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        基于共軛成像技術(shù)的助航燈光強(qiáng)檢測(cè)方法分析

        2021-09-10 23:42:08楊威
        科學(xué)與生活 2021年13期

        楊威

        摘要:在目視助航系統(tǒng)中,機(jī)場(chǎng)助航燈具是非常關(guān)鍵的構(gòu)成部分,它的光度學(xué)參數(shù)能夠?qū)艟吖ぷ髑闆r進(jìn)行檢驗(yàn),是關(guān)鍵的參考依據(jù),通常會(huì)運(yùn)用的檢測(cè)方法包括,在拆卸完成之后,開(kāi)展離線檢測(cè),借助巡檢車(chē)輛實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè),但是第一種檢測(cè)方式需要比較長(zhǎng)的維護(hù)周期,第二種檢測(cè)方式的使用成本相對(duì)較高?;诖宋恼陆o出了如下文所述的檢測(cè)系統(tǒng),以期能為相關(guān)人員提供借鑒。

        關(guān)鍵詞:助航燈具;光強(qiáng)檢測(cè);CCD測(cè)量元件;LED陣列

        引言:在目視助航系統(tǒng)中,助航燈光起著關(guān)鍵性作用,它包含多種燈具,比如跑道上對(duì)起降起一定引導(dǎo)作用的燈具,亦或是在滑行道上發(fā)揮指示作用的燈具,它的作用是為了在夜間等的狀況下,對(duì)跑道與滑行道情況進(jìn)行標(biāo)示,給予駕駛者一定的地面參考,防止出現(xiàn)飛行事故。助航燈光屬于信號(hào)光源,它對(duì)光度學(xué)參數(shù)有著非常高的要求,與此同時(shí),其中心光強(qiáng)也很高,在出射角范圍上也有著苛刻的要求。對(duì)此,有必要對(duì)助航燈具開(kāi)展定期維護(hù)及檢測(cè)工作。伴隨航空業(yè)的發(fā)展,在運(yùn)輸安全方面越來(lái)越重視,這就亟需迅速及準(zhǔn)確地完成助航燈光檢測(cè)工作。

        1.系統(tǒng)構(gòu)成

        對(duì)于照度檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)講,其包含著較多的構(gòu)成成分,例如PC機(jī)以及步進(jìn)電機(jī)等,圖1所示為系統(tǒng)構(gòu)成。針對(duì)助航燈具而言,在其前面放置檢測(cè)裝置,并把燈具當(dāng)作電源,光線照射于測(cè)試屏幕,產(chǎn)生相應(yīng)的光斑,接下來(lái)通過(guò)線陣CCD(電荷耦合器件),對(duì)光斑微元開(kāi)展成像及取樣,從下到上對(duì)屏幕開(kāi)展采樣。無(wú)論是器件還是測(cè)試屏幕,因?yàn)槎叩奈恢檬枪潭ǖ?,所以在進(jìn)行采樣時(shí),所對(duì)應(yīng)的面積微元,在把灰度值傳到PC機(jī)的時(shí)候,通過(guò)PC機(jī)針對(duì)每一個(gè)像素點(diǎn),根據(jù)位置開(kāi)展標(biāo)記,同時(shí)借助線陣CCD參數(shù),對(duì)灰度值進(jìn)行轉(zhuǎn)換,以便能夠形成照度,將其運(yùn)用于光強(qiáng)分布計(jì)算[1]。CCD屬于一種光電傳感器,在其硬件部分中包含著較多的成分,例如光敏單元,在可以傳遞信息的同時(shí),也能達(dá)到光電轉(zhuǎn)換的目的,主要是用來(lái)采集以及采樣光信號(hào),圖2所示為測(cè)量原理。

        光線通過(guò)屏幕反射之后,借助光學(xué)系統(tǒng)的作用,成像于像敏單元,然后對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,從而產(chǎn)生電荷包,同時(shí)通過(guò)驅(qū)動(dòng)信號(hào),形成電壓信號(hào)輸出。對(duì)于信號(hào)幅值來(lái)講主要和兩個(gè)變量有聯(lián)系,一是光信號(hào)大小,二是照射時(shí)間。通過(guò)對(duì)CCD的使用,進(jìn)一步來(lái)拍攝測(cè)試屏幕,并且產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào),這樣易于進(jìn)行上傳,而對(duì)于傳輸模塊,就是用來(lái)暫存電信號(hào),通過(guò)對(duì)PC機(jī)的利用,除了能夠接收該信號(hào),也可以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ),同時(shí)借助已有的參數(shù),對(duì)該組信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,以便能夠形成照度數(shù)據(jù),結(jié)合驅(qū)動(dòng)信號(hào),判斷步進(jìn)電機(jī)需不需要?jiǎng)幼?,并且讓CCD轉(zhuǎn)向測(cè)量角度。圖3所示為系統(tǒng)流程。

        開(kāi)展光強(qiáng)檢測(cè)時(shí),應(yīng)當(dāng)借助傳感器收集強(qiáng)度,并在基礎(chǔ)上對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行計(jì)算,當(dāng)選取傳感器時(shí),CCD由于具備一系列優(yōu)勢(shì),例如穩(wěn)定性理想、成像所需時(shí)間短,從而被看成光度學(xué)傳感器,而對(duì)于CCD一般主要有兩類(lèi),也就是面陣以及線陣,基于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的考慮,對(duì)于檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)講應(yīng)當(dāng)滿足這樣的條件,即方便、經(jīng)濟(jì)以及快速,與線陣CCD進(jìn)行比較,面陣CCD需要投入更多的成本,并且在采樣之后,數(shù)據(jù)偏多有礙于進(jìn)行處理,因此選擇線陣CCD[2]。為測(cè)試屏幕上的信號(hào),當(dāng)傳至上位機(jī)的時(shí)候,朝著PC機(jī)傳輸有關(guān)的中斷信號(hào),表明采集已經(jīng)結(jié)束,接下來(lái)通過(guò)PC機(jī)傳輸驅(qū)動(dòng)信號(hào),促使CCD到達(dá)測(cè)量角度。文章將把LED陣列當(dāng)作例子,對(duì)光強(qiáng)檢測(cè)開(kāi)展探討。

        2.光強(qiáng)檢測(cè)方法的確定

        現(xiàn)如今針對(duì)助航燈具,關(guān)于對(duì)其光強(qiáng)的檢測(cè),一般可以選擇兩種方法,也就是傳統(tǒng)檢測(cè)以及在線檢測(cè)。不過(guò)就前者而言,要對(duì)燈具進(jìn)行拆卸處理,移到實(shí)驗(yàn)室里面,把燈具固定于轉(zhuǎn)臺(tái),二者間確保一定的距離,也就是遠(yuǎn)場(chǎng)條件,接下來(lái)通過(guò)透鏡等進(jìn)一步來(lái)分束光線,針對(duì)探測(cè)元件光線,確保其屬于空間角里的光束。把獲取到的數(shù)據(jù)代進(jìn)有關(guān)公式,基于某一空間角,就可以獲取相應(yīng)的發(fā)光強(qiáng)度。然后通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)控制,進(jìn)入既定的空間,通過(guò)不斷重復(fù)這樣的操作,就能夠獲取整個(gè)光強(qiáng)分布。對(duì)于這一種方法來(lái)講,無(wú)論是轉(zhuǎn)臺(tái)控制還是檢測(cè)空間,都有著相對(duì)高的要求,一般被運(yùn)用于學(xué)校以及研究所等,檢測(cè)所需周期相對(duì)長(zhǎng),需要投入較多的成本,伴隨運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的延長(zhǎng),再加上航班密度的提高,若沒(méi)有設(shè)置一定的備用燈具,此方法無(wú)法達(dá)到當(dāng)班檢測(cè),并且也不易滿足維護(hù)需求。

        而對(duì)于在線檢測(cè),能夠符合檢測(cè)速度要求,不過(guò)無(wú)論是購(gòu)買(mǎi)成本還是維護(hù)費(fèi)用,都是相對(duì)高的。除此之外,近幾年還誕生了光強(qiáng)檢測(cè)裝置,基于近場(chǎng)條件,可以實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)檢測(cè),很大程度上節(jié)約了空間,并且存在著相對(duì)理想的測(cè)量度,不過(guò)當(dāng)進(jìn)行檢測(cè)時(shí),需對(duì)亮度數(shù)據(jù)開(kāi)展積分,這樣方可獲取光強(qiáng)數(shù)據(jù),不但費(fèi)時(shí)間費(fèi)精力,而且亮度計(jì)相對(duì)昂貴。本文給出這樣的一種方法,即:基于近場(chǎng)條件,通過(guò)照度開(kāi)展光強(qiáng)檢測(cè),把光源分成一系列子光源,同時(shí)設(shè)相應(yīng)的光強(qiáng)分布,針對(duì)照度接收面所有點(diǎn),算出有關(guān)的照度分布,和具體采集值實(shí)行對(duì)比,并及時(shí)反饋兩者間的誤差,對(duì)光強(qiáng)分布進(jìn)行修正處理,讓設(shè)計(jì)值趨近于實(shí)際值。

        3.CCD及照度標(biāo)定

        當(dāng)開(kāi)展光強(qiáng)檢測(cè)時(shí),難以直接獲取光強(qiáng),一般情況下利用別的光度學(xué)參數(shù)進(jìn)一步來(lái)實(shí)現(xiàn),例如照度,由于選擇光通量等,不得不積分以及分光,所需檢測(cè)時(shí)間相對(duì)長(zhǎng)、裝置便攜性不理想,所以選擇照度參數(shù),將其當(dāng)作檢測(cè)量,在此基礎(chǔ)上算出光強(qiáng)分布。對(duì)于照度數(shù)據(jù)的獲取,因?yàn)榛诮鼒?chǎng)條件開(kāi)展測(cè)量,所以需要點(diǎn)間隔相對(duì)近,就普通元件尺寸而言,難以符合陣列間距需要,所以選擇CCD,將其當(dāng)作照度接收元件[3]。基于近場(chǎng)設(shè)計(jì)一定的發(fā)射光,通過(guò)CCD促進(jìn)光斑成像,然后針對(duì)全部像素的灰度值進(jìn)行轉(zhuǎn)換,從而形成相應(yīng)的照度值。

        4.光強(qiáng)計(jì)算方法

        就光源的發(fā)光強(qiáng)度來(lái)看,其分布一般是把光源當(dāng)作點(diǎn)光源,它的分布特征同空間角存在很大的聯(lián)系,而實(shí)施上根本沒(méi)有真正的點(diǎn)光源,通常情況下,若是探測(cè)元件與光源的距離相差較遠(yuǎn),會(huì)讓其反比定律接近滿足,把光源看成點(diǎn)光源,其作用條件是遠(yuǎn)場(chǎng)條件,在進(jìn)行光強(qiáng)檢測(cè)時(shí),是比較常見(jiàn)的傳統(tǒng)方法。若是距離條件不能滿足時(shí),可將其看作近場(chǎng)條件。一般來(lái)講,其探測(cè)距離應(yīng)超出光源的五倍,建議將光強(qiáng)測(cè)量誤差控制在5%上下,從而構(gòu)建遠(yuǎn)場(chǎng)條件。在進(jìn)行工作時(shí),飛行員可將助航燈具看作點(diǎn)光源。針對(duì)發(fā)光面比較大的光源,對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)燈具的運(yùn)用,若是不進(jìn)行拆卸及移動(dòng),需進(jìn)行大規(guī)模的移動(dòng)及采樣,利用該方法獲得面光源光強(qiáng)分布是存在一定難度的,對(duì)此需綜合分析近場(chǎng)環(huán)境下,開(kāi)展光強(qiáng)檢測(cè)工作,同時(shí)借助近場(chǎng)的一系列計(jì)算,對(duì)燈具遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布進(jìn)行推導(dǎo)。

        在燈具利用現(xiàn)場(chǎng),由于全部LED形成一個(gè)整體,難以借助單個(gè)光強(qiáng)分布,針對(duì)陣列面光源,獲得與之相關(guān)的光強(qiáng)分布,對(duì)于每一個(gè)LED,不知道它們的光強(qiáng)分布狀況,并且就這個(gè)時(shí)候測(cè)量點(diǎn)而言,其照度值屬于疊加和,因此難以開(kāi)展光強(qiáng)計(jì)算。面對(duì)這樣的情況,基于照度誤差,文章給出這樣的一種方法,即:在近場(chǎng)區(qū)域內(nèi)選擇合適的平面,將其當(dāng)作測(cè)量平面,借助照度探頭開(kāi)展移動(dòng)以及采樣,從而獲取相應(yīng)的照度,接下來(lái)預(yù)設(shè)光強(qiáng)分布,在此基礎(chǔ)上對(duì)平面照度進(jìn)行計(jì)算,獲得有關(guān)數(shù)值之后,與實(shí)際照度開(kāi)展對(duì)比,同時(shí)算出存在的誤差,并及時(shí)反饋這樣的誤差,以便對(duì)光強(qiáng)分布進(jìn)行更新,在誤差足夠小的情況下,能夠獲得近似光強(qiáng)分布,隨之可以獲得空間光強(qiáng)分布。圖4所示為光強(qiáng)檢測(cè)流程。

        結(jié)論:針對(duì)光強(qiáng)檢測(cè)系統(tǒng),文章闡述了其硬件構(gòu)成以及檢測(cè)流程,著重探討了測(cè)量元件CCD,基于近場(chǎng)條件,分析了通過(guò)照度開(kāi)展檢測(cè)的難點(diǎn),基于照度誤差,給出了一種行之有效的方法(如上文所述),借助照度和空間位置關(guān)系,可以獲取近似光強(qiáng)分布。

        參考文獻(xiàn):

        [1]馬秉正. 基于共軛成像技術(shù)的助航燈光強(qiáng)檢測(cè)方法研究[D].中國(guó)民航大學(xué),2020.

        [2]羅楊. 基于共軛梯度法的環(huán)形組織阻抗成像技術(shù)研究[D].重慶郵電大學(xué),2017.

        [3]王智鵬. 時(shí)序拼接光學(xué)合成孔徑成像技術(shù)研究[D].中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所),2017.

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