LED防撞灯光学系统的理论计算与仿真分析

汪雪玲，冶 振，马军祥

(兰州万里航空机电有限责任公司 730000)

引言

航空照明技术是一项在不断发展的照明技术，可分为舱内照明与机外照明两部分，航空机外照明设备用于飞机起飞、着陆、滑行和航行时的飞行环境照明，是飞机照明系统的重要组成部分[1-3]。防撞灯系统属于机外照明系统的一种，在飞机起飞、航行和降落等过程中起着标志飞机位置，为地面与他机提供醒目的防撞信号，一般位于垂直尾翼和机翼翼尖等位置，与航行灯相互协作，是飞机照明系统中不可或缺的重要部分。随着飞机照明系统的发展，在实际工程应用中，飞行环境、气候环境以及人机工程等因素的复杂化，对航空机外照明防撞系统的要求越来越高，从照明设备的光性能、可靠性、气动性、以及夜视兼容性等方面，使得航空机外照明防撞灯照明技术不断的升级和发展，照明灯具形式也更丰富和多样化，大大改善了航空机外照明环境条件。

1 防撞灯技术发展及现状

防撞灯一般位于飞机机翼翼尖、翼尾和垂直尾翼部位，为他机提供告警信息，以防碰撞。早期的防撞灯利用脉冲氙灯照明技术实现防撞功能，脉冲氙灯采用螺旋形石英管作为灯管材料，以高质密度电极为氙灯的电极，通过高压电离氙气分子，使能量通过预电离火花通道迅速释放而发光，再加以白色灯罩或红色灯罩产生高亮度白光或红光，具有体积小、重量轻、发光亮度高的优点。为某型机配套的带有专用的电源盒的红光脉冲氙灯式防撞灯结构如图1所示，该防撞灯具有体积小、重量轻的明显优势，但因为光源发出的白光通过红色灯罩产生高频红光，使得光电效率大大降低，且需配置单独的控制盒来提供触发和电源信号，不利于飞机的体积与重量控制要求。

图1 某型机脉冲氙灯防撞灯Fig.1 Xenon Lamp anti-collision light of an aircraft

LED光源具有寿命长、可靠性高、功耗小、抗振性能好等特点，LED防撞灯很好地解决了原脉冲式氙气灯防撞灯存在的故障率高、寿命短、维护成本高的技术难点。相较于脉冲氙灯作为光源的防撞灯，LED防撞灯在不规则的光分布情况下，配光形式更为灵活，通过合理分布不同方向的LED数量与排布，或对其进行二次光学设计来改变光分布，可使得防撞灯光学系统更加节能。又因LED优异的发光特性，颜色可供多种选择、较大的色温可选范围以及红外LED的良好夜视兼容性，使得LED防撞灯在近年来成为航空机外照明防撞灯的主流照明方式[4-6]。

2 防撞灯性能指标

根据CCAR-25-R4中第25.140 1条要求，防撞灯作用范围必须至少达到飞机水平平面上、下各75度范围内的所有方向[7，8]。其颜色满足第25.139 7条航空红或航空白要求，具体要求如下：

(a)航空红色

“y”不大于0.335；

“z”不大于0.002。

(b) 航空白色

“x”不小于0.300 且不大于0.540；

“y”不小于“x-0.040”或“yo-0.010”，取小者；

“y”不大于“x+0.020”，也不大于“0.636-0.400x”；

其中，“yo”为普朗克辐射器相对于所论“x”值的“y”坐标值。

防撞灯的有效闪烁频率为40～100次/min，重叠区内最高不超过180 次/min。有效光强采用下列关系式：

(1)

其中，Ie为有效光强；I(t)为作为时间的函数的瞬时光强；t2-t1为闪光持续时间。

红光防撞灯的最小有效光强要求如表1所示。

表1 红光防撞灯的最小有效光强Table 1 Minimum effective light intensity of red anti-collision light

白光防撞灯的有效光强是红色防撞灯的5倍以上，其值如表2所示。白光防撞灯又叫高亮度白色频闪灯，以一定的频率闪烁，亮度很高。

表2 白光防撞灯的最小有效光强Table 2 Minimum effective light intensity of white anti-collision light

根据表2中白光防撞灯的光强与角度分布关系，进行描点绘图，得到最小有效光强与垂直面内角度θ的近似关系如图2所示。

图2 防撞灯有效光强近似分布图Fig.2 Approximate distribution of effective light intensity of anti-collision light

3 LED的选型与理论计算

根据CCAR-25-R4指标要求，防撞灯最小照射范围为：水平方向±90°、垂直方向±75°；颜色：航空白。考虑出光效率与封装尺寸等因素，选用大功率的CREE XPL航空白颜色的LED来作为防撞灯的发光光源，色温4 250 K、中性白，亮度高，对飞行员的视觉不会引起刺激和不适感。根据其伏安特性曲线与相对光通量效率曲线关系，可得该LED最大功率约为10 W，启动电压约为2.6 V，在1 050 mA@25 ℃下光通量为400 lm，1 050 mA@85 ℃下光通量为360 lm，1 050 mA电流下电压约为2.95 V。

水平面内要求光分布均匀，照射范围为-90°～ 90°；水平面向上和向下(垂直面内)光分布呈阶梯状，照射范围为-75°～ 75°，光通量与光强的关系为

I=Φ/Ω

(2)

因为一般光源的光强分布在各个方向上是不同的，所以在某一方向的光强Iv(φ,θ)与光通量Φv(φ,θ)的关系为

Iv(φ,θ)=dΦv(φ,θ)/dΩ

(3)

其中，IV表示在某方向的光强值，ΦV表示在包含该方向的微小立体角dΩ内发出的光通量，可通过计算得出dΩ=sinθdθdφ,所以

(4)

将图3中最小有效光强与角度的近似关系代入式(4)中，因为有效光强分布分别关于Z轴与水平面对称，则得到最小有效光强所需的最小有效光通量约为

≈4088.4 lm

(5)

LED防撞灯触发信号为+12 V，脉宽为(300±50)ms(t2-t1≈0.3s)，闪光频率为(60±5)次/min，触发信号序列如图3所示。

根据防撞灯有效光强与峰值光强的关系式1，类比防撞灯有效光通量与峰值光通量的关系，则所需峰值光通量约为6 814 lm。考虑LED芯片正常使用时驱动电源的电源效率约为90%，仿真计算的损耗和实际应用时灯具损耗约20%(由加工、装配工艺等造成的损耗)，实际光通量为仿真光通量的70%，则仿真时所需最小光通量约为13 519.8 lm，选用单颗LED工作在1 050 mA电流@85 ℃下光通量约为360 lm，则所需LED数量最少为38颗。

图3 触发信号脉冲序列图Fig.3 Trigger signal pulse sequence diagram

触发信号占空比为0.3，该占空比为防撞灯高光强与热量之间的一种平衡，是白光防撞灯经过反复测试与试验验证所得。闪光频率为(60±5)次/min，若频率太低会降低LED防撞灯的醒目效果，若太高，则因超过人眼分辨闪烁频率的极限而失去闪烁效果。

4 光学结构设计与仿真分析

为保证CCAR-25-R4对防撞灯垂直方向阶梯式光分布的要求，基于LED照明技术，采用反光杯进行二次配光设计，对LED的边缘杂散光加以充分利用。如图4所示，光源底座内表面做抛光镀铬处理，呈抛物线形状，作为LED反光面，两组LED芯片分别置于两个抛物面的焦点处，为保证防撞灯水平面向上和向下75°的照射范围，抛物面高度在离中心线75°位置处截止。将该光源模型导入光学仿真软件Tracepro中，根据光分布效果图不断优化抛物线的大小与形状、以及改变光源底座形状来提高内表面的反射率及光学系统整体效率，以确保系统足够的光通量输出。为最大化利用LED的发光效率，降低该光学系统热阻，LED印制板采用导热性能优异的铝基板，利用回流焊技术焊接LED，LED与铝基板、铝基板与光源底座间薄涂一层均匀的导热硅脂，且光源底座采用高导热率的铝合金材料，以热沉的形式帮助LED散热，从而使其稳定工作。

图4 LED防撞灯光源底座结构示意图Fig.4 Structure diagram of LED anti-collision light source base

LED防撞灯光源外形模型如图5所示。灯罩材料采用有机玻璃，具有较高的透光率(92%以上)、极佳的耐候性且韧性好、重量轻等优点，对LED光源起到了很好的物理防护作用。灯罩组件(含灯罩与密封圈)通过压板压接在光源底座上，为保证LED光源良好的密封性，压板与光源底座间采用O型密封圈，且装配时螺钉蘸密封胶进行湿装配。灯罩与光源底座均采用流线型设计，结构紧凑，充分利用了光源内部空间资源且外形具有良好的气动性，是航空机外照明设备的理想选择。

图5 LED防撞灯光源模型图Fig.5 Source model of LED anti-collision light

将图5的光源最终模型导入Tracepro光学仿真软件中，进行光学仿真分析。设置灯罩的材料为有机玻璃PMMA，折射率为1.49，其光学属性为理想透射体，抛光镀铬抛物面的光学属性为100%反射镜面，其余结构均设为吸收体(100%吸收、无反射或透射)，加载CREE XPL的光源文件赋到每个LED发光面上，并将光通量大小设为400 lm/颗，合理设置光线数量后进行非序列光线追迹分析，得到该防撞灯光学系统光强分布图(图6)。

图6 LED防撞灯光强分布图Fig.6 Distribution of light intensity of LED anti-collision light

图6(a)为该LED防撞灯在水平面内的光强分布图，图6(b)为该LED防撞灯在垂直面内的光强分布图，均为极坐标下的光强分布。从图6(a)、(b)中可看出，LED防撞灯水平面±90°内光强分布均匀，垂直面±75°内光强呈阶梯式分布，满足CCAR-25标准中对防撞灯光分布的要求。从图6(a)中可看出，最大峰值光强值为6 049 cd，根据式(1)可计算得到最大有效光强值为3 629 cd；从图6(b)中可看出，该系统输出有效光通量为14 718 lm，最大峰值光强值为6 614 cd，根据式(1)可计算得到最大有效光强值为3 968 cd，水平面与垂直面内光强余量充足，满足标准要求。图6(c)为该LED防撞灯光源底座内表面未做抛光镀铬处理时(设置其光学属性为吸收体)，在垂直面内的光强分布图，从该图中可看出，输出有效光通量为14 251 lm，最大峰值光强值为5 418 cd。对比图6(b)的光分布效果图，在垂直面0°～±5°范围内，内表面镀铬处理的LED防撞灯系统光强分布更集中，光强提高了约20%，即在相同的光强输出下，利用反光抛物面可使该光学系统更节能、更高效。

该LED防撞灯额定工作电压为28 V，用Saber软件进行电路仿真，得到该电路峰值总电流约为5.6 A，所以该LED防撞灯总耗电功率约为156.8 W。

则该光学系统的发光效率为η光=93.9 lm/W，该系统所采用的LED发光效率为116 lm/W(1 050 mA@85 ℃时)左右，说明该LED防撞灯光学系统较大程度地利用了LED芯片光效能，运行良好、设计合理。

5 结束语

LED照明技术已广泛应用于国内外飞机照明系统中，近年来，随着使用环境及功能要求的复杂性提高，对照明设备的光强、寿命、可靠性也提出了更高的要求，LED防撞灯的设计与应用也成为机外照明领域发展的必然趋势。对于着陆灯、滑行灯、白光防撞灯等高光强照明设备，研制开发出更大功率、更高光效LED芯片是关键技术，再从芯片的封装技术上提高对LED光效能的一次利用，从LED芯片生长、芯片封装技术以及先进的二次配光技术等方面来提高高光强LED照明设备的电光转换效率、降低功耗是未来航空机外照明技术的发展方向。