機(jī)場(chǎng)目標(biāo)可見(jiàn)性性能建模與分析

王志巍

（上海民航新時(shí)代機(jī)場(chǎng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200335）

0 引 言

塔臺(tái)是機(jī)場(chǎng)建設(shè)的重要建筑物之一，也是機(jī)場(chǎng)安全、高效運(yùn)行的核心設(shè)施。為保障機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)建設(shè)滿足安全運(yùn)行需求，我國(guó)民航局空管辦下發(fā)了咨詢通告［1］，作為機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)建設(shè)的指導(dǎo)要求，但對(duì)于一些參數(shù)的計(jì)算方法并沒(méi)有明確。塔臺(tái)建設(shè)的最基本要求是站在塔臺(tái)的管制員能夠通過(guò)肉眼感知機(jī)場(chǎng)運(yùn)行的飛行器或車輛的存在，然而目前的規(guī)章和規(guī)定中，并沒(méi)有對(duì)機(jī)場(chǎng)中的目標(biāo)的可見(jiàn)性模型或評(píng)價(jià)方法。

張濤［2］研究了塔臺(tái)通視各項(xiàng)指標(biāo)，并以某機(jī)場(chǎng)為例，分析了不同情景下各指標(biāo)是否滿足塔臺(tái)通視要求；李娜等［2］研究了國(guó)內(nèi)不同跑道構(gòu)型、不同塔臺(tái)位置情況下塔臺(tái)通視情況，分析了機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)位置和高度專項(xiàng)論證所面臨困境。

本文結(jié)合國(guó)內(nèi)已發(fā)布規(guī)章、國(guó)內(nèi)外研究成果，建立機(jī)場(chǎng)目標(biāo)可見(jiàn)性性能模型，并通過(guò)機(jī)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比模型的可行性。該模型可用于對(duì)現(xiàn)有機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)的通視情況進(jìn)行評(píng)估，也可用于對(duì)新建或擴(kuò)建機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)選址、高度設(shè)計(jì)等提供機(jī)場(chǎng)可見(jiàn)性數(shù)據(jù)參考。

1 機(jī)場(chǎng)目標(biāo)可見(jiàn)性問(wèn)題描述

1.1 問(wèn)題描述

機(jī)場(chǎng)在運(yùn)行過(guò)程中，需要被塔臺(tái)管制員時(shí)刻關(guān)注的最重要目標(biāo)是運(yùn)動(dòng)的航空器或車輛。塔臺(tái)管制員通過(guò)眼睛感知航空器或車輛的過(guò)程如圖1 所示。在機(jī)場(chǎng)大氣條件下，太陽(yáng)和天空漫射光把場(chǎng)面運(yùn)動(dòng)的航空器或車輛照亮；航空器的影像通過(guò)大氣傳輸至管制員眼睛；影像由眼睛傳至大腦進(jìn)行分析和處理，并判斷是否察覺(jué)或識(shí)別出目標(biāo)。

圖1 機(jī)場(chǎng)目標(biāo)可視性示意圖

機(jī)場(chǎng)目標(biāo)可視性問(wèn)題研究是在當(dāng)前光照和大氣條件下，機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)上的管制員通過(guò)裸眼，能否感知到機(jī)場(chǎng)關(guān)鍵點(diǎn)的航空器或車輛。

在機(jī)場(chǎng)周邊大氣環(huán)境中，管制員需要依賴眼睛感知航空器或車輛，其感知過(guò)程的影響因素包括：管制員的視力；目標(biāo)航空器或車輛與管制員之間的距離；航空器或車輛的大小、外貌等特性，航空器或車輛與背景環(huán)境的顏色、亮度等差異；機(jī)場(chǎng)大氣對(duì)光的透射、衍射、散射等特性。

1.2 目標(biāo)可見(jiàn)性定義

可見(jiàn)性是指目標(biāo)物體的可見(jiàn)程度，即從人眼所在位置觀察遠(yuǎn)處目標(biāo)物體，能觀測(cè)到的目標(biāo)物體的清晰程度。人眼的感知過(guò)程需要依賴人眼視覺(jué)系統(tǒng)，根據(jù)人眼對(duì)目標(biāo)細(xì)節(jié)感知程度的不同，可把目標(biāo)的可見(jiàn)性分成：察覺(jué)、識(shí)別和辨認(rèn)3 種情況。

察覺(jué) 目標(biāo)察覺(jué)是通過(guò)人眼視覺(jué)系統(tǒng)能覺(jué)察到機(jī)場(chǎng)存在某物體（目標(biāo)），例如航空器或車輛等物體，而不考慮該物體的類別、類型或型號(hào)等信息，即觀察者知道存在某物，但無(wú)須識(shí)別或辨別該物體。

識(shí)別 目標(biāo)識(shí)別是通過(guò)人眼視覺(jué)系統(tǒng)區(qū)分一類物體的能力，例如單引擎類通用航空器。

辨識(shí) 目標(biāo)辨識(shí)是能通過(guò)人眼視覺(jué)系統(tǒng)觀察辨認(rèn)出目標(biāo)是什么類型，例如Cessna172 機(jī)型。

在機(jī)場(chǎng)目標(biāo)可見(jiàn)性性能評(píng)價(jià)時(shí)，由于機(jī)場(chǎng)運(yùn)行瞬息萬(wàn)變，時(shí)間緊迫，首先是能察覺(jué)目標(biāo)；其次判斷目標(biāo)能否被識(shí)別。目標(biāo)能否被察覺(jué)是目標(biāo)可見(jiàn)性性能分析的首要任務(wù)。

1.3 機(jī)場(chǎng)目標(biāo)可見(jiàn)性評(píng)估過(guò)程

為建立基于人眼的目標(biāo)感知模型，不失一般性，做如下假設(shè)：機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面的目標(biāo)一般是指航空器或車輛；所有觀察都通過(guò)觀察者肉眼進(jìn)行的，觀察者的視力正常；假定觀察者處于指定的塔臺(tái)高度，所有目標(biāo)（例如航空器、車輛）的高度為1 m 左右；如果相同條件下，小型航空器或車輛能夠被察覺(jué)或識(shí)別，則正常運(yùn)行的更大的航空器或車輛等也可被感知到。

塔臺(tái)管制員在塔臺(tái)上通過(guò)裸眼確定機(jī)場(chǎng)中目標(biāo)可見(jiàn)性評(píng)估過(guò)程如下：

（1）確定機(jī)場(chǎng)的關(guān)鍵點(diǎn)，把該點(diǎn)作為航空器、車輛等目標(biāo)所在位置。

（2）指定塔臺(tái)高度，確定管制員眼睛與關(guān)鍵點(diǎn)的距離。

（3）確定目標(biāo)對(duì)象及其尺寸，即該機(jī)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)的航空器最小機(jī)型或車輛。

（4）確定機(jī)場(chǎng)光照環(huán)境和目標(biāo)位置的亮度。

（5）確定目標(biāo)對(duì)比度函數(shù)（target contrast，Ctgt），即確定目標(biāo)對(duì)象相對(duì)于機(jī)場(chǎng)環(huán)境的對(duì)比度。

（6）建立大氣調(diào)制傳遞函數(shù)（the atmospheric optical turbulence modulation transfer function，MTF），通過(guò)MTF模擬機(jī)場(chǎng)大氣湍流的散射和折射，大氣透射率，大氣能見(jiàn)度，大氣氣溶膠等影響。

（7）確定人眼對(duì)比度閾值函數(shù)（the human contrast threshold function for discrimination，CTFeye），CTFeye用于表示人眼視覺(jué)特征。

（8）計(jì)算目標(biāo)任務(wù)性能（Targeting Task Performance，TTP）。

（9）計(jì)算察覺(jué)和識(shí)別的概率，比較和評(píng)估目標(biāo)感知概率是否達(dá)到可接受標(biāo)準(zhǔn)（例如，與最小值進(jìn)行比較）。

2 機(jī)場(chǎng)目標(biāo)可見(jiàn)性模型

本文將參照光電成像技術(shù)，建立目標(biāo)可見(jiàn)性數(shù)學(xué)模型。

2.1 機(jī)場(chǎng)目標(biāo)鑒別方法

目標(biāo)的察覺(jué)、識(shí)別和辨識(shí)是基于目標(biāo)鑒別方法［4］。在相同對(duì)比度下，觀察者感知目標(biāo)的能力與其分辨不同頻率的模式靶的能力有關(guān)。大量實(shí)驗(yàn)表明，可通過(guò)人眼對(duì)目標(biāo)物體的等效條帶的分辨能力，確定眼睛對(duì)目標(biāo)的感知能力，即Johnson 準(zhǔn)則。Johnson 以50%概率完成察覺(jué)、識(shí)別和辨識(shí)等目標(biāo)感知任務(wù)所需的等效條帶周期數(shù)（V50）建立目標(biāo)可見(jiàn)性感知準(zhǔn)則。其中目標(biāo)等效條帶周期數(shù)可通過(guò)目標(biāo)分辨力（-cyc／mrad）乘以目標(biāo)尺寸（mrad）獲得。Vollmerhausen 基于TTP準(zhǔn)則，給出目標(biāo)獲取任務(wù)選擇的數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1［5］。

表1 TTP準(zhǔn)則中V50取值

塔臺(tái)管制員對(duì)目標(biāo)物體的可見(jiàn)性概率

式中：V50為達(dá)到50%探測(cè)概率所需要的等效目標(biāo)任務(wù)周期數(shù)，由視覺(jué)實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到；V為目標(biāo)物體的可分辨周期數(shù)，該參數(shù)與目標(biāo)的尺寸大小、TTP和距離有關(guān)。

一般以臨界特征長(zhǎng)度作為機(jī)場(chǎng)目標(biāo)航空器或車輛的大小尺寸參考值，臨界特征長(zhǎng)度可簡(jiǎn)單表示為目標(biāo)的正面或側(cè)面橫截面積的平方根。機(jī)場(chǎng)不同航空器或車輛特征尺寸不相同。在可見(jiàn)度評(píng)估時(shí)，通常選擇較小的尺寸進(jìn)行評(píng)估，如拖車、牽引車等，F(xiàn)AA 推薦的評(píng)估測(cè)試為Dodge Caravan、Cessna172 等。如果從正面或側(cè)面觀察，航空器或車輛可分辨周期數(shù)

式中：l、W和h分別為目標(biāo)物體的外貌特征的長(zhǎng)、寬和高；R為目標(biāo)物體與管制員之間的距離；TTP為目標(biāo)物體的任務(wù)性能。

2.2 目標(biāo)任務(wù)性能

TTP 是Richard 等人基于Johnson 準(zhǔn)則提出的［6-7］。把Ctgt與CTFeye圍成的區(qū)域作為人眼獲取到的目標(biāo)物體的信息，橫坐標(biāo)使用空間頻率，在視覺(jué)領(lǐng)域定義為cyc／mrad，縱坐標(biāo)使用對(duì)比度表示，如圖2 中影響面積所示。

圖2 TTP準(zhǔn)則示意圖

本文采用的TTP模型（包括Ctgt、MTF和CTFeye）

式中：ξlow、ξcut為Ctgt與CTFeye交點(diǎn)橫坐標(biāo)，即積分的起始點(diǎn)和截止點(diǎn)的空間頻率。眼睛的橫向視角限制導(dǎo)致CTFeye具有空間帶通響應(yīng)，可更好的識(shí)別ξlow和ξcut間的空間頻率。在該積分方程中，ξlow是Ctgt超過(guò)CTFeye的低空間頻率，非常接近于零。ξcut是Ctgt超過(guò)人CTFeye的高空間頻率。

如果目標(biāo)物體與其背景的對(duì)比度減小，會(huì)使目標(biāo)變得模糊不清［8］，對(duì)于航空器或車輛的影像來(lái)說(shuō)，Ctgt可定義為

式中：δtgt為目標(biāo)物體亮度（或溫度）的標(biāo)準(zhǔn)差；μscene為目標(biāo)物體周邊場(chǎng)景的平均亮度（或溫度）；Δμ ＝μtgt-μB為目標(biāo)物體平均亮度與其背景平均亮度（或溫度）的差值。

此外，管制員與目標(biāo)物體有一定的距離時(shí)，目標(biāo)物體的亮度由于受到大氣傳輸特性的影響發(fā)生衰減，導(dǎo)致航空器被管制員眼睛感知的視在亮度變?。?］。通過(guò)大氣對(duì)光線傳輸?shù)乃pMTF進(jìn)行討論。

2.3 人眼對(duì)比度閾值函數(shù)

目標(biāo)的可見(jiàn)性就是人眼在特定背景環(huán)境下對(duì)目標(biāo)的察覺(jué)、識(shí)別和辨識(shí)過(guò)程。大腦中樞對(duì)刺激信號(hào)的感知和辨識(shí)與信號(hào)相對(duì)于其背景的對(duì)比度有關(guān)，對(duì)比度太大，或者太小，都會(huì)降低圖像質(zhì)量［10］。常用人眼對(duì)比度閾值函數(shù)（CTFeye）來(lái)表征人眼對(duì)信號(hào)感知的靈敏度［11］：

式中：ξ為空間頻率；L為目標(biāo)亮度或?yàn)槿搜塾^測(cè)視角。

2.4 大氣調(diào)制傳遞函數(shù)

大氣通過(guò)影響光線的傳播來(lái)影響目標(biāo)物體影像的清晰程度，主要為大氣湍流和懸浮顆粒構(gòu)成的氣溶膠，對(duì)光線的主要影響為散射、折射和吸收作用［12-13］。目標(biāo)物體圖像光線被大氣吸收、散射，引起光線在傳播過(guò)程中不斷衰減，造成圖像對(duì)比度降低、形狀扭曲變形、清晰度下降，影響管制員對(duì)目標(biāo)航空器或車輛感知的準(zhǔn)確性，把這兩種影響分開(kāi)考慮，則：

式中：MTFtub為大氣湍流調(diào)制傳遞函數(shù)；MTFaer為氣溶膠調(diào)制傳遞函數(shù)。

（1）大氣湍流的調(diào)制傳遞函數(shù)。MTFtub可分為長(zhǎng)曝光湍流MTF和短曝光湍流MTF。一般認(rèn)為人眼屬于短曝光［14］（曝光時(shí)間小于0.01 s）：

（2）氣溶膠的傳遞函數(shù)。大氣氣溶膠效應(yīng)在目標(biāo)識(shí)別研究中經(jīng)常被忽視。氣溶膠會(huì)對(duì)光線產(chǎn)生散射作用。MTFaer計(jì)算模型［18］

式中：Aα為大氣氣溶膠的吸收系數(shù)；Sα為大氣氣溶膠的散射系數(shù)；ξc為氣溶膠的空間頻率，ξc≈a／λ；a為大氣中主要?dú)馊苣z例子半徑［16］。

根據(jù)ξ與ξc關(guān)系，MTFaer分為低頻區(qū)和高頻區(qū)，ξ＞ξc時(shí)為高頻區(qū)，ξ≤ξc時(shí)為低頻區(qū)。假定氣溶膠粒子直徑為a＝2 μm，波長(zhǎng)λ ＝0.55 μm，則ξc≈3.6 cyc／rad，故MTFaer為高頻區(qū)。由于高頻區(qū)，MTFaer與空間頻率ξ無(wú)關(guān)，因此結(jié)果取大氣透過(guò)率數(shù)值［17］。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

以國(guó)內(nèi)某新建4C類機(jī)場(chǎng)為例，如圖3 所示。

圖3 某機(jī)場(chǎng)平面簡(jiǎn)圖

機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面運(yùn)行時(shí)，跑道入口是重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域，設(shè)置跑道入口處為目標(biāo)可見(jiàn)度性能評(píng)估的關(guān)鍵位置點(diǎn)。

該機(jī)場(chǎng)的塔臺(tái)位置見(jiàn)圖3，距跑道中心線距離476 m，塔臺(tái)距機(jī)場(chǎng)地面的高度為42 m。塔臺(tái)距關(guān)鍵點(diǎn)位置約1 535 m，即R＝1 535 m。

考慮2 種目標(biāo)物體，具體尺寸見(jiàn)表2。

表2 測(cè)試目標(biāo)尺寸數(shù)據(jù) m

3.1 基于模型的仿真結(jié)果

根據(jù)某日該機(jī)場(chǎng)氣溫條件，背景溫度為300 K；目標(biāo)與背景的溫差為30 K，目標(biāo)對(duì)比度為0.4；考慮大氣輕微湍流和氣溶膠高頻率區(qū)影響，大氣能見(jiàn)度設(shè)為10 km。察覺(jué)、識(shí)別、辨識(shí)時(shí)選擇的V50分別為：4.6、14.5和23.3。假設(shè)距離R逐漸變化，根據(jù)上述模型，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3 和圖4。

表3 不同目標(biāo)不同距離處的可見(jiàn)性概率

圖4 不同距離和目標(biāo)可見(jiàn)性預(yù)測(cè)概率對(duì)比

圖4 中分別為引導(dǎo)車和Cessna172 飛機(jī)的察覺(jué)、識(shí)別和辨識(shí)的概率隨距離的變化關(guān)系?；诓煌嚯x、不同目標(biāo)物體的可見(jiàn)性預(yù)測(cè)概率可知：在物體不變情況下，目標(biāo)的可見(jiàn)性會(huì)隨距離增大而下降；在距離不變情況下，人眼對(duì)場(chǎng)景目標(biāo)的察覺(jué)比識(shí)別容易，識(shí)別比察覺(jué)容易；并且目標(biāo)尺寸越大，預(yù)測(cè)概率越大。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證實(shí)際管制人員對(duì)機(jī)場(chǎng)目標(biāo)的可見(jiàn)性，選擇了該機(jī)場(chǎng)15 名管制員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。被測(cè)試人員不知道關(guān)鍵點(diǎn)會(huì)放置什么物體，要求通過(guò)裸眼觀察關(guān)鍵點(diǎn)位置，識(shí)別和判斷目標(biāo)。關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)置3 個(gè)場(chǎng)景，依次放置Cessna 172、引導(dǎo)車和無(wú)任何目標(biāo)物體。根據(jù)3個(gè)場(chǎng)景，測(cè)驗(yàn)共進(jìn)行3 次。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：針對(duì)每次測(cè)驗(yàn)，依次讓測(cè)試人員從塔臺(tái)指定位置窗口進(jìn)行觀察，每人觀察時(shí)間為1 s，然后回答調(diào)查問(wèn)卷。

調(diào)查問(wèn)卷包含4 個(gè)問(wèn)題：

問(wèn)題1 您是否在關(guān)鍵點(diǎn)看到了物體？（選擇題，如果選擇A 請(qǐng)回答問(wèn)題2，如果選擇B 答卷結(jié)束。）（ ）

A有 B沒(méi)有

問(wèn)題2 您看到的是車輛？航空器？（選擇題，如果是選擇A 請(qǐng)回答問(wèn)題3，如果選擇B 請(qǐng)回答問(wèn)題4。）（ ）

A車輛 B航空器

問(wèn)題3 您看到的是什么車輛？（ ）

A引導(dǎo)車 B擺渡車 C加油車

問(wèn)題4 您看到的是什么航空器？（ ）

A小型航空器 B中型航空器 C大型航空器

上述4 個(gè)問(wèn)題，問(wèn)題1 用于測(cè)試目標(biāo)是否能夠被察覺(jué)，問(wèn)題2 測(cè)試目標(biāo)是否可以被識(shí)別，問(wèn)題3、4 測(cè)試目標(biāo)是否可以被辨認(rèn)。同時(shí)，可根據(jù)數(shù)學(xué)模型仿真計(jì)算出目標(biāo)可見(jiàn)性的概率。對(duì)比測(cè)試結(jié)果和模型仿真結(jié)果，見(jiàn)表4。

表4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

表4 中“測(cè)試”列是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)15 人的測(cè)試結(jié)果。其中數(shù)據(jù)“*／15”為參與人15 人，選擇結(jié)果與實(shí)際一致的有*人。該測(cè)試可從統(tǒng)計(jì)結(jié)果上初步說(shuō)明目標(biāo)的可見(jiàn)性。表4 中的“仿真”列為相同條件下通過(guò)數(shù)據(jù)模型仿真得出的結(jié)果。為詳細(xì)對(duì)比2 種方案結(jié)果，繪制成雷達(dá)圖，如圖5、6 所示。

圖5 Cessna172測(cè)試與仿真對(duì)比

圖6 引導(dǎo)車測(cè)試與仿真對(duì)比

通過(guò)測(cè)試與仿真對(duì)比可知，仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果在目標(biāo)可見(jiàn)性趨勢(shì)上是一致的，表明仿真模型有一定的參考意義，可作為定性的參考和判斷。

現(xiàn)場(chǎng)人員測(cè)試方法受到物理的距離、大氣環(huán)境等條件限制，只能測(cè)試和評(píng)估特定條件下的目標(biāo)可見(jiàn)性，對(duì)機(jī)場(chǎng)設(shè)計(jì)或建設(shè)階段缺少必要條件，無(wú)法開(kāi)展相關(guān)測(cè)試；測(cè)試需要投入大量人力、物力和時(shí)間，成本較大；因此測(cè)驗(yàn)方法在實(shí)際應(yīng)用中受到較大限制。而仿真可通過(guò)調(diào)整不同的參數(shù)，獲得所需條件的任意情況數(shù)據(jù)，這正是目標(biāo)可見(jiàn)性數(shù)學(xué)模型的意義。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面目標(biāo)的可見(jiàn)性問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)的分析。分析了機(jī)場(chǎng)目標(biāo)可見(jiàn)性的具體問(wèn)題，詳細(xì)定義了機(jī)場(chǎng)目標(biāo)的可見(jiàn)性概念，基于一般性假設(shè)，給出了機(jī)場(chǎng)目標(biāo)可見(jiàn)性的評(píng)估過(guò)程。借鑒光學(xué)成像技術(shù)，建立了目標(biāo)可見(jiàn)性模型。論述了目標(biāo)鑒別方法、目標(biāo)任務(wù)性能、人眼對(duì)比度閾值函數(shù)、大氣環(huán)境調(diào)制傳遞函數(shù)等影響因素模型建立過(guò)程。根據(jù)模型完成了對(duì)某機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面目標(biāo)可見(jiàn)性性能的預(yù)測(cè)評(píng)估。

設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與模型仿真預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，2 種方法的結(jié)果在目標(biāo)可見(jiàn)性趨勢(shì)上具有一致性，表明了該模型的可行性。

由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)較少，未來(lái)工作需進(jìn)一步豐富和完善現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，進(jìn)一步論證、修正和完善模型。