飛機(jī)結(jié)冰冰形測量方法研究進(jìn)展

易賢， 王斌， 李偉斌,*， 郭龍

1.中國空氣動力研究與發(fā)展中心 空氣動力學(xué)國家重點實驗室， 綿陽 621000 2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心 設(shè)備設(shè)計與測試技術(shù)研究所， 綿陽 621000 3.中國空氣動力研究與發(fā)展中心 低速空氣動力學(xué)研究所， 綿陽 621000

飛機(jī)結(jié)冰冰形測量方法研究進(jìn)展

易賢1， 王斌2， 李偉斌1,*， 郭龍3

1.中國空氣動力研究與發(fā)展中心 空氣動力學(xué)國家重點實驗室， 綿陽 621000 2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心 設(shè)備設(shè)計與測試技術(shù)研究所， 綿陽 621000 3.中國空氣動力研究與發(fā)展中心 低速空氣動力學(xué)研究所， 綿陽 621000

不同氣象環(huán)境下飛機(jī)部件的結(jié)冰外形是飛機(jī)結(jié)冰研究不可缺少的內(nèi)容，它對開展結(jié)冰氣動分析、結(jié)冰防護(hù)設(shè)計、結(jié)冰飛行操作和結(jié)冰適航取證等研究具有重要意義。結(jié)合國內(nèi)外冰形測量技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，從接觸測量方法和非接觸測量方法兩個方面分別介紹了現(xiàn)有冰形測量技術(shù)的操作流程及測量原理，系統(tǒng)分析總結(jié)了各自存在的優(yōu)缺點。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合飛機(jī)結(jié)冰和結(jié)冰風(fēng)洞試驗的特點，歸納了冰形測量技術(shù)下一步發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)，包括全類型結(jié)冰的精確測量、結(jié)冰全貌三維測量和結(jié)冰生長過程實時測量等，同時，從基礎(chǔ)測量手段與數(shù)值計算融合發(fā)展的角度，展望了冰形測量方法未來的發(fā)展趨勢。

飛機(jī)結(jié)冰； 結(jié)冰風(fēng)洞； 冰形測量； 接觸測量； 非接觸測量

飛機(jī)結(jié)冰廣泛存在于飛行實踐中并對飛行安全造成威脅[1-3]。研究飛機(jī)部件在不同氣象環(huán)境下的結(jié)冰外形，是飛機(jī)結(jié)冰研究的重要內(nèi)容[4]。獲得結(jié)冰外形主要有3種途徑[5]：① 仿真計算；② 飛行試驗；③ 地面模擬試驗。其中，仿真計算是通過數(shù)值模擬的手段，分別求解飛機(jī)的繞流流場、水滴運(yùn)動與撞擊特性、傳熱和相變過程等獲得結(jié)冰外形[6]，隨著計算機(jī)技術(shù)和計算流體力學(xué)技術(shù)的發(fā)展，仿真計算已經(jīng)成為結(jié)冰研究的重要手段，但由于對結(jié)冰機(jī)理認(rèn)識還不夠深入，尤其是對過冷水滴撞擊在飛機(jī)表面之后的耦合相變的復(fù)雜傳質(zhì)傳熱過程缺乏足夠精確的描述，某些條件下仿真計算尚不能獲得準(zhǔn)確的冰形[7]。飛行試驗是通過讓飛機(jī)在真實結(jié)冰條件下飛行的方式進(jìn)行結(jié)冰研究，飛行試驗雖然可以直接得到結(jié)冰外形，但由于機(jī)載設(shè)備還不能完全準(zhǔn)確測量結(jié)冰環(huán)境參數(shù)，飛行試驗得到的冰形往往沒有足夠準(zhǔn)確的結(jié)冰輸入條件與之對應(yīng)，因此，飛行試驗多用于驗證防除冰系統(tǒng)的性能或評估結(jié)冰飛行的安全。地面模擬試驗是指在地面人工制造結(jié)冰環(huán)境，對結(jié)冰問題進(jìn)行研究，通常是在結(jié)冰風(fēng)洞內(nèi)進(jìn)行[4,8]，相對于仿真計算和飛行試驗，結(jié)冰風(fēng)洞試驗可以用相對較低的成本得到定量的結(jié)果，是獲取結(jié)冰外形的主要手段。

與傳統(tǒng)風(fēng)洞試驗輸出氣動力或熱的數(shù)據(jù)不同，結(jié)冰風(fēng)洞的冰形試驗需要輸出冰的幾何外形，由于結(jié)冰環(huán)境的特殊性以及結(jié)冰類型的復(fù)雜性，結(jié)冰冰形的測量方法一直是開展結(jié)冰風(fēng)洞試驗研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。從結(jié)冰風(fēng)洞誕生伊始，冰形測量方法就應(yīng)運(yùn)而生并不斷發(fā)展，遺憾的是，至今尚未有一種足夠完美的方法，這也使得冰形測量方法還處于不斷研究和發(fā)展之中。根據(jù)所采用的技術(shù)手段不同，結(jié)冰測量方法可分為傳統(tǒng)方法、基于圖像的方法和基于激光的測量方法；根據(jù)所獲取的結(jié)冰外形幾何維數(shù)，可分為二維方法和三維方法；根據(jù)測量方式的不同，可分為接觸式和非接觸式。本文將對現(xiàn)有冰形測量方法的原理及優(yōu)缺點進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)，并對開展冰形測量研究面臨的挑戰(zhàn)以及下一步發(fā)展方法進(jìn)行歸納和展望。

1 獲取結(jié)冰冰形的用途及意義

冰形測量實質(zhì)上是對結(jié)冰幾何外形的量化描述，根據(jù)冰形用途的不同，可以采用精度和效率不同的測量方法。獲取飛機(jī)在特定條件下的結(jié)冰冰形，無論在飛機(jī)設(shè)計階段還是適航取證階段，都具有重要用途和意義。

1) 結(jié)冰氣動分析的前提

影響飛機(jī)結(jié)冰的因素眾多，歸結(jié)起來包括3類：氣象因素、飛行狀態(tài)和飛機(jī)外形[1,4]。其中氣象因素的分析標(biāo)準(zhǔn)具有通用性[9]，與具體飛機(jī)型號無關(guān)，而飛行狀態(tài)和飛機(jī)外形則與飛機(jī)個體密切相關(guān)。結(jié)冰對飛機(jī)的直接危害是破壞原有的氣動性能[2]，不同類型和強(qiáng)度的結(jié)冰，對特定飛行狀態(tài)的飛機(jī)所造成的危害是不同的，將冰加載到飛機(jī)表面尤其是升力面進(jìn)行氣動特性的計算或者試驗分析[3]，是所有運(yùn)輸類飛機(jī)研制必須開展的工作，而獲取飛機(jī)在特定條件下的結(jié)冰外形，是開展這項工作的前提。

2) 結(jié)冰防護(hù)設(shè)計的依據(jù)

結(jié)冰防護(hù)設(shè)計的主要內(nèi)容可分為4類：一是結(jié)冰防護(hù)策略的制定，如采用防冰還是除冰或者飛行規(guī)避的策略；二是防除冰區(qū)域的確定，如重點防除冰部件及位置的選取等；三是防除冰技術(shù)的選擇，主要是選擇加熱、機(jī)械或者其他防除冰技術(shù)；四是防除冰代價的評估和設(shè)計，包括防除冰的能量需求計算和分布設(shè)計等。獲取不同部位的結(jié)冰冰形，是開展以上4類工作的基礎(chǔ)和依據(jù)[10-12]。

3) 結(jié)冰飛行操作的基礎(chǔ)

結(jié)冰改變了飛機(jī)的外形，使得空氣動力學(xué)特性發(fā)生變化，進(jìn)而改變了飛機(jī)的飛行力學(xué)性能[13-15]。帶冰條件下飛機(jī)的飛行力學(xué)性能與不帶冰時有明顯差異，雖然飛機(jī)帶有防除冰設(shè)備，但是，仍然有許多結(jié)冰部位是防除冰系統(tǒng)不能覆蓋的，即使對于采取了防除冰措施的區(qū)域，也不能保證冰能夠處理干凈，因此飛機(jī)不可避免會有帶冰飛行的情況。為了保證飛行安全，飛行操作手冊必須對冰形加以考慮[16-18]。

4) 結(jié)冰適航取證的支撐

飛機(jī)要投入商業(yè)運(yùn)行，必須通過適航認(rèn)證，結(jié)冰安全是適航認(rèn)證的重要內(nèi)容。作為國外簽發(fā)適航證書的權(quán)威機(jī)構(gòu)，美國聯(lián)邦航空局和歐洲聯(lián)合航空局，對飛機(jī)在結(jié)冰條件下的適航許可有嚴(yán)格的規(guī)范[19]。在JAR/FAR(Joint Airworthiness Requirements/Federal Aviation Regulations)的Part 25和Part 23中，分別對大型運(yùn)輸機(jī)和小型飛機(jī)的結(jié)冰適航要求作了規(guī)定，Part 27和Part 29中還給出了對直升機(jī)的規(guī)定。這些規(guī)定的基本要求是，在所有允許飛行的結(jié)冰條件下必須保證飛機(jī)安全。為此，在進(jìn)行適航認(rèn)證時，必須得到飛機(jī)在適航條例規(guī)定環(huán)境下的結(jié)冰冰形，進(jìn)而對帶冰飛機(jī)的飛行安全特性進(jìn)行評估，以滿足適航規(guī)范的要求[20]。

2 冰形接觸測量方法

在早期結(jié)冰風(fēng)洞試驗中，由于測量技術(shù)的不成熟和方法的局限性，以及對試驗冰形數(shù)據(jù)的低需求，使得冰形測量沒有過多采用技術(shù)性手段，所應(yīng)用的方法較為簡單、直接。這種簡單體現(xiàn)在測量工具與結(jié)冰的外表面或內(nèi)部的直接物理性接觸。目前，常用的接觸測量方法有描跡法和鑄模法。

2.1 描跡法

描跡法俗稱熱刀法，如圖1所示[21]，它的主要思想是手工描繪出結(jié)冰某一特定截面的輪廓圖。做法是首先用加熱的金屬片垂直展向切割帶冰翼型，獲取一條均勻切口縫隙；隨之插入帶有翼型缺口的坐標(biāo)紙，使用鉛筆繪制結(jié)冰輪廓外形；最后將結(jié)冰輪廓外形的二維坐標(biāo)輸入電腦，繪制最終的冰形曲線。

圖1 描跡法冰形測量
Fig.1 Ice shape measurement by hand tracing method

冰形的準(zhǔn)確測量是結(jié)冰后氣動評估[22-27]的基礎(chǔ)，從描跡法的操作流程不難看出，它的測量精度主要受以下幾個方面影響：

1) 使用加熱金屬片獲取切口縫隙，容易融化結(jié)冰粗糙部分的細(xì)節(jié)，同時它也會破壞縫隙周圍結(jié)冰的冰形。

2) 冰形輪廓需要人工繪制，這樣鉛筆與結(jié)冰的角度、位置以及筆跡中心線等因素均會對冰形輪廓的測量結(jié)果帶來誤差。

3) 冰形沿展向分布不均勻時，描跡截面的選取會對最終的測量結(jié)果產(chǎn)生明顯影響。

雖然描跡法的精度不夠高，但是仍被廣泛用于大型結(jié)冰風(fēng)洞試驗中[28-33]，這是因為相比大風(fēng)洞結(jié)冰的尺寸，該方法的誤差可以忽略不計，同時在可靠度和效率兩個方面還沒有比較成熟的、適用的現(xiàn)代測量技術(shù)予以替代。

圖2 平尾模型結(jié)冰冰形測量結(jié)果
Fig.2 Measurement results of horizontal tail model ice shape

描跡法的任一環(huán)節(jié)都需要人工參與，這樣就顯得較為繁瑣，且會由于主觀因素產(chǎn)生誤差。針對這一點，發(fā)展出了基于圖像處理的改進(jìn)方法。一種是用熱金屬片平行切割結(jié)冰，獲取一段結(jié)冰，拍攝結(jié)冰截面的俯視圖；另一種是直接拍攝試驗的結(jié)冰俯視圖，進(jìn)而經(jīng)過圖像處理與簡單坐標(biāo)變換便可得到最終的結(jié)冰冰形[34-35]，見圖2。相比于描跡法，這種方法沒有描跡和量化輪廓的過程，比較高效，然而由于操作和成像的特點，會破壞結(jié)冰部分細(xì)節(jié)或者獲取到截面之外的無關(guān)信息。不過，可以采取著色的手段對截面進(jìn)行定位，進(jìn)而獲取準(zhǔn)確測量結(jié)果；另一種方法是直接在翼展某一位置加裝帶有標(biāo)記的垂直薄板，通過攝像方法獲取薄板處的二維冰形[36-38]，這是一種介于接觸與非接觸之間的方法。該方法可以實時測量給定處的結(jié)冰生長過程，其測量精度受制于相機(jī)的分辨率與來流云霧噪聲。另外，這種垂直標(biāo)定薄板的安裝方式會影響氣動特性，使得薄板兩側(cè)產(chǎn)生相對較厚的結(jié)冰，從而帶來測量誤差。嚴(yán)重時薄板上亦會結(jié)冰，導(dǎo)致測量方法失效。這種方法不適用于小型結(jié)冰風(fēng)洞試驗。

2.2 鑄模法

鑄模法測量主要分為兩個步驟。第1步是制作結(jié)冰模具，第2步是澆鑄成型。數(shù)學(xué)理解為在三維空間有一個包含結(jié)冰的閉集Ω，去掉結(jié)冰區(qū)域ω，則Ω/ω表示的是模具。

典型的鑄模流程如圖3所示[39]，模具制作的具體流程是在一個裝有可塑材料的容器中放入冰，等待材料硬化后，加熱或人工去掉冰塊，這樣就得到一個含有與結(jié)冰外形相同空洞的模具。在模具制作中可塑材料的選擇是關(guān)鍵之一，這種方法發(fā)展初期選擇的是蠟[40]。好處是可以重復(fù)使用，且價格低廉，但是融蠟溫度較高會破壞結(jié)冰外部細(xì)節(jié)。后續(xù)的研究中選用了硅膠[41]，因為它更便于低溫操作，在制作模具時能更好保持結(jié)冰細(xì)節(jié)[39，42]。

結(jié)冰三維模型制作的過程比較簡單，即對模具內(nèi)部澆鑄特殊材料，等待凝固成型，便可得到模型。在這一過程中冰模材料的選擇同樣是關(guān)鍵之一，材料的黏稠度、流動特性、凝固速度等都會影響試驗效果。初期選用石膏，然而其較為黏稠，不能充分充滿模具中的小空隙。針對這一點，文獻(xiàn)[41]中做了相應(yīng)改進(jìn)，使用了環(huán)氧樹脂和氨基甲酸乙酯，取得了不錯的結(jié)果。

使用鑄模法的核心是結(jié)冰外形和位置的精確還原，如果選擇將結(jié)冰從試驗翼型上直接取下，進(jìn)而鑄模獲得結(jié)冰三維模型，這種做法很難得到完整的冰形數(shù)據(jù)，且結(jié)果不夠精確。另外，不便于風(fēng)洞中開展后續(xù)結(jié)冰氣動特性測試試驗。之后，發(fā)展出了將帶有結(jié)冰的翼型直接進(jìn)行鑄模的方法，制作帶有結(jié)冰的翼型前緣[42]，如圖4所示，這樣可以保證結(jié)冰位置不發(fā)生變化，又能保持結(jié)冰外形準(zhǔn)確，是現(xiàn)階段常用的方法之一。

圖3 鑄模法冰形測量
Fig.3 Ice shape measurement by mold and casting method

圖4 翼型冰模風(fēng)洞試驗
Fig.4 Wind tunnel test with airfoil ice model

鑄模法是直接接觸結(jié)冰獲取其三維外形的方法，在合適選取制作材料的前提下，精度較高。因此，它常常被作為標(biāo)準(zhǔn)，用于衡量其他冰形測量方法的準(zhǔn)確性[43-44]。然而，鑄模材料的昂貴價格、不可重復(fù)利用性，以及鑄模過程的耗時性等，極大限制了該方法的普及。

3 冰形非接觸測量方法

接觸測量方法人為參與度較高，結(jié)果的誤差可控、可分析，然而它存在的最大問題是測量過程需要中斷結(jié)冰試驗，不能獲得冰形的實時測量結(jié)果。隨著結(jié)冰問題研究的深入，結(jié)冰的實時生長過程倍受關(guān)注，例如過冷大水滴結(jié)冰的溢流特性、結(jié)冰生長受結(jié)冰條件影響規(guī)律的研究等。因此，發(fā)展精確的冰形實時測量技術(shù)，可滿足結(jié)冰機(jī)理精細(xì)化研究需求，對防除冰、飛行安全邊界等研究具有重要意義。

冰形非接觸測量方法主要利用光學(xué)技術(shù)，采用光學(xué)元器件。經(jīng)過數(shù)十年的研究，非接觸測量方法已相對成熟，得到了較為廣泛的應(yīng)用。根據(jù)照明方式的不同，可將其分為被動測量與主動測量兩大類[45]。被動測量是指不借助額外光源，在自然光照明條件下通過一定技術(shù)來測量物體的三維信息；主動測量是指將特定的結(jié)構(gòu)光投射至被測物體表面，得到被測物體調(diào)制后的圖像信息，再經(jīng)過解調(diào)得到被測物體的三維信息[46]。本文分別介紹這兩類測量方法。

3.1 被動式測量方法

被動式測量方法依靠待測物體周圍背景光，采用光學(xué)相機(jī)成像，應(yīng)用圖像處理方法分析圖像信息，最終獲取物體外形數(shù)據(jù)。它主要分為雙目立體視覺[47]和單目視覺方法[48]。在冰形測量中，使用的是單目測量，做法是平移相機(jī)獲取兩幅不同圖像，根據(jù)空間同一物點不同圖像信息得到其空間坐標(biāo)，是基于雙目測量的方法。

雙目測量基于人眼視覺“視差”原理，利用兩臺光學(xué)相機(jī)，從不同位置、不同角度捕獲同一物體同一時刻的兩幅圖像。將這兩幅圖像在計算機(jī)上進(jìn)行匹配，找出同一物點在圖像中的兩個不同像素位置，基于事先標(biāo)定好的相機(jī)內(nèi)外參數(shù)，通過坐標(biāo)變換，就可以得到圖像上物點對應(yīng)的空間坐標(biāo)。

如圖5所示，假設(shè)兩臺相機(jī)具有相同的焦距f，且平行放置于同一平面，它們之間距離為B，同時獲取的圖像分別為L和R?？臻g中物點P(Xc,Yc,Zc)在L和R中的像坐標(biāo)分別為Pl=(Xl,Yl)和Pr=(Xr,Yr)，那么通過空間幾何的相似理論不難得到如下關(guān)系：

(1)

由此可以從圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到物點P(Xc,Yc,Zc)的空間坐標(biāo)為

(2)

式中：D=Xl-Xr。

理論上，如果準(zhǔn)確確定物點在左右相機(jī)中的像素點，就可以精確得到物點的空間坐標(biāo)。然而，在方法的實際應(yīng)用中，存在幾方面的問題：

1) 方法的核心是確定同一物點在兩幅圖像中的位置，對于與周圍差別比較明顯的特征點，比較容易辨別；而對于目標(biāo)物結(jié)冰，尤其是明冰，表面比較光滑，成像后幾乎無差別，因此精度較低。

2) 在方法實現(xiàn)中，左右兩幅圖像的同一物點的像素點匹配是關(guān)鍵過程，而匹配結(jié)果易受圖像噪聲的影響。在結(jié)冰風(fēng)洞的測量成像中，圖像噪聲主要來自于云霧，因此該方法精度不高。

圖5 雙目測量原理圖
Fig.5 Schematic diagram of binocular measurement

3) 光學(xué)成像系統(tǒng)會造成物面的變形，需要對圖像進(jìn)行校正，校正算法的誤差會被放大，影響方法的精度。

4) 需要對目標(biāo)物體每個點進(jìn)行匹配，對于三維冰形的測量，工作量大，效率低。

圖6(a)是相機(jī)平移得到的兩幅圖像，圖6(b)是指定位置的二維冰形實時測量結(jié)果[49]，圖中t為時間，可以看出結(jié)冰厚度測量結(jié)果出現(xiàn)了負(fù)值，且生長速率出現(xiàn)了負(fù)值，這正說明了方法的可靠度不高。發(fā)展匹配算法[50-53]可以提高精度，但不能起到本質(zhì)性的作用。

圖6 冰形雙目測量結(jié)果
Fig.6 Results of binocular measurement of ice shape

上文所述的冰形測量方法是通過定量移動單個相機(jī)達(dá)到雙目測量的目的，現(xiàn)有文獻(xiàn)中還存在采用單相機(jī)固定模式進(jìn)行非接觸測量的方法。文獻(xiàn)[54]中，作者將相機(jī)架設(shè)于試驗段上端，垂直拍攝翼型結(jié)冰情況，可以實時得到二維冰形；文獻(xiàn)[55]中，相機(jī)被水平放置于試驗段，用于記錄冰形，最終得到結(jié)冰生長速率。這些固定相機(jī)測量冰形的被動式測量方法雖然能較為準(zhǔn)確地獲取結(jié)冰輪廓且不易受云霧噪聲干擾，但屬于二維，甚至一維范疇，另外如2.1節(jié)所述，這種方法的測量精度容易受非焦平面的結(jié)冰影響。

3.2 主動式測量方法

被動式測量方法由于沒有借助外界光源進(jìn)行物點的定位，存在像素匹配難、對噪聲敏感等缺點。為此，研究者探索將工業(yè)測量中的主動式光學(xué)三維測量方法[56]用于冰形測量研究中。這些方法主要包括激光刀切法和三維掃描測量法。

3.2.1 激光刀切法

激光刀切法[57-59]主要應(yīng)用激光器投射激光片光到結(jié)冰表面，形成一束變形激光光條，攝像機(jī)以一定角度拍攝該激光光條，利用圖像處理算法提取激光光條中心線，再根據(jù)事先標(biāo)定的激光平面與攝像機(jī)像平面幾何關(guān)系，計算激光光條中心線三維坐標(biāo)，并以此得到激光光條處冰形輪廓曲線。其原理圖如圖7所示[57]。圖中：Owxwywzw為世界坐標(biāo)系，Ocxcyczc為攝像機(jī)坐標(biāo)系，u和v為理想圖像坐標(biāo)系。設(shè)激光光條L上任意一點P(xw,yw,zw)在圖像平面上的理想圖像坐標(biāo)為P(u,v)，則它們之間滿足：

(3)

線激光器投射出的片光平面T在世界坐標(biāo)系下的方程可描述為

axw+byw+czw+d=0

(4)

式中：a、b、c和d為常數(shù)，由標(biāo)定結(jié)果得到。

聯(lián)立求解式(3)和式(4)便可計算激光光條上所有像素的三維坐標(biāo)，從而可得到冰體輪廓線。

圖7 激光刀切法冰形測量原理圖
Fig.7 Schematic diagram of ice shape measurement with laser sheet method

在激光刀切法測量中，轉(zhuǎn)換矩陣和激光線位置是關(guān)乎方法精度的重要因素，需要進(jìn)行相應(yīng)的攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定、激光平面標(biāo)定、激光光條中心線提取等操作。常用的攝像機(jī)標(biāo)定方法有直接線性變換法[60]、RAC兩步法[61]、張正友標(biāo)定法[62]等；激光平面標(biāo)定方法有拉絲法、鋸齒靶法、二維靶標(biāo)標(biāo)定法等；激光光條中心線提取有灰度重心法[63-67]、曲線擬合法[68-69]和Steger法[70-71]等。

結(jié)合單相機(jī)和單激光源進(jìn)行測量的方法[57]無法滿足遮擋部分的測量。為了達(dá)到整個結(jié)冰表面全測量，近年來，發(fā)展了應(yīng)用多相機(jī)單激光源的冰形測量方法[58,72]，結(jié)果驗證了方法的可行性，表明了方法的優(yōu)越性，如圖8所示[58]。然而，如圖9所示[57]，受明冰對激光透射的影響，激光中心線難以確定，嚴(yán)重降低了測量精度。

圖8 激光刀切法與熱刀法測量結(jié)果對比
Fig.8 Measurement results comparison between laser sheet and hand tracing methods

圖9 明冰表面激光透射現(xiàn)象
Fig.9 Laser transmission from glaze ice

3.2.2 三維掃描測量法

激光刀切法由于固定光源的位置，只能獲得結(jié)冰某一截面的二維冰形，無法實現(xiàn)三維冰形測量。2012年，NASA采用三維掃描儀進(jìn)行了結(jié)冰三維外形測量[21,73-74]。圖10是NASA進(jìn)行的結(jié)冰三位掃描過程，以及采用三維掃描儀得到的三維冰形結(jié)果[21]。

三維掃描儀通常采用點、線、面結(jié)構(gòu)光進(jìn)行三維測量，其中基于線結(jié)構(gòu)光(又叫做線激光)的三維測量原理如圖11所示，它與激光刀切法原理相同，不同之處在于通過增加一維掃描裝置用于獲取多次測量結(jié)果并合成三維外形。測量關(guān)節(jié)臂的增加可以實現(xiàn)任意位置處的三維掃描測量，使用便捷、無測量盲區(qū)，可實現(xiàn)冰形三維完整測量。因此，它常常被用于停車狀態(tài)的結(jié)冰冰形測量。

圖10 三維掃描儀用于3D冰形測量
Fig.10 3D ice shape measurement with 3D scanner

圖11 激光三維掃描測量原理圖
Fig.11 Schematic diagram of 3D scanning with laser sheet

另一種不需停車開展的測量方法[75-76]，原理如圖12所示。它是在激光刀切法基礎(chǔ)上，增加轉(zhuǎn)動棱鏡，從而實現(xiàn)三維掃描的目的。圖13(a)是三維冰形測量結(jié)果，圖13(b)是不同時刻(t1～t4)結(jié)冰指定截面二維輪廓測量結(jié)果。應(yīng)用該方法開展結(jié)冰生長過程三維冰形測量，需要風(fēng)洞不停車，同時噴霧停止，以此降低云霧對圖像成像質(zhì)量的影響，提升測量精度。

圖12 三維冰形的激光掃描測量方法
Fig.12 3D ice shape measurement method with MIRlaser scanner

圖13 激光三維掃描測量結(jié)果
Fig.13 Measurement results of MIR laser 3D scanner

主動式測量方法可以部分滿足實時測量的要求，是未來結(jié)冰冰形測量的發(fā)展方向。然而，這類方法利用結(jié)冰表面的反射光線成像，使得其無法測量透明結(jié)冰。針對這些問題，Gong和Bansmer[75-76]采用激光激發(fā)輻射成像方法，使用中波紅外三維掃描測量，獲取了風(fēng)洞試驗過程中冰形三維測量數(shù)據(jù)。不過，這種短時加熱過程是否對結(jié)冰造成影響，還有待進(jìn)一步研究。

4 冰形測量方法研究的挑戰(zhàn)與展望

經(jīng)過多年的研究，冰形的測量技術(shù)得到了較大發(fā)展，然而如前所述，現(xiàn)有的各種方法都存在較明顯的不足。結(jié)冰科學(xué)問題的探索和精細(xì)化的工程設(shè)計，對冰形的精確測量提出了更高的要求，使得測量技術(shù)的發(fā)展面臨諸多挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)和關(guān)鍵技術(shù)的解決，也引領(lǐng)著冰形測量技術(shù)的發(fā)展趨勢，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1) 全類型結(jié)冰精確測量

來流條件和飛行條件的不同會產(chǎn)生不同類型的結(jié)冰，它們對飛行安全的影響各不相同，雖然同一類型的冰往往對應(yīng)有類似的外形范疇，但不同冰的結(jié)構(gòu)、形貌以及透光度等特性都不一樣，冰形測量方法必須具有較好的通用性，無論對明冰、霜冰還是混合冰，都可以實現(xiàn)全類型的精確測量能力。

2) 結(jié)冰全貌三維冰形測量

現(xiàn)有的大部分測量手段，只能得到局部的冰形特征，結(jié)冰全貌三維冰形獲取是冰形測量發(fā)展的主要方向之一，然而部分結(jié)冰會被遮擋，使得結(jié)構(gòu)光無法照射，這樣該部分冰形無法獲得。因此，測量方法需要考慮兩方面的問題：一是測量裝置的架設(shè)問題，即在不影響正常結(jié)冰試驗或飛行的前提下，布置多少測量裝置，如何布置；二是冰形修正問題，即在無法獲得完整結(jié)構(gòu)光的情況下，冰形修正、補(bǔ)全的方法是準(zhǔn)確獲得冰形的保證。

3) 結(jié)冰生長過程的實時測量

結(jié)冰冰形實時測量結(jié)果是一系列瞬時冰形在時間軸疊加的結(jié)果，是間斷的。兩個數(shù)據(jù)點間的時間間隔直接影響生長過程描述的準(zhǔn)確度，實時測量要求測量技術(shù)必須具備較高的測量速度，首先獲得實時結(jié)冰信息，在試驗結(jié)束后進(jìn)行離線數(shù)據(jù)處理。同時，實時測量要求噴霧不停止、風(fēng)洞不停車，那么云霧干擾會給測量結(jié)果帶來一定的噪聲，發(fā)展有針對性的去噪方法和誤差修正方法顯得同樣重要。

4) 相關(guān)測量手段的融合

除了本文介紹的方法外，在未來工作中可考慮借鑒結(jié)冰傳感器測量方法，如結(jié)冰厚度測量傳感器[77]、結(jié)冰類型測量傳感器[78]和結(jié)冰條件傳感器[79-80]，也可參考醫(yī)學(xué)的CT成像方法[81]等。另外，還需要發(fā)展數(shù)值計算與結(jié)冰部分特性測量相結(jié)合進(jìn)行冰形測量的方法，例如，通過結(jié)冰條件計算得到結(jié)冰的冰形，通過非接觸方法得到結(jié)冰某具體位置厚度，最終結(jié)合相似理論轉(zhuǎn)換得到真實的冰形；通過結(jié)冰條件預(yù)測得到結(jié)冰的密度，通過非接觸方法得到某關(guān)鍵區(qū)域結(jié)冰重量，結(jié)合冰形幾何表示方法得到結(jié)冰冰形等。

5 結(jié) 論

1) 目前，雖然已發(fā)展了大量結(jié)冰冰形測量技術(shù)，也取得了較好的測量結(jié)果，滿足了一定的研究和實際需求。但是先進(jìn)測量手段在冰形測量的應(yīng)用方面還不夠成熟，需要克服較多的限制，以適應(yīng)風(fēng)洞結(jié)冰和飛機(jī)結(jié)冰的特點。

2) 相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)和技術(shù)發(fā)展對測量技術(shù)提出了更高的要求，未來測量技術(shù)需要滿足復(fù)雜條件下全類型結(jié)冰和結(jié)冰全貌測量的魯棒性要求，還需要達(dá)到較高的測量精度。

3) 主動式測量技術(shù)憑借非接觸、可實時的優(yōu)點，勢必成為冰形測量的主要發(fā)展方向。應(yīng)將其與基礎(chǔ)測量手段和數(shù)值計算的相關(guān)結(jié)果進(jìn)行有效結(jié)合，發(fā)展冰形測量技術(shù)，為飛機(jī)結(jié)冰問題的研究提供更精確的數(shù)據(jù)支撐。

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(責(zé)任編輯： 李明敏)

URL：www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20161108.1523.002.html

Researchprogressoniceshapemeasurementapproachesforaircrafticing

YIXian1,WANGBin2,LIWeibin1,*,GUOLong3

1.StateKeyLaboratoryofAerodynamics,ChinaAerodynamicsResearchandDevelopmentCenter,Mianyang621000,China2.FacilityDesignandInstrumentationInstitute,ChinaAerodynamicsResearchandDevelopmentCenter,Mianyang621000,China3.LowSpeedAerodynamicsInstitute,ChinaAerodynamicsResearchandDevelopmentCenter,Mianyang621000,China

Studyoniceshapesunderdifferenticingconditionsisanindispensablepartinresearchonaircrafticing,andisimportantforaerodynamicanalysis,anti-icingsystemdesign,flightoperationandairworthinesscertificationafteraircrafticing.Thispaperfocusesonthemeasurementapproachesforiceshape.Withsufficientsurveyofcorrespondingworkshomeandabroad,thetechnologicalprocessandprincipleofeachcontactandnon-contactapproachareintroduced,andtheiradvantagesanddisadvantagesarealsosummarizedsystematically.Basedonthissummaryandcharacteristicsofin-flighticingandicingwindtest,thechallengesinthefuturearepointedout,whichmainlyincludealltypeicemeasuring,wholeareameasuring,andon-linemeasuring.Possibleworkoniceshapemeasurementinthefuturebycombiningbasicapproachesandnumericalmethodsisalsodiscussed.

aircrafticing;icingwindtunnel;iceshapemeasurement;contactmeasurement;non-contactmeasurement

2016-08-23；Revised2016-09-18；Accepted2016-10-26；Publishedonline2016-11-081523

s：NationalNaturalScienceFoundationofChina(11172314,11602292);NationalBasicResearchProgramofChina(2015CB755800)

.E-mailliweibin@nudt.edu.cn

2016-08-23；退修日期2016-09-18；錄用日期2016-10-26； < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間

時間：2016-11-081523

www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20161108.1523.002.html

國家自然科學(xué)基金 (11172314,11602292)； 國家“973”計劃 (2015CB755800)

.E-mailliweibin@nudt.edu.cn

易賢, 王斌, 李偉斌, 等． 飛機(jī)結(jié)冰冰形測量方法研究進(jìn)展J． 航空學(xué)報,2017,38(2):520700.YIX,WANGB,LIWB,etal.ResearchprogressoniceshapemeasurementapproachesforaircrafticingJ.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2017,38(2):520700.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2016.0276

V211.71

A

1000-6893(2017)02-520700-12