唐翠容， 武文彬， 左 勇， 徐 永

（北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100095）

基于成像式照度測(cè)量的菲涅爾光學(xué)助降系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐翠容， 武文彬， 左 勇， 徐 永

（北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100095）

為了解決菲涅爾光學(xué)助降系統(tǒng)的檢測(cè)問(wèn)題，提出了一種基于成像式照度探測(cè)法的菲涅爾燈發(fā)光強(qiáng)度測(cè)量方案，并研制了成像式照度探測(cè)裝置。試驗(yàn)結(jié)果表明該裝置可遠(yuǎn)距離對(duì)大口徑、大發(fā)光角度的菲涅爾燈進(jìn)行發(fā)光強(qiáng)度的探測(cè)，滿足菲涅爾光學(xué)助降系統(tǒng)檢測(cè)裝置測(cè)量的要求。

計(jì)量學(xué)；光學(xué)助降系統(tǒng)；菲涅爾透鏡；成像式照度探測(cè)裝置

1 引 言

菲涅爾光學(xué)助降系統(tǒng)（Fresnel Lens Optical Landing System，F(xiàn)LOLS）是當(dāng)代航母上典型的光學(xué)著艦引導(dǎo)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的檢測(cè)和校準(zhǔn)研究對(duì)保證艦載機(jī)的著艦安全起著至關(guān)重要的作用［1］。FLOLS作為基本的目視助降設(shè)備，最顯著的優(yōu)點(diǎn)就是在空中提供了光學(xué)下滑道，所謂的光學(xué)下滑道是指菲涅爾透鏡光學(xué)助降系統(tǒng)發(fā)出的相對(duì)海平面保持一定傾斜角的5層光波束［2］，讓著艦變得相對(duì)安全。

2 菲涅爾光學(xué)助降系統(tǒng)檢測(cè)裝置技術(shù)指標(biāo)

菲涅爾燈發(fā)光強(qiáng)度檢測(cè)系統(tǒng)要求可遠(yuǎn)距離對(duì)大口徑、大發(fā)光角度的菲涅爾燈進(jìn)行發(fā)光強(qiáng)度的探測(cè)，得到光強(qiáng)的空間分布，并且具有測(cè)量速度高和消除背景光干擾的特點(diǎn)。具體技術(shù)指標(biāo)：光強(qiáng)測(cè)量范圍為0～5000 cd；測(cè)量分辨率為4 cd；雜光衰減率為80%；口徑＞0.5 m；水平角度測(cè)量范圍＞20°；垂直角度測(cè)量范圍＞20°［3］。

3 菲涅爾燈發(fā)光強(qiáng)度測(cè)量方案

3.1 總體測(cè)量方案

菲涅爾燈的發(fā)光強(qiáng)度檢測(cè)系統(tǒng)大多采用了大口徑的反射鏡，使檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備承重、空間需求大，而且反射鏡的面形誤差、安裝精度對(duì)系統(tǒng)的檢測(cè)精度影響非常大。而選用旋轉(zhuǎn)燈具的方式可以更方便來(lái)進(jìn)行光強(qiáng)檢測(cè)。

如圖1所示，菲涅爾燈安裝在二維轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)上，照度探測(cè)系統(tǒng)由3個(gè)部分組成：（1）分光成像模塊，包含成像透鏡與分光棱鏡，分別將菲涅爾燈成像并分光；（2）圖像采集模塊，包括CCD與顯示器，用于顯示菲涅爾燈的像并瞄準(zhǔn)對(duì)中；（3）照度探測(cè)模塊，包括照度探頭、信號(hào)放大、A／D轉(zhuǎn)換和計(jì)算機(jī)，照度探頭采集到菲涅爾燈發(fā)出的光，通過(guò)信號(hào)放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和相關(guān)光度參數(shù)的分析。

圖1 菲涅爾燈發(fā)光強(qiáng)度測(cè)量方案示意圖

3.2 成像式照度探測(cè)方案分析

為了使菲涅爾燈發(fā)光強(qiáng)度測(cè)量達(dá)到一定的精度，以及分布曲線測(cè)量準(zhǔn)確性達(dá)到一定的高度，需要測(cè)量的相對(duì)距離越遠(yuǎn)越好。光強(qiáng)度的測(cè)量通常是通過(guò)照度測(cè)量實(shí)現(xiàn)的［4］，菲涅爾燈發(fā)光強(qiáng)度與測(cè)量距離的關(guān)系為：I＝El2，發(fā)光強(qiáng)度正比于距離的平方和照度，可見距離越遠(yuǎn)，照度越小，對(duì)照度探測(cè)的精度要求也越高。而成像式照度探測(cè)就能滿足上述要求，具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）提高到達(dá)照度探頭的光通量（SA／SB倍，SA為成像透鏡的通光面積，SB為照度探頭的光敏面面積）。由于測(cè)量距離較遠(yuǎn)，用照度計(jì)直接測(cè)量時(shí)，到達(dá)照度探頭的光線少，光電流小，在照度探頭靈敏度一定的情況下，測(cè)量得到的照度精度較低；（2）提高檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)雜散光的抗干擾能力。由于雜散光是光度計(jì)測(cè)量中影響測(cè)試精度重要的因素，而成像式照度探測(cè)結(jié)構(gòu)只有視場(chǎng)中的物發(fā)出的光才能到達(dá)照度探頭，同時(shí)對(duì)于雜散光，若將光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)表面做了發(fā)黑處理或者加工消雜光螺紋，則雜散光被鏡管吸收，可有效地避免雜散光的干擾；（3）系統(tǒng)簡(jiǎn)化，便于使用。由于測(cè)量和對(duì)焦共用一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，使系統(tǒng)簡(jiǎn)化。采用CCD進(jìn)行瞄準(zhǔn)時(shí)，CCD的中心和照度探頭的中心都在光軸上，不用隨距離變化修正瞄準(zhǔn)軸，便于使用。

4 成像式照度探測(cè)裝置設(shè)計(jì)

4.1 光學(xué)設(shè)計(jì)

成像式照度探測(cè)系統(tǒng)包含兩個(gè)接收元件，分別是CCD和照度探頭。CCD的尺寸選擇不能過(guò)大或過(guò)小，選用1／2″（6.4 mm×4.8 mm）的CCD，光斑大小約占CCD的1／14，使用時(shí)，能在視場(chǎng)范圍內(nèi)較好地搜索菲涅爾燈所在位置以及對(duì)準(zhǔn)。同樣對(duì)于照度探頭尺寸的選擇不能過(guò)大或過(guò)小，綜合考慮本系統(tǒng)的成像放大倍率以及光源的尺寸，選擇尺寸2.7 mm ×2.7mm的照度探頭。照度探頭光通量接收面、顯示器以及菲涅爾燈的像對(duì)應(yīng)的位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 成像式照度探測(cè)光路

檢測(cè)儀器工作距離為10～400 m，如果使用同一種焦距的成像透鏡，那么在遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)，光斑非常小。由于探測(cè)器接收面上，各個(gè)位置的響應(yīng)度存在差異，光斑過(guò)小時(shí)測(cè)量誤差大?；谏鲜龇治?，采用3種不同焦距的透鏡，焦距分別為：40 mm、160 mm、300mm，測(cè)量距離分別為：近場(chǎng)光度標(biāo)定和目標(biāo)搜索、50～200m、100～400m。

對(duì)于焦距為40 mm的透鏡，相對(duì)孔徑D／f′＝7／20，孔徑D＝14mm，對(duì)于物距s＝13.3m，尺寸為DL×DL＝500mm×500mm的菲涅爾燈在CCD和探測(cè)器上成像，像斑邊長(zhǎng)滿足

對(duì)于500mm×500mm的菲涅爾燈，使用焦距f′＝160mm的鏡頭，測(cè)量距離s為50～200m時(shí)，CCD

即CCD與照度探頭上的光斑邊長(zhǎng)與照度探頭上的光斑邊長(zhǎng)

同理使用焦距f′＝300 mm的鏡頭，測(cè)量距離s為100～400m時(shí)，CCD與照度探頭上的光斑邊長(zhǎng)

因此，照度測(cè)量由f160和f300鏡頭完成，f40鏡頭主要進(jìn)行近距離光度標(biāo)定，以及遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)用于菲涅爾燈搜索和對(duì)準(zhǔn)。

由于測(cè)量的菲涅爾燈具有多種顏色［5］，需采用消色差正膠合透鏡，可以使菲涅爾燈發(fā)出的不同顏色的光在像面上的球差最小，保證成像質(zhì)量。設(shè)計(jì)的3種不同焦距的消色差雙膠合透鏡參數(shù)見表1。

表1 消色差正透鏡設(shè)計(jì)參數(shù)mm

4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

照度探測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，鏡筒與管座之間采用梯形螺紋連接。梯形螺紋螺距大，能夠?qū)崿F(xiàn)3種不同焦距的透鏡快速的裝卸；同時(shí)，梯形螺紋能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)焦的功能。

圖3 成像式照度探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

為了保證照度探測(cè)角度精度，要求菲涅爾燈的中心與探測(cè)系統(tǒng)的光軸同高，因此使用高度可調(diào)的三角架來(lái)支撐檢測(cè)裝置和調(diào)整探測(cè)系統(tǒng)光軸的高度。照度探測(cè)中的轉(zhuǎn)接模塊用于安裝分光棱鏡，并連接CCD和照度計(jì)，用于成像顯示和照度探測(cè)。

5 成像式照度探測(cè)裝置試驗(yàn)

成像式照度探測(cè)，配備3種焦距的成像鏡頭，有4種測(cè)量檔位狀態(tài)。試驗(yàn)中使用大動(dòng)態(tài)點(diǎn)光源用作成像式照度探測(cè)裝置的輻射源，其具有輻射發(fā)光強(qiáng)度高，發(fā)光強(qiáng)度可調(diào)和色溫不變等特點(diǎn)，通過(guò)水平、俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，對(duì)準(zhǔn)被測(cè)光源，光電采集探頭進(jìn)行照度探測(cè)，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后由串口輸出測(cè)量結(jié)果。

5.1 發(fā)光強(qiáng)度測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍試驗(yàn)

成像照度計(jì)的發(fā)光強(qiáng)度動(dòng)態(tài)范圍試驗(yàn)結(jié)果為在各個(gè)檔位最大讀數(shù)Dm均為3209。由成像照度探測(cè)各檔的最大讀數(shù)Dm得出發(fā)光強(qiáng)度測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍Dm∶1。所以，成像照度計(jì)各檔發(fā)光強(qiáng)度測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍均為3 209∶1，大于要求的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍5 000∶4＝1250∶1。

5.2 照度和發(fā)光強(qiáng)度分辨率試驗(yàn)

設(shè)各檔的照度量程Em及最大度數(shù)Dm，由式（1）計(jì)算各檔的照度分辨率：

設(shè)定測(cè)量距離l，可由式（2）計(jì)算發(fā)光強(qiáng)度的測(cè)量分辨率：

各檔的照度分辨率ΔE及不同測(cè)量距離下發(fā)光強(qiáng)度的量程Im和發(fā)光強(qiáng)度測(cè)量分辨率ΔI如表2。

由表2可以看出，成像照度計(jì)的發(fā)光強(qiáng)度量程和分辨率不僅與檔位有關(guān)，也與測(cè)量距離密切相關(guān)。對(duì)于不同的測(cè)量距離，應(yīng)選擇合適的檔位進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)被測(cè)目標(biāo)較遠(yuǎn)時(shí)應(yīng)選擇較為靈敏的檔位，如×1檔以提高分辨率；當(dāng)被測(cè)目標(biāo)較近時(shí)應(yīng)選擇較高檔位，如×1000檔，以擴(kuò)大測(cè)量范圍。

表2 不同測(cè)量距離時(shí)量程與分辨率

5.3 照度測(cè)量重復(fù)性試驗(yàn)

由5次標(biāo)定數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)出成像照度計(jì)同一讀數(shù)對(duì)應(yīng)的照度重復(fù)性曲線如圖4所示，

圖4 成像照度計(jì)5次標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果

其中Ei為各次標(biāo)準(zhǔn)照度計(jì)讀數(shù)。

5.4 雜光衰減率

主要試驗(yàn)成像照度計(jì)中遮光罩及鏡筒的消雜光能力，分析環(huán)境雜散光對(duì)測(cè)量精度的影響。成像照度計(jì)讀數(shù)E1＝13，非成像照度計(jì)讀數(shù)E2＝1 965，得到的雜光衰減率為：

由圖4可以看出，成像照度計(jì)讀數(shù)在0～2 500范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)照度E與成像照度計(jì)讀數(shù)D間基本線性。若僅使用0～2 500之間的線性區(qū)域，其測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍也可達(dá)2 500∶1，為要求測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍5 000 cd∶4 cd＝1 250∶1的2倍，足以滿足要求。在成像照度計(jì)讀數(shù)D為0～2 500的近似線性區(qū)間內(nèi)（約占全量程的80%），照度E測(cè)量的平均重復(fù)性由公式（3）得出為0.14 lx。

6 結(jié) 論

根據(jù)提出的基于成像式照度探測(cè)法的菲涅爾燈發(fā)光強(qiáng)度測(cè)量方案，研制了成像式照度探測(cè)裝置。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果表明，成像式照度測(cè)量發(fā)光強(qiáng)度的測(cè)量范圍及分辨率與測(cè)量距離有關(guān)，隨測(cè)量距離的增大測(cè)量范圍增大，同時(shí)測(cè)量分辨率降低；反之，隨測(cè)量距離的減小測(cè)量范圍減小，同時(shí)測(cè)量分辨率提高。要求的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍（測(cè)量范圍上限：測(cè)量分辨率）為1 250∶1，成像式照度探測(cè)裝置測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍為3 209∶1，其中線性區(qū)測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍為2 500∶1，優(yōu)于相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求；線性區(qū)范圍內(nèi)，光照度測(cè)量的重復(fù)性為0.14 lx；雜光衰減率大于99%，均滿足菲涅爾光學(xué)助降系統(tǒng)檢測(cè)裝置技術(shù)指標(biāo)的要求。

［1］ 彭秀艷，趙希人.艦載機(jī)起降指導(dǎo)技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.機(jī)電設(shè)備，2006，23（2）：12－15.

［2］ Carrier Qualification Flight Procedures［EB］.http：／／navyflightmanuals.tpub.com／P－1238／P－12380001. htm，2012-05-08.

［3］ 楊一棟.艦載飛機(jī)著艦引導(dǎo)與控制［M］，北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

［4］ 金偉其，胡威捷.輻射度、光度與色度及其測(cè)量［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2011.

［5］ 胡恩勇.光波束著艦引導(dǎo)系統(tǒng)研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2008.

MeasurementMethods of Fresnel Lens Optical Landing System Based on Imaging Illum ination Detection

TANG Cui-rong， WUWen-bin， ZUO Yong， XU Yong
（Changcheng Institute of Metrology＆Measurement，Beijing100095，China）

In order to resolve the problem ofmeasuring the Fresnel Lensoptical landing system，ameasurementmethod which isbased on imaging illumination detection isproposed.According to the analysisof themeasurement requirement，an imaging illumination detector is designed.Experiment results show that such detector，has high measuring speed and elim inate background light interference characteristics，can measure the luminous intensity of fresnel lens optical system which has long-distance and large divergence angle and meet the requirement of themeasurement detector.

Metrology；Optical landing system；Fresnel lens；Imaging illumination detector

TB96

A

1000-1158（2014）04-0327-04

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．04．05

2012-06-20；

2012-12-18

“十一五”國(guó)防科技工業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)科研項(xiàng)目（J052009B002）

唐翠容（1961－），女，北京人，中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所工程師，主要從事幾何量計(jì)量測(cè)試工作。hit99335＠sohu.com