【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及机场道路积雪检测技术，更具体的说是涉及机场积雪道面状况评估方法及评估装置。
技术介绍
1、积雪减少了飞机与机场道面间的刹车摩擦系数，使飞机减速率大大减小，增加了中断起飞和着陆停止距离，同时降低了飞行员对方向的控制能力。若要在覆盖有积雪覆盖的滑跑道上着陆，必须考虑到机场提供的刹车效应等等一系列要求和规定以及考虑因素。
2、为不断提高机场在积雪道面的运行效率，保障飞机的安全着陆，可以通过理论分析并建立模型的方法进行地面雪层覆盖下飞机在积雪道面的制动摩擦性能研究，并结合实时、无损和远程的机场道面监测系统，可实现快速、及时、有效地清除机场积雪和提高冬季航空器的运行效率。
3、积雪是由许多冰粒和空气组成的多重散射介质，来自雪表面的入射光在穿过雪时被吸收和散射，积雪的厚度差异会导致入射表面处的反向散射光的差异。雪的检测技术被用于林业、地球科学等各个领域，雪的深度可以通过量尺测量，但需要插进雪中，既不能够全面测量雪的特性，也难以达到远测测量的结果。超声波雪深传感器可以用来测量雪的深度，但不适合测量雪的类型。光学遥感技术也可以用来远程测量雪的特性，但不能做到实时测量。
4、估计液态水含量、颗粒大小、密度和雪深等特性对于确定与飞机滑行相关的跑道条件至关重要。
5、据本申请专利技术人了解，目前雪层的厚度测量方法有飞行时间的光学测量、遥感多光谱卫星成像、激光测高和近红外反射率等。飞行时间的光学测量可以远程估计雪的厚度，但是精度不够。遥感多光谱卫星成像可以大面积测绘雪的类型和厚度，但不适合进
6、因此，本专利技术提供了一种利用雪的光学散射特性去识别雪层的厚度和液态含水量的评估方法和装置。
技术实现思路
1、针对上述技术问题，本申请通过提供一种机场积雪道面状况评估方法，通过嵌入式光散射传感装置获取积雪的温度及散射图像；通过分析散射图像识别雪的厚度及液态含水量，从而确定雪的特性；再通过有限元软件结合雪的特性，得出积雪道面对飞机的摩阻性能的影响。
2、本专利技术提供一种机场积雪道面状况评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
3、1)获取积雪跑道的散射图像；
4、2)根据获取图像的散射面积和散射强度预估积雪的厚度和液态含水量；控制中枢设备通过对散射图像的像素值总和及归一化反射率值进行分析，估计积雪的厚度及液态水含量。
5、3)基于飞机轮胎三维模型和修正的德鲁克－普拉格盖帽积雪模型，对积雪跑道进行数值模拟，得到不同厚度和液态含水量下积雪的摩擦系数，并建立数据库。
6、有限元分析数据库可通过飞机轮胎-积雪-道面有限元分析模型，建立不同飞机类型、积雪类型下的道面摩擦系数、道面摩擦力及雪阻力分析数据库。控制中枢设备可通过估计的积雪特性调用数据库，从而获得相应积雪特性的道面摩擦系数、摩擦力及积雪阻力。
7、4)调用数据库，获得相应厚度和液态含水量下的积雪道面摩擦系数。
8、作为优选，步骤2)中，所述液态水含量的预估方法为：
9、首先，计算每个波长的平均反射率值：
10、
11、式中,dk(λ)为激光照射下的积雪反射率值；
12、其次，计算相应光波的归一化平均反射率值：
13、
14、式中,c(λ)为相应波长的标准参考值；
15、最后，采用归一化差异水指数ndwi确定积雪的液态水含量：
16、
17、式中，k指代不同雪样的液态含水量，i，j分别指代测量的第i，j次。积雪在激光照射下的散射图像面积与积雪的厚度有关，积雪的厚度越大，散射图像的面积越广。
18、作为优选，步骤第3)中，采用mooney-rivlin超弹性本构模型来模拟飞机轮胎，超弹性本构模型的单位体积应变能函数表达式为：
19、q＝c10(i1-3)1+c01(i1-3)1+(i3-3)2/d1
20、式中，c10和co1均为橡胶正定参数，d1橡胶不可压缩常数，i1为应力张量第一不变量，表示三个主应力的代数和，i3为应力张量第三不变量，表示三个主应力的代数积。
21、作为优选，步骤3)中，步骤3)中，所述德鲁克－普拉格盖帽积雪模型采用剪切破坏fs、抗压帽fc和剪切破坏面到抗压帽的过渡ft三个屈服函数来定义雪的屈服标准，所述剪切破坏由下面的屈服函数定义：
22、fs＝q-p tan b-d＝0
23、式中，q是等效应力，p是静水压力，d是德鲁克－普拉格盖帽积雪模型中雪的内聚力，b是内摩擦角；
24、由静水压力引起的雪的屈服：
25、
26、式中，α1是用于定义过渡屈服面的小标量值，范围值为0.0～0.05，表示平滑剪切失效和压缩上限失效之间的过渡，β1为内摩擦角，pa是表示体积塑性应变驱动的硬化或软化的演化参数，rs是帽偏心参数，
27、体积塑性应变驱动的硬化或软化的演化参数与盖帽的硬化行为的公式为：
28、pa＝(pb-rsd)/(1+rs tan β1)
29、式中，pb表示平均静水压力，是体积塑性应变的函数，函数是硬化定律,定义了材料在帽失效表面压缩过程中的压力-体积关系；
30、剪切和盖帽失效之间的过渡面定义为：
31、
32、本专利技术还提供一种机场积雪道面状况评估装置，其特征在于，包括控制中枢设备、有限元分析数据库、分部于机场道面两侧的一组激光发射装置及分布于机场道面中间和两侧的嵌入式光散射接收装置。
33、作为优选，所述嵌入式光散射接收装置通过数据线与控制中枢设备连接，所述控制中枢设备控制激光发射装置对积雪发射激光，所述嵌入式光散射接收装置接收并分析积雪被激光照射后的散射图像并发送至控制中枢设备，所述控制中枢设备对散射图像分析并调用有限元分析数据库，确定积雪的厚度、密度及液态水含量。
34、作为优选，所述嵌入式光散射接收装置包括铝合金框架，所述铝合金框架顶部设置温度传感器和透明观察窗口，所述观察窗口正下方的铝合金框架的横梁上安装有光散射传感器，所述光散射传感器的顶部安装有光学带通滤波器，所述光散射传感器和温度传感器通过光纤与控制中枢设备连接。
35、作为优选，所述嵌入式光散射接收装置每隔50m布置嵌入在机场道面中央和两侧，所述透明观察窗口、光学带通滤波器及设置于嵌入式光散射接收装置内的光学相机垂直布置，所述透明观察窗口顶部高度与道面齐平，所述光学带通滤波器与光学相机连接以过滤不需要的散射光，所述光学相机通过数据线将散射图片传输到控制中枢设备。
36、作为优选，所述铝合金框架外部设有防水层。
37、作为优选，所述激光发射装置包括框架及安装于所述框架上的太阳能板和激光发射器，所述激光发射器通过数据线与控制中枢设备连接以调整激光发射本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种机场积雪道面状况评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的机场积雪道面状况评估方法，其特征在于，步骤2)中，所述液态水含量的预估方法为：
3.根据权利要求1所述的机场积雪道面状况评估方法，其特征在于，步骤第3)中，采用Mooney-Rivlin超弹性本构模型来模拟飞机轮胎，超弹性本构模型的单位体积应变能函数表达式为：
4.根据权利要求1所述的机场积雪道面状况评估方法，其特征在于，步骤3)中，所述德鲁克－普拉格盖帽积雪模型采用剪切破坏Fs、抗压帽Fc和剪切破坏面到抗压帽的过渡Ft三个屈服函数来定义雪的屈服标准，所述剪切破坏由下面的屈服函数定义：
5.一种机场积雪道面状况评估装置，其特征在于，包括控制中枢设备、有限元分析数据库、分部于机场道面两侧的一组激光发射装置(1)及分布于机场道面中间和两侧的嵌入式光散射接收装置(3)；
6.根据权利要求5所述的机场积雪道面状况评估装置，其特征在于，所述嵌入式光散射接收装置(3)包括铝合金框架(7)，所述铝合金框架(7)顶部设置温度传感器(10)和透明观察窗口
7.根据权利要求6所述的机场积雪道面状况评估装置，其特征在于，所述嵌入式光散射接收装置(3)每隔50m布置嵌入在机场道面中央和两侧，所述透明观察窗口(4)、光学带通滤波器(6)及设置于所述嵌入式光散射接收装置(3)内的光学相机垂直布置，所述透明观察窗口(4)顶部高度与道面齐平，所述光学带通滤波器(6)与光学相机连接以过滤不需要的散射光，所述光学相机通过数据线将散射图片传输到控制中枢设备。
8.根据权利要6所述的机场积雪道面状况评估装置，其特征在于，所述铝合金框架(7)外部设有防水层(5)。
9.根据权利要5所述的机场积雪道面状况评估装置，其特征在于，所述激光发射装置(1)包括框架及安装于所述框架上的太阳能板和激光发射器，所述激光发射器通过数据线与控制中枢设备连接以调整激光发射的角度及波长，所述太阳能板为所述激光发射装置提供电源。
...【技术特征摘要】
1.一种机场积雪道面状况评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的机场积雪道面状况评估方法，其特征在于，步骤2)中，所述液态水含量的预估方法为：
3.根据权利要求1所述的机场积雪道面状况评估方法，其特征在于，步骤第3)中，采用mooney-rivlin超弹性本构模型来模拟飞机轮胎，超弹性本构模型的单位体积应变能函数表达式为：
4.根据权利要求1所述的机场积雪道面状况评估方法，其特征在于，步骤3)中，所述德鲁克－普拉格盖帽积雪模型采用剪切破坏fs、抗压帽fc和剪切破坏面到抗压帽的过渡ft三个屈服函数来定义雪的屈服标准，所述剪切破坏由下面的屈服函数定义：
5.一种机场积雪道面状况评估装置，其特征在于，包括控制中枢设备、有限元分析数据库、分部于机场道面两侧的一组激光发射装置(1)及分布于机场道面中间和两侧的嵌入式光散射接收装置(3)；
6.根据权利要求5所述的机场积雪道面状况评估装置，其特征在于，所述嵌入式光散射接收装置(3)包括铝合金框架(7)，所述铝合金框架(7)顶部设置温度传感器(10)和透明观察窗口...
【专利技术属性】
技术研发人员：高俊启，林运飞，李广宇，吴瑾，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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