基于激光退偏振特性的过冷水测量系统设计

贾少龙，杨 飞，李 科，郝 奎，郝晓辉

(航空工业太原航空仪表有限公司，山西 太原 030006)

飞机积冰是指在特定气象条件下的飞机表面产生水分凝结成冰的现象，多发生在飞机的升力表面、螺旋桨、旋翼、发动机进气道等部件的迎风表面[1]。

飞机积冰严重威胁飞机的飞行安全。飞机表面发生轻度结冰就会降低飞机的飞行性能，主要表现为升力下降、阻力增加、升阻比大幅度下降等，进而造成飞机姿态控制困难。严重积冰时可能造成飞机在小迎角下出现失速或操作翼面发生失效等现象而导致机毁人亡[2-4]。

目前结冰传感器根据关键技术可分为热交换技术、谐振技术、磁滞伸缩技术、导电环技术传感器等。飞机上安装的飞机结冰预警系统可以统称为结冰探测器系统，它是由一个或多个结冰探测器组成的，同时包含信号处理和报警电子系统。该系统的主要原理是结冰探测器探头的局部温度接近0℃，撞击到传感器的过冷水会在探头上结冰，通过结冰探测器输出的结冰情况信息，探测飞机是否已经进入结冰云区。此信息可提醒机组人员，要开启除冰、防冰系统，并采取正确的飞行操作[5]。如果此时环境中存在大量的过冷水，飞机机体也会短时结冰，导致飞机短时性能降低，影响飞行安全。由此可知，目前飞机上安装的飞机结冰系统无法做到提前结冰预警。

飞机飞行过程中对结冰条件的提前预警可以向飞行机组人员提前发出警告，尽早地激活结冰防护系统或者避开结冰条件，使结冰对飞机飞行安全和性能的不良影响被降低到最小或者避免产生[6]。引起飞机结冰的气象条件为大气温度接近或者低于冰点，并且环境中存在液态水。而此温度下的液态水一般可以称为过冷水。因此，能够提前测量过冷水存在和其含量是进行提前结冰预警的关键。

介绍的基于激光退偏振特性的过冷水测量系统可以提前测量飞机飞行前方20 m范围内的过冷水含量，根据过冷水含量进行结冰预警。该系统在研制过程中的关键过程如下。

① 运用偏振光与云雾粒子的偏振特性开展非接触式远距离测量云雾粒子含量[7]的可行性论证工作。

② 运用Mie散射理论计算云雾粒子对偏振光散射相关参数并应用Matlab仿真计算出云雾粒子后向散射回波能量的大小。

③ 系统在采集云雾粒子后向散射能量时容易受到太阳光的影响，因此如何消除太阳光影响，提高信噪比成为设计的难点。经过理论计算和Multisim仿真证明使用调制解调方法对回波信号进行采集，可以滤除太阳光的影响，提高云雾粒子后向散射能量采集精度。

④ 运用Zemax开展光学仿真，在满足技术要求的前提下考虑系统尺寸和采购周期等要求，以达到减小系统尺寸和缩短研制周期的目的。

⑤ 通过地面试验和装机试飞试验，验证系统的功能和性能。

目前已经完成了原理样机的研制和装机试飞。通过与谐振式结冰信号器的装机试飞对比试验可知，该系统可探测飞机飞行路线上一定距离内过冷水的存在，并发出结冰预警信号，与谐振式结冰信号器相比，该系统还具有响应速度快、测量准确等优点。

1 探测机理分析

根据相态，大气中的云可以大致分为3种类型：水云(液态)、冰云(固态)和混合云(混合相态)。温度是云相态判识的重要依据：云顶温度在0 ℃以上的云为水云，云底温度在-40 ℃以下的云为冰云，0～-40 ℃之间的云可能为水云、冰云或混合云[8]。0 ℃以下的水云称为过冷水云，云粒子因为缺乏冰核或其他原因仍然呈现为液态。利用偏振激光雷达对不同形态的云的退偏振特性进行研究，发现水云的退偏振比一般小于0.15，冰晶组成的卷云退偏振比在0.5左右，有时可达到0.8，而水滴和冰晶混合云的退偏振比在两者之间[9]。

根据球形粒子的散射理论，假定散射粒子是球形的，且各向同性，当照射光为线偏振光时，散射光也是与入射光电矢量振动方向相同的线偏振光，而非球形粒子的散射光将不再是完全偏振光，也就是退偏振，可以利用其散射电磁辐射的退偏振信息，探测并区分球形和非球形粒子存在的比例。退偏振度定义为[10]：垂直分量的散射波强度与平行分量的散射波强度之比。偏振特性可以使用退偏振比来衡量。退偏振比定义图示见图1。

云雾粒子对激光能量的吸收和散射可以用Mie散射理论来进行分析。Mie散射是目前应用广泛的粒子散射和最常用最基础的算法[11]。通过雾滴产生的散射光强度的大小，可以得到云中水滴平均直径、液态水含量等数据。通常云中水滴的半径范围为0.5～50 μm[12]，当激光器发射波长为1550 nm、平均功率为1 W左右的激光时，正常云滴谱的后向散射回波能量在1×10-8～1×10-7W这个数量级。同时在白天考虑背景光的散射，在1550 nm波段处云中水滴的后向散射功率在1×10-6～1×10-5W这个数量级，该数值比正常云中水滴后向散射能量大两个数量级，经过后期信号处理可以滤除背景光的干扰。

2 系统功能

本系统有如下功能：

① 实时探测并解算目标云雾的退偏振比参数；

② 根据偏振通道能量值解算出过冷水含量；

③ 根据测量到过冷水含量的多少向机组人员发出不同等级的结冰预警信号；

④ 根据目标云雾的退偏振比解算出目标云雾中过冷水与冰晶的比例，进而推算出冰晶含量；

⑤ 产品探测及解算到的所有数据实时存入Access数据库中，任务完毕飞机落地后拷贝入地面数据回放软件中，供后期科研分析；

⑥ 系统应具有软件加载、故障检测和故障存储功能。

3 系统架构设计

本系统由激光器温控模块、激光器驱动模块、发射光学部件、接收光电部件、光电转换模块、信号处理模块、数据解算模块、电源模块和壳体部分组成。

系统接收机上供电系统提供DC 28 V电源，电源模块对输入电源信号进行防雷、电压尖峰抑制和滤波等处理后将其转换为3.3 V电源和5 V电源，供其他模块使用。

数据解算模块通过采集激光器温度值，输出激光器温控信号，使激光器在有效温度范围内工作。同时解算模块还输出激光器驱动信号使其产生稳定波长的激光。激光器产生的激光通过发射光学部件发射到待测云区域。激光照射到目标云中的水滴和冰晶后会产生散射光[13]，并发生退偏振现象。散射光通过接收光学部件内部的偏振棱镜将光束分为偏振光和退偏振光，偏振光和退偏振光经光学透镜改变光路后照射到铟镓砷光电管的感光面上，该光电管安装在光电转换模块上。光电转换模块将偏振光和退偏振光的光强信号转换为电流信号，数据解算模块内的两路A/D转换器分别将经过调制解调处理后的电流信号转换为数字信号。系统通过采集到的两路数字信号计算出退偏振比、过冷水含量和过冷水含量与冰晶比例等参数，利用计算的参数做出积冰预警判断，并将预警信息和计算值通过RS485/RS422A串行数据总线传输给机载计算机进行结冰预警。系统架构图如图2所示。

图2 系统架构图

4 软件功能设计

系统软件主要实现系统初始化、系统自检测、激光器温度采集、激光器温度控制、激光器驱动、回波能量采集、参数解算、结冰预警信号输出、存储测量结果等功能。

图3 系统软件流程图

5 试验测试

5.1 地面测试

系统测量路径为20 m，目前国内外冰晶云室较小，无法满足测试要求。运用标准仪器偏振测量仪对多种物质进行测量时发现，偏振光照射到不同材质的布料时测量到的退偏振比有较大差异，表面光滑的布料退偏振比较小，表面较粗糙的布料退偏振比较大。此种现象与云雾中过冷水含量与冰晶含量比例不同时，测量的退偏振比不一致的现象相符。因此在地面测试时选择不同材质的布料作为待测物。

将系统放置于一个水平面内，同时将待测布料悬挂于系统正前方，保证系统发射的激光可垂直照射到待测布料。变化布料与系统之间的距离，并记录距离不同时布料的退偏振比。

不同材质的布料测得的偏振能量、退偏振能量、产品的退偏振比(退偏振能量/偏振能量)和标准值如表1所示。

表1 产品地面测试

对测试数据进行分析可知，产品测得的不同材质布料退偏振和标准值误差在0.04以内。随着系统与布料之间距离的增加，测量的偏振能量和退偏振能量都在减少，但测量的退偏振比基本不变，在10 m和16 m时测量的退偏振比最大相差0.02。

由此可见，在距离不同时，利用系统都可以得到待测物质相同的退偏振特性。此结论与当偏振光照射到物体时会发生散射，散射光同样也是偏振光，偏振光在传输过程中会发生衰减但不会改变其偏振特性的结论[14]一致，可以证明系统的功能和性能满足设计要求。

5.2 飞行试验

目前该系统已经安装在人影作业飞机上，进行了多次探测任务。通过与机上现有设备大气数据采集吊舱(太航自研)上安装的谐振式结冰传感器对比，选取两架次飞行数据(见图4、图5)进行数据分析。

图4 2020年5月9日飞行数据

图5 2021年1月10日飞行数据

2020年5月9日试飞时间为10:17～12:18，试飞区域为山西省临汾市上空，此区域当天的天气状况为多云，飞行高度约为4300 m，飞行区域内大气温度为-3～-1 ℃。运用气象知识分析可知此时飞行区域内云中过冷水含有较为丰富。对图4进行数据分析可知，当谐振式结冰传感器振动频率下降时，系统测量到的偏振能量和退偏振能量都会相应增大，同时系统计算的退偏振比在0.15～0.2之间，此测量结果与实际天气现象一致。

2021年1月10日试飞时间为14:30～17:17，试飞区域为山西省临汾市上空，此区域当天的天气状况为多云，飞行高度约为4500 m，飞行区域内大气温度为-13～-10 ℃。运用气象知识分析，此时飞行区域内云总冰晶含量较为丰富。对图5进行数据分析可知，系统测量到的偏振能量和退偏振能量的变化关系和谐振式结冰信号器频率变化可以很好地对应，此时系统测量到的退偏振比在0.4～0.5之间，此测量结果与实际天气现象也一致。

通过选取的两次飞行试验数据可知，系统可远距离探测到云中过冷水和冰晶的存在。

6 结束语

正是由于飞机结冰探测对于保障飞行安全的重要性，西方发达国家对此关键技术一直非常重视。经过50多年的发展和研究，目前飞机结冰探测技术已经比较成熟。目前国外成型产品中，美国Rosemount公司的磁致伸缩式结冰传感器和瑞典VibroMeter公司的平膜式结冰传感器2种产品，以其较高的灵敏度和准确度，应用较为广泛。但是这两种传感器探测飞机结冰的方法为直接探测法，无法做到远距离探测结冰条件，并提前发出结冰预警信息。针对这一问题，笔者提出了运用偏振光与云雾粒子不同的偏振特性设计的远距离测量云雾粒子含量的系统。

目前该系统已经完成研制并安装在Y-12人工作业飞机上与谐振式结冰传感器进行了对比飞行试验，通过对试飞数据进行分析可知，该系统可以远距离测量到过冷水存在，但是还需要进一步开展研制工作，具体如下。

① 目前试飞区域都在我国北方，北方的云基本都是冷云，后期还需要通过暖云试飞试验进行验证。

② 目前国内可以产生冰晶的设备只有冰晶云室，无法满足系统测量距离的要求，因此无法对系统输出过冷水和冰晶比例进行测试和标定。鉴于此，笔者所在公司计划研制满足要求的冰晶云室以便进一步开展研制工作。

③ 该系统在人工增雨方面有较为广阔的应用。云中过冷水的存在与其含量是催化过冷云人工增雨潜力和增雨作业条件选择的重要指标之一。目前系统还无法精确测量云中过冷水的含量，后期还需开展高山云雾试验，通过与雾滴谱仪对比测试，验证系统过冷水含量测量精度。

④ 目前系统的测量距离还较小，后期可增加激光器的功率，达到增加探测距离的目的。