基于特征提取的飛機結冰嚴重程度識別分析的論文
1引言
飛機在結冰氣象條件下飛行時，飛機的機翼、尾翼、玻璃、發(fā)動機進氣道、空速管等部件的表面容易結冰，結冰會造成飛機的飛行重量增加，破壞飛機的氣動外形，影響飛機的氣動特性，嚴重時甚至會釀成飛行事故。西方國家很早便開始對飛機結冰進行了深入研究，中國近年來也逐步意識到此項研究的重要性并開展了一系列的研究，但到目前為比，大多數(shù)傳感器只能給出關于結冰厚度的單一信息，少數(shù)可以得到結冰速率，無法獲得對評定飛機結冰嚴重狀態(tài)所需要的其他更細微和更全而的信息。本文發(fā)展了一種簡單實用的新思路，通過研究多個結冰傳感器和溫度傳感器所集成的模式識別型飛機結冰探測新技術，研究對探測器輸出測量空間進行特征選擇和提取的基本方法，建立結冰嚴重狀態(tài)特征空間，利用支持向量機，解決飛機結冰嚴重狀態(tài)分類問題。
2結冰嚴重狀態(tài)特征空間
2. 1飛機的結冰參數(shù)飛機結冰是指飛機表面某些部位聚集了冰層的現(xiàn)象。當飛機在具有結冰條件的環(huán)境中飛行時，機體表面、前緣等部位都可能產生不同程度的結冰。通過總結分析發(fā)現(xiàn)，結冰量大小、結冰范圍和結冰形狀結冰主要與大氣中液態(tài)水含量、環(huán)境溫度、水滴直徑、云層范圍等氣象參數(shù)有關。除氣象因素外，飛機的結冰機理還主要受過冷卻水、機體表面溫度、飛行時間、速度以及迎角的影響。可見飛機結冰是一個相當復雜的過程。
通�？梢杂媒Y冰強度和結冰程度來衡量結冰的危險性。同時，飛機的結冰冰型也是影響飛機飛行性能的重要結冰參數(shù)。
2. 2結冰對飛機性能的影響
飛機結冰會嚴重破壞機翼和尾翼的流譜平滑度。機翼流譜平滑度的破壞會致使升力系數(shù)Cl減小，阻力系數(shù)CD增大，升阻比急劇下降;尾部結冰會使臨界迎角減小，操縱效率下降，俯仰力矩系數(shù)CM減小。所以飛機結冰后，速度范圍、爬升率和升限都會減小。飛機結冰還會不同程度地影響飛機的穩(wěn)定性、發(fā)動機性能以及續(xù)航性能等。
2. 3多維信號的測量空間的特征選擇和提取
在飛機上的關鍵位置選擇若干個測量點(圖中為13個測量點)，選擇不同類型的傳感器獲測量點處的信息，傳感器輸出信息為電壓信號V1 ,V2 ,Vs , ... Vn。利用這一組電壓信號構成原始的測量空間為巨[V1,V2,V3]T.
由所得到的原始的測量空間經過運算，可以得到飛機結冰測量的特征空間:
矩陣八的值由具體的傳感器決定，可以通過實驗數(shù)據(jù)得出。華中科技大學自主研發(fā)的平頭光纖式結冰傳感器對冰厚的響應曲線圖，冰厚信息可以通過傳感器測量曲線標定擬合后測出。結冰冰型可由華中科技大學自主研發(fā)的楔形光纖式傳感器分辨困。結冰位置信息由傳感器的安裝位置決定，n個傳感器共有(2N-1)種可能的結冰位置。溫度信息可由現(xiàn)今已非常成熟的測溫技術獲取�？芍�，轉換矩陣八完全由傳感器的種類、特性、安裝位置決定且可以計算得出。
2. 4建立結冰嚴重狀態(tài)特征空間
現(xiàn)有結冰強度的定義是指，冰在飛機部件表面上形成的速度。
為了在實際應用中可行，可采用新的思路:結冰嚴重程度可以決定飛機飛行的安全狀況，因此我們將飛機飛行的參數(shù)作為結冰嚴重狀態(tài)特征空間。飛機飛行安全由許多因素決定，這里選取幾個主要的參數(shù)，包括升力系數(shù)Cl、阻力系數(shù)CD、俯仰力矩系數(shù)CM，建立結冰嚴重狀態(tài)特征空間巨.
該結冰嚴重狀態(tài)特征空間，可以由飛機結冰測量的特征空間求解:
由于不同機型的流體外形不同，結冰對不同機型的'影響也不盡相同，因此轉換矩陣B的求解需要有針對某一機型進行的大量飛行實驗數(shù)據(jù)的支持，得出完備的經驗公式，就能用計算機快速計算得出。
3支持向量機
3. 1支持向量機原理
支持向量機是Come和Vapnik于1995年首先提出的，它在解決小樣本、非線性及高維模式識別中表現(xiàn)出許多特有的優(yōu)勢。
3. 2多類分類問題
最初支撐向量機是針對兩類分類問題提出的，而實際上人們經常遇到的是多類問題。本文采用的方法是:通過某種方式構造一系列的兩類分類器并將它們組合在一起來實現(xiàn)多類分類，即每次將多類問題分解為“一類對其余”，每次仍然解一個兩類分類問題，這樣只需要訓練。二值分類器就可以得到分類結果，分類速度相對較快。
4利用結冰嚴重程度向量識別飛機結冰嚴重程度
4. 1飛機結冰嚴重程度分類與識別
美國等西方國家對結冰嚴重性分類有各自的標準，本文依據(jù)飛機結冰對飛機性能的影響將結冰嚴重程度劃分為末結冰狀態(tài)、輕度結冰狀態(tài)、中度結冰狀態(tài)、重度結冰狀態(tài)共4個嚴重程度。
4. 2構建飛行安全函數(shù)
利用前文所得到的結冰嚴重狀態(tài)特征空間構建飛行安全函數(shù)來判斷飛機飛行的安全狀況。 首先利用式(1)、式(2)將實驗所得的測量數(shù)據(jù)轉化為結冰嚴重狀態(tài)特征空間。
5結語
本文通過提取飛機結冰嚴重狀態(tài)特征空間信息，采用基于支持向量機的方法解決了飛機結冰嚴重程度的識別問題�？梢钥闯鲲w機結冰嚴重狀態(tài)特征向量的建立將傳感器測量向量與實際飛行安全狀況聯(lián)系起來，并能方便地構造出飛行安全函數(shù)對結冰嚴重程度進行識別。本文理論在實際應用中還需要大量的飛行實驗數(shù)據(jù)支持，若本文思路得到后續(xù)研究，將有助于研制更及時、準確、全而和可靠的飛機結冰探測器，提高我國飛行器(飛機)結冰安全防護技術水平。
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