LabVIEW利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輔助進(jìn)行結(jié)冰檢測

結(jié)冰對各個領(lǐng)域構(gòu)成重大威脅，包括但不限于航空航天和風(fēng)力渦輪機(jī)行業(yè)。在起飛過程中，飛機(jī)機(jī)翼上輕微積冰會導(dǎo)致升力降低25%。研究報告稱，渦輪葉片上的冰堆積可在19個月的運(yùn)行時間內(nèi)造成29MWh的功率損耗。因此，及時檢測結(jié)冰對于部署預(yù)防技術(shù)或激活除冰系統(tǒng)至關(guān)重要。

在超聲波、光學(xué)和基于阻抗的方法等各種冰檢測技術(shù)中，微波傳感器因其非接觸式實(shí)時和無線操作而越來越受到關(guān)注。微波傳感器的功能基于波/物質(zhì)相互作用，其中材料電特性的變化會導(dǎo)致傳感器響應(yīng)（即頻率響應(yīng)）的變化。微波傳感器可以以低成本開發(fā)，提供靈活性，耐用性和可調(diào)性。

薄型電池和無芯片表面可以被認(rèn)為是冰積聚并最終檢測其的最佳機(jī)械平臺。為此，設(shè)計了一個被動的二維SRR陣列，以實(shí)現(xiàn)冰形成的敏感表面。平面陣列拓?fù)涫且粋€頻率選擇表面，其中表面上的入射電磁功率在結(jié)構(gòu)內(nèi)被吸收。為了實(shí)現(xiàn)法向入射的電磁波吸收，陣列的表面阻抗必須與自由空間波阻抗相匹配，當(dāng)陣列（晶胞）的相同元件以特定頻率共振時，就會發(fā)生這種吸收。

單個電池諧振曲線的變化會導(dǎo)致陣列表面阻抗的變化，從而影響空陣列阻抗匹配。為了跟蹤阻抗匹配的變化，可以用解調(diào)儀天線輻射的平面波無線照亮陣列表面，并監(jiān)測反射系數(shù)。SRR通常由H-場，垂直于環(huán)的平面，SRR的平面平行于入射場的傳播矢量。為了檢測諧振器表面上的冰積聚，SRR的正常激勵更適合，因?yàn)榧钤矗ń庹{(diào)儀天線）可以沿傳感/諧振平臺的視線定位一定距離。

對于SRR的常規(guī)分析，假設(shè)諧振器懸浮在介電介質(zhì)中，附近沒有導(dǎo)電邊界。然而，在現(xiàn)實(shí)世界的冰傳感應(yīng)用中，SRR陣列將安裝在可能對SRR的共振特性產(chǎn)生影響的表面上。為了減少安裝材料對“共振”特性的影響，諧振器陣列的設(shè)計中包括了一個銅平面（金屬板）。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以使用微帶諧振器結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，一側(cè)是完整的（銅包層）接地層，頂部是二維SRR陣列。通過這種方法，陣列的性能從一側(cè)電磁屏蔽，而另一側(cè)則可能暴露在冰/水堆積中。對所提出的諧振陣列進(jìn)行了設(shè)計調(diào)整，并在SRR附近對接地層進(jìn)行積分時優(yōu)化了陣列的表面阻抗。

SRR的無源陣列是在羅杰斯杜羅德基底的厚度為0.787毫米。使用工作頻率為2.6至4.0GHz）且增益為10dBi的標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線作為詢問器。SRR陣列放置在帕爾貼設(shè)備上，位于詢問器喇叭天線的視線范圍內(nèi)。詢問器天線的孔徑與陣列之間的距離為33厘米。這個3.0-GHz設(shè)計頻率的距離確保陣列被放置在天線的遠(yuǎn)場區(qū)域，孔徑為12厘米。

模擬結(jié)冰對整個陣列表面的影響結(jié)果所示，增加冰的厚度會增加觀察到的共振頻率偏移。這種趨勢是意料之中的，因?yàn)樵谥C振器上加載額外的材料會進(jìn)一步改變諧振器頂部體積的“有效介電常數(shù)”?？梢钥闯?，僅用1毫米的冰覆蓋陣列，在模擬諧振頻率中觀察到~300MHz的偏移。結(jié)果進(jìn)一步表明共振頻率對低厚度冰層的敏感性。在航空航天和渦輪機(jī)工業(yè)中，檢測薄冰層并進(jìn)行及時除冰至關(guān)重要。

在室溫和條件下，當(dāng)珀?duì)柼_始冷卻陣列時，由于存在水蒸氣（濕度），預(yù)計陣列表面會形成霜。為了證明霜凍對共振的影響，進(jìn)行了以下基于時間的實(shí)驗(yàn)，使用LabVIEW記錄了讀取器天線的響應(yīng)。顯而易見，當(dāng)陣列溫度低于冰點(diǎn)溫度時，陣列表面霜的形成和隨之而來的積累會改變共振頻率的下降趨勢。這種偏移是連續(xù)的，對應(yīng)于陣列表面積聚的霜的厚度。當(dāng)帕爾貼器件關(guān)閉且陣列溫度達(dá)到零度以上時，形成的霜會融化成水，從而破壞諧振缺口。這一指示是重要且有利的，因?yàn)榭梢允褂霉舱耦l率和溫度數(shù)據(jù)的變化趨勢來訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以區(qū)分陣列上的霜和冰堆積。

為了驗(yàn)證經(jīng)過訓(xùn)練的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的有效性，評估模型對看不見的數(shù)據(jù)的泛化非常重要。有多種技術(shù)可以驗(yàn)證人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果，包括監(jiān)測損失曲線趨勢、精度趨勢、混淆矩陣和交叉驗(yàn)證。對于分析，重復(fù)K-折疊交叉驗(yàn)證與在看不見的數(shù)據(jù)點(diǎn)上測試的混淆矩陣的組合一起使用。

工作為無電池?zé)o芯片諧振陣列表面基于天線的冰檢測奠定了基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其中檢測由人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輔助以實(shí)現(xiàn)魯棒性。所提出的傳感系統(tǒng)對于無人機(jī)/小型飛機(jī)機(jī)翼上的“起飛前”冰檢測具有很高的影響。機(jī)翼結(jié)冰檢測的現(xiàn)狀主要依靠機(jī)組人員對飛機(jī)的目視檢查。根據(jù)飛行員的決定，飛機(jī)將進(jìn)行全面除冰程序。缺乏有關(guān)冰的類型、位置和厚度的信息會導(dǎo)致除冰程序效率低下和過量使用除冰液。使用所提出的傳感器，可以將結(jié)冰定位在飛機(jī)的不同部分，并且可以向機(jī)組人員提供準(zhǔn)確的細(xì)節(jié)，以提高除冰效率。無人機(jī)通常通過復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)，允許電磁波傳播。因此，作為可能的傳感器安裝，讀卡器天線可以放置在機(jī)翼部分內(nèi)，用正常的入射波激勵諧振表面。用正常入射波詢問陣列的假設(shè)也源于現(xiàn)實(shí)世界對風(fēng)力渦輪機(jī)葉片實(shí)施基于無線天線的檢測的需求。天線和無源陣列可以分別在渦輪桿和葉片上實(shí)現(xiàn)。當(dāng)?shù)镀D(zhuǎn)時，天線可以在其視線范圍內(nèi)詢問無源陣列。應(yīng)該注意的是，正常的事件詢問并不限制我們提出的基于天線的共振表面冰檢測的應(yīng)用。

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