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1、华中科技大学 硕士学位论文 光纤式结冰传感器气象结冰探测应用研究 姓名：熊平 申请学位级别：硕士 专业：控制工程 指导教师：叶林 2011-05-29 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 气象结冰条件是指决定飞机结冰严重程度的气候条件。随着结冰探测技术的发 展与成熟， 利用结冰信息反演气象结冰条件的强度， 为积冰区的预测提供了新途径。 无线电探空仪作为目前主要的高空观测手段之一，仅测量了影响结冰强度的温湿度 等常规气象条件。而各种类型结冰传感器中以抗电磁干扰能力强、灵敏度高、重量 低，尺寸小等优点而著称的光纤传感器无疑
2、是结冰探测未来发展方向。将光纤式结 冰传感器与无线电探空仪平台相结合用于气象结冰探测具有现实意义。 本文首先介绍了气象结冰条件的探测方法，阐释了反射式光强调制型和透射式 光强调制型光纤式结冰传感器的基本原理。通过比较多种不同弱信号检测方法，并 在采用锁定放大器（同步积分器+相关器）实验比对后，选取了数字式取样积分作 为本系统信号检测部分的关键技术。结合气象结冰探测实际（由 GTS1 附带升空） 需求，设计了高水滴捕获率的反射式探头和高冰厚量程的透射式探头，同时配套设 计了包括反射式单发射双接收的小圆头与楔形光纤探头和透射式单发射单接收的矩 形光纤探头。系统中信号检测与处理部分研究内容包括：三极
3、管开关驱动电路、光 电接收电路、前置差分放大电路，数字式取样积分器的软件实现和 PWM 信号低通 滤波处理。为探索光纤传感器在气象结冰探测方面（低速气流）可行性，进行了模 拟气象结冰环境（冷库）实验；同时该系统在实验室进行了大量的基本结冰实验， 完成了光纤式结冰传感器的输出特性分析。 试验结果表明：光纤式结冰传感器，用于气象结冰探测是可行的，同时三种光 纤传感器分别侧重高灵敏度、区分冰型和高量程，为进一步结冰信息融合奠定了基 础。 关键词：关键词：光纤式结冰传感器 气象结冰条件 无线电探空仪 取样积分器 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论
4、 文 II Abstract Meteorologic factor for icing is defined as the weather conditions which determine the extent of aircraft icing. With the development of ice detection, it supplies a new way for detecting the potential area of coming icing to researching the relationship between the ice information an
5、d the weather conditions. As one of the primary aerial aerograph, the radiosonde mainly measuring the temperature and humidity what affects the intensity of icing. Due to strong anti-electromagnetic interference, high sensitivity, light weight, small dimension and other advantages, fiber-optic ice s
6、ensor is out of question the future icing detector to develop. So a system which combines the fiber-optic ice sensor and the radiosonde is available to use in meteorologic icing detection. Firstly, this thesis introduces the method of researching on the weather conditions of icing, and illustrates t
7、he fundamental principle of a reflective fiber-optic icing sensor and a transmitted fiber-optic icing sensor. Contrast to the different of methods of weak signal detection, and based on the experiment of adopting lock-in detection, digital sampling integrator is regarded a key technique in signal pr
8、ocessing in the system. Secondly, according to the require of detecting on the weather condition of icing, the structure of reflective icing detection device with high capture ratio and transmitted icing detection device with wide range, two fiber-optic probes including round head probe and wedge-sh
9、aped probe whose detecting pattern with single emitting fiber and double receiving fibers and another rectangle probe whose detecting pattern with single emitting fiber and signal receiving are designed. Thirdly, the signal detecting and processing section includes switching drive circuit, design of
10、 photoelectric transformation and preamplifier, the realization of digital sampling integrator and PWM signal low-pass filter. Finally, the icing experiment in the simulation of meterologic icing is designed for the purpose of the feasibility of weather icing detection with fiber-optic sensor, and a
11、 large 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 III number of basic laboratory tests give out icing characteristic analysis of fiber-optic icing detection system. The results show that the fiber-optic ice sensor is feasible in the detection of weather conditions of icing, as the same three pr
12、obes which separately focus on high sensitivity, frozen ice type distinguishing and wide range provides substance to ice information fusion in the future. Key words: fiber-optic ice sensor, weather conditions of icing, radiosonde, digital sampling integrator 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及
13、取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 保 密，在 年解密
14、后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论绪论 1.1 课题研究背景课题研究背景 当飞机穿行于低温云水区时，机体表面某些部位会积聚冰层，出现飞机结冰现 象1，它主要是由云层中过冷水滴或降雨碰到机体后冻结而成的，也可由机体表面 水汽凝华而成。 一般说来，飞机结冰的形状、范围以及积冰量，主要取决于三个方面的因素2： 一是飞机外形，尤其是机翼前缘的几何形状；二是飞行状态，如飞行时间、速度、 高度，姿态（如
15、飞行迎角）等；三是飞行气象条件3, 4，如云区温度、过冷水滴直径 （MVD） 、液态水含量（LWC）和云层范围等。 随着航空技术的快速发展，飞机性能得到极大改善，飞行高度和速度已明显提 高，机身防/除冰设备也日趋完善，在一定程度上减少了严重积冰的可能性；但由于 放宽了放飞气象条件，大量使用低速飞机（如运输机）和直升机，遭遇严重积冰的 几率依然不小。尤其，大型运输机在起飞、着陆阶段，或穿过高空的浓密云层，仍 有可能发生现有的防/除冰设备难以排除的严重积冰现象。 鉴于结冰发生在机体表面，直接探测相对困难；而且低成本飞机或小型飞行器 未装结冰探测器。 所以一般通过探测引起结冰的气象条件来间接判断潜在
16、积冰区5。 本文在此定义，决定飞机积冰量的三类因素中，气象方面三个主要参数6：大 气环境温度、云中过冷水含量及云滴的中位数体积直径，统称为“气象结冰条件” 。 可见气象结冰条件越强，飞机结冰的严重程度越高。 目前，国内外已经有多种先进的技术方法和探测设备来进行气象积冰条件5的 探测研究，依次为无线电探空仪、天气雷达、机载探测技术和卫星技术。通过反演 结冰相关气象条件，利用数值预报模式来判别潜在结冰区。随着结冰探测技术的发 展与成熟，利用结冰信息反演气象结冰条件的强度及变化趋势，为飞机积冰区预测 提供了新途径。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 国外研究现状国外研究现状 积冰的危害很早就被人们所认识，并得到重视，上世纪 20 年代就有了专门针对 气象结冰条件的研究，具体从以下四个层面展开阐述： 1）高空观测）高空观测 目前只有两种可以直接观测高空天气现象的方法：无线电
