專利名稱：圖像結冰探測器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種圖像結冰探測裝置，用于通過對物體表面的圖像進行分析而獲得物體表面結冰狀況的信息，包括是否結冰、結冰類型、結冰厚度和/或面積等。
背景技術：
在很多情況下，需要對物體的特定表面或部位的結冰狀況進行探測和分析。例如在寒冷地區(qū)，需要對冬季公路路面的結冰狀況進行監(jiān)測，需要對風力發(fā)電機的葉片及部分轉動部件的結冰狀況進行探測，以及在飛機飛行過程中，對機體的多部位(如風擋、機翼尾翼前緣、發(fā)動機進氣道等)的結冰現象進行監(jiān)測，以避免結冰對飛行造成不利影響，防止結冰導致嚴重的飛行安全事故。需要注意的是，本申請中所涉及的詞語“冰”應當包括各種冰、 霜及其混合物。迄今為止，人們已經設計和制造了多種用于結冰探測的裝置，從而可以采取相應的措施來避免結冰危害的發(fā)生。但是，這些已有的結冰探測裝置均存在各種缺陷和不足，從而極大地影響了其性能和適用范圍。例如，較早的結冰探測裝置包括放射線式、電導率式和差壓式。其中，放射線式結冰探測裝置會給人體健康帶來很大的危害，電導率式結冰探測裝置的可靠性較差，差壓式的體積較大，結構比較復雜，響應速度較慢。此外，這幾種結冰探測裝置均只能給出結冰與否的定性探測結果，而不能給出關于結冰厚度和結冰速率的定量信息?，F在廣泛應用的是磁致伸縮振動筒式和壓電膜片式結冰探測器，它們均能夠給出一定冰厚范圍內結冰厚度和結冰速率的定量信息。但它們也各有一定的缺陷磁致伸縮振動筒式結冰探測器結構復雜、生產工藝要求高、校準困難，并且無法齊平保形地安裝于曲面部位(如飛行器機翼尾翼前緣)；壓電膜片式結冰探測器雖然體積、重量較小，能夠一定程度上實現曲面部位的齊平保形安裝，但其敏感材料的生產要求較嚴，工藝較為復雜，裝配比較困難。近年來，研究人員又提出了新的光纖式結冰探測器，其具有一些突出的優(yōu)點，例如，探測靈敏度高、結構簡單、可靠性高以及能夠實現齊平保形安裝等，同時也具備一定的對傳統結冰類型(明冰、淞冰以及混合型冰)的識別能力。但是，光纖式結冰探測器仍然具有幾方面的缺陷首先，其無法實現對過冷大水滴結冰(Supercooled Large Droplet Icing，簡稱SLD)的探測；其次，其無法消除或完全消除結冰類型對定量分析的影響；此外， 其只能實現點探測，而無法對具有較大尺寸的面進行探測。對于過冷大水滴結冰的探測，現有技術中存在一些嘗試。例如，在公開號為 US2002/0158768 Al和US2004/0231410 Al的美國專利和申請?zhí)枮镻CT/US012106的國際專利申請中，都公開了一種能夠實現過冷大水滴結冰探測的裝置。但是，這些探測器的核心傳感和探測元件仍然采用磁致伸縮諧振式和壓電式結冰傳感器，因而也不可避免地具有前面提到的現有結冰探測器的共同缺陷。對于結冰類型的準確識別，雖然現有的探測器能夠一定程度上實現對結冰類型的判斷，但是其準確度均比較低。而要對結冰進行精確的定量分析，必須建立在對結冰類型準確識別的基礎上。因為在現有的結冰探測裝置中，不同厚度的冰可能因為其類型不同而對應于同一輸出信號。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提出一種新的圖像結冰探測器，其能夠利用圖像處理技術對冰層的圖像進行處理，從而識別出不同結冰圖像所包含的圖像特征之間的差別，并且根據這些差別準確地識別出結冰種類并計算結冰的厚度等數據。根據本發(fā)明的一個方面，提出一種圖像結冰探測器，包括圖像獲取系統和圖像處理系統，其中，圖像獲取系統能夠獲取物體表面的圖像，圖像處理系統能夠對所述圖像進行分析，從而得到所述物體表面的結冰狀況。通過上述技術方案，結冰狀況的判定不再借助于簡單的傳感器信號，而是通過對整幅圖像從多個方面進行綜合性信息分析而得出，因而可以大大提高識別結冰種類的定性探測和探測冰層厚度、結冰速度和/或面積的定量探測的精確度。優(yōu)選地，所述圖像處理系統主要包括結冰分析單元，其包括標記模塊、計算模塊和判斷模塊。其中，所述標記模塊用于對所述圖像標記與結冰狀況相關的若干參數；所述計算模塊用于對所標記的參數進行計算，以獲得所述圖像的特征因數；所述判斷模塊用于根據所述特征因數判斷得到所述物體表面的結冰狀況。優(yōu)選地，所述標記模塊進行標記的依據主要是結冰圖像的亮度，這是能夠反映結冰狀況的最直觀的結冰特性。冰層中總是同時存在反射和散射兩種效應，不同種類不同厚度的結冰其反射和散射效應都是不相同的。對不同亮度進行區(qū)分即可很好地識別出其相應的反射和散射效應，并進而識別出相應的結冰狀況。優(yōu)選地，所述標記模塊包括灰度分析模塊和/或色譜分析模塊，即可以灰度和/或色譜為依據對圖像進行參數標記。優(yōu)選地，所述圖像處理系統包括取點模塊，用于從所述圖像上獲取至少一部分像素點以通過標記模塊進行參數標記。取點既可以是均勻分布在整個圖像上，從而減少需要處理的數據量，也可以根據需求對圖像的不同區(qū)域進行區(qū)別，集中在重要區(qū)域取點，從而使得探測的結果更加具有針對性。優(yōu)選地，所述計算模塊計算所述特征因數的依據是所標記參數的大小和/或分布。優(yōu)選地，可以將表面圖像劃分為多個區(qū)域，并對各個區(qū)域分別計算特征因數。這樣可以使得多個區(qū)域的結果相互之間進行比較，以避免或減少探測的錯誤和誤差。優(yōu)選地，所述計算模塊通過統計的方法獲得所述特征因數。優(yōu)選地，標記模塊進行參數標記的取值范圍被劃分為多個區(qū)間，并將所標記的參數在這些區(qū)間內的分布作為所述特征因數。優(yōu)選地，所述計算模塊計算所標記參數的方差和/或總和，并將其作為所述特征因數。優(yōu)選地，所述圖像處理系統還包括結冰狀況數據庫。優(yōu)選地，所述結冰狀況數據庫中包括與各種結冰狀況相對應的特征數據，用于和所述特征因數進行對比。優(yōu)選地，所述結冰狀況包括結冰種類、結冰厚度和/或結冰面積。優(yōu)選地，所述圖像處理系統還包括對所述物體表面是否結冰進行判斷的結冰預警單元。優(yōu)選地，所述結冰狀況數據庫包括所述物體表面的清潔圖像，用于和表面圖像進行對比。根據本發(fā)明的另一個方面，提出一種飛行器結冰探測器，其包括根據本發(fā)明第一個方面的圖像結冰探測器。優(yōu)選地，圖像獲取系統的前端靠近待探測的物體表面而設置，用于對所述物體表面進行近距離的微觀探測。優(yōu)選地，圖像獲取系統的前端遠離待探測的物體表面而設置，用于對所述物體表面進行遠距離的宏觀探測。本發(fā)明的圖像結冰探測器可廣泛應用于運輸、電力設備、野外作業(yè)設備和制冷設備等多種領域的結冰探測，還特別適合于各種飛行器的結冰探測應用需求，實現不同功能和要求的結冰探測。


在對本發(fā)明的實施方式進行詳細描述的過程中，將參照下列附圖圖1是根據本發(fā)明第一優(yōu)選實施方式的圖像結冰探測器中的圖像獲取系統的示意圖；圖2是根據本發(fā)明第一優(yōu)選實施方式的圖像結冰探測器中的圖像處理系統的示意圖；圖3是根據本發(fā)明第二優(yōu)選實施方式的圖像結冰探測器的示意圖，其中顯示了微觀探測的布置方式；圖4是根據本發(fā)明第三優(yōu)選實施方式的圖像結冰探測器的示意圖，其中顯示了宏觀探測的布置方式；圖5是根據本發(fā)明第四優(yōu)選實施方式的圖像結冰探測器的示意圖，其中顯示了探測器從冰層側面進行探測的布置方式。
具體實施例方式下面將參照附圖來對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行詳細描述。根據本發(fā)明第一優(yōu)選實施方式的圖像結冰探測器主要包括圖像獲取系統和圖像處理系統，前者用于從物體表面獲取圖像，然后由后者對所獲取的表面圖像進行計算和分析，從而最終得到物體表面的結冰狀況。首先參照圖1，其顯示的是上述第一優(yōu)選實施方式的圖像結冰探測器的圖像獲取系統1-A。其中，圖像獲取系統I-A的核心部件是傳像光纖束104，其能夠在前端接收物體的表面圖像，并將該表面圖像沿著其中的光纖傳輸至與其后端相連的其它部件。傳像光纖束 104本身的結構和原理已被相關領域的技術人員所熟知，并不屬于本發(fā)明的范圍。并且作為一個成熟的技術，傳像光纖束已經在很多領域(例如胃窺鏡)中得到了廣泛的應用，因此這里不再贅述。而在本實施方式中采用傳像光纖束104的優(yōu)勢在于，由于傳像光纖束104能夠實現對圖像的高質量傳播，因此可以將物體表面的圖像完整地傳輸至遠離物體表面的位置， 并最終由布置在遠離物體表面位置的圖像固定裝置接收。這一優(yōu)勢對于某些特殊的應用來說是非常重要的。在一個例子中，對待探測的物體表面附近的空間尺寸有嚴格要求(例如飛行器的機翼)，此時只有滿足尺寸條件的設備才被允許安裝。而現有的成像設備很難滿足這一尺寸要求，因而無法得到應用。但是通過傳像光纖束，可以僅將尺寸非常小的傳像光纖束的前端設置在物體表面(例如機翼)附近，而將其后端連接至位于遠離機翼位置的成像設備上，例如位于機艙內部。這樣，即使是現有的體積較大的成像(包括照相和攝像)設備也能得到應用。通過上述方法，在未對成像設備進行小型化設計的情況下，即可實現與小型化設計相同的效果。而在另一個例子中，待探測的物體表面的環(huán)境比較惡劣。此時通過傳像光纖束，可以使得成像設備遠離物體表面而設置，而在物體表面附近僅保留傳像光纖束。由于傳像光纖束本身結構簡單，不容易發(fā)生損壞，因此可以方便地適用于各種探測環(huán)境，并且可以保護對相對易損壞的成像設備。在實際應用中，所采用的傳像光纖的尺寸、光纖數量以及光纖束的排列模式，可以根據不同應用場合和具體實施而合理地確定。本實施例中不再進行詳細的描述。聚焦鏡頭102連接在傳像光纖束104的前端，用于從物體表面接收圖像。其種類可以根據應用形式的不同而合適地選擇，例如下文將描述的，在近距離的微觀探測中，傳像光纖束104的頭部非?？拷矬w表面，此時聚焦鏡頭102需要選用微距鏡頭；而在遠距離的宏觀探測中，聚焦鏡頭102就需要選用長焦鏡頭或是魚眼廣角鏡頭。在聚焦鏡頭102的前端還可以設置有保護鏡101，以保護聚焦鏡頭102免受外界環(huán)境的損害，例如，避免位于物體表面的高速氣流中攜帶的砂塵的磨損。在傳像光纖束104后端，依次串聯有在本實施方式中用作圖像固定裝置的耦合鏡頭107和圖像傳感器108。其中，耦合鏡頭107能夠將由聚焦鏡頭102匯聚并經由傳像光纖束104傳輸的圖像傳輸給圖像傳感器108，并最終由圖像傳感器108轉換為可供數字系統識別的圖像信息，以供其后連接的圖像處理系統(圖1中未顯示)進行分析。圖像傳感器 108可以根據實際情況包括例如CXD型或是CMOS型圖像傳感器，也可以包括紅外和/或紫外圖像傳感器，從而對物體表面圖像中的紅外線和/或紫外線進行探測。此外，還可以在傳像光纖束104的前端附近設置電磁波發(fā)射裝置115，用于向物體表面發(fā)射一定功率和一定波段的電磁波，包括可見光000-760納米)、紅外線(760納米至 1000微米)和/或紫外線(1至400納米)等，以及它們的組合，以實現主動探測。其優(yōu)勢不僅在于可以克服環(huán)境光不足時給探測帶來的不利影響，還能根據探測需要選用某些特定波段的電磁波作為探測源，從而特別適用于探測特定類型和特定厚度范圍的冰。此外，也可以實現復合探測，使得在某些應用中所針對的圖像信息更為豐富。當然，本領域技術人員能夠理解的是，探測并不一定要借助主動信號源，自然光等環(huán)境光在很多應用中就足以滿足探測的要求。并且在有些應用中，主動信號源也不需要故意添加，而是可以利用物體表面附近已有的設備，例如在飛行器應用中，可以利用飛行器表面的信號燈作為主動信號源同時，通過設置在保護鏡101和圖像傳感器108之間的濾光片(圖中未顯示)，可以有選擇地獲得不同光譜的圖像信息。進一步地，為了確保探測的順利進行，還可以在保護鏡101和聚焦鏡頭102的附近設置防冰和/或除冰裝置，例如設置在迎風面上的遮擋(圖中未顯示)和/或微型電加熱器112，以避免和/或消除在保護鏡101等上形成的冰，從而排除對探測結果的影響。還可以設置額外的溫度傳感器111，一方面可以防止加熱溫度過高而損壞物體表面或傳像光纖， 另一方面溫度是對結冰狀況進行分析的重要參考。圖像獲取系統I-A還包括一些其它的附屬部件，例如保護傳像光纖束104等的柔性保護接頭105、保護套106，和連接電磁波發(fā)射裝置115的連接線116，以及設備工作所需的電源線和控制信號線等，均不再進行詳述。下面參照圖2，其顯示的是根據本發(fā)明的第一優(yōu)選實施方式的圖像結冰探測器的控制部分。如圖2所示，控制部分主要包括圖像處理系統2-A、溫度測控系統2-B、光源控制系統2-C以及中央微處理器2-D。其中，圖像處理系統2-A包括二部分結冰預警單元201、結冰分析單元202和結冰狀況數據庫203。結冰預警單元201專門針對結冰初始期的圖像信息處理，其可以采用高速圖像處理電子系統技術，能在結冰初始期快速地獲得結冰狀況信息，并給出開始發(fā)生結冰的報警信號。如果配合探頭一起使用，其中探頭的形狀經過特殊設計使其比待探測的物體表面更容易結冰，還能達到在物體表面開始結冰之前即提前進行預警的效果。結冰預警單元201的工作過程為，在接收到由圖像固定裝置傳輸的圖像信息后， 將其與結冰狀況數據庫203中儲存的未結冰時的清潔無冰圖像進行對比，以對是否結冰做出判斷。其具體的判斷過程可參考下面對于結冰分析單元202的描述。結冰分析單元202在時間上與結冰預警單元201并行地工作，能夠對物體表面的具體結冰狀況(結冰種類、結冰厚度和/或結冰面積)做出定性和定量分析，其大致包括參數標記模塊、計算模塊和判斷模塊(圖中均未顯示)。在接收到由圖像固定裝置傳輸的圖像信息后，結冰分析單元202首先通過參數標記模塊對圖像進行參數標記。所用的標記方式可以包括灰度處理和色譜分析處理，分別通過灰度分析模塊和色譜分析模塊實現，其中，色譜分析處理中又可包括采用單色或多種顏色(例如三基色)進行分析。并且，標記既可以針對圖像的所有像素點進行，也可以通過取點模塊從中選取若干個像素點進行，還可以在圖像中選取多個區(qū)域并求得每個區(qū)域的平均值，這主要取決于探測精度和速度的要求。在完成對表面圖像的參數標記后，標記獲得的參數將被傳輸至計算模塊。計算模塊的作用在于，通過對接收到的標記參數進行計算，由此得出當前表面圖像所對應的特征因數，以供后續(xù)的判斷模塊將其與結冰狀況數據庫203中的特征數據進行對比。所采用的計算方法例如可以包括統計，具體來說，可以根據事先確定的標準將標記模塊進行參數標記的取值范圍劃分為若干個區(qū)間，然后統計出所有標記參數落入各個區(qū)間的次數，并進而得出其所占據的百分比。在這一例子中，是標記參數在各個區(qū)間中的分布即為該物體表面圖像所對應的特征因數。當然，本領域技術人員很容易想到，區(qū)間的劃分可以根據試驗結果而采取不均勻的方式。當然，上述方法只是可行的計算方法中較為簡單的一種，具體實施時可以采取更加復雜的計算方法，以求獲得更加精確的特征因數。這在后面的說明中也會進一步提到。判斷模塊的作用如前文所述，用于將計算獲得的特征因數與結冰狀況數據庫203 中的已有特征數據進行對比，從而找到與當前特征因數最接近的特征數據。該特征數據所對應的結冰狀況(包括結冰種類、結冰厚度和/或結冰面積等)即可認為是物體表面的當前結冰狀況。當然，在判斷的過程中還可以引入新的參考量，例如由溫度傳感器111獲得的環(huán)境溫度。結冰狀況數據庫203是通過大量模擬試驗以及對實際探測結果進行處理和分類而獲得的。其中可以包括若干條數據，每條數據都包括一種特定結冰狀況的信息(結冰種類、結冰厚度和/或結冰面積等)以及與該結冰狀況對應的特征數據，以供判斷模塊將特征數據與計算獲得的特征因數進行對比而得到所對應的結冰狀況。為了更好地理解本發(fā)明的內容，下面將就本發(fā)明的工作原理進行簡單的說明。無論是在可見光、紅外波段還是紫外波段內，冰層的光學特性(冰層-空氣界面反射、冰層內的散射以及吸收等)都隨著結冰狀況的改變而呈現出不同，從而形成差異明顯的結冰圖像。結冰與沒有結冰的圖像，不同種類不同厚度結冰之間的圖像的差別是非常明顯的。在考察結冰種類時，可以考察圖像的特性例如各個像素亮度值(包括灰度亮度和三基色亮度)的均勻性。當結冰為明冰時，由于冰層內部近似于透明，因此冰層和空氣界面上反射的電磁波能夠以較大的強度被傳像光纖束所接收，因此圖像像素的亮度值較大且均勻。當結冰為凇冰時，由于冰層內夾雜空氣泡，反射效應大為降低，散射效應較強，因此圖像像素亮度值較低且分布不均。而混合型冰則介于上述兩種情況之間。在考察結冰厚度時，也同樣可以考察冰層的亮度。因為，當確定了結冰類型以后， 在一定結冰厚度范圍內，結冰厚度愈厚，則圖像像素點的亮度也愈大。下面將通過兩個例子來對結冰分析單元202的整個工作過程進行描述，以便更加清楚地了解其工作原理及優(yōu)點。在第一個例子中，在接收到圖像固定裝置傳輸的圖像時，結冰分析單元202中的取點模塊首先根據事先確定的規(guī)則從上選取若干個像素點(例如N個)。所謂的規(guī)則是指取點可以只在圖像的特定區(qū)域中進行，也可以在某些區(qū)域選取得相對密集而在其它區(qū)域選取得相對稀疏等等。然后，由參數標記模塊通過圖像處理領域中的常用軟件對每個選取的像素點進行三基色分析，分別得到每個像素的三基色值，從而完成參數標記。以八位的微處理器系統為例，各個基色的取值范圍均在0-255之間。標記完成的三基色值被傳輸至計算模塊。首先根據事先劃分好的三基色取值區(qū)間將每個點歸入其對應的區(qū)間中。每種三基色值的劃分可以根據需要進行，例如將紅光、綠光和藍光分別均勻或不均勻地劃分為P、q和r個段，從而一共形成了 K = pXqXr個三基色值區(qū)間。然后統計出落入各個區(qū)間的點的數目叫、n2、n3……ηκ以及占總點數N的百分比 m^ m2> m3......mK。該點的數目(Ii1, η2, η3···ηκ}或者百分比{
Xl， -^-2， * * * χκ}即用作與當前表
面圖像相對應的特征因數。
最后通過判斷模塊將計算獲得的特征因數與結冰狀況數據庫203中存有的特征數據進行對比，從而選定在數據庫中與目前的結冰狀況最接近的一條數據，并以該條數據中所包含的結冰狀況的信息(結冰種類、結冰厚度和/或結冰面積等)作為物體表面的當前結冰狀況。而在第二個例子中，參數標記模塊和判斷模塊的工作過程并無太大區(qū)別，但是在計算模塊中卻采用了不同的計算方法。在考察結冰種類時，可采用像素亮度值的方差來作為判斷的特征因數，這樣可以更加明顯地看出亮度的分布；而在考察冰層厚度時，可將所有像素點亮度值的總和作為最終的特征因數。通過將計算獲得的所有像素點亮度值的方差和總和與結冰狀況數據庫203 中的已有特征數據進行對比，即可方便地得到結冰厚度大小的定量探測結果。此外，雖然沒有仔細說明，但是本領域技術人員可以想到，上述探測器和探測方法也可以實現對側面觀察到的冰層厚度的直接識別求解。如圖5所示，通過對圖像中灰度和顏色等進行識別，可以清楚地區(qū)分出結冰區(qū)域和物體表面區(qū)域，并且通過對結冰圖像進行分析，選取多個測量點求出其冰層厚度的平均值，也可以很容易地求出整個冰層的厚度。除了上述實施例以外，本領域技術人員還可以想到其它改進措施，以進一步提高性能。例如，可以在獲得各個點的灰度和/或色譜值后，不是直接以其進行計算，而是將其與清潔無冰圖像中的灰度和/或色譜值進行對比后，以其差值作為后續(xù)計算判斷的標記參數；還可以將物體表面分為若干個區(qū)域，然后針對每一個區(qū)域都分別獨立計算判斷，以使各區(qū)域的判斷結果相互印證，從而降低探測的誤差。下面將對除了圖像處理系統2-A以外的功能單元進行簡單描述，其中，這些功能單元均可采用現有技術中已有的方案，不屬于本發(fā)明的內容。溫度測控系統2-B能夠獲取溫度傳感器111的溫度信號，并將溫度信號與設定的溫度值相比較，從而作為加熱器112工作的控制基礎。并且也可以將溫度值傳輸給判斷模塊，作為判斷當前結冰狀況的參考量。光源控制單元2-C控制電磁波發(fā)射裝置115的工作，即對電磁波種類、發(fā)射時間和發(fā)射功率等進行控制。電磁波發(fā)射裝置115可以連續(xù)工作，也可以規(guī)律或不規(guī)律地間斷工作。在規(guī)律的間斷工作狀態(tài)下，電磁波的發(fā)射頻率可以選為l-20Hz，這既可和圖像獲取系統協調工作，又能保證有足夠快的探測速度。在非連續(xù)的工作狀態(tài)下，可以通過中央微處理器2-D對光源控制單元2-C和圖像處理系統2-A的工作進行協調，使得僅在電磁波發(fā)射裝置115工作時，圖像處理系統2-A才進行工作。中央微處理器2-D可以實現對圖像處理系統2-A、溫度測控系統2_B以及光源控制單元2-C的控制和相互之間的信息交換，從而實現各單元的功能。下面將參照圖3和4，以飛行器的結冰探測為例，說明根據本發(fā)明的結冰探測器的兩種應用方式。其中，探測器的內部結構與前一實施方式的結構大致相同，因此不再重復。根據本發(fā)明的圖像結冰探測器可以用于對物體表面較小區(qū)域的結冰狀況進行微觀探測。例如圖3所示，圖像獲取系統的前端110埋在飛行器表面中，并且朝向外側，傳像光纖束在保護套106中從前端110引出并延伸至遠離該前端的圖像處理系統(圖中未顯示)。在該應用中，聚焦鏡頭選用的是微距鏡頭，所能獲取的圖像僅限于前端所對準的非常有限的面積。但是由于距離非常近，因此可以實現對冰層內部圖像的微觀探測，所獲取的圖像信息的精確度非常高。隨之求得的單位時間內結冰厚度的增加量即結冰速率也相應地更加精確。需要補充說明的是，在此布置方式下，探測器前端結冰不可避免，否則將無法實現結冰探測。但是此時，仍然可以設置除冰裝置，以用于探測器的復位。根據本發(fā)明的圖像結冰探測器還可以用于對物體表面較大區(qū)域的結冰狀況進行宏觀探測。如圖4所示，探測器安裝于飛行器的垂尾上，并斜對著尾翼表面。在該應用中， 聚焦鏡頭選用長焦鏡頭或是魚眼廣角鏡頭，并且通過調整鏡頭的參數，可以實現對整個需要進行結冰探測的表面區(qū)域(例如，圖中所示為a-b-c-d的矩形區(qū)域)均獲取清晰的圖像。在此布置方式下，探測器前端不能存在結冰，否則將無法獲取待探測的物體表面的結冰圖像。此時，防冰除冰裝置的設置就顯得非常重要。并且由于傳像光纖束是耐高溫的玻璃光纖或石英光纖，故只要加熱裝置的溫度不是太高，就不會損壞探測器。這種針對物體表面較大區(qū)域的探測形式雖然在對局部點進行探測上精度較前一種形式低，但是可以實現對整個區(qū)域范圍的整體探測。從這一角度來說，又能提高對結冰狀況的總體分析精度。因為冰層分布的不均勻可能造成點探測的結果并不能代表整體的結冰狀況，使得依據幾個特定點得出的結論偏離實際情況。除此以外，這種宏觀探測形式在某些特殊的應用中還能產生特殊的技術效果，例如實現對由過冷大水滴形成的“后流冰”的探測。這對于飛行器等領域的結冰探測來說，具
有非常重要的意義。所謂的過冷大水滴是指中位容積直徑范圍超過50微米的過冷水滴。由于過冷大水滴具有較大的質量，因此在結冰之前需要放出大量的潛熱。其在接觸例如飛行器表面后的一段時間內仍然保持液體狀態(tài)，不會發(fā)生結冰，只有當液體的潛熱完全釋放出來后，結冰才會發(fā)生在沿氣流方向向后一定距離的表面上。因此，在“后流冰”的情況下，會出現在例如飛行器機翼和尾翼的前緣部位沒有結冰，而在前緣之后的非防護部位發(fā)生結冰的特殊情況。根據傳統的探測方法，如果要探測這種結冰，需要在較大的部位上設置很多結冰探測器單元。這樣，不僅要求有大的安裝空間，還會對物體表面的結構造成破壞，并且設置多個結冰探測器單元也會顯著增加成本。而如果采用對物體表面較大區(qū)域的結冰狀況進行宏觀探測的上述設置，則可以輕易地實現對“后流冰”的探測。所要做的僅僅是修改計算模塊中算法(例如將待探測的物體表面沿氣流方向分區(qū)，并對每一區(qū)域分別計算)，使之能夠實現對物體表面上沿著氣流方向前一段沒有結冰，而后一段結冰的情況進行識別，就可以實現后流冰探測。以上描述的是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。但是應當理解的是，本領域技術人員在閱讀了上述說明后，能夠很容易想到其它實現本發(fā)明的具體方式，而這些具體方式是顯而易見的。發(fā)明人預期本領域技術人員可以實施合適的改變，并且這些變化都應當被包括在由權利要求書所限定的保護范圍中。
權利要求
1.一種圖像結冰探測器，包括圖像獲取系統(I-A)和圖像處理系統O-A)，其中，所述圖像獲取系統(I-A)能夠獲取物體表面的圖像，所述圖像處理系統O-A)能夠對所述圖像進行分析，從而得到所述物體表面的結冰狀況。
2.如權利要求1所述的圖像結冰探測器，其特征在于，所述圖像處理系統O-A)主要包括結冰分析單元O02)，其包括標記模塊、計算模塊和判斷模塊，其中，所述標記模塊用于對所述圖像標記與結冰狀況相關的若干參數，所述計算模塊用于對所標記的參數進行計算， 以獲得所述圖像的特征因數，所述判斷模塊用于根據所述特征因數判斷得到所述物體表面的結冰狀況。
3.如權利要求1或2所述的圖像結冰探測器，其特征在于，所述標記模塊進行標記的依據是所述圖像的亮度。
4.如上述任一項權利要求所述的圖像結冰探測器，其特征在于，所述標記模塊包括灰度分析模塊和/或色譜分析模塊，分別用于通過灰度或色譜對所述圖像標記若干參數。
5.如上述任一項權利要求所述的圖像結冰探測器，其特征在于，所述圖像處理系統 (2-A)還包括取點模塊，用于從所述圖像上獲取至少一部分像素點，并由所述標記模塊對這些像素點標記參數。
6.如上述任一項權利要求所述的圖像結冰探測器，其特征在于，所述計算模塊計算所述特征因數的依據是所標記參數的大小和/或分布。
7.如上述任一項權利要求所述的圖像結冰探測器，其特征在于，所述圖像被劃分為多個區(qū)域，所述計算模塊針對各個區(qū)域分別計算所述特征因數。
8.如上述任一項權利要求所述的圖像結冰探測器，其特征在于，所述計算模塊通過統計的方法獲得所述特征因數。
9.如權利要求8所述的圖像結冰探測器，其特征在于，所述標記模塊進行參數標記的范圍被劃分為多個區(qū)間，所述計算模塊將所標記的參數在所述多個區(qū)間內的分布作為所述特征因數。
10.如權利要求8所述的圖像結冰探測器，其特征在于，所述計算模塊計算所標記參數的方差和/或總和，并將其作為所述特征因數。
11.如上述任一項權利要求所述的圖像結冰探測器，其特征在于，所述圖像處理系統 (2-A)還包括結冰狀況數據庫(203)。
12.如權利要求11所述的圖像結冰探測器，其特征在于，所述結冰狀況數據庫(203)包括與各種結冰狀況相對應的特征數據，用于和所述特征因數進行對比。
13.如上述任一項權利要求所述的圖像結冰探測器，其特征在于，所述結冰狀況包括結冰種類、結冰厚度和/或結冰面積。
14.如上述任一項權利要求所述的圖像結冰探測器，其特征在于，所述圖像處理系統 (2-A)還包括對所述物體表面是否結冰進行判斷的結冰預警單元001)。
15.如權利要求14所述的圖像結冰探測器，其特征在于，所述結冰狀況數據庫(203)包括所述物體表面的清潔圖像。
16.一種飛行器結冰探測器，其特征在于，包括如上述任一項權利要求所述的圖像結冰探測器。
17.如權利要求16所述的飛行器結冰探測器，其特征在于，所述圖像獲取系統(I-A)的前端靠近待探測的物體表面而設置，用于對所述物體表面進行近距離的微觀探測。
18.如權利要求16所述的飛行器結冰探測器，其特征在于，所述圖像獲取系統(I-A)的前端遠離待探測的物體表面而設置，用于對所述物體表面進行遠距離的宏觀探測。
全文摘要
一種圖像結冰探測器，包括圖像獲取系統(1-A)和圖像處理系統(2-A)。其中，圖像獲取系統(1-A)能夠獲取物體表面的圖像，圖像處理系統(2-A)能夠對所述圖像進行分析，從而得到所述物體表面的結冰狀況。該探測器的結構簡單，可靠性高，可以有效地對結冰的種類進行識別，從而顯著提高結冰探測的準確度，并且能夠實現對整個物體表面的探測，此外還能探測過冷大水滴的結冰狀況。
文檔編號G01B11/00GK102313510SQ20101021935
公開日2012年1月11日 申請日期2010年7月2日 優(yōu)先權日2010年7月2日
發(fā)明者馮麗娟, 劉鐵軍, 葉林, 周峰, 張淼, 葛俊峰, 陳迎春 申請人:中國商用飛機有限責任公司, 中國商用飛機有限責任公司上海飛機設計研究院, 華中科技大學