)技術(shù)傳感器等。飛機(jī)上安裝的飛機(jī)結(jié)冰預(yù)警系統(tǒng)可以統(tǒng)稱為結(jié)冰探測器系統(tǒng)，它是由一個或多個結(jié)冰探測器組成的，同時包含信號處理和報警電子系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要原理是結(jié)冰探測器探頭的局部溫度接近0℃，撞擊到傳感器的過冷水會在探頭上結(jié)冰，通過結(jié)冰探測器輸出的結(jié)冰情況信息，探測飛機(jī)是否已經(jīng)進(jìn)入結(jié)冰云區(qū)。此信息可提醒機(jī)組人員，要開啟除冰、防冰系統(tǒng)，并采取正確的飛行操作[5]。如果此時環(huán)境中存在大量的過冷水，飛機(jī)機(jī)體也會短時結(jié)冰，導(dǎo)致飛機(jī)短時性能降低，影響飛行安全。由此可知，目前飛機(jī)上安裝的飛機(jī)結(jié)冰系統(tǒng)無法做到提前結(jié)冰預(yù)警。

飛機(jī)飛行過程中對結(jié)冰條件的提前預(yù)警可以向飛行機(jī)組人員提前發(fā)出警告，盡早地激活結(jié)冰防護(hù)系統(tǒng)或者避開結(jié)冰條件，使結(jié)冰對飛機(jī)飛行安全和性能的不良影響被降低到最小或者避免產(chǎn)生[6]。引起飛機(jī)結(jié)冰的氣象條件為大氣溫度接近或者低于冰點，并且環(huán)境中存在液態(tài)水。而此溫度下的液態(tài)水一般可以稱為過冷水。因此，能夠提前測量過冷水存在和其含量是進(jìn)行提前結(jié)冰預(yù)警的關(guān)鍵。

介紹的基于激光退偏振特性的過冷水測量系統(tǒng)可以提前測量飛機(jī)飛行前方20 m范圍內(nèi)的過冷水含量，根據(jù)過冷水含量進(jìn)行結(jié)冰預(yù)警。該系統(tǒng)在研制過程中的關(guān)鍵過程如下。

① 運用偏振光與云霧粒子的偏振特性開展非接觸式遠(yuǎn)距離測量云霧粒子含量[7]的可行性論證工作。

② 運用Mie散射理論計算云霧粒子對偏振光散射相關(guān)參數(shù)并應(yīng)用Matlab仿真計算出云霧粒子后向散射回波能量的大小。

③ 系統(tǒng)在采集云霧粒子后向散射能量時容易受到太陽光的影響，因此如何消除太陽光影響，提高信噪比成為設(shè)計的難點。經(jīng)過理論計算和Multisim仿真證明使用調(diào)制解調(diào)方法對回波信號進(jìn)行采集，可以濾除太陽光的影響，提高云霧粒子后向散射能量采集精度。

④ 運用Zemax開展光學(xué)仿真，在滿足技術(shù)要求的前提下考慮系統(tǒng)尺寸和采購周期等要求，以達(dá)到減小系統(tǒng)尺寸和縮短研制周期的目的。

⑤ 通過地面試驗和裝機(jī)試飛試驗，驗證系統(tǒng)的功能和性能。

目前已經(jīng)完成了原理樣機(jī)的研制和裝機(jī)試飛。通過與諧振式結(jié)冰信號器的裝機(jī)試飛對比試驗可知，該系統(tǒng)可探測飛機(jī)飛行路線上一定距離內(nèi)過冷水的存在，并發(fā)出結(jié)冰預(yù)警信號，與諧振式結(jié)冰信號器相比，該系統(tǒng)還具有響應(yīng)速度快、測量準(zhǔn)確等優(yōu)點。

1 探測機(jī)理分析

根據(jù)相態(tài)，大氣中的云可以大致分為3種類型：水云(液態(tài))、冰云(固態(tài))和混合云(混合相態(tài))。溫度是云相態(tài)判識的重要依據(jù)：云頂溫度在0 ℃以上的云為水云，云底溫度在-40 ℃以下的云為冰云，0～-40 ℃之間的云可能為水云、冰云或混合云[8]。0 ℃以下的水云稱為過冷水云，云粒子因為缺乏冰核或其他原因仍然呈現(xiàn)為液態(tài)。利用偏振激光雷達(dá)對不同形態(tài)的云的退偏振特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)水云的退偏振比一般小于0.15，冰晶組成的卷云退偏振比在0.5左右，有時可達(dá)到0.8，而水滴和冰晶混合云的退偏振比在兩者之間[9]。

根據(jù)球形粒子的散射理論，假定散射粒子是球形的，且各向同性，當(dāng)照射光為線偏振光時，散射光也是與入射光電矢量振動方向相同的線偏振光，而非球形粒子的散射光將不再是完全偏振光，也就是退偏振，可以利用其散射電磁輻射的退偏振信息，探測并區(qū)分球形和非球形粒子存在的比例。退偏振度定義為[10]：垂直分量的散射波強度與平行分量的散射波強度之比。偏振特性可以使用退偏振比來衡量。退偏振比定義圖示見圖1。

云霧粒子對激光能量的吸收和散射可以用Mie散射理論來進(jìn)行分析。Mie散射是目前應(yīng)用廣泛的粒子散射和最常用最基礎(chǔ)的算法[11]。通過霧滴產(chǎn)生的散射光強度的大小，可以得到云中水滴平均直徑、液態(tài)水含量等數(shù)據(jù)。通常云中水滴的半徑范圍為0.5～50 μm[12]，當(dāng)激光器發(fā)射波長為1550 nm、平均功率為1 W左右的激光時，正常云滴譜的后向散射回波能量在1×10-8～1×10-7W這個數(shù)量級。同時在白天考慮背景光的散射，在1550 nm波段處云中水滴的后向散射功率在1×10-6～1×10-5W這個數(shù)量級，該數(shù)值比正常云中水滴后向散射能量大兩個數(shù)量級，經(jīng)過后期信號處理可以濾除背景光的干擾。

2 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)有如下功能：

① 實時探測并解算目標(biāo)云霧的退偏振比參數(shù)；

② 根據(jù)偏振通道能量值解算出過冷水含量；

③ 根據(jù)測量到過冷水含量的多少向機(jī)組人員發(fā)出不同等級的結(jié)冰預(yù)警信號；

④ 根據(jù)目標(biāo)云霧的退偏振比解算出目標(biāo)云霧中過冷水與冰晶的比例，進(jìn)而推算出冰晶含量；

⑤ 產(chǎn)品探測及解算到的所有數(shù)據(jù)實時存入Access數(shù)據(jù)庫中，任務(wù)完畢飛機(jī)落地后拷貝入地面數(shù)據(jù)回放軟件中，供后期科研分析；

⑥ 系統(tǒng)應(yīng)具有軟件加載、故障檢測和故障存儲功能。

3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)由激光器溫控模塊、激光器驅(qū)動模塊、發(fā)射光學(xué)部件、接收光電部件、光電轉(zhuǎn)換模塊、信號處理模塊、數(shù)據(jù)解算模塊、電源模塊和殼體部分組成。

系統(tǒng)接收機(jī)上供電系統(tǒng)提供DC 28 V電源，電源模塊對輸入電源信號進(jìn)行防雷、電壓尖峰抑制和濾波等處理后將其轉(zhuǎn)換為3.3 V電源和5 V電源，供其他模塊使用。

數(shù)據(jù)解算模塊通過采集激光器溫度值，輸出激光器溫控信號，使激光器在有效溫度范圍內(nèi)工作。同時解算模塊還輸出激光器驅(qū)動信號使其產(chǎn)生穩(wěn)定波長的激光。激光器產(chǎn)生的激光通過發(fā)射光學(xué)部件發(fā)射到待測云區(qū)域。激光照射到目標(biāo)云中的水滴和冰晶后會產(chǎn)生散射光[13]，并發(fā)生退偏振現(xiàn)象。散射光通過接收光學(xué)部件內(nèi)部的偏振棱鏡將光束分為偏振光和退偏振光，偏振光和退偏振光經(jīng)光學(xué)透鏡改變光路后照射到銦鎵砷光電管的感光面上，該光電管安裝在光電轉(zhuǎn)換模塊上。光電轉(zhuǎn)換模塊將偏振光和退偏振光的光強信號轉(zhuǎn)換為電流信號，數(shù)據(jù)解算模塊內(nèi)的兩路A/D轉(zhuǎn)換器分別將經(jīng)過調(diào)制解調(diào)處理后的電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。系統(tǒng)通過采集到的兩路數(shù)字信號計算出退偏振比、過冷水含量和過冷水含量與冰晶比例等參數(shù)，利用計算的參數(shù)做出積冰預(yù)警判斷，并將預(yù)警信息和計算值通過RS485/RS422A串行數(shù)據(jù)總線傳輸給機(jī)載計算機(jī)進(jìn)行結(jié)冰預(yù)警。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

4 軟件功能設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要實現(xiàn)系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)自檢測、激光器溫度采集、激光器溫度控制、激光器驅(qū)動、回波能量采集、參數(shù)解算、結(jié)冰預(yù)警信號輸出、存儲測量結(jié)果等功能。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

5 試驗測試

5.1 地面測試

系統(tǒng)測量路徑為20 m，目前國內(nèi)外冰晶云室較小，無法滿足測試要求。運用標(biāo)準(zhǔn)儀器偏振測量儀對多種物質(zhì)進(jìn)行測量時發(fā)現(xiàn)，偏振光照射到不同材質(zhì)的布料時測量到的退偏振比有較大差異，表面光滑的布料退偏振比較小，表面較粗糙的布料退偏振比較大。此種現(xiàn)象與云霧中過冷水含量與冰晶含量比例不同時，測量的退偏振比不一致的現(xiàn)象相符。因此在地面測試時選擇不同材質(zhì)的布料作為待測物。

將系統(tǒng)放置于一個水平面內(nèi)，同時將待測布料懸掛于系統(tǒng)正前方，保證系統(tǒng)發(fā)射的激光可垂直照射到待測布料。變化布料與系統(tǒng)之間的距離，并記錄距離不同時布料的退偏振比。

不同材質(zhì)的布料測得的偏振能量、退偏振能量、產(chǎn)品的退偏振比(退偏振能量/偏振能量)和標(biāo)準(zhǔn)值如表1所示。

表1 產(chǎn)品地面測試

對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，產(chǎn)品測得的不同材質(zhì)布料退偏振和標(biāo)準(zhǔn)值誤差在0.04以內(nèi)。隨著系統(tǒng)與布料之間距離的增加，測量的偏振能量和退偏振能量都在減少，但測量的退偏振比基本不變，在10 m和16 m時測量的退偏振比最大相差0.02。

由此可見，在距離不同時，利用系統(tǒng)都可以得到待測物質(zhì)相同的退偏振特性。此結(jié)論與當(dāng)偏振光照射到物體時會發(fā)生散射，散射光同樣也是偏振光，偏振光在傳輸過程中會發(fā)生衰減但不會改變其偏振特性的結(jié)論[14]一致，可以證明系統(tǒng)的功能和性能滿足設(shè)計要求。

5.2 飛行試驗

目前該系統(tǒng)已經(jīng)安裝在人影作業(yè)飛機(jī)上，進(jìn)行了多次探測任務(wù)。通過與機(jī)上現(xiàn)有設(shè)備大氣數(shù)據(jù)采集吊艙(太航自研)上安裝的諧振式結(jié)冰傳感器對比，選取兩架次飛行數(shù)據(jù)(見圖4、圖5)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖4 2020年5月9日飛行數(shù)據(jù)

圖5 2021年1月10日飛行數(shù)據(jù)

2020年5月9日試飛時間為10:17～12:18，試飛區(qū)域為山西省臨汾市上空，此區(qū)域當(dāng)天的天氣狀況為多云，飛行高度約為4300 m，飛行區(qū)域內(nèi)大氣溫度為-3～-1 ℃。運用氣象知識分析可知此時飛行區(qū)域內(nèi)云中過冷水含有較為豐富。對圖4進(jìn)行數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)諧振式結(jié)冰傳感器振動頻率下降時，系統(tǒng)測量到的偏振能量和退偏振能量都會相應(yīng)增大，同時系統(tǒng)計算的退偏振比在0.15～0.2之間，此測量結(jié)果與實際天氣現(xiàn)象一致。

2021年1月10日試飛時間為14:30～17:17，試飛區(qū)域為山西省臨汾市上空，此區(qū)域當(dāng)天的天氣狀況為多云，飛行高度約為4500 m，飛行區(qū)域內(nèi)大氣溫度為-13～-10 ℃。運用氣象知識分析，此時飛行區(qū)域內(nèi)云總冰晶含量較為豐富。對圖5進(jìn)行數(shù)據(jù)分析可知，系統(tǒng)測量到的偏振能量和退偏振能量的變化關(guān)系和諧振式結(jié)冰信號器頻率變化可以很好地對應(yīng)，此時系統(tǒng)測量到的退偏振比在0.4～0.5之間，此測量結(jié)果與實際天氣現(xiàn)象也一致。

通過選取的兩次飛行試驗數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)可遠(yuǎn)距離探測到云中過冷水和冰晶的存在。

6 結(jié)束語

正是由于飛機(jī)結(jié)冰探測對于保障飛行安全的重要性，西方發(fā)達(dá)國家對此關(guān)鍵技術(shù)一直非常重視。經(jīng)過50多年的發(fā)展和研究，目前飛機(jī)結(jié)冰探測技術(shù)已經(jīng)比較成熟。目前國外成型產(chǎn)品中，美國Rosemount公司的磁致伸縮式結(jié)冰傳感器和瑞典VibroMeter公司的平膜式結(jié)冰傳感器2種產(chǎn)品，以其較高的靈敏度和準(zhǔn)確度，應(yīng)用較為廣泛。但是這兩種傳感器探測飛機(jī)結(jié)冰的方法為直接探測法，無法做到遠(yuǎn)距離探測結(jié)冰條件，并提前發(fā)出結(jié)冰預(yù)警信息。針對這一問題，筆者提出了運用偏振光與云霧粒子不同的偏振特性設(shè)計的遠(yuǎn)距離測量云霧粒子含量的系統(tǒng)。

目前該系統(tǒng)已經(jīng)完成研制并安裝在Y-12人工作業(yè)飛機(jī)上與諧振式結(jié)冰傳感器進(jìn)行了對比飛行試驗，通過對試飛數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，該系統(tǒng)可以遠(yuǎn)距離測量到過冷水存在，但是還需要進(jìn)一步開展研制工作，具體如下。

① 目前試飛區(qū)域都在我國北方，北方的云基本都是冷云，后期還需要通過暖云試飛試驗進(jìn)行驗證。

② 目前國內(nèi)可以產(chǎn)生冰晶的設(shè)備只有冰晶云室，無法滿足系統(tǒng)測量距離的要求，因此無法對系統(tǒng)輸出過冷水和冰晶比例進(jìn)行測試和標(biāo)定。鑒于此，筆者所在公司計劃研制滿足要求的冰晶云室以便進(jìn)一步開展研制工作。

③ 該系統(tǒng)在人工增雨方面有較為廣闊的應(yīng)用。云中過冷水的存在與其含量是催化過冷云人工增雨潛力和增雨作業(yè)條件選擇的重要指標(biāo)之一。目前系統(tǒng)還無法精確測量云中過冷水的含量，后期還需開展高山云霧試驗，通過與霧滴譜儀對比測試，驗證系統(tǒng)過冷水含量測量精度。

④ 目前系統(tǒng)的測量距離還較小，后期可增加激光器的功率，達(dá)到增加探測距離的目的。