助航灯具光强测试系统研究

侯启真， 徐春红

(中国民航大学航空自动化学院，天津 300300)

0 引言

机场目视助航灯光的主要作用是为飞行员提供跑道方向、位置和距离信息，是保障飞机在夜间、低能见度或者其他恶劣气象条件下，进行正常起飞、着陆、滑行的关键设施之一，在飞机安全起降过程中起着举足轻重的作用。而灯具光强是保障其有效发挥作用的关键，准确测量灯具出射光强的空间分布是国内外各机场的普遍需求。目前，国内外很多学者致力于研究等值线在不用领域的应用，并提出了各种绘制等值线的方法［1－3］。本文基于助航灯具光源的特殊性，提出了一种基于线阵CCD的光强快速检测系统，采用改进的Delaunay三角剖分线算法获得等光强曲线，以准确地反映灯具光强的空间分布。通过对等光强曲线的分析，找出问题存在的原因，为系统维护提供科学依据与方法，同时也可依据判据给出灯具合格与否的结论。本文提出的这种检测助航灯具光强空间分布的方法，可直接应用于机场助航灯具的维护，对其量化检测分析有重要的意义。

1 检测系统原理

1.1 系统结构

如图1所示，该检测系统由6部分构成:照度传感器部分、信号预处理和采集部分、信号传输部分、数据处理部分、系统控制部分和照度传感器驱动机构。

图1 系统硬件框图Fig.1 Block diagram of system hardware

系统利用经均化处理过的毛玻璃和透镜组成光学系统，将横向测量范围内光束投射到CCD成像面上，使CCD同时实现一行光强数据的采集，通过步进电机驱动［4］，可使 CCD 纵向以标准距离(每步移动0.02 mm，由选择的步进电机参数和测量精度决定)移动，从而实现光强的二维测量。该系统选用的照度传感器为线阵CCD ILX521A，CCD正常工作所需的驱动脉冲由STC89C52RC单片机产生，CCD最大饱和量输出电压值为3 V，而A/D芯片输入信号的电压范围为0～10 V，为此系统首先利用三极管射级放大器对CCD输出信号放大后，再经A/D芯片和USB接口芯片来实现数据的高速采集和数据的实时传输，最后利用Matlab软件绘制出灯具的等光强曲线。

1.2 光强值的计算

系统光路如图2所示(图为正视图，CCD水平放置，θ角度对应毛玻璃上光斑水平方向的光强，对应图3中x坐标方向)，为使CCD能够完整地接收到灯具向外辐射的光线，首先将灯具的出射光投射到一片经过均化处理的毛玻璃上，形成光斑，然后再经过透镜组和滤 光 片 将 该 光 斑 成 像 在 CCD 光 敏 面 上［5－8］。CCDILX521A的频谱响应范围为400～1000 nm，为模拟飞行员的可视光谱，系统选用了紫外/红外截止滤光片(波长在 300～380 nm间的紫外线通过率 T＜0.001%，波长在750～900 nm间的红外线通过率T＜2%，440～660 nm频谱段可见光的透过率约为90%)对CCD响应频谱进行校正，使其光谱响应曲线符合CIE视见函数曲线。

图2 光源的光强与照度关系示意图Fig.2 The relationship between light intensity and illumination

图3 对应的空间坐标关系图Fig.3 The corresponding space coordinate system

毛玻璃经过均匀处理可视为朗泊辐射体，灯具到光接收面的距离远大于其出口尺寸可视为点光源［9］，它在极坐标(θ，γ)方向的照度为［10］

设朗泊辐射体的透射率为ξ，散射系数为η，则其光出射度为

其表面发光亮度为

设系统的入射光瞳为μ，则其轴上像点的照度为

其中:δ为透镜的透过率;β为透镜的垂轴放大率。

以CCD光敏面长度方向作为水平坐标x′，步进电机移动方向为垂直坐标 y′，建立坐标系 x′oy′，见图3。系统选用两相混合式步进电机，步距角为1.8°，即电机运动200步为一周。

在(x′，y′)点，设 CCD 输出电流信号 i(x′，y′)，光敏面的照度 E(x′，y′)，t代表两次取样的间隔时间，输出电压值 U(x′，y′)，则在正常工作范围内有

式中:K 为比例常数;Q=E(x′，y′)t为曝光量，单位为lx.s。线阵CCD电路的电阻值为常数Ri=350 Ω。则

根据系统光学系统设计，CCD表面加一滤光片，则透过CCD感光面照度与光源在滤光片处照度关系为

τ(λ)为滤光片光谱透过率。可得朗泊辐射体(θ，γ)方向光强值与测量值 U(x′，y′)的关系为

由图2几何关系可得

由式(9)、式(10)可得

则，

由图3的几何关系可得

则，

由式(8)、式(12)、式(14)得

即为 CCD 输出电压值 U(x′，y′)与灯具在(θ，γ)点的出射光强值I(θ，γ)的关系式。

2 数据处理

绘制等值曲线的方法归纳起来有两种，即三角网格法和矩形网格法。矩形网格法较易实现，具有普遍性，但拟合边界能力差，等值线断续，插值时原始数据失真等缺点;三角网格法能保证原始数据的精度，但程序结构较复杂。

考虑系统的精度和速度要求，本系统提出了在三角网格法基础上改进的三角剖分线性插值法，是精确插值，较为忠实原始数据点。该方法的优点是不需要进行三角型棱边的搜索及边界边的判断。缺点是绘制的曲线不平滑。为此提出了在Delaunay三角剖分算法的基础上，采用B样条进行曲线平滑处理，改善了其因线性插值绘制的曲线不平滑的缺点。

2.1 等值线的绘制

基于Delaunay三角剖分算法是根据三角形各边上是否有等值点，用内插值法求出等值点坐标，跟踪、连接等值点，最后生成等值线。设三角形3个顶点为a、b、c。等值点的特征值为I，则插值公式为

(Xd，Yd)即为所求等值点及其对应坐标［11］。

2.2 B样条曲线平滑数学模型

B样条曲线方法对折线的平滑处理，主要是对每相邻的k+1点构造一个k次B样条函数，称为基函数，由这些函数进行局部逼近，得到若干条平滑的B样条曲线，并且保证相邻曲线段之间的连续性［12］。

本文采用二次B样条曲线进行等值线平滑，这里仅给出k=2，即二次B样条曲线的具体表达式为

图4 平滑后曲线Fig.4 Smoothed curve

假定某等值线在Delaunay三角网中的追踪结果有n+1个等值点pi(i=0，1，…，n)，则相邻的每3个点可构造出一段二次B样条曲线，平滑后新数据点的坐标公式为［13］

图5 绘制等值线流程图Fig.5 Flow chart for drawing intensity contour

系统程序分为系统初始化子程序、CCD驱动子程序、数据采集与传输子程序、步进电机控制子程序、数据处理子程序。初始化子程序检查CCD是否处于坐标原点位置。CCD驱动子程序的任务是保证CCD正常工作。数据采集与传输子程序是保证数据实时地采集并传送给上位机，进行下一步的处理。步进电机控制子程序的任务是确保整个采集模块位置的精确定位。数据处理子程序通过读取CCD输出的电压值计算对应的光强值，并绘制出等光强曲线图，与标准的等光强曲线进行比对，给出合格与否的判断。

3 测试结果分析

ICAO ANNEX14对一般灯具都规定了相应的中心光强、次光强、最弱光强范围，以及中心光强的平均值，并列出了各类助航灯具的等光强曲线［14－15］。将测得的光强参数进行曲线拟合与标准曲线比对，可以判断该灯具的出射光强分布是否合格(试验以PAPI灯具为例，ICAO规定红光(论文给出的数据均为红光的光强值)的主光束最小光强为15000 cd，实测值为11655.9639 cd，结果判断为不合格)。图6为利用两种不同算法绘制PAPI灯具的光强图。从图6可以看出，利用论文提出的算法绘制的等光强曲线明显比一般的三角网格绘制的曲线要平滑，测量数据结果精度要高。图7为系统测试界面。

图6 算法比较分析Fig.6 Comparison of two different algorithms

图7 系统检测界面Fig.7 System testing interface

4 结论

通过对助航灯具光源发光特性的分析，提出了一种光强检测系统，利用改进的三角剖分算法绘制助航灯具的光强分布曲线，且进行了多次实测实验，实验证明该系统测量范围为水平角－30°～30°，垂直角0°～30°，测量光强范围40～20000 cd，测量结果以图形方式显示效果直观，速度满足灯具检测需求。

［1］ 汤泉，牛铮.构建Delaunay三角网的改进算法［J］.计算机应用，2007，2(6):158-159.

［2］ YEO M F.An interactive contour plotting program［J］.Education ＆ Training.Eng.Compute，1984，1(3):273-279.

［3］ SUNDARAMOORTHI G，YEZZI A.Sobolev active contours［J］.International Joural of Computer Vision，2007，73(3):345-366.

［4］ 胡炳梁，杜云飞.双步进电机控制系统在航空相机中的应用［J］.微特电机，2006(7):30-31.

［5］ 樊超，孙宁宁，梁义涛，等.基于时间调制的光学相关法测量亚像元像移研究［J］.电光与控制，2010，17(1):73-76.

［6］ 成先富，贾惠波，徐端颐.光盘光学系统标量衍射理论的有效性分析［J］.清华大学学报:自然科学版，1999，39(8):53-55，59.

［7］ 梁翠萍，李清安，乔彦峰，等.简析光学系统自动调焦的方法［J］.电光与控制，2006，13(6):93-96.

［8］ 许兆林，赵育良，张国栋.新型航空相机自动调焦系统的设计［J］.电光与控制，2011，18(4):77-80.

［9］ 王晓鹏.空间光强自动测试装置的研究［J］.应用光学，2005(5):1-3.

［10］ COATON J R，MARSDEN A M.Lamps and lighting［M］.4th ed.338Euson Road，London，NW1 3BH Arnold and Contibutors，1997.

［11］ 蒋瑜，杜斌，卢军，等.基于Delaunay三角网的等值线绘制算法［J］.计算机应用研究，2010，27(1):101-103.

［12］ 孙桂茹，马亮，路登平，等.等值线生成与图形填充算法［J］.天津大学学报，2000，33(6):816-818.

［13］ 崔晓东，王莉萍，王国宁，等.基于VB的电视天气预报等值线绘制分析软件开发［J］.气象科技，2008，36(5):670-672.

［14］ 杨元元.民用机场运行安全管理规定［M］.［出版地不详］:民航局，2007:19-21.

［15］ 中国民用航空局机场司.民用机场助航灯光系统运行维护规范［Z］.AP-191-WM-CA-200x-xx.