一種圖像式過冷大水滴結(jié)冰探測系統(tǒng)

胡文月，葛俊鋒，葉 林，張巖松

(華中科技大學自動化學院，多譜信息處理技術(shù)重點實驗室，湖北武漢 430074)

?

一種圖像式過冷大水滴結(jié)冰探測系統(tǒng)

胡文月，葛俊鋒，葉 林，張巖松

(華中科技大學自動化學院，多譜信息處理技術(shù)重點實驗室，湖北武漢 430074)

在飛機結(jié)冰問題中，過冷水滴粒徑的不同會對飛機結(jié)冰產(chǎn)生不同的影響，當飛機遇到水滴粒徑超過50 μm的過冷大水滴時，容易形成粗糙的冰脊，對飛機飛行安全造成嚴重威脅。文中介紹了一種圖像式過冷大水滴結(jié)冰探測系統(tǒng)，通過設(shè)計特殊的探頭外形結(jié)構(gòu)，使不同粒徑的水滴在探頭的不同位置結(jié)冰，采集探頭特定位置的圖像并使用圖像處理技術(shù)對其進行分析，得到該位置的結(jié)冰厚度及其分布信息，判斷過冷大水滴結(jié)冰的存在性。通過結(jié)冰風洞試驗，驗證了該系統(tǒng)具有區(qū)分常規(guī)結(jié)冰與SLD結(jié)冰的功能，并通過計算結(jié)冰邊緣到探頭邊緣的距離，得到探頭的結(jié)冰厚度及其分布信息，從而實現(xiàn)SLD結(jié)冰探測。

結(jié)冰探測；過冷大水滴；結(jié)冰風洞試驗；圖像處理

0 引言

在飛機結(jié)冰氣象條件的研究中，美國國家航空航天局曾在大量飛行試驗的前提下，對液態(tài)水含量(LWC，Liquid Water Content)、水滴粒徑(MVD，Median Volume Diameter)和溫度等參量進行量化，形成飛機的“結(jié)冰包線”，并作為飛機結(jié)冰安全防護系統(tǒng)設(shè)計和驗證的技術(shù)規(guī)范[1]。在該包線中，過冷水滴粒徑為15～50 μm，通常稱為“常規(guī)粒徑”，形成的結(jié)冰稱為“常規(guī)結(jié)冰”。但是，1994年發(fā)生在美國印第安納州的一起飛行事故讓人們認識到，飛機在飛行中遇到的過冷水滴還有可能是粒徑范圍在50 μm至數(shù)百μm范圍內(nèi)的“過冷大水滴”(SLD，Supercooled Large Droplet)，形成的結(jié)冰稱為“SLD結(jié)冰”。SLD結(jié)冰與常規(guī)結(jié)冰有很大的不同，容易形成粗糙的冰脊，造成飛機機翼大面積、不規(guī)則的外形破壞，嚴重影響機翼外流場特性，進而影響飛機的空氣動力學特性。因此，SLD結(jié)冰比常規(guī)結(jié)冰產(chǎn)生的破壞更加嚴重，其探測技術(shù)的研究也更為迫切和重要。

美國專利US 6269320B1描述了一種SLD結(jié)冰探測器，氣流通過探測器中的氣流通道進入，并在探頭前端形成氣流漩渦，若水滴較小，則其質(zhì)量較小，慣性較小，就不能突破氣流漩渦，只有大水滴才能突破氣流漩渦打到傳感器探頭上[2]；美國專利US20020158768A1介紹了另一種SLD結(jié)冰探測器[3]，專利中描述了探測器的4種主要實現(xiàn)形式，其基本設(shè)計思想是，探測器收集各種粒徑的水滴，利用不同粒徑水滴的慣性差別，在探測器上設(shè)計特殊的導流結(jié)構(gòu)，使得不同粒徑的水滴撞擊到不同的探頭上結(jié)冰，通過不同探頭的反饋信號區(qū)分SLD結(jié)冰和常規(guī)結(jié)冰，但上述兩種專利都是基于磁致伸縮諧振桿結(jié)冰探測器提出，存在探測桿凍結(jié)系數(shù)過小的問題；2013年美國波音公司提出基于激光的SLD結(jié)冰探測專利US20130175396A1和US20130240672A1，該方法將飛機大致劃分為可能發(fā)生SLD結(jié)冰和常規(guī)結(jié)冰的兩塊區(qū)域，分別設(shè)置激光結(jié)冰傳感器進行檢測，以實現(xiàn)對SLD結(jié)冰和常規(guī)結(jié)冰的探測，但該方法需要在飛機許多地方布置傳感器，系統(tǒng)十分復雜[4-5]。

在國內(nèi)，目前有一種光纖式SLD結(jié)冰探測器，能夠使常規(guī)結(jié)冰和SLD結(jié)冰發(fā)生在探測器的不同部位，從而區(qū)分出兩種不同的結(jié)冰情況[6-8]；專利CN103101626A提出了一種使用攝像頭對結(jié)冰狀況進行拍攝的裝置，可獲得探頭特定位置結(jié)冰狀況的圖像[9]。本文介紹了一種圖像式SLD結(jié)冰探測系統(tǒng)，該探測系統(tǒng)能夠區(qū)分常規(guī)結(jié)冰和SLD結(jié)冰，得到結(jié)冰厚度及其分布信息，并判斷是否有SLD結(jié)冰存在。

1 圖像式SLD結(jié)冰探測系統(tǒng)組成及工作原理

圖像式SLD結(jié)冰探測系統(tǒng)(以下簡稱“探測系統(tǒng)”)主要由SLD探測器和圖像處理系統(tǒng)兩部分組成。該探測系統(tǒng)的工作原理為：探測器中具有特定外形的探頭，能夠使常規(guī)水滴結(jié)冰發(fā)生在探頭前端，SLD結(jié)冰發(fā)生在探頭中后端，采集探頭特定位置的圖像并將其傳輸?shù)綀D像處理系統(tǒng)中進行分析，得到探頭特定位置的結(jié)冰厚度及其分布信息，判斷是否有SLD結(jié)冰存在。

1.1 SLD探測器

SLD探測器由探頭、底座、攝像頭、支撐桿等部分組成，如圖1所示。探測器的關(guān)鍵部件是探頭，位于探測器上部。探頭要具備特定的外形，能夠區(qū)分出常規(guī)結(jié)冰和SLD結(jié)冰。水滴粒徑的大小對其撞擊特性的影響非常明顯，這是因為，水滴粒徑越大，質(zhì)量越大，水滴的慣性力就越大，導致撞擊水量和局部水收集系數(shù)越大，水滴軌跡受到流場的擾動越小，其運動軌跡越接近于直線[10]。因此，以撞擊特性為基礎(chǔ)，使用仿真軟件建立適用的水滴撞擊模型，設(shè)計出探頭的外部結(jié)構(gòu)。根據(jù)軟件仿真的結(jié)果，如圖2、圖3所示，常規(guī)水滴分布在探頭的前端，SLD分布在探頭的中后端，當結(jié)冰條件具備時不同粒徑的水滴能夠在探頭的不同位置結(jié)冰。

圖1 圖像式SLD結(jié)冰探測器實物

圖2 LWC分布云圖和水滴軌跡圖(MVD=20 μm)

圖3 LWC分布云圖和水滴軌跡圖(MVD=100 μm)

探測器下部是底座，用于探測器的固定，同時在底座中裝有攝像頭，拍攝探頭的結(jié)冰情況，攝像頭的位置應布置在常規(guī)結(jié)冰和SLD結(jié)冰的關(guān)鍵位置，如圖4所示。探頭和底座之間通過兩個螺紋桿相連，這種探頭與底座分離的結(jié)構(gòu)便于后續(xù)研究中更換不同的探頭，研究不同探頭結(jié)構(gòu)的結(jié)冰情況。

圖4 攝像頭位置

1.2 圖像處理系統(tǒng)

圖像處理系統(tǒng)是該探測器計算結(jié)冰厚度的核心部分，采用Visual Studio2010環(huán)境中的OpenCV來實現(xiàn)。其基本思想是，根據(jù)圖像中探頭和冰層灰度值的不同，首先檢測到探頭邊緣，得到探頭邊緣的函數(shù)表達式，然后檢測結(jié)冰邊緣，通過計算結(jié)冰邊緣到探頭邊緣的距離，得到結(jié)冰厚度及分布信息，最后通過像素與實際結(jié)冰冰厚的換算系數(shù)進行換算，得到實際的結(jié)冰厚度及分布信息，并判斷是否有SLD結(jié)冰存在。由于在計算結(jié)冰厚度時需要使用探頭邊緣的函數(shù)表達式，因此在拍攝結(jié)冰圖像時應保證原始圖像與結(jié)冰圖像位置的不變性。系統(tǒng)中涉及到的內(nèi)容主要包括圖像濾波、圖像分割、邊緣提取、部分圖像分割、形態(tài)學運算、曲線擬合、冰厚計算等[11]。

圖像濾波主要針對在圖像形成、傳輸記錄過程中受到的噪聲污染，在盡量保留圖像細節(jié)特征的條件下抑制目標圖像的噪聲，其方法主要有均值濾波、中值濾波和高斯濾波等。由于該系統(tǒng)中攝像頭成像質(zhì)量較高，傳輸距離較短，因此在濾波環(huán)節(jié)采用了較為簡便的中值濾波方法。

在閾值分割方面，由于采集圖片的多樣性，導致了圖像灰度值分布的多樣性，并不存在固定的閾值，能夠成功對所有圖像都進行分割。因此，應當采用自適應的閾值分割算法，自動選取合適的閾值，對圖像進行分割，目前處理系統(tǒng)選取的是大津算法。閾值分割后，圖像中有很多較小的封閉區(qū)域，為了減小這些封閉區(qū)域的影響，可采用形態(tài)學運算來將其消除。

針對閾值分割后的二值圖像使用輪廓檢測函數(shù)，可得到圖像的輪廓信息。此時可能會檢測到一些不需要的輪廓信息，為了得到探頭邊緣，可使用一些先驗條件約束將干擾信息消除。

通過已經(jīng)得到的輪廓信息，可以獲取輪廓上各點的坐標值，對輪廓上各點進行擬合，可以得到探頭邊緣的函數(shù)表達式。對于第二路攝像頭采集到的圖像，其探頭邊緣為直線，可通過霍夫變換找到其函數(shù)表達式；對于第一路攝像頭采集到的圖像，其探頭邊緣為曲線，需要進行曲線擬合，目前系統(tǒng)采用最小二乘法來實現(xiàn)。它通過最小化誤差的平方來尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配，方法簡便，效果較好，并容易通過計算機編程實現(xiàn)。

圖像處理系統(tǒng)的工作流程為：首先讀入沒有結(jié)冰的原始圖像，經(jīng)圖像濾波、閾值分割及形態(tài)學運算、輪廓檢測、最小二乘擬合處理后，得到探頭邊緣的函數(shù)表達式。完成對原始圖像的處理之后，系統(tǒng)讀入結(jié)冰圖像，經(jīng)過圖像濾波、閾值分割及形態(tài)學運算、輪廓檢測處理，提取檢測到的結(jié)冰邊緣的各點坐標，計算結(jié)冰邊緣各點到探頭邊緣的距離，進而得到結(jié)冰厚度信息及其分布信息。其計算方法如下。

根據(jù)實際的設(shè)計經(jīng)驗，選取二次函數(shù)對探頭邊緣進行擬合。假設(shè)二次函數(shù)方程為y=ax2+bx+c，點(m,n)為結(jié)冰輪廓上的一點，通過輪廓檢測后為已知點。若求結(jié)冰厚度，需要得到點(m,n)到拋物線的距離，其計算示意圖如圖5所示。

圖5 結(jié)冰厚度計算示意圖

假設(shè)某一點(x,y)滿足以下兩個條件：

(1)位于拋物線上；

(2)拋物線在此點的切線與點(m,n)的連線相互垂直。

則點(m,n)到拋物線的距離即為點(m,n)到點(x,y)的距離。點(m,n)坐標已知，需要根據(jù)條件求取點(x,y)的坐標。

聯(lián)立兩個方程后，可轉(zhuǎn)化為一個一元三次方程，根據(jù)卡丹求根公式即可得到方程的解，帶入方程組即可得到點(x,y)的坐標值。

2 試驗及分析

根據(jù)介紹過的探測系統(tǒng)的工作原理，該探測系統(tǒng)主要可以實現(xiàn)兩個功能：一是能夠檢測SLD結(jié)冰的存在性，區(qū)分出常規(guī)水滴結(jié)冰和SLD結(jié)冰；二是得到結(jié)冰的厚度及其分布信息，并判斷是否有SLD結(jié)冰存在。下面通過具體試驗來驗證探測系統(tǒng)的功能。

2.1 SLD結(jié)冰探測試驗驗證

結(jié)冰風洞可以通過調(diào)節(jié)各種參數(shù)來模擬飛機飛行的實際環(huán)境，因此可以通過結(jié)冰風洞試驗來驗證該探測系統(tǒng)對于SLD結(jié)冰的探測功能。

試驗條件1：水滴粒徑(15±1)μm，風洞溫度-10 ℃，液態(tài)水含量(0.6±0.05)g/m3，氣壓0.3 MPa，水壓0.3 MPa，轉(zhuǎn)速1 600 r/min，風速60 m/s。試驗中拍攝的探頭結(jié)冰照片如圖6所示。從試驗結(jié)果可以看出，結(jié)冰僅發(fā)生在探頭前端，屬于常規(guī)水滴結(jié)冰，與試驗條件相符。

圖6 試驗1照片

試驗條件2：水滴粒徑(70±2)μm，風洞溫度-10 ℃，液態(tài)水含量(0.7±0.05)g/m3，氣壓0.3 MPa，水壓0.3 MPa，轉(zhuǎn)速1 600 r/min，風速60 m/s，試驗中拍攝的探頭結(jié)冰照片如圖7所示。從試驗結(jié)果可以看出，結(jié)冰僅發(fā)生在探頭中后端，屬于SLD結(jié)冰，與試驗條件相符。

圖7 試驗2照片

由以上兩組試驗對比可以看出，該探測系統(tǒng)能夠區(qū)分出常規(guī)水滴結(jié)冰和SLD結(jié)冰，常規(guī)水滴結(jié)冰發(fā)生在探頭前端，SLD結(jié)冰發(fā)生在探頭中后端，與仿真結(jié)果相符，驗證了該探測系統(tǒng)具有區(qū)分常規(guī)水滴結(jié)冰和SLD結(jié)冰的功能。

2.2 結(jié)冰厚度計算

圖像處理系統(tǒng)對兩路攝像頭采集到的圖像處理流程大致類似，下面僅以第一路攝像頭采集到的圖像為例進行說明。

他打定主意，決定放手一搏，然而就在此刻，忽聽前方傳來一聲尖厲的鳴叫，他抬眼一望，卻是一只黑身白腹的鳥兒迎面朝自己撞來。

第一路采集到的一幅原始圖像如圖8所示。

讀入圖像后，首先進行圖像濾波，處理后圖像如圖9所示。

圖8 原始圖像

圖9 原始圖像濾波

圖像濾波后，使用大津算法對圖像進行自適應閾值分割，得到二值圖像，如圖10所示。

為了減小圖像中較小的孔洞，對圖像進行形態(tài)學運算，如圖11所示。

提取圖像中的輪廓，并加以先驗條件約束，得到的探頭邊緣如圖12所示。

使用最小二乘法對提取的探頭邊緣進行擬合，擬合效果如圖13所示。

擬合曲線函數(shù)采用二次函數(shù)，擬合結(jié)果為y=ax2+bx+c，其中a=0.004 76，b=-2.536，c=521.451。

圖10 原始圖像閾值分割

圖11 原始圖像形態(tài)學運算

圖12 探頭輪廓邊緣

圖13 擬合效果

和原始圖像類似，結(jié)冰圖像經(jīng)過圖像濾波、自適應閾值分割及形態(tài)學運算、輪廓提取處理，其結(jié)果如圖15～圖18所示。

圖14 結(jié)冰圖像

圖15 結(jié)冰圖像濾波

圖16 結(jié)冰圖像閾值分割

圖17 結(jié)冰圖像形態(tài)學運算

圖18 結(jié)冰邊緣

系統(tǒng)處理的最終結(jié)果如圖19所示，紅色曲線為探頭邊緣的函數(shù)表達式，藍色曲線為結(jié)冰邊緣。檢測到的結(jié)冰邊緣由一系列坐標點構(gòu)成，使用“圖像處理系統(tǒng)”部分介紹過的計算結(jié)冰厚度的方法，可逐個計算出結(jié)冰邊緣上各點到探頭邊緣的距離，從而得到結(jié)冰圖像中的冰厚及其分布信息。

圖19 探頭及結(jié)冰邊緣

經(jīng)圖像處理系統(tǒng)計算，此結(jié)冰圖像中結(jié)冰厚度為69.65(像素)，結(jié)冰圖像中挑選有代表性的位置進行測量，如圖所示，其結(jié)冰厚度分別為63，75，66，74(像素)，誤差分別為9.5%，7.7%，5.2%，6.2%。

3 結(jié)束語

本文提出了一種圖像式SLD結(jié)冰探測系統(tǒng)，能夠有效檢測SLD結(jié)冰的存在。該探測系統(tǒng)的設(shè)計主要包括探頭外形設(shè)計和圖像處理算法設(shè)計兩個方面。通過軟件仿真的方法，設(shè)計一種特定外形的探頭，能夠使不同粒徑的水滴在探頭的不同位置結(jié)冰，采用圖像處理技術(shù)，對探頭邊緣進行函數(shù)擬合，得到其函數(shù)表達式，計算結(jié)冰邊緣上各點到探頭邊緣的距離，得到探頭上的結(jié)冰厚度及其分布信息，并判斷是否有SLD結(jié)冰存在。

另外，該探測系統(tǒng)進行了結(jié)冰風洞試驗，試驗結(jié)果與軟件仿真結(jié)果基本吻合，驗證了該探測系統(tǒng)具有檢測SLD結(jié)冰的功能。同時，使用圖像處理系統(tǒng)對采集到的圖像進行分析，得到了探頭的結(jié)冰厚度及其分布信息。

但是，該探測系統(tǒng)也存在一定的不足。例如，圖像處理系統(tǒng)計算精度不高，原始圖像與結(jié)冰圖像在位置一致性上要求較高等。后期可進行一些改進，如在分割算法的選取上可以采用更加適用于結(jié)冰圖像的方法，對原始圖像與結(jié)冰圖像可先配準再計算等。

[1] USA Federal Aviation Administration. Aircraft Ice Protection,Advisory Circular,NO:20-73A，2006.

[2] OTTO J T. Supercooled Large Droplet Lce Detector：United States: 6269320B1.2001-07.

[3] SECERSON J A. Inflight Ice Detector to Distinguish Supercooled Large Droplet(SLD)Icing：United States,20020158768A1.2002-10.

[4] MEIS C S. Laser-Based Supercooled Large Drop Icing Condition Detection System:United States,20130240672A1. 2013-09.

[5] MEIS C S,BOSETTI C K. Supercooled Large Drop Icing Condition Detection System:United States,20130175396A1. 2013-07.

[6] 周燦,葛俊鋒,葉林，等. 飛機過冷大水滴結(jié)冰探測器設(shè)計及試驗.儀器儀表學報,2013,34(10): 2213-2218.

[7] 陳朝輝. 過冷大水滴結(jié)冰探測器設(shè)計及試驗研究：[學位論文]. 武漢:華中科技大學,2014.

[8] 許一飛. 過冷大水滴結(jié)冰探測器數(shù)值仿真設(shè)計及其實驗研究：[學位論文]. 武漢:華中科技大學,2013.

[9] 中國商用飛機有限責任公司,上海飛機設(shè)計研究院.結(jié)冰探測器: 中國,CN103101626A. 2013-05-15.

[10] 閔現(xiàn)花. 結(jié)冰條件下過冷水滴撞擊特性及熱平衡分析：[學位論文]. 上海:上海交通大學,2010.

[11] 岡薩雷斯,伍茲. 數(shù)字圖像處理.3版. 北京:電子工業(yè)出版社,2011.

Supercooled Large Droplet Icing Detection System Based on Image Processing Technology

HU Wen-yue,GE Jun-feng,YE Lin,ZHANG Yan-song

(Department of Automation,Huazhong University of Science and Technology, Key Laboratory of Multispectral Information Processing of HUST,Wuhan 430074,China)

In aviation,ice accretion on the aircraft will be influenced seriously by the diameter of the supercooled droplets. Rough ice ridge forms easily when the aircraft suffers the supercooled large droplet(SLD) whose diameter ranges from 50 μm to 500 μm and thus flight security problem occurs. This paper describes a SLD icing detection system. Special structure of the detector is designed,so droplets with different diameter will freeze in different positions. Images obtained from certain area of the detector were analyzed in the image processing system. Then the system gives the information of the ice thickness and its distribution in this area,and makes the judgement on the existence of the SLD icing. The results of the ice wind tunnel test shows that the detection system can distinguish SLD icing from normal icing. The information of the ice thickness and its distribution are calculated by computing the distance between ice edge and the detector edge,and thus the SLD icing can be detected.

icing detection;supercooled large droplet;icing wind tunnel test;image processing

國家自然科學基金資助項目(61104202);中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金項目(2014QN170)

2015-01-30 收修改稿日期：2015-06-08

TH89

A

1002-1841(2015)11-0074-04

胡文月(1990—)，碩士研究生，研究方向為傳感器與智能檢測技術(shù)。E-mail：sdadhwy@163.com