结冰范围的等离子体探测方法、装置及存储介质、程序与流程

1.本发明属于结冰探测技术领域，具体涉及一种结冰范围的等离子体探测方法、装置及存储介质、程序。


背景技术：

2.当飞机飞行在有结冰气象条件的环境中，通常会遭遇结冰现象，尤其是飞机迎风表面，包括机翼、尾翼、发动机进气道前缘等部位；结冰会导致飞机关键部件的气动性能和稳定性下降，严重影响飞行的安全性；所以必须及时准确的探测结冰情况，将信息反馈给飞行员或飞行控制系统，为启动防除冰系统提供准确的输入条件。
3.目前飞机结冰探测主要采用振动棒，利用监测无结冰时的振动棒谐振频率和结冰之后的振动棒谐振频率之间的差异，建立谐振频率和振动棒附加质量（结冰的质量）的关系，通过估算的方法获得结冰的平均厚度，这种方法只能测量大概的平均结冰厚度，而且只是某个点位置的信息；另外，也有采用光纤结冰传感器探测结冰的方法，就是利用光纤作为导光的传输介质，将发射光通过光纤引导到需要探测结冰的表面，如果无结冰现象，发射光将直接发射到空中，没有反射信号回来，但是一旦有结冰现象存在，冰会将部分光信号反射回到表面的接收光纤探头中，利用发射光和接收光之间的光强差可以解析出结冰的平均厚度信息。
4.以上两种方法都是对容易结冰区域中的某个点位置的结冰信息进行测量，只能探测到单点信息，无法探测到多点信息，而且测量的也只是结冰的平均厚度，也无法探测到结冰的范围，而结冰范围对飞行员决策是否需要除冰具有重要意义。


技术实现要素：

5.本发明提供了结冰范围的等离子体探测方法、装置及存储介质、程序，能够获取探测环境的结冰范围。
6.本发明是这样实现的：一种结冰范围的等离子体探测方法，具体探测步骤如下：s1：将等离子体激励器置于未结冰环境中，获取等离子体激励器的q-v曲线的封闭区域面积a
min
，此时结冰距离l
min
=0mm；s2：将等离子体激励器置于结冰环境中，等离子体激励器的放电区域均由冰层覆盖，获取等离子体激励器的q-v曲线的封闭区域面积a
max
，此时的结冰距离l
max
为放电区域的长度lc或宽度lk，l
max
=lc或l
max
=lk；s3：将等离子体激励器置于需探测环境中，获取等离子体激励器的q-v曲线的封闭区域面积ai；s4：利用a
min
，l
min
，a
max
，l
max
以及ai插值计算得到与ai对应的结冰距离li，其中，当令l
max
=lc时，求得结冰范围的长度l1，当令l
max
=lk时，求得结冰范围的宽度l2；s5：以获取的l1为长，l2为宽绘制长方形结构，得到结冰范围。
7.在上述技术方案中，得到的结冰范围是一个大概的范围，相对于现有结冰探测器只能探测到单点的结冰信息，上述方案中得到的结冰范围可以更清楚反应结冰情况，为启动防除冰系统提供准确的输入条件，便于提高飞行员或飞行控制系统判断是否需要进行除防冰的准确率，能够避免发生结冰事故，造成重大的设备损毁和经济损失。
8.进一步的，获取等离子体激励器的q-v曲线的封闭区域面积a的具体步骤包括：周期性启动等离子体激励器的纳秒脉冲电源，获取电流数据i和电压数据v，计算纳秒脉冲电源的累积放电电荷q，根据累积放电电荷q和电压数据v计算q-v曲线的封闭区域面积a。
9.进一步的，累积放电电荷q的计算公式如下：式中，t是单个放电周期，t
on
是单个放电周期的开启时间，t
off
是单个放电周期的关闭时间，n为放电频率，t为放电时间，dt为放电时间t的微分。
10.进一步的，放电频率n的大小在8hz到12hz之间。
11.进一步的，封闭区域面积a的计算公式如下：式中，v
min
≤v1,v2≤v
max
，v
min
为电压数据v的最小值，v
max
为电压数据v的最大值，dv为电压数据v的微分。
12.进一步的，步骤s4中，插值法包括内插值方法和外插值方法，内插值方法：(l
max-l
min
)/(a
max-a
min
)=(l
max-li)/(a
max-ai)外插值方法：(l
max-l
min
)/(a
max-a
min
)=(l
i-l
max
)/(a
i-a
max
)。
13.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，该计算机程序指令被处理器执行时实现上述结冰范围的的等离子体探测方法的步骤。
14.一种计算机程序产品，包括计算机程序指令，该计算机程序指令被处理器执行时实现上述结冰范围的的等离子体探测方法的步骤。
15.一种结冰范围的等离子体探测装置，包括存储器、处理器、等离子体激励器以及存储在存储器上的计算机程序，处理器执行计算机程序以实现上述结冰范围的探测方法的步骤，等离子体激励器用于获取上述结冰范围的探测方法的需要的数据；等离子体激励器包括第一电极、第二电极、绝缘介质层以及绝缘底板；第一电极和第二电极之间串联有纳秒脉冲电源、电流测量计以及电压测量计；第一电极和第二电极分别安装在绝缘介质层的两侧表面，且沿绝缘介质层的宽度方向，第一电极和第二电极并排设置，第一电极靠近第二电极的侧边为第一侧边，第二电极靠近第一电极的侧边为第二侧边，第一侧边和第二侧边之间的间距为a；第一电极位于绝缘底板表面；第一电极和第二电极可以直接应用到有曲率变化的机翼前缘、发动机进气道前缘、风力机叶片表面等部位，能够适应多种安装环境，避免无法安装导致的结冰事故，以及结冰造成的重大设备损毁和经济损失。
16.进一步的，沿绝缘介质层的宽度方向，第一侧边和第二侧边之间的间距a满足：-1mm≤a≤1mm，最好是第一侧边和第二侧边之间的间距a=0mm。
17.本发明的有益效果是：1、本发明中，通过将等离子激励器置于探测环境中，获取未结冰环境、全结冰环境以及需探测环境的等离子体激励器的q-v曲线的封闭区域面积a，结合面积数据以及未结冰环境和全结冰环境的结冰距离数据利用插值法求得需探测环境的结冰距离，得到结冰范围的长度数据和宽度数据，得到结冰范围，明确的结冰范围数据便于飞行员或飞行控制系统判断具体结冰情况，避免发生判断失误的情况，也避免由于判断失误导致打算结冰事故、造成设备损毁和经济损失的情况。
18.2、本发明中，将等离子激励器安装到飞行器时，第一电极和第二电极可以直接应用到有曲率变化的机翼前缘、发动机进气道前缘、风力机叶片表面等部位，能够适应多种安装环境、提高可探测的环境范围，并获取更多的飞行器表面结冰数据，便于全面展现飞行器的结冰情况。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1是本发明实施1提供的结冰范围探测方法流程图；图2是本发明实施1提供的等离子体激励器间断性放电的电流随时间周期性变化的示意图；图3是本发明实施1提供的未结冰时以及全结冰时的等离子体激励器的q-v曲线；图4是本发明实施1提供的结冰状态未知时的等离子体激励器的q-v曲线；图5是本发明实施4提供的等离子体激励器的结构示意图。
21.附图标记说明：1-第一电极，2-绝缘介质层，3-第二电极，4-绝缘底板，5-电压测量计，6-电流测量计，7-纳秒脉冲电源，8-示波器。
具体实施方式
22.以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。
23.实施例1本实施例中提供了一种结冰范围的等离子体探测方法，结合图1所示，具体探测步骤如下：s1：首先将等离子体激励器置于未结冰环境中，此时等离子激励器的放电区域均未结冰，获取未结冰时等离子体激励器的q-v曲线的封闭区域面积a
min
数据，以及最小结冰距离数据l
min
，由于此时是未结冰状态，结冰距离l
min
=0mm；
s2：然后将等离子体激励器置于结冰环境中，等到等离子体激励器的放电区域均由冰层覆盖，此时称为全结冰状态，获取全结冰状态时等离子体激励器的q-v曲线的封闭区域面积a
max
数据，以及最大的结冰距离l
max
数据，由于此时是全结冰状态，放电区域全部由冰层覆盖，结冰距离l
max
为放电区域的长度lc或宽度lk，即l
max
=lc或l
max
=lk；s3：获取未结冰状态以及全结冰状态的数据后，开始对需探测环境的结冰状态进行探测，将等离子体激励器置于需探测环境中，获取等离子体激励器的q-v曲线的封闭区域面积ai；s4：然后利用a
min
，l
min
，a
max
，l
max
以及ai插值计算得到与ai对应的结冰距离li，其中，当令l
max
=lc时，求得结冰范围的长度l1，当令l
max
=lk时，求得结冰范围的宽度l2；s5：获取结冰范围的数据后，以获取的l1为长，l2为宽绘制长方形结构，得到结冰范围。
24.具体的，获取等离子体激励器的q-v曲线的封闭区域面积a的具体步骤包括：周期性启动等离子体激励器的纳秒脉冲电源，等离子体激励器间断性放电的电流随时间周期性变化的图如图2所示，获取等离子体激励器的电流数据i和电压数据v，并结合等离子激励器的周期性放电时间和放电频率计算纳秒脉冲电源的累积放电电荷q，累积放电电荷q的计算公式如下：式中，t是单个放电周期，t
on
是单个放电周期的开启时间，t
off
是单个放电周期的关闭时间，n为放电频率，t为放电时间，dt为放电时间t的微分，放电频率n的大小在8hz到12hz之间，一般选择10hz，确保放电能量较低，不会融化冰层。
25.获取累积放电电荷q的具体数据后，根据累积放电电荷q和电压数据v计算q-v曲线的封闭区域面积a，具体的，可先绘制q-v曲线，以电压数据v为横坐标，累积放电电荷q为纵坐标绘制曲线，绘制好后的q-v曲线如图3和图4所示，该曲线为封闭曲线，具有封闭区域，然后对封闭区域面积a进行积分计算，具体计算公式如下：沿着横坐标进行积分，式中，v
min
≤v1,v2≤v
max
，v
min
为电压数据v的最小值，v
max
为电压数据v的最大值，dv为电压数据v的微分，积分的范围可以是全域范围[v
min
，v
max
]，也可以是其他积分范围，对于同一结冰范围的整体计算过程中，步骤s1、s2以及s3中的积分范围必须保持一致性，图3是未结冰时以及全结冰时的q-v曲线，未结冰的封闭图形面积较小，全结冰时的封闭图像面积较大，图4是未知结冰状态时的q-v曲线。
[0026]
步骤s4中，插值法包括内插值方法和外插值方法，内插值方法：(l
max-l
min
)/(a
max-a
min
)=(l
max-li)/(a
max-ai)外插值方法：(l
max-l
min
)/(a
max-a
min
)=(l
i-l
max
)/(a
i-a
max
)
利用内插值方法或者是外插值方法获得结冰距离。
[0027]
与现有结冰探测器只能探测到单点的结冰厚度信息相比，本实施提供的探测方法能够获得一个大概的结冰范围，更能够反映环境的结冰情况，在飞行员或飞行控制系统在决策结冰区域是否需要进行防除冰时，结冰范围数据能够辅助飞行员或飞行控制系统做出决策，提高决策的准确率，避免决策失误导致的结冰事故。
[0028]
实施例2本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，该计算机程序指令被处理器执行时实现实施例1中结冰范围的等离子体探测方法的步骤。
[0029]
实施例3本实施例提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序指令，该计算机程序指令被处理器执行时实现实施例1中结冰范围的等离子体探测方法的步骤。
[0030]
实施例4本实施例提供了一种结冰范围的等离子体探测装置，包括存储器、处理器、等离子体激励器以及存储在存储器上的计算机程序，处理器执行计算机程序以实现实施例1中结冰范围的探测方法的步骤，等离子体激励器用于获取实施例1中结冰范围的探测方法的需要的数据。
[0031]
等离子体激励器的结构如图5所示，包括第一电极1、第二电极3、绝缘介质层2以及绝缘底板4；第一电极1和第二电极3之间串联有纳秒脉冲电源7、电流测量计6以及电压测量计5；第一电极1和第二电极3分别安装在绝缘介质层2的两侧表面，且沿绝缘介质层2的宽度方向，第一电极1和第二电极3并排设置，第一电极1靠近第二电极3的侧边为第一侧边，第二电极3靠近第一电极1的侧边为第二侧边，第一侧边和第二侧边之间的间距为a；第一电极1位于绝缘底板4表面；第一侧边和第二侧边之间的间距a满足：-1mm≤a≤1mm，最好是第一侧边和第二侧边之间的间距a=0mm。
[0032]
为更好的观测纳秒脉冲电源7的电流变化情况，可在第一电极1和第二电极3之间串联示波器8。
[0033]
绝缘底板4为绝缘材料制成，可以是陶瓷材料，也可以是其他绝缘材料，绝缘底板4阻隔在第一电极1和需探测环境的安装面之间，避免第一电极1和安装面之间出现导电的情况。
[0034]
第一电极1为低压接地电极，第二电极3为接电源的高压电极，第一电极1和第二电极3均是柔性的铜箔材料，厚度均在0.02mm~0.035mm之间，本实施例中，厚度为0.027mm，第二电极3是暴露电极，直接裸露在空气中，宽度较窄，本实施例中为5mm，低压电极是覆盖电极，宽度较宽，本实施例中为10mm，第一电极1的宽度为第二电极3的1.5倍以上，最好是2倍，柔性材料制作的第一电极1和第二电极3可直接应用到有曲率变化的机翼前缘、发动机进气道前缘、风力机叶片表面等部位，能够适应多种安装环境，提高结冰探测的总体范围，提供更多的结冰数据，为飞行员的决策提供保障，避免无法安装结冰探测装置、无法获取结冰数据导致的决策失误，也避免决策失误造成的结冰事故，以及结冰造成的重大设备损毁和经济损失。
[0035]
等离子激励器的放电区域是指，第二电极3表面区域，以及第一电极1沿着绝缘底板4的厚度方向，在绝缘介质层2表面的投影面区域，两个区域共同形成放电区域，第一电极
1和第二电极3整体呈长方形结构，形成规整的放电区域。
[0036]
绝缘介质层2厚度在0.12mm~0.25mm之间，本实施例中为0.18mm，本实施例中，绝缘介质层2为高分子聚酰亚胺（polyimide）胶带，介电常数为3.4，介电强度达15kv，激励器的总厚度达到0.234mm，便于安装。
[0037]
使用时，将绝缘底板4、第一电极1、绝缘介质层2、第二电极3依次铺平放置并安装在需要进行结冰探测的机翼或其他部件前缘表面，确保齐平保形，与翼面曲率保持一直。
[0038]
值得说明的是，影响等离子激励器的电流数据和电压数据的因素有结冰范围和结冰厚度，在本实施例中，由于第一电极1和第二电极3很薄，通常只有0.027mm，探测的冰层厚度通常只有0.2mm~3mm，虽然冰层厚度也很薄，但是冰层厚度已经超过了第一电极1和第二电极3的厚度，冰层厚度对空间电场的影响不大，对空间电场的范围影响不大，不会影响到等离子激励器的电压数据和电流数据，主要还是结冰的范围影响了空间电场的范围，影响等离子激励器的电流数据和电压数据。本技术的发明构思正是基于此，忽略结冰厚度的影响，从而通过等离子体激励器的电压电流值来推测计算得到结冰范围。
[0039]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种结冰范围的等离子体探测方法，其特征在于，具体探测步骤如下：s1：将等离子体激励器置于未结冰环境中，获取等离子体激励器的q-v曲线的封闭区域面积a
min
，此时结冰距离l
min
=0mm；s2：将等离子体激励器置于结冰环境中，所述等离子体激励器的放电区域均由冰层覆盖，获取等离子体激励器的q-v曲线的封闭区域面积a
max
，此时的结冰距离l
max
为所述放电区域的长度l
c
或宽度l
k
，l
max
=l
c
或l
max
=l
k
；s3：将等离子体激励器置于需探测环境中，获取等离子体激励器的q-v曲线的封闭区域面积a
i
；s4：利用a
min
，l
min
，a
max
，l
max
以及a
i
插值计算得到与a
i
对应的结冰距离l
i
，其中，当令l
max
=l
c
时，求得结冰范围的长度l1，当令l
max
=l
k
时，求得结冰范围的宽度l2；s5：以获取的l1为长，l2为宽绘制长方形结构，得到结冰范围。2.根据权利要求1所述的一种结冰范围的等离子体探测方法，其特征在于，获取等离子体激励器的q-v曲线的封闭区域面积a的具体步骤包括：周期性启动等离子体激励器的纳秒脉冲电源，获取电流数据i和电压数据v，计算纳秒脉冲电源的累积放电电荷q，根据累积放电电荷q和电压数据v计算q-v曲线的封闭区域面积a。3.根据权利要求2所述的一种结冰范围的等离子体探测方法，其特征在于，累积放电电荷q的计算公式如下：式中，t是单个放电周期，t
on
是单个放电周期的开启时间，t
off
是单个放电周期的关闭时间，n为放电频率，t为放电时间，dt为放电时间t的微分。4.根据权利要求3所述的一种结冰范围的等离子体探测方法，其特征在于，放电频率n的大小在8hz到12hz之间。5.根据权利要求2所述的一种结冰范围的等离子体探测方法，其特征在于，封闭区域面积a的计算公式如下：式中，v
min
≤v1,v2≤v
max
，v
min
为电压数据v的最小值，v
max
为电压数据v的最大值，dv为电压数据v的微分。6.根据权利要求1所述的一种结冰范围的等离子体探测方法，其特征在于，所述步骤s4中，插值法包括内插值方法和外插值方法，内插值方法：(l
max-l
min
)/(a
max-a
min
)=(l
max-l
i
)/(a
max-a
i
)外插值方法：(l
max-l
min
)/(a
max-a
min
)=(l
i-l
max
)/(a
i-a
max
)。7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，其特征在于，该计算机程序指令被处理器执行时实现权利要求1所述方法的步骤。
8.一种计算机程序产品，包括计算机程序指令，其特征在于，该计算机程序指令被处理器执行时实现权利要求1所述方法的步骤。9.一种结冰范围的等离子体探测装置，其特征在于，包括存储器、处理器、等离子体激励器以及存储在存储器上的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序以实现权利要求1所述方法的步骤，所述等离子体激励器用于获取权利要求1所述方法的需要的数据；所述等离子体激励器包括第一电极、第二电极、绝缘介质层以及绝缘底板；所述第一电极和所述第二电极之间串联有纳秒脉冲电源、电流测量计以及电压测量计；所述第一电极和所述第二电极分别安装在所述绝缘介质层的两侧表面，且沿所述绝缘介质层的宽度方向，所述第一电极和所述第二电极并排设置，所述第一电极靠近所述第二电极的侧边为第一侧边，所述第二电极靠近所述第一电极的侧边为第二侧边，所述第一侧边和所述第二侧边之间的间距为a；所述第一电极位于所述绝缘底板表面。10.根据权利要求9所述的一种结冰范围的等离子体探测装置，其特征在于，沿所述绝缘介质层的宽度方向，所述第一侧边和所述第二侧边之间的间距a满足：-1mm≤a≤1mm。

技术总结
本发明适用于结冰探测技术领域，提供了一种结冰范围的等离子体探测方法、装置及存储介质、程序。具体探测步骤如下：S1：将等离子体激励器置于未结冰环境中，获取激励器的q-V曲线的封闭区域面积，此时结冰距离为0，S2：将等离子体激励器置于结冰环境中，其放电区域均由冰层覆盖，获取激励器的q-V曲线的封闭区域面积，此时的结冰距离为放电区域的长度或宽度；S3：将等离子体激励器置于需探测环境中，获取激励器的q-V曲线的封闭区域面积；S4：利用上述数据差值计算得到S3中封闭区域面积对应的结冰距离；S5：以获取的结冰距离绘制长方形结构，得到结冰范围。结冰范围。结冰范围。


技术研发人员：肖春华 赵光银
受保护的技术使用者：中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所
技术研发日：2023.01.09
技术公布日：2023/4/5