尚美琪
(中國(guó)民航大學(xué),天津300300)
機(jī)場(chǎng)目視助航系統(tǒng)是機(jī)場(chǎng)的重要設(shè)施,燈具光度學(xué)參數(shù)的合格性是影響飛行員在飛機(jī)著陸時(shí)判斷其方位和姿態(tài)的重要因素[1-3]。光度分布的測(cè)量方法分為遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量方法和近場(chǎng)測(cè)量方法。遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量的方法要求光源與探測(cè)器之間的距離約等于光源最大尺寸的5 倍。
但當(dāng)近場(chǎng)測(cè)量燈具光度時(shí),其出光特性會(huì)與理想的點(diǎn)光源或均勻的面光源的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生大幅度偏離[4-5]。
本文設(shè)計(jì)的助航燈具光強(qiáng)近場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng),采用轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)被測(cè)燈具,水平方向-13°~13°、垂直方向0°~15°范圍內(nèi)采集照度數(shù)據(jù),檢測(cè)系統(tǒng)與光學(xué)系統(tǒng)相結(jié)合,改變光的傳播方向,使探測(cè)器只檢測(cè)得到光源發(fā)出的0.1°立體角的光。運(yùn)用光度學(xué)、數(shù)值分析等理論通過(guò)計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)的處理工作,得到等光強(qiáng)曲線圖。通過(guò)對(duì)等光強(qiáng)曲線圖進(jìn)行分析,進(jìn)而判斷燈具是否合格。
整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、顯示器、搖籃式兩軸轉(zhuǎn)臺(tái)、步進(jìn)電機(jī)、PC 機(jī)等組成。PC 機(jī)控制整個(gè)系統(tǒng)發(fā)出所有指令控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)兩軸轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng),以及照度信號(hào)的同步采集。最后將系統(tǒng)采集到的光源照度數(shù)據(jù)送至PC 機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)利用雙遠(yuǎn)心結(jié)構(gòu)的透鏡組組成光學(xué)系統(tǒng),將測(cè)量范圍內(nèi)的光束投射到檢測(cè)面上,照度傳感器組網(wǎng)陣列同時(shí)采集到一組照度數(shù)據(jù),通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制轉(zhuǎn)臺(tái)以標(biāo)準(zhǔn)角度轉(zhuǎn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)的二維檢測(cè)。該系統(tǒng)選用Z-10 型智能照度計(jì),具有多照度傳感器組網(wǎng)成多點(diǎn)測(cè)量的功能。該照度計(jì)由照度傳感器和模擬信號(hào)調(diào)理器組成,模擬信號(hào)調(diào)理器可連接9 路配套照度傳感器進(jìn)行照度數(shù)據(jù)的采集和處理,通過(guò)USB通訊接口完成向上位機(jī)實(shí)時(shí)高速的傳輸照度數(shù)據(jù),最后利用MATLAB 軟件繪制被測(cè)燈具的等光強(qiáng)曲線。
系統(tǒng)采用雙遠(yuǎn)心結(jié)構(gòu)的透鏡組以滿足近距離檢測(cè)助航燈具光強(qiáng)的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)在光學(xué)系統(tǒng)的中間位置放置孔徑光闌,使主光線一定通過(guò)孔徑中心點(diǎn),使得物體側(cè)和成像側(cè)的主光線一定平行于光軸進(jìn)入鏡頭[6]。為保證像面入射光線垂直于像面,設(shè)計(jì)整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的放大倍率為1:1,光源的發(fā)光角度為0.1°,工作距離為150mm,燈具發(fā)光面積為40×20mm,光學(xué)系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
圖1 初始結(jié)構(gòu)圖
前兩組正透鏡采用冕牌玻璃PSK52 和N-PSK53,第三組透鏡采用火石玻璃TIF6,通過(guò)阿貝數(shù)的不同有效補(bǔ)償色差[7-9]。圖2為優(yōu)化后的點(diǎn)列圖,可以看出艾利斑半徑為11.95μm,各視場(chǎng)均方根彌散斑半徑最大為0.798μm,小于艾利斑半徑。從點(diǎn)列圖上看全視場(chǎng)彌散斑小于或者接近艾利斑半徑,成像質(zhì)量良好。
圖2 優(yōu)化后點(diǎn)列圖
系統(tǒng)通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)將發(fā)光角度為0.1°的光束經(jīng)1:1 放大倍率平行入射探測(cè)面(光源的發(fā)光面積為20X40mm),在探測(cè)面按照3×3 陣列布置照度傳感器以求得探測(cè)面的平均照度。則探測(cè)面光通量Φ'與采集到的照度值E 關(guān)系為
式中W 為光源的寬20mm,H 為光源的高40mm,Ei為各點(diǎn)的照度值,E0為測(cè)試背景照度值。則照度傳感器采集到的照度值Ei(i=1,2,…,9)與燈具在發(fā)光角度為θ 時(shí)的光強(qiáng)值I 的關(guān)系式為
式中K 為光學(xué)仿真系統(tǒng)的透射率,ρ 為反射率?!芼 是各光學(xué)零件沿光軸的厚度之和,θ 為光源的發(fā)光角度0.1°。
繪制等光強(qiáng)曲線采用的繪制方法主要有2 種,分別是三角網(wǎng)格法以及矩形網(wǎng)格法。矩形網(wǎng)格法更簡(jiǎn)單,但在擬合邊界效果上存在較大的劣勢(shì),易出現(xiàn)等值線斷續(xù)以及原始數(shù)據(jù)出現(xiàn)失真等現(xiàn)象。
因此采用三角網(wǎng)格法繪制等值線能夠獲得準(zhǔn)確性更高的等光強(qiáng)曲線,同時(shí)更充分的還原原始數(shù)據(jù)。針對(duì)如何提高算法在處理大量數(shù)據(jù)時(shí)的效率問(wèn)題,提出了一種改進(jìn)的格網(wǎng)劃分Delaunay 三角網(wǎng)生成算法。但用此算法繪制出來(lái)的曲線存在不平滑的問(wèn)題,需采用三次B 樣條進(jìn)行曲線平滑處理[10]。
基于系統(tǒng)提出的改進(jìn)的Delaunay 三角網(wǎng)格生成方法,首先判斷三角形各邊上是否有等值點(diǎn),在有等值點(diǎn)的邊通過(guò)線性內(nèi)插求出等值點(diǎn)坐標(biāo),等值點(diǎn)跟蹤、連接,最后生成等值線。設(shè)三角形三個(gè)頂點(diǎn)分別為A(x1,y1)、B(x2,y2)、C(x3,y3)。計(jì)算等值點(diǎn)坐標(biāo)
式中,z0為等值點(diǎn)的特征值,其中(x,y)即為所求等值點(diǎn)的坐標(biāo)。
針對(duì)折線不夠平滑的問(wèn)題采用B 樣條曲線處理方法,該方法通過(guò)對(duì)相鄰k+1 個(gè)點(diǎn)建立k 次B 樣條基函數(shù),通過(guò)局部逼近處理,從而獲取到若干條經(jīng)平滑處理后的B 樣條曲線。
圖3 三次B 樣條曲線擬合示意圖
本文采用三次B 樣條曲線進(jìn)行等值線平滑處理,即k=3,如圖3 所示,對(duì)相鄰的4 個(gè)點(diǎn)P0、P1、P2、P3構(gòu)造一個(gè)三次B 樣條曲線,設(shè)中點(diǎn)Q1=(P0+P2)/2、Q2=(P1+P3)/2。S 點(diǎn)位于△P0P1P2中線P1Q1上距離P1點(diǎn)P1Q1/3 處,切線平行于P0P2;E 點(diǎn)位于△P1P2P3的中線P2Q2上距離P2點(diǎn)P2Q2/3 處,切線平行于P1P2;擬合曲線以平均通過(guò)的方式經(jīng)過(guò)控制點(diǎn)。
具體矩陣表達(dá)式為:
分量式為:
假定等值線追蹤結(jié)果有n 個(gè)平面離散點(diǎn),記為Pi(i=0,1,…,n-1)。以P0、P1、P2、P3繪制第一條擬合曲線;再通過(guò)P1、P2、P3、P4繪制第二條擬合曲線;以此類推,以Pn-4、Pn-3、Pn-2、Pn-1繪制第三條擬合曲線。用此方法繪制的曲線自然銜接,具有C2級(jí)連續(xù)性。
國(guó)際民用航空公約附件14 中對(duì)助航燈具的中心光強(qiáng)、次光強(qiáng)、最弱光強(qiáng)范圍均有明確的量化要求,并列出了各類助航燈具的等光強(qiáng)曲線,根據(jù)Delaunay 三角剖分算法繪制等光強(qiáng)曲線圖,然后根據(jù)與實(shí)際等光強(qiáng)圖作對(duì)比可以判斷本文設(shè)計(jì)的助航燈具光強(qiáng)近場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)是否達(dá)到了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)要求。(試驗(yàn)以標(biāo)準(zhǔn)的跑道中線燈為例)參考標(biāo)準(zhǔn)的等光強(qiáng)圖和基于Delaunay 三角剖分算法繪制的光源等光強(qiáng)曲線如圖4 所示。
從光源的空間光強(qiáng)分布測(cè)試結(jié)果可以看出,檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量要求。
圖4 空間光強(qiáng)分布測(cè)試結(jié)果
通過(guò)對(duì)助航燈具光源發(fā)光特性的分析,提出了一種光強(qiáng)近場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng),改變光的傳播方向?qū)崿F(xiàn)近場(chǎng)檢測(cè)的同時(shí)滿足ICAO 的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)利用Delaunay 三角剖分算法繪制助航燈具的等光強(qiáng)曲線,與實(shí)際等光強(qiáng)圖作對(duì)比可以得出,檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量要求。