周晟，郭正銘，劉童，袁行超，周駿

（四川省電子產(chǎn)品監(jiān)督檢驗(yàn)所，成都 610000）

引言

外來物（Foreign Object Debris）即可能損傷航空器或系統(tǒng)的某種外來的物質(zhì)、碎屑或物體[1]。機(jī)場(chǎng)現(xiàn)有外來物處理方式普遍為定時(shí)停止跑道運(yùn)行，人工上道進(jìn)行道面巡查，這就導(dǎo)致無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)外來物，占用跑道運(yùn)行時(shí)間，降低跑道運(yùn)行效率等關(guān)鍵問題。因此，自動(dòng)化運(yùn)行的機(jī)場(chǎng)跑道外來物探測(cè)系統(tǒng)已逐漸引起業(yè)內(nèi)重視。

塔架式光學(xué)FOD探測(cè)系統(tǒng)安裝于跑道道面140 m外，使用高清晰度光學(xué)鏡頭和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)對(duì)跑道道面進(jìn)行不間斷監(jiān)測(cè)，通過圖像處理算法識(shí)別跑道外來物，發(fā)現(xiàn)外來物時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。從而在不影響機(jī)場(chǎng)航班通行能力的情況下及時(shí)發(fā)現(xiàn)外來物，維護(hù)機(jī)場(chǎng)運(yùn)行安全。

為提高夜晚低能見度情況下的探測(cè)性能，需要在低能見度時(shí)使用近紅外激光器對(duì)跑道道面成像區(qū)域進(jìn)行主動(dòng)補(bǔ)光。該激光器為4類激光設(shè)備，在距離激光器較近處其發(fā)射光束具有對(duì)人體皮膚和眼睛產(chǎn)生損傷的潛在危害，因此需依據(jù)人體眼角膜的最大允許照射量，對(duì)塔架式光學(xué)FOD探測(cè)系統(tǒng)中所用激光器的安全距離進(jìn)行測(cè)量，并在此基礎(chǔ)上分析激光器在實(shí)際使用環(huán)境下的安全性。

1 激光器在機(jī)場(chǎng)跑道FOD探測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

相比于其它形式的FOD探測(cè)系統(tǒng)，塔架式光學(xué)FOD探測(cè)系統(tǒng)部署傳感器數(shù)量少，總價(jià)較低，安裝維護(hù)方便。塔架式光學(xué)FOD探測(cè)系統(tǒng)由塔架式光學(xué)FOD傳感器和數(shù)據(jù)處理中心組成。其中，塔架式光學(xué)FOD傳感器負(fù)責(zé)對(duì)跑道道面成像并將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理中心；數(shù)據(jù)處理中心負(fù)責(zé)探測(cè)系統(tǒng)中各FOD傳感器數(shù)據(jù)的分析處理與融合，從中獲取外來物信息。

塔架式光學(xué)FOD傳感器安裝于約9 m高的塔架上，部署位置一般距離跑道中線超過140 m，沿跑道一側(cè)部署，作用半徑可達(dá)到350~600 m，因此使用數(shù)臺(tái)或十?dāng)?shù)臺(tái)塔架式光學(xué)FOD傳感器即可覆蓋3 600 m跑道，實(shí)現(xiàn)對(duì)全跑道的完整探測(cè)。圖1所示為塔架式光學(xué)FOD傳感器的部署與覆蓋示意圖。

圖1 塔架式光學(xué)FOD傳感器部署與覆蓋示意圖[4]

塔架式光學(xué)FOD傳感器使用高清長(zhǎng)焦光學(xué)相機(jī)對(duì)跑道道面進(jìn)行24 h不間斷掃描，通過對(duì)道面圖像的解析獲取外來物信息，因此其成像效果直接決定系統(tǒng)探測(cè)性能。在夜晚低光照環(huán)境下，單純地使用環(huán)境光將使圖像清晰度明顯下降，噪點(diǎn)提升，因此需要在夜晚使用激光器對(duì)道面相應(yīng)區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)光。

塔架式光學(xué)FOD傳感器使用出射波長(zhǎng)為808 nm的近紅外面發(fā)射半導(dǎo)體激光器（VCSEL），其為連續(xù)激光，出射角度為2.5 °，出射光呈圓錐形，可覆蓋一定范圍的跑道區(qū)域。VCSEL有別于LED和標(biāo)準(zhǔn)的LD激光等光源，VCSEL 兼具 LD 和 LED的優(yōu)點(diǎn),具有光斑模式好、發(fā)光閾值低、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)、集成高、體積小、發(fā)散角小、耦合效率高、價(jià)格便宜、波長(zhǎng)帶寬窄等優(yōu)點(diǎn)[2]，使其適合作為塔架式光學(xué)FOD探測(cè)系統(tǒng)的補(bǔ)光光源。

2 最大允許照射量（MPE）

2.1 激光器分類及其安全性

依據(jù)GB/T 7247.14-2012《激光產(chǎn)品的安全 第14部分：用戶指南》中第4.1.2節(jié)“產(chǎn)品類別”所述：激光器按照其危害分為以下類別等級(jí)（按照危害程度遞增的順序排列）：1類，1M類，2類，2M類，3R類，3B類、4類。

1）1類，在合理可預(yù)見的使用條件下通常是安全的激光產(chǎn)品。這是由于激光器本身固有的低發(fā)射能力，或是由于在正常運(yùn)轉(zhuǎn)下完全封閉，人們不可能接觸內(nèi)部更高水平的激光輻射[3]。

2）1M類，超過1類允許可達(dá)發(fā)射極限的激光產(chǎn)品，但由于發(fā)射輻射的幾何擴(kuò)散，照射裸眼不能造成傷害（未達(dá)到導(dǎo)致?lián)p傷極限）。但是如果使用放大觀察儀器，可能超過眼的安全極限，并可能造成損傷[3]。

3）2類，發(fā)射低水平的可見光輻射（即波長(zhǎng)在400~700 nm之間）的激光產(chǎn)品，該輻射對(duì)皮膚是安全的，對(duì)眼睛則本質(zhì)上并非安全，但眼睛可通過對(duì)強(qiáng)光的自然回避反應(yīng)而獲得保護(hù)[3]。

4）2M類，發(fā)射的可見光輻射水平超過2類允許可達(dá)發(fā)射極限的激光產(chǎn)品。但由于發(fā)射輻射的幾何擴(kuò)散，裸眼可通過對(duì)強(qiáng)光的自然回避反應(yīng)而得到保護(hù)[3]。

5）3R類，激光產(chǎn)品的可達(dá)發(fā)射水平是1類（非可見光）或2類（可見光）可達(dá)發(fā)射極限的5倍[3]。

6）3B類，激光產(chǎn)品的可達(dá)發(fā)射水平，無論是否使用放大觀察輔助器具，都可能對(duì)眼睛造成傷害[3]。

7）4類，激光產(chǎn)品的可達(dá)發(fā)射水平對(duì)眼睛和皮膚都可能造成損傷[3]。

2.2 最大允許照射量（MPE）

《國(guó)際民用航空公約附件14：機(jī)場(chǎng)》中5.3.1.2節(jié)要求：“在所有可航空域內(nèi)，任何激光束（可見的或不可見的）的輻照度均應(yīng)小于或等于最大允許照射（MPE）”。

依據(jù)GB/T 7247.14-2012《激光產(chǎn)品的安全第14部分：用戶指南》，最大允許照射量（MPE）是指正常情況下人體受到激光照射不會(huì)產(chǎn)生不良后果的激光輻射水平[3]。塔架式光學(xué)FOD傳感器所用的808 nm激光器，其波長(zhǎng)正處在400~1 400 nm這一對(duì)視網(wǎng)膜可能造成損傷的區(qū)域，應(yīng)充分考慮其波長(zhǎng)、脈寬和照射時(shí)間等參數(shù)，評(píng)估人體視網(wǎng)膜或皮膚受到激光器照射后是否會(huì)產(chǎn)生損傷。

對(duì)于808 nm激光器，GB/T 7247.14-2012表5中所定義的眼睛的最大允許照射量（MPE）等效于GB 7247.1-2012中所定義的1類激光器的最大發(fā)射功率。在連續(xù)100 s的激光直接照射情況下，通過一定距離外的孔徑為7 mm的光闌后測(cè)得其功率小于0.641 mW時(shí)即表示在此距離處激光的光功率密度小于眼角膜的最大允許照射量（MPE），不會(huì)對(duì)人體造成損傷。

3 激光器安全距離測(cè)量

塔架式光學(xué)FOD傳感器所用激光器以2.5 °出射角呈圓錐形向外發(fā)射激光，其光功率密度隨著距離的變大而逐漸變小，當(dāng)距離激光器出射面一定距離外，激光的輻射水平小于眼角膜最大允許照射量時(shí)，此距離即為該激光器的安全距離，人體在此距離外直視激光器也不會(huì)對(duì)眼角膜造成損害。

3.1 測(cè)量方法

測(cè)量嚴(yán)格按照GB 7247.1-2012 《激光產(chǎn)品的安全第1部分設(shè)備分類、要求》和GB/T 7247.14-2012《激光產(chǎn)品的安全第14部分：用戶指南》中所述方法進(jìn)行，模擬人眼連續(xù)直視激光器100 s的工況，由專業(yè)測(cè)試機(jī)構(gòu)執(zhí)行本次測(cè)量工作。

照射量值的所有測(cè)量和計(jì)算宜用一合適的平均孔徑。這也稱為限制孔徑，其定義為一圓形區(qū)域的直徑，輻照度或輻射量在該圓形區(qū)域上進(jìn)行平均[3]。GB/T 7247.14-2012《激光產(chǎn)品的安全第14部分：用戶指南》中表2定義了適用于輻照度及輻照量測(cè)量的限制孔徑直徑，對(duì)于光譜范圍在400~1 400 nm的激光器，其限制孔徑應(yīng)為7 mm。

激光器安全距離測(cè)量結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 激光器安全距離測(cè)量結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 測(cè)量結(jié)果

測(cè)量結(jié)果表明，在2.5 °出光角下，在距離激光器出射面34.5 m外，通過一個(gè)孔徑7 mm的光闌后測(cè)得其功率為0.640 mW，小于GB 7247.1-2012 《激光產(chǎn)品的安全第1部分設(shè)備分類、要求》中所定義的1類激光器的最大發(fā)射功率0.641 mW，即34.5 m外激光的光功率密度小于眼角膜的最大允許照射量（MPE），不會(huì)對(duì)人體造成損傷。

4 塔架式FOD探測(cè)器所用激光器實(shí)際使用環(huán)境下的安全性分析

按照測(cè)量結(jié)果，距離激光器34.5 m內(nèi)連續(xù)直視激光器100 s，會(huì)對(duì)人體造成損傷。但在塔架式光學(xué)FOD傳感器的實(shí)際使用中，正常作業(yè)的工作人員不會(huì)暴露在以上環(huán)境中，本章對(duì)此進(jìn)行以下分析：

1）首先分析塔架式光學(xué)FOD傳感器自動(dòng)運(yùn)行時(shí)激光器的安全性；

2）然后分析了人工操作塔架式光學(xué)FOD傳感器轉(zhuǎn)臺(tái)時(shí)激光器的安全性。

4.1 塔架式光學(xué)FOD傳感器自動(dòng)運(yùn)行時(shí)

正常使用中，激光器安裝于塔架上，距離地面較高，精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)成像設(shè)備和激光器轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)跑道各區(qū)域進(jìn)行分時(shí)掃描，單個(gè)點(diǎn)位激光器照射時(shí)間不超過5 s。

激光出射面中心距地面約9.057 5 m，激光光束的匯聚性使其光束被控制在一定角度內(nèi)，其出射角為2.5 °，激光光束中心照射到206 m外的跑道中線處。

4.1.1 激光器光束的照射范圍

圖3中陰影部分即為激光光束范圍，計(jì)算得到在實(shí)際使用環(huán)境下，在安全距離34.5 m范圍內(nèi)，激光光束的最下端與地面之間的距離高于6.79 m（即圖3中EG的長(zhǎng)度）。因此：

圖3 實(shí)際安裝環(huán)境下激光出射角示意圖

1）在距離激光器34.5 m范圍內(nèi)，正常行走的工作人員不在激光光束的覆蓋范圍內(nèi)，不會(huì)受到激光光束的影響；

2）在距離激光器34.5 m范圍外，即使人員受到激光光束的照射，也不會(huì)對(duì)人體造成傷害，此時(shí)跑道道面是安全的。

4.1.2 激光器光束可照射到人體時(shí)的距離

本節(jié)假設(shè)身高1.8 m工作人員出現(xiàn)在傳感器前，計(jì)算得到在實(shí)際使用環(huán)境下，其被激光光束照射到時(shí)，距離激光器約為110.38 m，此距離遠(yuǎn)超過激光器的安全距離34.5 m，此時(shí)激光器光束不會(huì)到工作人員造成危害。

4.1.3 激光停留時(shí)間

激光對(duì)人體的損害具有累計(jì)效應(yīng)，即激光照射時(shí)間越長(zhǎng)對(duì)人體損害越大。以上測(cè)試中是按照人眼連續(xù)直視激光器100 s（標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的規(guī)定值）的工況進(jìn)行的測(cè)試，塔架式光學(xué)FOD傳感器在自動(dòng)運(yùn)行時(shí)不會(huì)出現(xiàn)激光在某處連續(xù)照射100 s的情況：

1）在不進(jìn)行掃描探測(cè)和外來物確認(rèn)拍照時(shí)，激光器會(huì)關(guān)閉；

2）光學(xué)傳感器正常掃描探測(cè)時(shí)，單個(gè)點(diǎn)位照射時(shí)間不超過2 s；

3）進(jìn)行外來物確認(rèn)拍照時(shí)，單個(gè)點(diǎn)位照射時(shí)間不超過5 s。

4.1.4 塔架式光學(xué)FOD傳感器自動(dòng)運(yùn)行時(shí)激光器安全性的結(jié)論

塔架式光學(xué)FOD傳感器自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，激光光束在110.13 m外才會(huì)照射到工作人員，該距離遠(yuǎn)大于激光器的安全距離34.5 m，同時(shí)激光光束不會(huì)在單個(gè)點(diǎn)位停留時(shí)間過長(zhǎng)造成累積效應(yīng)。因此塔架式光學(xué)FOD傳感器自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，激光光束不會(huì)對(duì)正常作業(yè)的工作人員造成損傷。

圖4 激光器光束可照射到人體時(shí)的距離示意圖

圖5 光學(xué)轉(zhuǎn)臺(tái)俯仰為160 °時(shí)激光器光束范圍示意圖

4.2 人工操作塔架式光學(xué)FOD傳感器轉(zhuǎn)臺(tái)

光學(xué)成像設(shè)備和激光器安裝于二維光學(xué)轉(zhuǎn)臺(tái)上，可以人工遠(yuǎn)程操縱轉(zhuǎn)臺(tái)使設(shè)備對(duì)特定區(qū)域成像，此時(shí)激光器光束的出射范圍會(huì)超出4.1.1節(jié)中所述的照射范圍。轉(zhuǎn)臺(tái)在俯仰方向的動(dòng)作范圍為160~200 °（以水平方向?yàn)?80 °）。假設(shè)人工操作時(shí)，將光學(xué)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)到了俯方向160 °，此時(shí)激光器以最大俯視角度正對(duì)土坪區(qū)，計(jì)算此時(shí)激光器光束的照射范圍。

經(jīng)計(jì)算，此時(shí)激光器照射到土坪區(qū)時(shí)，其中心位置與激光器出射面距離僅為26.48 m，小于安全距離34.5 m，此時(shí)如果工作人員位于土坪區(qū)并持續(xù)直視激光器，有可能會(huì)對(duì)其造成損傷。身高1.8 m工作人員，其在激光器附近時(shí)不會(huì)受到影響，但一旦到達(dá)距激光器出射面18.66 m處附近，則會(huì)被激光器照射。

為避免此類情況發(fā)生，對(duì)工作人員造成損傷。塔架式光學(xué)FOD傳感器探測(cè)系統(tǒng)軟件中對(duì)此種行為進(jìn)行了防誤操作處理：在夜晚可能開啟激光器的情況下，人工無法操縱光學(xué)設(shè)備查看近側(cè)的土坪區(qū)，而只能對(duì)跑道區(qū)域進(jìn)行探測(cè)，白天則不受限制。

5 結(jié)束語(yǔ)

由以上針對(duì)塔架式光學(xué)FOD傳感器所用激光器的測(cè)量結(jié)果及安全性分析可知，結(jié)合系統(tǒng)軟件設(shè)置，在機(jī)場(chǎng)實(shí)際使用環(huán)境下，塔架式光學(xué)FOD探測(cè)系統(tǒng)在自動(dòng)運(yùn)行或人工操作時(shí)，該激光器均不會(huì)對(duì)機(jī)場(chǎng)正常作業(yè)的工作人員造成傷害。