机场助航灯具光轴检测系统设计*

侯启真，杨博恩

(1.中国民航大学空中交通管理研究基地，天津300300;2.中国民航大学航空自动化学院，天津300300)

0 引言

随着我国航空事业的发展，机场对助航设施的性能和运行可靠性要求不断提高，并使我国机场助航设施的设置更加符合国际标准。在飞机着陆作业中，机场助航灯光对飞行员的地面引导可以归结为2个基本内容:定向引导和方位指示，灯具出射光参数的合格性将直接影响飞机着陆时飞行员对其姿态和方位的正确判断和飞机的安全着陆。为此国际民航组织对助航灯具的相关参数:主光轴内倾角和仰角给出了具体量化标准［1］，并规定当灯具的光轴方向不能满足标准要求时必须调整［2］。但目前我国民航系统助航灯具光轴检测仪器尚欠缺，灯具的出射角只能由厂家调整、标出，最后要靠飞机校飞过程中飞行员的目测来获得，过程繁琐并且耗资较大。

本文提出了一种基于FPGA与 CCD相结合的助航灯具光轴检测方法。常用的感光元件光电池是基于单点测量的，速度较慢，不能满足本系统测量要求。为提高检测速度，本系统选用线阵CCD作为光电敏感元件，可实现一列信号一次成像。数据采集部分以FPGA为控制逻辑核心的高速数据采集系统，可以使系统工作稳定性得到大大提高，采集精度高，而且易于扩展，具有很强的通用性。最后提出运用质心算法对采集数据进行处理，以获得主光轴的角度参数。

1 检测系统总体框架设计

根据实验的技术要求和实验室的实际情况，搭建的测量系统是暗室进行测量实验［3］，图1为检测系统原理示意图(俯视图)。整个检测系统主要由以下几大部分组成:CCD驱动电路、信号调理电路、A/D转换电路、FPGA逻辑控制与输出模块、PCI总线数据传输模块、上位机数据处理等，具体的设计框图如图2所示。

图1 检测系统原理示意图Fig 1 Principle diagram of detecting system

图2 系统的总体设计框图Fig 2 Overall design block diagram of system

检测开始时，先利用激光准直仪进行校准使检测装置中透镜曲率中心、CCD中心和灯具几何中心处于同一基准上［4］。通过磨砂玻璃均匀处理可使朗泊辐射体作为测试屏幕，由于灯具到光接收面的距离R远大于灯具出射口的尺寸，可视为点光源。点光源出射光投射到测量屏幕上形成光斑，然后再经过衰减片、滤光片和透镜组组成的镜头后成像在CCD光敏面上，通过调节测试转台垂直移动灯具，使CCD探头检测能测到整个光斑对应的模拟电压信号，然后通过由放大和滤波电路构成的调理电路处理CCD输出的模拟信号，将其调理成准确的像元信号成分，再经过以FPGA为控制逻辑核心的信号采集检测系统采集得到对应的数据值，最后将数据通过利用PCI总线传输到上位机进行处理。

为使CCD检测探头能够便于检测到一定范围的点光源的出射光线，在CCD前加上适宜焦距的透镜组使其光斑成像变小。而且系统还需根据飞行员的可视光谱选用紫外/红外截止滤光片来对CCD相应光谱进行校正，使光谱响应曲线符合国际照明委员会(CIE)人眼视见函数曲线。如图3所示分别为点光源光轴在朗泊体上的坐标和CCD探测平面上的坐标。在计算机里利用质心算法处理数据，可以得到CCD探测面上光轴坐标，再通过几何关系得到测量屏幕上对应的坐标，就可以得到光轴的内倾角和仰角。

图3 光轴的坐标Fig 3 Coordinates of optical axis

2 系统感光元件的选取与驱动设计［5］

系统选用的CCD是日本SONY公司的ILX521A芯片。ILX521A的动态范围很高，达到了2666。饱和输出电压0.8 V，在芯片的结构中，它的光敏阵列共有273，其中前面12个和后面5个为哑元，中间的256个光电二极管为有效的光敏单元。每个光敏单元的尺寸为14μm×14μm，成像长度为L=256×0.014=3.58 mm。

另外，芯片内置了放大电路，集成了时序产生器和时钟驱动，光敏单元下面是读出门，旁边为模拟移位寄存器简化了驱动电路的设计。典型时钟脉冲信号频率为1MHz，最大不超过2 MHz。该CCD有2种工作模式:有采样保持和无采样保持，由引脚S/H-SW控制。在本系统设计中采用无采样保持模式，将引脚S/H-SW接工作电压，如图4为外围电路图。

图4 ILX521A的外围电路Fig 4 Peripheral circuit of ILX521A

芯片正常工作只需要2条控制信号:φCLK和φROG，其中，φCLK为芯片正常工作输入脉冲，φROG为转移栅输入脉冲，控制着电荷的转移和积分时间。当φROG信号为高时，芯片上的光敏单元进行光积分，实现光电荷的积累;当φROG为低时，全部光敏单元上的信号电荷同时并行地转移到模拟移位寄存器中，再被拉高，光敏单元继续进行光积分，而模拟移位寄存器中存储的信号电荷则在时钟中φCLK驱动下逐个输出到输出极，输出极产生信号电压输出。

以往CCD驱动信号的产生经常采用的驱动方法主要偏重硬件的实现，调试困难，灵活性较差。而单片机驱动方法虽编程灵活，但存在资源浪费较多、频率较低的缺陷。为了克服这些问题产生系统中用到的时序，设计了基于FPGA的CCD驱动时序发生器，并且节省PCB板的空间，可移植性好，使用灵活［6］。CCD的输出信号含有无用的噪声信号，而且信号的峰值不能与A/D转换器电压输入范围匹配，所以，在采集信号之前需先经过调理电路处理，调理电路包括信号放大电路和滤波电路两部分。由于CCD的输出信号具有高速、高上升率特点，同时数据输出速率可达1 MHz，需选用宽带宽和高转换率，而且不降低直流性能的放大器，本系统选用的是OPA2227运算放大器。滤波电路采用低通滤波器滤除高频干扰，采用低通和减法电路抑制和克服低频电源噪声和纹波影响，以及暗电流和背景光对信号的影响，系统采用超前—滞后LPF构成的二阶Butterworth低通滤波器。

3 数据采集系统FPGA模块化设计

数据采集和传输单元主要由A/D转换和FPGA控制逻辑，PCI总线数据传输三大部分组成。

3.1 A/D转换设计

考虑到检测光轴参数要求和电路要求，在此系统中选用的是美国德州仪器公司生产的8bit串行A/D转换器芯片TLC549，芯片可以工作在3.3 V和5.0 V电压下，具有4 MHz片内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最长17μs，芯片允许的最高转换速率为45500次/s，典型功耗值为6 mW。其FPGA控制ADC采样程序流程如图5所示。

图5 FPGA控制ADC采样程序流程图Fig 5 Flow chart of FPGA controlling ADC sampling program

3.2 数据采集控制逻辑实现

数据采集系统控制逻辑主要依靠状态机实现的［7］。开始数据采集单元处于停止状态，当A/D转换控制信号到来时，启动A/D转换。A/D转换完成后，开启数据输出，同时进行数据串并转换。最后，存储串并转换结果，再回到起始状态准备下一次数据采集。具体数据采集控制状态转换图如图6所示，enable是信号采集使能信号，cs为A/D转换器控制信号 ;rec-done是A/D转换结束信号;temp-date［8］为串并转换结束信号;data-sram为sram的数据输入输出总线;oe-sram，ce-sram，we-sram，lb-sram，ub-sram分别为 sram 的输出使能信号、片选信号、写使能信号、低字节控制信号和高字节控制信号，低电平有效。

图6 数据采集控制状态机状态转换图Fig 6 State transition diagram of data acquisition controlling state machine

实验仿真结果证明:这种高速数据采集控制逻辑工作是可靠的，可以实现高速数据采集功能。

3.3 PCI总线数据传输

此系统采用的是专用PCI接口芯片PCI9054实现数据传输的主控模块和目标模块，将复杂的PCI总线接口转换为简单的I/O接口，尽管只用到了部分PCI接口功能，但是可以缩短系统开发周期，并提高系统可扩展性［8］。在设计中由于专用的PCI接口芯片为PCI接口的开发提供了一种简洁的方法，所以，只需要设计出本地总线接口就可以实现高速数据传输。数据传输的原理为:PCI9054的控制总线全部连接到FPGA芯片上，存储单元SRAM的控制总线也连接到FPGA芯片上，这样就可以通过FPGA来实现PCI9054局部总线的各种功能，可以进行PCI总线操作的各种命令;上位机也可以通过PCI接口芯片向逻辑控制单元发送命令，实时地读取数据。

4 系统的标定和数据处理结果分析

系统采集得到的信号都是没有明确物理意义的光信号，必须通过标定的方法将光信号转换成与之对应的具有明确意义的物理量。具体方法如下:

系统采集的模拟量是电压信号，转换成数字电压，其满量程00～FF对应参考电压0～VREF。其电压计算公式为Vadin=VREF×CODE/256，即为各电压值对应的十进制数值。这样就建立了采样数据与电压信号之间的标定关系。

另外，需要对系统中CCD采集到的光强信号进行标定。根据国际民航组织文件对目视助航设施的相关规定［1］中，可以知道在所有的助航灯具中，其灯具中安装要求的内倾角最大为17°，要求的仰角也不会超过10°，因此，为提高测量的精度，可以标定采集的光斑范围为水平度数-20°～20°，垂直度数为0°～10°。在水平方向上系统利用256像元线阵CCD对水平方向进行采集，在垂直方向利用测试转台移动利用CCD对范围内光斑进行采集。采集到的数据标定为灯具出射光光强为一组矩形数据

上位机得到数据后再利用质心算法处理数据。在角度坐标轴中x轴代表水平角度，y轴代表垂直角度，其中，光轴点坐标为(xc，yc)，xc代表灯具的内倾角，yc代表灯具的仰角，xi为像元i的位置，yi为CCD靶面采集到光斑的垂直位置，I(x，y)为采集到的对应光斑各点的光强。最后用质心算法［9］可以表示计算公式为

计算前用平滑算子对数据进行平滑处理以消除抑制背景和CCD自身噪声的影响，还可将数据中光强值小于某一阈值的像素的光强置为零，进一步消除背景光强的影响，平滑算子可取为

在实验室对离线灯具进行检测，采集的数据在MatlabR2009a软件中处理，测得的光轴内倾角和仰角结果与灯具标准值比较如表1，通过分析表可以看出:通过设计的系统计算得到的测量值与规定的标准值比较接近，且相对误差比较小，说明系统可以满足测试要求［10］。

表1 实验测试结果Tab 1 Result of experimental test

5 结论

本文测得一组对应的光信号参数的矩形数据组，经过质心算法处理数据得到光轴的角度参数。通过系统测得值与标准值的比较分析，测量分析的误差在规定的范围内，这说明本系统测试数据的有效性。系统的测量对机械结构控制精度等方面的要求要高，并影响最终的测量精度，本系统测得结果都在允许的范围内，说明具有良好的测试精度。

另外，系统测试时改变垂直和水平测试范围，扩大测得的数据组信息量，然后经过相关算法可以得到光强等值线或进行灯光色度分析，将检测系统改进可以测量助航灯具多种光度参数。

［1］国际标准和建议措施机场民用航空公约附件十四［S］.5版.国际民航组织，2009:1-10.

［2］杨元元.中国民用航空总局令 第191号:民用机场运行安全管理规定 CCAR—140［S］.民航局，2007:19-27.

［3］崔健超.汽车前照灯悬吊式检测装置的研究［D］.长春:吉林大学，2009.

［4］丁振勇，叶 露，沈相衡，等.激光与可见光系统光轴平行性检测［J］.红外和激光技术，2008，37(5):890-893.

［5］王庆有.光电传感器应用技术［M］.北京:机械工业出版社，2007:154-186.

［6］窦建华，王 英，李长凯，等.基于CPLD和DSP的线阵CCD数据采集系统设计［J］.合肥工业大学学报，2010，33(5):690-693.

［7］綦 磊，张 涛，梅 玮，等.基于FPGA的高速信号采集平台设计［J］.传感器与微系统，2010，30(9):79-81.

［8］俞忠恒，赵世平.基于PCI总线和 CPLD的高速数据采集卡［J］.中国测试技术，2008，34(3):61-63.

［9］Pan Bo，Yang Genqing，Liu Yong，et al.Study on optimization threshold of centroid algorithm ［J］.Optics and Precision Engineering，2008，16(9):1787-1792.

［10］AP—191—WM—CA—2000—3 民用机场助航灯光系统运行维护规程［S］.