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基于LIBS数据流盘的飞机蒙皮激光除漆在线监测判据研究

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光谱学与光谱分析 2024年第8期44卷 2340-2348页

作者：杨文锋李果林德惠钱自然李绍龙左都全郑鑫王迪升中国民用航空飞行学院民机复合材料研究中心四川广汉618307

等离子体产生及演化过程易受基体效应、环境噪声、脉冲能量抖动等影响,导致光谱数据具有不稳定性,从而难以保证以单条谱线为依据建立的监测判据的有效性。以连续多幅LIBS光谱为对象,并结合统计学方法建立的监测判据,可有效提升基于LIBS... 详细信息

等离子体产生及演化过程易受基体效应、环境噪声、脉冲能量抖动等影响,导致光谱数据具有不稳定性,从而难以保证以单条谱线为依据建立的监测判据的有效性。以连续多幅LIBS光谱为对象,并结合统计学方法建立的监测判据,可有效提升基于LIBS技术的除漆效果监测精度。论文基于搭建的高频纳秒红外脉冲激光除漆LIBS在线监测平台,实时采集了除漆过程的连续多幅LIBS光谱。光谱数据经基线矫正、归一化预处理后,依据面漆、底漆、铝合金基体光谱特征峰差异,并结合材料成分信息,选定BaⅠ(712.55 nm)、CrⅠ(357.48 nm)、CrⅠ(425.43 nm)、TiⅠ(427.45 nm)、CuⅡ(309.76 nm)、CuⅠ(484.22 nm)6条谱线作为特征谱线并监测除漆效果。研究不同除漆效果中6条特征谱线强度变化规律,建立不同除漆效果与所选特征谱线强度变化区间的映射关系。提取每幅谱线的上述6条特征谱线强度作为一组数据单元、将连续10幅谱线的数据单元作为一组数据集,除漆过程中随时间变化的每10组迭代数据集称为数据流盘。对数据流盘中的数据单元、数据集进行分析,结合置信区间,实时判定除漆区域除漆效果,获得基于数据流盘的监测判据。结果表明:该判据可有效监测仍在面漆、面漆完全去除、仍在底漆、底漆完全去除、基体损伤5类除漆效果。依据SRM手册对漆层去除效果的要求,选择面漆完全去除、基体损伤两类除漆效果展示了验证过程,三维微观形貌分析结果与LIBS数据流盘监测判据所得除漆效果结论一致。其中,面漆去除后三维微观形貌分析表明,面漆完全去除精度达1.2μm,有效验证了基于LIBS数据流盘监测判据的适用性及稳定性。

关键词：激光除漆激光诱导击穿光谱数据流盘监测判据除漆效果

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激光除漆对铝合金飞机蒙皮微观组织的影响

表面技术 2024年第11期53卷 239-247页

作者：杨文锋李庆李绍龙常学东谢旻玥胡月中国民用航空飞行学院民机复合材料维修研究中心四川广汉618307

目的探究激光除漆对铝合金飞机蒙皮基体近表层(15μm)微观组织的影响规律,阐明近表层微观组织变化与显微硬度的内在联系。方法采用纳秒脉冲红外激光去除2024-T3铝合金飞机蒙皮表面漆层,通过调节激光能量密度,分别除漆至基体阳极氧化层... 详细信息

目的探究激光除漆对铝合金飞机蒙皮基体近表层(15μm)微观组织的影响规律,阐明近表层微观组织变化与显微硬度的内在联系。方法采用纳秒脉冲红外激光去除2024-T3铝合金飞机蒙皮表面漆层,通过调节激光能量密度,分别除漆至基体阳极氧化层、铝合金、铝合金表面熔融。利用激光扫描共聚焦显微镜(LSCM)表征漆层的剥离程度及基体的表面形貌。通过超景深三维显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、Image-Pro Plus软件表征Keller试剂腐蚀后铝合金基体近表层的微观组织。采用数显显微维氏硬度计测量基体剖面的显微硬度。结果在激光能量密度为4.26 J/cm^(2)时,相较于原始基体,阳极氧化层较完整,其基体的表面粗糙度接近于原始基体(未除漆),近表层的微观组织无明显改变,近表层的显微硬度增加了1.6%。当除漆至铝合金基体表面完整时(15.25 J/cm^(2)),相对于原始基体,其表面粗糙度降低,近表层的微观组织无明显改变,近表层的显微硬度增加了4.8%。在激光能量密度为27.79 J/cm^(2)时,铝合金表面熔融,其表面粗糙度相对于原始基体增大,近表层的晶粒显著细化,其显微硬度增加了17.3%。结论采用合适的激光能量密度对铝合金飞机蒙皮进行激光除漆,不会显著改变其基体近表层的微观组织。在较高能量密度下,铝合金近表层会发生晶粒细化,导致显微硬度显著增加。

关键词：激光除漆飞机蒙皮 2024-T3铝合金微观组织显微硬度

基于高频激光除漆的LIBS监测平台设计与应用研究

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光谱学与光谱分析 2024年第9期44卷 2600-2606页

作者：杨文锋郑鑫林德惠钱自然李绍龙左都全李果王迪升中国民用航空飞行学院民机复合材料研究中心四川广汉618307

基于激光诱导击穿光谱(LIBS)技术的飞机漆层清洗监测,需要对峰值功率密度范围进行限定,以确保等离子体激发和漆层清洗的稳定性。然而,对于广泛使用的高频(kHz级)脉冲激光除漆技术,其峰值功率密度相对偏低,除漆过程中等离子体激发受到限... 详细信息

基于激光诱导击穿光谱(LIBS)技术的飞机漆层清洗监测,需要对峰值功率密度范围进行限定,以确保等离子体激发和漆层清洗的稳定性。然而,对于广泛使用的高频(kHz级)脉冲激光除漆技术,其峰值功率密度相对偏低,除漆过程中等离子体激发受到限制;且高频激光烧蚀材料产生的强连续背景光谱干扰了等离子体光谱采集。论文依据蒙皮功能漆层可控清洗需求,基于LabVIEW嵌入式开发系统的控制软件编写及激光清洗、光谱采集、控制与显示模块的集成,设计了一款适用于高频激光除漆的LIBS监测平台。选取2024-T3铝合金双漆层试样作为研究对象,采集波长介于360~700nm范围内的漆层/基体体系光谱(面漆层:Tc;底漆层:Pr;基体:As)。采用平滑滤波,基线校正和归一化对原始光谱进行预处理,并选取12条特征谱线进行主成分分析(PCA),其降维数据作为线性判别分析(LDA)的输入变量,以此建立PCA-LDA判别模型。最后将所建模型导入LIBS监测平台,通过试验验证了高频激光除漆LIBS监测平台的分类准确性。结果表明:仅以累积方差解释率大于85%作为主成分选取原则,不能满足除漆过程LDA的分类需要;通过优化LDA的主成分个数,最终选取前9个主成分作为LDA的输入,显著提升了LIBS平台的检测准确率,此时基于LIBS光谱的PCA-LDA模型分类准确率达92.5%。由此可见,设计的高频激光除漆LIBS监测平台能够完成漆层/基体体系不同结构层的材料识别,从而实现了高频脉冲激光可控除漆的有效监测。

关键词：高频脉冲激光激光诱导击穿光谱可控清洗监测判别模型

基于POD和Kriging的水滴收集量快速预测方法

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南京航空航天大学学报 2024年第2期56卷 318-326页

作者：郭琪磊杜杰张恒中国民用航空飞行学院工程技术训练中心广汉618307 中国民用航空飞行学院四川省通用航空器维修工程技术研究中心广汉618307 中国民用航空飞行学院航空工程学院广汉618307 西北工业大学航空学院西安710072

数值模拟手段预测翼面处水滴撞击特性通常较为耗时,为快速准确计算结冰条件下的翼面处水滴收集量,提出了基于本征正交分解和代理模型的水滴收集量快速预测方法。首先对FAR 25部附录C中连续最大结冰条件进行优化拉丁超立方采样,通过数值... 详细信息

数值模拟手段预测翼面处水滴撞击特性通常较为耗时,为快速准确计算结冰条件下的翼面处水滴收集量,提出了基于本征正交分解和代理模型的水滴收集量快速预测方法。首先对FAR 25部附录C中连续最大结冰条件进行优化拉丁超立方采样,通过数值模拟手段获得各采样点在翼面处水滴收集量分布,从而构造样本空间。在此基础上,利用本征正交分解(Proper orthogonal decompostion,POD)方法找到表达和重构水滴收集量的本征模态以及相应的拟合系数。最后,利用Kriging模型建立样本空间中各采样点与拟合系数间的代理模型,实现翼面处水滴收集量分布的快速预测。经多组工况验证表明:该方法可较为准确地预测翼面处水滴收集量分布,其计算成本较数值模拟方法大幅降低,能够为无人机防除冰设计提供有益参考。

关键词：无人机防/除冰本征正交分解代理模型水滴收集量

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基于视频图像的机场跑道侵入检测技术研究

基于视频图像的机场跑道侵入检测技术研究

作者：李明中国民用航空飞行学院

学位级别：硕士

随着飞行流量的日益增加,航空业务的规模不断扩大,航空器起降架次也在大幅增长,跑道作为航空器运行的重要设施,其安全性一直是民航安全的重点。同时随着远程塔台和全景机场监控系统等新概念的提出,自动检测跑道侵入的问题亟待解决。本... 详细信息

随着飞行流量的日益增加,航空业务的规模不断扩大,航空器起降架次也在大幅增长,跑道作为航空器运行的重要设施,其安全性一直是民航安全的重点。同时随着远程塔台和全景机场监控系统等新概念的提出,自动检测跑道侵入的问题亟待解决。本文结合机场现有视频监控系统针对跑道侵入检测问题,优化了基于视频图像的机场跑道侵入检测技术。首先,本文采用YOLOv5作为跑道侵入目标检测的基准算法,针对YOLOv5应用于跑道侵入检测所存在的模型参数量大,运行速度慢,难以满足机场跑道侵入长期实时检测的需求等问题,采用轻量化网络Shufflenetv2作为YOLOv5的主干网络,并且针对目标检测任务的需求对Shufflenetv2网络的基本单元进行优化,以更加适应机场环境下跑道侵入的目标检测。基于华东某机场的运行视频画面对改进后的网络模型进行实验验证,实验结果显示,改进后的目标检测模型在保持与原YOLOv5网络相当的目标检测精度的同时,模型的参数量为原来的1/18,模型的大小仅为1.03M,在GPU环境下FPS(Frames Per Second)提升了20.8%,在CPU环境下FPS提升了234.6%。其次,本文采用Deep Sort算法作为航空器目标跟踪的基准算法,由于目标跟踪算法的引入将会导致系统运行速度的降低,为了保证运行的实时性以及适应机场环境下的航空器目标跟踪任务,对Shufflenetv2网络结构进行优化。将优化后的网络模型作为Deep Sort的目标重识别网络,重新训练特征提取网络用于跑道侵入检测的目标跟踪,并进行实验验证。实验结果表明,改进后的目标重识别网络ACC(Accuracy)和LOSS都优于Deep Sort的原目标重识别网络,并且相较于原网络模型MOTA(Multiple Object Tracking Accuracy)和MOTP(Multiple Object Tracking Precision)也均有所提升,模型平均处理时间降低了25.64%,保证了引入目标跟踪算法的系统能够满足实时性的要求。最后,本文通过分析华东某机场单目视频采集系统的安装位置、布局和角度,建立坐标转换模型和测距模型,对航空器与跑道中心线的距离进行准确测量,并根据地面保护区的要求设置合适的安全阈值进行跑道侵入的检测。实验结果显示在1:400的模拟环境下,航空器距跑道中心线11cm、18cm和43cm的测距平均误差分别为0.02cm、0.01cm和0.01cm,不同情境下跑道侵入检测综合准确率为96%。本文的研究成果可为基于视频图像的跑道侵入检测技术提供一定的理论支持和实验依据。

关键词：跑道侵入目标检测目标跟踪 Shufflenetv2 单目测距

青藏高原地区对流层顶折叠分布特征及其与飞机颠簸关系研究

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青藏高原地区对流层顶折叠分布特征及其与飞机颠簸关系研究

作者：黄萌中国民用航空飞行学院

学位级别：硕士

中国是全球拥有高高原机场最多的国家,飞机颠簸是威胁执飞青藏高原地区航班飞行安全和效率的重要因素。研究该地区飞机颠簸的分布特征及成因有重要的应用意义。本文基于飞机探测数据,利用对流层顶折叠客观识别技术,对高原地区分布特征... 详细信息

中国是全球拥有高高原机场最多的国家,飞机颠簸是威胁执飞青藏高原地区航班飞行安全和效率的重要因素。研究该地区飞机颠簸的分布特征及成因有重要的应用意义。本文基于飞机探测数据,利用对流层顶折叠客观识别技术,对高原地区分布特征进行分析。综合使用飞机颠簸数据、对流层顶折叠数据以及卫星数据研究飞机颠簸与对流层顶折叠之间的关系。结果表明:1.对高原地区航班进行统计发现,航班数量季节性变化显著,夏秋季节航班量最多。而在剔除飞行架次影响后,飞机颠簸发生在冬、春两季的频率高达81.12%和80.83%,表现出明显的冬春季多、夏秋季少的特征。典型过程的时间序列分析表明,颠簸的发生与急流密切相关,温度变化没有风明显。2.基于再分析数据利用对流层顶折叠客观识别技术将对高原地区对流层顶折叠进行分析结果表明,将累计频95%时对应的厚度130 h Pa作为标准分成浅折叠和深折叠。2014年青藏高原地区对流层顶折叠总体折叠频率达到10.5%,其中浅折叠频率为9%,深折叠频率为3%。浅折叠和深折叠频率均沿30°N呈纬向分布,且与副热带急流的高风速区域紧密相关,表现出与风速切变和风速大小的良好耦合关系。季节性分析显示,冬季折叠频率最高,春季明显降低,夏季浅折叠频率北移,秋季折叠活动增强但强度不及冬季。对流层顶梯度大值区与高空急流密切相关,并随季节南北移动,折叠频率高值中心与梯度大值区相关,主要发生在冬季,这与飞机颠簸的时间分布特征相吻合。此外,对流层顶顶高和底高的变化显示,冬季折叠变化较为剧烈,而春季折叠较为集中。3.结合高原地区飞机颠簸与对流层顶折叠的位置关系统计分析发现,2014年高原地区对流层顶折叠诱发的33次飞机颠簸事件,这些事件大多发生在冬季前后,2月发生次数最多,而夏季月份(6、7、8、9月)未发生任何事件,这与对流层顶折叠的季节分布特征相符。飞机颠簸位置正位于对流层顶折叠下方,个例分析表明,对流层顶折叠附近存在急流核,急流下方的风切变较强导致飞机颠簸。卫星水汽图像表明,对流层顶附近的湿度梯度变化较大,存在南北干湿分区现象。

关键词：青藏高原飞机颠簸对流层顶折叠

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气候变暖对中国区域飞机积冰的影响研究

气候变暖对中国区域飞机积冰的影响研究

作者：孟子靖中国民用航空飞行学院

学位级别：硕士

随着全球气候变化日益加剧,中国区域的气候条件发生了明显变化,这对飞机积冰概率和严重程度产生了显著影响。为应对气候变化给航空业带来的挑战,本研究利用美国国家环境预测中心(NCEP)提供的全球再分析数据,对历史的积冰变化进行分析。... 详细信息

随着全球气候变化日益加剧,中国区域的气候条件发生了明显变化,这对飞机积冰概率和严重程度产生了显著影响。为应对气候变化给航空业带来的挑战,本研究利用美国国家环境预测中心(NCEP)提供的全球再分析数据,对历史的积冰变化进行分析。并采用国际耦合模式比较计划第六阶段(CMIP6)的SSP585排放情景下提供的气温、相对湿度、降水、云量和风速等数据来估算未来的积冰变化。对比其变化并计算积冰发生概率的气候态分布特征,以及气候变暖背景下积冰特征的变化和影响因素。研究结果表明,在400h Pa至925h Pa高度层中,轻度积冰主要出现在中国西南地区,尤其是四川、重庆和西藏等地。而中度积冰发生概率总体较低,主要集中在西南地区。重度积冰概率普遍较低,特别是在850h Pa至925h Pa层中,大多数区域没有重度积冰现象。季节性分析显示,夏季轻度积冰现象尤为突出,而春季和冬季则主要是中度积冰的高发期。特别是在400h Pa及更低高度层,西南地区的积冰概率显著增加。此外,积冰发生概率的趋势分析揭示了不同高度层上积冰概率随季节变化的不同趋势。例如,在850h Pa的高度上,冬季时新疆北部以及秋季时的东北北部,常是飞行中积冰的主要发生区域。进一步分析发现,全球变暖导致的气温和湿度变化都间接影响了飞机遇到积冰的可能性。温度和湿度的直接作用是积冰风险形成的两个主要机制,为飞机积冰提供了更多的条件。这项研究不仅揭示了全球变暖对飞机积冰风险的直接影响,而且凸显了气候变化对航空运营的挑战。未来的工作需要进一步探索如何利用气象预测和改进防冰技术,以减轻气候变暖对航空安全的影响。随着全球气候模型和预测技术的不断发展,为航空业提供更精确的数据支持将成为关键,帮助其适应气候变化,确保航空安全和效率。因此,这成为未来研究的重要方向。

关键词：飞机积冰积冰指数中国区域全球变暖

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枢纽机场临时机位划设和分配优化研究

枢纽机场临时机位划设和分配优化研究

作者：朱兴澳中国民用航空飞行学院

学位级别：硕士

为了解决枢纽机场停机位的满负荷甚至超负荷运行的安全和效率问题,立足管制移交后机坪运行控制中心的调整权限,分析我国主要枢纽机场停机位超负荷运行特征,基于冲突管理分析潜在运行风险,对枢纽机场的临时机位划设和机位分配优化进行研... 详细信息

为了解决枢纽机场停机位的满负荷甚至超负荷运行的安全和效率问题,立足管制移交后机坪运行控制中心的调整权限,分析我国主要枢纽机场停机位超负荷运行特征,基于冲突管理分析潜在运行风险,对枢纽机场的临时机位划设和机位分配优化进行研究。首先,遵循《关于修订印发航班备降工作规则的通知》启用临时机位的局方规定,明确机坪运行区域内航空器之间潜在的各类冲突;参阅《民用机场飞行区技术标准》,确定各类航空器之间在地面滑行的安全间隔,分析并总结出管制移交模式下启用临时机位方案后的场面相关限制条件。基于运动学模型和蒙特卡洛轨迹偏差理论,优化临时机位的划设。分析常见A与B机位引入线构型和靠廊桥机位对临时机位划设的影响,建立航空器在机坪区域运行的运动方程;基于离散统计理论,建立航空器在正常机位的滑入推出和直线运行状态的蒙特卡洛轨迹偏差和机位运行冲突概率模型;遵照相关运行限制,利用Matlab仿真航空器机坪运行的标称轨迹和偏差区域,研究航空器机位间的冲突概率;以湖南长沙黄花机场A滑行道区域进行实例验证,结果表明:相比人工经验方案,基于蒙特卡洛的轨迹偏差有利于运行冲突区域的精准判断,影响正常机位数量,推出路线干扰数量,对头组数得到了相应的优化,降低了运行风险冲突。根据优化后的临时机位划设方案,构建了临时机位设置下的机位分配模型,进行所有机位的联合分配优化。考虑临时机位不能保障作业的限制,将所有靠廊桥正常机位分为三类,分别为:受临时机位影响推出与滑入的机位、附近可供临时机位拖回进行保障的机位、常规运行的的靠廊桥正常机位,以冲突最低和靠桥率最高构建多目标优化数学模型,设计人工蜂群算法,并以长沙黄花国际机场的进离港航班数据进行实例验证,验证模型和算法的可行性及优化效果。最后,基于软件工程和运动空间可视化呈现技术,运用三维建模、动画和渲染的Cinema 4D软件,对临时机位方案的运行下的次日早班航空器的局部离港情况进行可视化的动态呈现。

关键词：临时机位划设运动学模型蒙特卡洛轨迹机位分配

民航飞行员技术类核心胜任力分析评价系统设计与实现

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民航飞行员技术类核心胜任力分析评价系统设计与实现

作者：任洲中国民用航空飞行学院

学位级别：硕士

在民航领域中,飞行员的核心胜任力是飞行员技能全生命周期中的重要环节,合理构建飞行训练阶段的管理体系是现阶段的重要内容。为满足民航领域人才需求的快速增长,飞行训练中的飞行员培养是民航发展的落脚点以及根本途径。针对现阶段飞... 详细信息

在民航领域中,飞行员的核心胜任力是飞行员技能全生命周期中的重要环节,合理构建飞行训练阶段的管理体系是现阶段的重要内容。为满足民航领域人才需求的快速增长,飞行训练中的飞行员培养是民航发展的落脚点以及根本途径。针对现阶段飞行训练管理方式与运行环境变化之间的协调性等问题,需要对飞行训练中的技术类核心胜任力进行分析评价。本文以技术类核心胜任力中的飞行操作为切入点,提取飞行训练数据中的飞行科目,分析并构建民航飞行员技术类核心胜任力分析评价系统。具体研究内容如下:首先,以飞行操作为技术类核心胜任力的研究重点,先采用随机森林及支持向量机的两层识别方法,并引入飞行状态分割机制对飞行数据进行分割后识别,对数据处理后的飞行数据中的飞行科目进行识别,将部分评分项与人工评价结果进行相结合,并整合其余技术类核心胜任力指标评价结果,从而构建飞行员技术类核心胜任力分析评价模型。其次,对飞行员技术类核心胜任力分析评价系统进行可行性分析以及需求分析,并对系统的总体结构和业务逻辑进行设计,同时对系统所涉及的技术类核心胜任力分析评价系统各个功能模块进行详细设计,包括飞行操作评价模块、核心胜任力评价模块、手册模块以及个人中心模块,为后续整体系统的实现做基础。最后,基于Swift通过i OS平台进行系统开发,对技术类民航飞行员分析评价系统进行实现,根据系统的分析与设计对系统的整体结构和各模块系统进行开发,结合民航飞行员核心胜任力评价特点进行功能测试和调整,从而完成系统的整体开发。通过研究实验表明,该系统能有效识别飞行数据中的飞行科目,并提升飞行员技术类核心胜任力分析评价效率,为后续核心胜任力研究起到了一定帮助,从而构建核心胜任力评价体系。

关键词：核心胜任力飞行科目识别可视化系统