基于共軛成像技術的助航燈光強檢測方法分析

楊威

摘要：在目視助航系統中，機場助航燈具是非常關鍵的構成部分，它的光度學參數能夠對燈具工作情況進行檢驗，是關鍵的參考依據，通常會運用的檢測方法包括，在拆卸完成之后，開展離線檢測，借助巡檢車輛實現在線檢測，但是第一種檢測方式需要比較長的維護周期，第二種檢測方式的使用成本相對較高。基于此文章給出了如下文所述的檢測系統，以期能為相關人員提供借鑒。

關鍵詞：助航燈具;光強檢測;CCD測量元件;LED陣列

引言：在目視助航系統中，助航燈光起著關鍵性作用，它包含多種燈具，比如跑道上對起降起一定引導作用的燈具，亦或是在滑行道上發揮指示作用的燈具，它的作用是為了在夜間等的狀況下，對跑道與滑行道情況進行標示，給予駕駛者一定的地面參考，防止出現飛行事故。助航燈光屬于信號光源，它對光度學參數有著非常高的要求，與此同時，其中心光強也很高，在出射角范圍上也有著苛刻的要求。對此，有必要對助航燈具開展定期維護及檢測工作。伴隨航空業的發展，在運輸安全方面越來越重視，這就亟需迅速及準確地完成助航燈光檢測工作。

1.系統構成

對于照度檢測系統來講，其包含著較多的構成成分，例如PC機以及步進電機等，圖1所示為系統構成。針對助航燈具而言，在其前面放置檢測裝置，并把燈具當作電源，光線照射于測試屏幕，產生相應的光斑，接下來通過線陣CCD（電荷耦合器件），對光斑微元開展成像及取樣，從下到上對屏幕開展采樣。無論是器件還是測試屏幕，因為二者的位置是固定的，所以在進行采樣時，所對應的面積微元，在把灰度值傳到PC機的時候，通過PC機針對每一個像素點，根據位置開展標記，同時借助線陣CCD參數，對灰度值進行轉換，以便能夠形成照度，將其運用于光強分布計算[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，也能達到光電轉換的目的，主要是用來采集以及采樣光信號，圖2所示為測量原理。

光線通過屏幕反射之后，借助光學系統的作用，成像于像敏單元，然后對光強進行轉換，從而產生電荷包，同時通過驅動信號，形成電壓信號輸出。對于信號幅值來講主要和兩個變量有聯系，一是光信號大小，二是照射時間。通過對CCD的使用，進一步來拍攝測試屏幕，并且產生相應的電信號，這樣易于進行上傳，而對于傳輸模塊，就是用來暫存電信號，通過對PC機的利用，除了能夠接收該信號，也可以實現存儲，同時借助已有的參數，對該組信號進行轉換，以便能夠形成照度數據，結合驅動信號，判斷步進電機需不需要動作，并且讓CCD轉向測量角度。圖3所示為系統流程。

開展光強檢測時，應當借助傳感器收集強度，并在基礎上對光強進行計算，當選取傳感器時，CCD由于具備一系列優勢，例如穩定性理想、成像所需時間短，從而被看成光度學傳感器，而對于CCD一般主要有兩類，也就是面陣以及線陣，基于對現場檢測的考慮，對于檢測系統來講應當滿足這樣的條件，即方便、經濟以及快速，與線陣CCD進行比較，面陣CCD需要投入更多的成本，并且在采樣之后，數據偏多有礙于進行處理，因此選擇線陣CCD[2]。為測試屏幕上的信號，當傳至上位機的時候，朝著PC機傳輸有關的中斷信號，表明采集已經結束，接下來通過PC機傳輸驅動信號，促使CCD到達測量角度。文章將把LED陣列當作例子，對光強檢測開展探討。

2.光強檢測方法的確定

現如今針對助航燈具，關于對其光強的檢測，一般可以選擇兩種方法，也就是傳統檢測以及在線檢測。不過就前者而言，要對燈具進行拆卸處理，移到實驗室里面，把燈具固定于轉臺，二者間確保一定的距離，也就是遠場條件，接下來通過透鏡等進一步來分束光線，針對探測元件光線，確保其屬于空間角里的光束。把獲取到的數據代進有關公式，基于某一空間角，就可以獲取相應的發光強度。然后通過轉臺控制，進入既定的空間，通過不斷重復這樣的操作，就能夠獲取整個光強分布。對于這一種方法來講，無論是轉臺控制還是檢測空間，都有著相對高的要求，一般被運用于學校以及研究所等，檢測所需周期相對長，需要投入較多的成本，伴隨運轉時間的延長，再加上航班密度的提高，若沒有設置一定的備用燈具，此方法無法達到當班檢測，并且也不易滿足維護需求。

而對于在線檢測，能夠符合檢測速度要求，不過無論是購買成本還是維護費用，都是相對高的。除此之外，近幾年還誕生了光強檢測裝置，基于近場條件，可以實現光強檢測，很大程度上節約了空間，并且存在著相對理想的測量度，不過當進行檢測時，需對亮度數據開展積分，這樣方可獲取光強數據，不但費時間費精力，而且亮度計相對昂貴。本文給出這樣的一種方法，即：基于近場條件，通過照度開展光強檢測，把光源分成一系列子光源，同時設相應的光強分布，針對照度接收面所有點，算出有關的照度分布，和具體采集值實行對比，并及時反饋兩者間的誤差，對光強分布進行修正處理，讓設計值趨近于實際值。

3.CCD及照度標定

當開展光強檢測時，難以直接獲取光強，一般情況下利用別的光度學參數進一步來實現，例如照度，由于選擇光通量等，不得不積分以及分光，所需檢測時間相對長、裝置便攜性不理想，所以選擇照度參數，將其當作檢測量，在此基礎上算出光強分布。對于照度數據的獲取，因為基于近場條件開展測量，所以需要點間隔相對近，就普通元件尺寸而言，難以符合陣列間距需要，所以選擇CCD，將其當作照度接收元件[3]。基于近場設計一定的發射光，通過CCD促進光斑成像，然后針對全部像素的灰度值進行轉換，從而形成相應的照度值。

4.光強計算方法

就光源的發光強度來看，其分布一般是把光源當作點光源，它的分布特征同空間角存在很大的聯系，而實施上根本沒有真正的點光源，通常情況下，若是探測元件與光源的距離相差較遠，會讓其反比定律接近滿足，把光源看成點光源，其作用條件是遠場條件，在進行光強檢測時，是比較常見的傳統方法。若是距離條件不能滿足時，可將其看作近場條件。一般來講，其探測距離應超出光源的五倍，建議將光強測量誤差控制在5%上下，從而構建遠場條件。在進行工作時，飛行員可將助航燈具看作點光源。針對發光面比較大的光源，對于現場燈具的運用，若是不進行拆卸及移動，需進行大規模的移動及采樣，利用該方法獲得面光源光強分布是存在一定難度的，對此需綜合分析近場環境下，開展光強檢測工作，同時借助近場的一系列計算，對燈具遠場光強分布進行推導。

在燈具利用現場，由于全部LED形成一個整體，難以借助單個光強分布，針對陣列面光源，獲得與之相關的光強分布，對于每一個LED，不知道它們的光強分布狀況，并且就這個時候測量點而言，其照度值屬于疊加和，因此難以開展光強計算。面對這樣的情況，基于照度誤差，文章給出這樣的一種方法，即：在近場區域內選擇合適的平面，將其當作測量平面，借助照度探頭開展移動以及采樣，從而獲取相應的照度，接下來預設光強分布，在此基礎上對平面照度進行計算，獲得有關數值之后，與實際照度開展對比，同時算出存在的誤差，并及時反饋這樣的誤差，以便對光強分布進行更新，在誤差足夠小的情況下，能夠獲得近似光強分布，隨之可以獲得空間光強分布。圖4所示為光強檢測流程。

結論：針對光強檢測系統，文章闡述了其硬件構成以及檢測流程，著重探討了測量元件CCD，基于近場條件，分析了通過照度開展檢測的難點，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系，可以獲取近似光強分布。

參考文獻：

[1]馬秉正. 基于共軛成像技術的助航燈光強檢測方法研究[D].中國民航大學，2020.

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

[3]王智鵬. 時序拼接光學合成孔徑成像技術研究[D].中國科學院大學（中國科學院光電技術研究所），2017.