王志巍

（上海民航新時代機(jī)場設(shè)計研究院有限公司，上海 200335）

0 引 言

塔臺是機(jī)場建設(shè)的重要建筑物之一，也是機(jī)場安全、高效運(yùn)行的核心設(shè)施。為保障機(jī)場塔臺建設(shè)滿足安全運(yùn)行需求，我國民航局空管辦下發(fā)了咨詢通告［1］，作為機(jī)場塔臺建設(shè)的指導(dǎo)要求，但對于一些參數(shù)的計算方法并沒有明確。塔臺建設(shè)的最基本要求是站在塔臺的管制員能夠通過肉眼感知機(jī)場運(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，并沒有對機(jī)場中的目標(biāo)的可見性模型或評價方法。

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

本文結(jié)合國內(nèi)已發(fā)布規(guī)章、國內(nèi)外研究成果，建立機(jī)場目標(biāo)可見性性能模型，并通過機(jī)場現(xiàn)場實(shí)驗對比模型的可行性。該模型可用于對現(xiàn)有機(jī)場塔臺的通視情況進(jìn)行評估，也可用于對新建或擴(kuò)建機(jī)場塔臺選址、高度設(shè)計等提供機(jī)場可見性數(shù)據(jù)參考。

1 機(jī)場目標(biāo)可見性問題描述

1.1 問題描述

機(jī)場在運(yùn)行過程中，需要被塔臺管制員時刻關(guān)注的最重要目標(biāo)是運(yùn)動的航空器或車輛。塔臺管制員通過眼睛感知航空器或車輛的過程如圖1 所示。在機(jī)場大氣條件下，太陽和天空漫射光把場面運(yùn)動的航空器或車輛照亮；航空器的影像通過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，并判斷是否察覺或識別出目標(biāo)。

圖1 機(jī)場目標(biāo)可視性示意圖

機(jī)場目標(biāo)可視性問題研究是在當(dāng)前光照和大氣條件下，機(jī)場塔臺上的管制員通過裸眼，能否感知到機(jī)場關(guān)鍵點(diǎn)的航空器或車輛。

在機(jī)場周邊大氣環(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)場大氣對光的透射、衍射、散射等特性。

1.2 目標(biāo)可見性定義

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

察覺 目標(biāo)察覺是通過人眼視覺系統(tǒng)能覺察到機(jī)場存在某物體（目標(biāo)），例如航空器或車輛等物體，而不考慮該物體的類別、類型或型號等信息，即觀察者知道存在某物，但無須識別或辨別該物體。

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

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

在機(jī)場目標(biāo)可見性性能評價時，由于機(jī)場運(yùn)行瞬息萬變，時間緊迫，首先是能察覺目標(biāo)；其次判斷目標(biāo)能否被識別。目標(biāo)能否被察覺是目標(biāo)可見性性能分析的首要任務(wù)。

1.3 機(jī)場目標(biāo)可見性評估過程

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)場場面的目標(biāo)一般是指航空器或車輛；所有觀察都通過觀察者肉眼進(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或識別，則正常運(yùn)行的更大的航空器或車輛等也可被感知到。

塔臺管制員在塔臺上通過裸眼確定機(jī)場中目標(biāo)可見性評估過程如下：

（1）確定機(jī)場的關(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)對象及其尺寸，即該機(jī)場運(yùn)行時的航空器最小機(jī)型或車輛。

（4）確定機(jī)場光照環(huán)境和目標(biāo)位置的亮度。

（5）確定目標(biāo)對比度函數(shù)（target contrast，Ctgt），即確定目標(biāo)對象相對于機(jī)場環(huán)境的對比度。

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

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

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

（9）計算察覺和識別的概率，比較和評估目標(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)場目標(biāo)可見性模型

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

2.1 機(jī)場目標(biāo)鑒別方法

目標(biāo)的察覺、識別和辨識是基于目標(biāo)鑒別方法［4］。在相同對比度下，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)驗表明，可通過人眼對目標(biāo)物體的等效條帶的分辨能力，確定眼睛對目標(biāo)的感知能力，即Johnson 準(zhǔn)則。Johnson 以50%概率完成察覺、識別和辨識等目標(biāo)感知任務(wù)所需的等效條帶周期數(shù)（V50）建立目標(biāo)可見性感知準(zhǔn)則。其中目標(biāo)等效條帶周期數(shù)可通過目標(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)，見表1［5］。

表1 TTP準(zhǔn)則中V50取值

塔臺管制員對目標(biāo)物體的可見性概率

式中：V50為達(dá)到50%探測概率所需要的等效目標(biāo)任務(wù)周期數(shù)，由視覺實(shí)驗測試得到；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)。

一般以臨界特征長度作為機(jī)場目標(biāo)航空器或車輛的大小尺寸參考值，臨界特征長度可簡單表示為目標(biāo)的正面或側(cè)面橫截面積的平方根。機(jī)場不同航空器或車輛特征尺寸不相同。在可見度評估時，通常選擇較小的尺寸進(jìn)行評估，如拖車、牽引車等，F(xiàn)AA 推薦的評估測試為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、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，在視覺領(lǐng)域定義為cyc／mrad，縱坐標(biāo)使用對比度表示，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)，可更好的識別ξlow和ξcut間的空間頻率。在該積分方程中，ξlow是Ctgt超過CTFeye的低空間頻率，非常接近于零。ξcut是Ctgt超過人CTFeye的高空間頻率。

如果目標(biāo)物體與其背景的對比度減小，會使目標(biāo)變得模糊不清［8］，對于航空器或車輛的影像來說，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，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?。?］。通過大氣對光線傳輸?shù)乃pMTF進(jìn)行討論。

2.3 人眼對比度閾值函數(shù)

目標(biāo)的可見性就是人眼在特定背景環(huán)境下對目標(biāo)的察覺、識別和辨識過程。大腦中樞對刺激信號的感知和辨識與信號相對于其背景的對比度有關(guān)，對比度太大，或者太小，都會降低圖像質(zhì)量［10］。常用人眼對比度閾值函數(shù)（CTFeye）來表征人眼對信號感知的靈敏度［11］：

式中：ξ為空間頻率；L為目標(biāo)亮度或為人眼觀測視角。

2.4 大氣調(diào)制傳遞函數(shù)

大氣通過影響光線的傳播來影響目標(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，引起光線在傳播過程中不斷衰減，造成圖像對比度降低、形狀扭曲變形、清晰度下降，影響管制員對目標(biāo)航空器或車輛感知的準(zhǔn)確性，把這兩種影響分開考慮，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)識別研究中經(jīng)常被忽視。氣溶膠會對光線產(chǎn)生散射作用。MTFaer計算模型［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時為高頻區(qū)，ξ≤ξc時為低頻區(qū)。假定氣溶膠粒子直徑為a＝2 μm，波長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無關(guān)，因此結(jié)果取大氣透過率數(shù)值［17］。

3 仿真實(shí)驗

以國內(nèi)某新建4C類機(jī)場為例，如圖3 所示。

圖3 某機(jī)場平面簡圖

機(jī)場場面運(yùn)行時，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)可見度性能評估的關(guān)鍵位置點(diǎn)。

該機(jī)場的塔臺位置見圖3，距跑道中心線距離476 m，塔臺距機(jī)場地面的高度為42 m。塔臺距關(guān)鍵點(diǎn)位置約1 535 m，即R＝1 535 m。

考慮2 種目標(biāo)物體，具體尺寸見表2。

表2 測試目標(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，大氣能見度設(shè)為10 km。察覺、識別、辨識時選擇的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，計算結(jié)果見表3 和圖4。

表3 不同目標(biāo)不同距離處的可見性概率

圖4 不同距離和目標(biāo)可見性預(yù)測概率對比

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

3.2 現(xiàn)場測驗設(shè)計

為了驗證實(shí)際管制人員對機(jī)場目標(biāo)的可見性，選擇了該機(jī)場15 名管制員進(jìn)行現(xiàn)場測試。被測試人員不知道關(guān)鍵點(diǎn)會放置什么物體，要求通過裸眼觀察關(guān)鍵點(diǎn)位置，識別和判斷目標(biāo)。關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)置3 個場景，依次放置Cessna 172、引導(dǎo)車和無任何目標(biāo)物體。根據(jù)3個場景，測驗共進(jìn)行3 次。

實(shí)驗過程：針對每次測驗，依次讓測試人員從塔臺指定位置窗口進(jìn)行觀察，每人觀察時間為1 s，然后回答調(diào)查問卷。

調(diào)查問卷包含4 個問題：

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

A有 B沒有

問題2 您看到的是車輛？航空器？（選擇題，如果是選擇A 請回答問題3，如果選擇B 請回答問題4。）（ ）

A車輛 B航空器

問題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 個問題，問題1 用于測試目標(biāo)是否能夠被察覺，問題2 測試目標(biāo)是否可以被識別，問題3、4 測試目標(biāo)是否可以被辨認(rèn)。同時，可根據(jù)數(shù)學(xué)模型仿真計算出目標(biāo)可見性的概率。對比測試結(jié)果和模型仿真結(jié)果，見表4。

表4 現(xiàn)場測驗與仿真結(jié)果對比

表4 中“測試”列是通過現(xiàn)場15 人的測試結(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。該測試可從統(tǒng)計結(jié)果上初步說明目標(biāo)的可見性。表4 中的“仿真”列為相同條件下通過數(shù)據(jù)模型仿真得出的結(jié)果。為詳細(xì)對比2 種方案結(jié)果，繪制成雷達(dá)圖，如圖5、6 所示。

圖5 Cessna172測試與仿真對比

圖6 引導(dǎo)車測試與仿真對比

通過測試與仿真對比可知，仿真結(jié)果與測試結(jié)果在目標(biāo)可見性趨勢上是一致的，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)場人員測試方法受到物理的距離、大氣環(huán)境等條件限制，只能測試和評估特定條件下的目標(biāo)可見性，對機(jī)場設(shè)計或建設(shè)階段缺少必要條件，無法開展相關(guān)測試；測試需要投入大量人力、物力和時間，成本較大；因此測驗方法在實(shí)際應(yīng)用中受到較大限制。而仿真可通過調(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)可見性數(shù)學(xué)模型的意義。

4 結(jié) 語

本文針對機(jī)場場面目標(biāo)的可見性問題進(jìn)行詳細(xì)的分析。分析了機(jī)場目標(biāo)可見性的具體問題，詳細(xì)定義了機(jī)場目標(biāo)的可見性概念，基于一般性假設(shè)，給出了機(jī)場目標(biāo)可見性的評估過程。借鑒光學(xué)成像技術(shù)，建立了目標(biāo)可見性模型。論述了目標(biāo)鑒別方法、目標(biāo)任務(wù)性能、人眼對比度閾值函數(shù)、大氣環(huán)境調(diào)制傳遞函數(shù)等影響因素模型建立過程。根據(jù)模型完成了對某機(jī)場場面目標(biāo)可見性性能的預(yù)測評估。

設(shè)計現(xiàn)場測試實(shí)驗，通過現(xiàn)場測試統(tǒng)計數(shù)據(jù)與模型仿真預(yù)測數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，2 種方法的結(jié)果在目標(biāo)可見性趨勢上具有一致性，表明了該模型的可行性。

由于現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)較少，未來工作需進(jìn)一步豐富和完善現(xiàn)場測試，進(jìn)一步論證、修正和完善模型。