1.本发明涉及光学检测技术领域，具体为一种机场跑道表面冰水混合物含 冰比的光学测量装置与方法。
背景技术：2.机场跑道表面污染物的覆盖对于飞行器、尤其是民航飞机的起降有着严 重的影响。因此准确获得跑道表面污染物对于机场管制人员确定民航飞机能 否正常起降起着决定作用。根据各地机场所处纬度差异，不同季节污染物的 种类略有差异，但较为常见的污染物包括：积水、结冰、积雪及其混合物等。 当积水、结冰或者两者混合物厚度达到一定深度后，机场道面的摩擦系数显 著下降，这将导致飞机轮胎的摩擦力不够，从而产生严重影响飞机起降安全 的因素。
3.机场跑道表面冰水混合物的含冰比对于评估跑道湿滑程度具有重要意 义。当混合物含冰比较低时，说明跑道表面以积水为主。当含冰比增大到一 定数值后，直接表明污染物可能从积水变成了湿冰、结冰或者积雪。而污染 物种类的改变，将直接影响飞行器的起降安全。因此准确测量冰水混合物污 染的含冰比，对于辨别跑道表面污染物种类并且评估其对航空器的影响程度 有着重要意义。
4.然而目前缺乏有效的测量装置对跑道表面冰水混合物的含冰比进行准确 测量。人工方式仅仅能够对冰水混合物的干湿程度进行目测，不能够给出明 确定量的结果。接触式测量手段对于已经建成的机场跑道表面而言，很难直 接应用，因为跑道表面要时刻保持没有障碍物。同时车载装备也不适合于接 触式测量方法。
技术实现要素：5.本发明的目的在于提供一种机场跑道表面冰水混合物含冰比的光学测量 装置与方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种机场跑道表面冰水混 合物含冰比的光学测量装置与方法，包括第一近红外led发光二极管与第一 铟镓砷光电二极管探测器，所述第一近红外led发光二极管一侧设置有第二 近红外led发光二极管，所述第二近红外led发光二极管一侧设置有第三近 红外led发光二极管，所述第一铟镓砷光电二极管探测器一侧设置有第二铟 镓砷光电二极管探测器，所述第二铟镓砷光电二极管探测器一侧设置有第三 铟镓砷光电二极管探测器。
7.优选的，所述第一近红外led发光二极管中心波长为980nm，所述第二近 红外led发光二极管中心波长为1050nm，第三近红外led发光二极管中心波 长为1310nm。
8.优选的，所述第一近红外led发光二极管、第二近红外led发光二极管、 与第三近红外led发光二极管分别与第一铟镓砷光电二极管探测器、第二铟 镓砷光电二极管探测器与第三铟镓砷光电二极管探测器一一对应。
9.一种机场跑道表面冰水混合物含冰比的光学测量方法，包括以下步骤：
10.第一步：安装第一近红外led发光二极管、第二近红外led发光二极管、 与第三近红外led发光二极管，安装时将三个led发光二极管与三个铟镓砷 光电二极管探测器并列放置，三个近红外led发光二极管的发射口与三个铟 镓砷光电二极管探测器的接收口均同方向朝向地面，便于将近红外光发射后 经地面反射，被铟镓砷光电二极管探测器接收，安装完成后并对第一近红外 led发光二极管、第二近红外led发光二极管、与第三近红外led发光二极管 依次进行编号第一近红外led发光二极管为(1)、第二近红外led发光二极 管为(2)、与第三近红外led为(3)，同时将所对应的第一铟镓砷光电二 极管探测器、第二铟镓砷光电二极管探测器与第三铟镓砷光电二极管探测器 进行编号，第一铟镓砷光电二极管探测器为(4)、第二铟镓砷光电二极管探 测器为(5)与第三铟镓砷光电二极管探测器为(6)，以方便后续带入公式 进行计算；
11.第二步：通过第一近红外led发光二极管、第二近红外led发光二极管、 与第三近红外led发光二极管发射红外光源，随后红外光源经水冰混合物反 射后被对应的第一铟镓砷光电二极管探测器、第二铟镓砷光电二极管探测器 与第三铟镓砷光电二极管探测器接收产生电压值；
12.第三步：将第二步骤中获得的第一铟镓砷光电二极管探测器、第二铟镓 砷光电二极管探测器或第三铟镓砷光电二极管探测器的电压参数带入计算公 式即可获得含冰比。
13.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
14.1、本发明提供的一种机场跑道表面冰水混合物含冰比的光学测量装置， 首先通过全光学手段获得冰水混合物的厚度，然后通过一束对水与冰吸收差 异显著的近红外光获得含冰比。装置采用定标方式精确获得跑道表面冰水混 合物的厚度。通过双波段电压信号差值与标准厚度水膜间的量化关系曲线， 并根据实时电压差值获取准确的污染物厚度数值，采用冰与水对其吸收差异 显著，且中心波长1310nm的第三近红外led返回信号差异，并依据理论公式 计算获得污染物含冰比，无需人工，也无需在跑道上端设置检测装置，检测 方便。
15.2、本发明光学测量装置结构简单、成本低，测量方法理论公式清晰明了、 计算简单易行，所获得的机场跑道表面污染物含冰比对于污染物种类的判断 及其对机场跑道表面影响评估有着重要的实际应用价值。
附图说明
16.图1为本发明一种机场跑道表面冰水混合物含冰比的光学测量装置与方 法的测试装置示意图；
17.图2为本发明一种机场跑道表面冰水混合物含冰比的光学测量装置与方 法的冰水混合物含冰比计算模型图；
18.图3为本发明一种机场跑道表面冰水混合物含冰比的光学测量装置与方 法的含冰比计算流程图。
19.图中：1、第一近红外led发光二极管；2、第二近红外led发光二极管； 3、第三近红外led发光二极管；4、第一铟镓砷光电二极管探测器；5、第二 铟镓砷光电二极管探测器；6、第三铟镓砷光电二极管探测器。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种机场跑道表面冰水混合物 含冰比的光学测量装置与方法，包括第一近红外led发光二极管1与第一铟 镓砷光电二极管探测器4，所述第一近红外led发光二极管1一侧设置有第二 近红外led发光二极管2，所述第二近红外led发光二极管2一侧设置有第三 近红外led发光二极管3，所述第一铟镓砷光电二极管探测器4一侧设置有第 二铟镓砷光电二极管探测器5，所述第二铟镓砷光电二极管探测器5一侧设置 有第三铟镓砷光电二极管探测器6。
22.所述第一近红外led发光二极管1中心波长为980nm，所述第二近红外 led发光二极管2中心波长为1050nm，第三近红外led发光二极管3中心波 长为1310nm；
23.所述第一近红外led发光二极管1、第二近红外led发光二极管2、与第 三近红外led发光二极管3分别与第一铟镓砷光电二极管探测器4、第二铟镓 砷光电二极管探测器5与第三铟镓砷光电二极管探测器6一一对应。
24.一种机场跑道表面冰水混合物含冰比的光学测量方法，包括以下步骤：
25.第一步：安装第一近红外led发光二极管1、第二近红外led发光二极管 2、与第三近红外led发光二极管3，安装时将三个led发光二极管与三个铟 镓砷光电二极管探测器并列放置，三个近红外led发光二极管的发射口与三 个铟镓砷光电二极管探测器的接收口均同方向朝向地面，便于将近红外光发 射后经地面反射，被铟镓砷光电二极管探测器接收，安装完成后并对第一近 红外led发光二极管1、第二近红外led发光二极管2、与第三近红外led发 光二极管3依次进行编号第一近红外led发光二极管1为1、第二近红外led 发光二极管2为2、与第三近红外led为3，同时将所对应的第一铟镓砷光电 二极管探测器4、第二铟镓砷光电二极管探测器5与第三铟镓砷光电二极管探 测器6进行编号，第一铟镓砷光电二极管探测器4为4、第二铟镓砷光电二极 管探测器5为5与第三铟镓砷光电二极管探测器6为6，以方便后续带入公式 进行计算；
26.第二步：通过第一近红外led发光二极管1、第二近红外led发光二极管 2、与第三近红外led发光二极管3发射红外光源，随后红外光源经水冰混合 物反射后被对应的第一铟镓砷光电二极管探测器4、第二铟镓砷光电二极管探 测器5与第三铟镓砷光电二极管探测器6接收产生电压值；
27.第三步：将第二步骤中获得的第一铟镓砷光电二极管探测器4、第二铟镓 砷光电二极管探测器5或第三铟镓砷光电二极管探测器6的电压参数带入计 算公式即可获得含冰比，其公式推理过程如下：
28.i＝i0exp(-αd)
ꢀꢀꢀ
(1)
29.其中α为水或者冰的吸收系数，d为水或冰的厚度，i0为入 射光强度，i为透射光强度，公式(1)说明，入射强度为i0的入射光， 经水或者冰吸收后，其透射强度为i，
30.铟镓砷光电二极管探测器接收到的光强度与其输出电压为指数函数关 系，因此入射光强度i0可以表示如下：
31.i0＝aexp(kv0+b)
ꢀꢀ
(2)
32.其中v0为光电二极管的输出电压值，a，k，b均为系数， 在测量光强度过程中，对于同一个光电二极管，系数数值保持不变，并可以 根据实验获得，
33.近红外光经水或冰吸收后，铟镓砷光电二极管探测器接收到的光强度
34.i同样可以表示如下：
35.i＝aexp(kv+b)
ꢀꢀꢀ
(3)
36.将公式(2)与(3)带入公式(1)中，可得：
37.kv-kv0＝-αd
ꢀꢀ
(4)
38.假设冰水混合物中水的厚度为d1，冰的厚度为d2，冰水混合物 对光吸收后，经地面反射，并经铟镓砷光电二极管探测获得的电压值与混合 物厚度关系如下：
39.kv1+b＝-α
水d1-α
冰
d2ꢀꢀꢀ
(5)
40.其中α
水
与α
冰
为水与冰对于某一中心波长光的吸收系数，对于同 一个中心波长的入射光，如果厚度(d1+d2)范围内全部是水，并采用同 一个光电二极管探测器探测返回光强度，其表述如下：
41.kv2+b＝-α
水
(d1+d2)
ꢀꢀꢀ
(6)
42.冰水混合物的含冰比η可以表示为：
[0043][0044]
将公式(5)与(6)带入公式(7)中，可得：
[0045][0046]
其中g为吸收系数差，v1为冰水混合物光反射信号的实时测量电 压值，v2为相同厚度水的测量电压值，v2数值根据下面公式计算：
[0047][0048]
其中a，c为系数，d0为冰水混合物的厚度，
[0049]
d0＝d1+d2ꢀꢀ
(10)
[0050][0051]
为了获得公式8的含冰比，需要首先获得公式10的冰水混合物厚度 d0，
[0052]
为准确测量冰水混合物的厚度d0，选用冰与水对其吸收相同或相 近的近红外光波段，根据光吸收原理并依据理论公式进行冰水混合物厚度 的计算，根据冰与水的吸收光谱特征，选用中心波长为980nm近红外led1 与中心波长为1050nm近红外led2用于测量路面冰水混合物的厚度，
[0053]
冰水混合物的厚度测量采用定标方式，由于水与冰对所选用的中心波长 980nm近红外led1与中心波长为1050nm近红外led2的吸收系数相近，一定 厚度的冰水混合物与相同厚度的水对上述两波长的吸收效果相同，因此定标 过程中可以采用水代替冰水混合物，
经装置发射的两个中心波长980nm与 1050nm的两束光经地面反射后，被两个相同的探测器接收，根据预先设定的 固定厚度水膜，测量中心波长980nm与1050nm两束光经地面反射后光电二极 管电压值，改变水膜厚度，再次获得两个波长的地面返回信号电压值，将水 膜厚度作为纵坐标，每一个水膜厚度下两个波长的电压信号差值作为横坐标， 便能够获得对应水膜厚度与两个电压差值的曲线，采用多项式拟合获得二者 的关系如下：
[0054]
d0＝mx2+nx+f
ꢀꢀꢀ
(12)
[0055]
其中m，n，f为系数，x为中心波长980nm的近红外 led1与中心波长为1050nm的近红外led2经地面返回
[0056]
的电压差值：
[0057]
x＝v
980-v
l310
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0058]
因此机场跑道表面冰水混合物的实时厚度d0能够通过电压差x 值带入公式12后获得，
[0059]
根据冰水混合物实时厚度d0确定中心波长1310nm的近红外led3在 相同厚度水情况下的返回电压值，将冰水混合物实时厚度d0带入公式9， 可得v2电压数值，
[0060]
中心波长1310nm的近红外led3发射后经地面返回，对应编号的铟镓砷 光电二极管探测器所获得的冰水混合物实时测量电压值为v1，冰与水对 于中心波长1310nm近红外光的吸收系数可通过查表获得，也可通过自行设计 吸收系数测量实验获取，进而能够计算得出g吸收系数差，
[0061]
将上述参量值，包括：冰水混合物的厚度d0、电压值v2、吸收 系数差g，带入公式8中，便能够获得实时地面冰水混合物的含冰比η。
[0062]
工作原理：为了获得冰水混合物的含冰比，测量中采用中心波长为 1310nm的近红外光，依据冰与水对于该波长的吸收差异，并根据理论推 导公式计算获得；
[0063]
依据含冰比理论推导公式(8)，含冰比的计算需要获得两个电压值， 即v1为冰水混合物光反射信号的实时测量电压值，v2为相同厚度水 的测量电压值。然而实际使用过程中，冰水混合物对光吸收后光电二极管的 输出电压v1能够实时获得，而与相同厚度混合物对应的水的输出电压 v2是不能够测量的，只能根据不同地面水膜厚度情况下的电压公式(9) 计算得出；
[0064]
因此，测量含冰比的第一步，首先准确测量地面冰水混合物的厚度， 在测量过程中采用定标方式。选用的中心波长980nm近红外led(1)与中 心波长为1050nm近红外led(2)作为探测光源。由于水与冰对两个波长的吸 收系数相近，一定厚度的冰水混合物与相同厚度的水对上述两波长的吸收效 果相同。经装置发射的两个中心波长980nm与1050nm的两束光经地面反射后， 被两个相同的探测器接收。根据预先设定的固定厚度水膜，测量中心波长 980nm与1050nm两束光经地面反射后光电二极管电压值。改变水膜厚度，再 次获得两个波长的地面返回信号电压值。将水膜厚度作为纵坐标，每一个水 膜厚度下两个波长的电压信号差值作为横坐标，便能够获得对应水膜厚度与 两个电压差值的曲线。根据公式(12)，当实时采集两个中心波长980nm与 1050nm的两束光经地面反射后的电压值，带入公式(12)中，便能够获得冰 水混合物的厚度d0。将厚度d0带入公式(9)，便能够获得输出电 压v2。
[0065]
含冰比的公式中还需要确定水与冰对于中心波长为1310nm的近红外光 的吸收系数α
水
与α
冰
。该系数可以通过查找文献，或根据朗伯比 尔定律自行计算。
[0066]
最后将电压值v1与v2，水与冰对于1310nm红外光的吸收系数
[0067]
α
水
与α
冰
带入含冰比的理论公式(8)中，便能够计算获得含冰比的 数值。
[0068]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来 将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示 这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、
ꢀ“
包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系 列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明 确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有 的要素。
[0069]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而 言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行 多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限 定。
技术特征：1.一种机场跑道表面冰水混合物含冰比的光学测量装置，包括第一近红外led发光二极管(1)与第一铟镓砷光电二极管探测器(4)，其特征在于：所述第一近红外led发光二极管(1)一侧设置有第二近红外led发光二极管(2)，所述第二近红外led发光二极管(2)一侧设置有第三近红外led发光二极管(3)，所述第一铟镓砷光电二极管探测器(4)一侧设置有第二铟镓砷光电二极管探测器(5)，所述第二铟镓砷光电二极管探测器(5)一侧设置有第三铟镓砷光电二极管探测器(6)。2.根据权利要求1所述的一种机场跑道表面冰水混合物含冰比的光学测量装置与方法，其特征在于：所述第一近红外led发光二极管(1)中心波长为980nm，所述第二近红外led发光二极管(2)中心波长为1050nm，第三近红外led发光二极管(3)中心波长为1310nm。3.根据权利要求1所述的一种机场跑道表面冰水混合物含冰比的光学测量装置与方法，其特征在于：所述第一近红外led发光二极管(1)、第二近红外led发光二极管(2)、与第三近红外led发光二极管(3)分别与第一铟镓砷光电二极管探测器(4)、第二铟镓砷光电二极管探测器(5)与第三铟镓砷光电二极管探测器(6)一一对应。4.一种机场跑道表面冰水混合物含冰比的光学测量方法，其特征在于：包括以下步骤：第一步：安装第一近红外led发光二极管(1)、第二近红外led发光二极管(2)、与第三近红外led发光二极管(3)，安装时将三个led发光二极管与三个铟镓砷光电二极管探测器并列放置，三个近红外led发光二极管的发射口与三个铟镓砷光电二极管探测器的接收口均同方向朝向地面，便于将近红外光发射后经地面反射，被铟镓砷光电二极管探测器接收，安装完成后并对第一近红外led发光二极管(1)、第二近红外led发光二极管(2)、与第三近红外led发光二极管(3)依次进行编号第一近红外led发光二极管(1)为(1)、第二近红外led发光二极管(2)为(2)、与第三近红外led为(3)，同时将所对应的第一铟镓砷光电二极管探测器(4)、第二铟镓砷光电二极管探测器(5)与第三铟镓砷光电二极管探测器(6)进行编号，第一铟镓砷光电二极管探测器(4)为(4)、第二铟镓砷光电二极管探测器(5)为(5)与第三铟镓砷光电二极管探测器(6)为(6)，以方便后续带入公式进行计算；第二步：通过第一近红外led发光二极管(1)、第二近红外led发光二极管(2)、与第三近红外led发光二极管(3)发射红外光源，随后红外光源经水冰混合物反射后被对应的第一铟镓砷光电二极管探测器(4)、第二铟镓砷光电二极管探测器(5)与第三铟镓砷光电二极管探测器(6)接收产生电压值；第三步：将第二步骤中获得的第一铟镓砷光电二极管探测器(4)、第二铟镓砷光电二极管探测器(5)或第三铟镓砷光电二极管探测器(6)的电压参数带入计算公式即可获得含冰比。
技术总结本发明公开了一种机场跑道表面冰水混合物含冰比的光学测量装置与方法，包括第一近红外LED发光二极管与第一铟镓砷光电二极管探测器，所述第一近红外LED发光二极管一侧设置有第二近红外LED发光二极管，所述第二近红外LED发光二极管一侧设置有第三近红外LED发光二极管，所述第一铟镓砷光电二极管探测器一侧设置有第二铟镓砷光电二极管探测器，所述第二铟镓砷光电二极管探测器一侧设置有第三铟镓砷光电二极管探测器。本发明，采用冰与水对其吸收差异显著，且中心波长1310nm的第三近红外LED返回信号差异，并依据理论公式计算获得污染物含冰比，无需人工，也无需在跑道上端设置检测装置，检测方便。检测方便。
技术研发人员：刘鸿鹏 张嘉桐 孙高晶 台宏达 秦绍萌 武爱青 李立
受保护的技术使用者：中国民航大学
技术研发日：2022.06.30
技术公布日：2022/11/1
