基于成像式照度测量的菲涅尔光学助降系统设计

唐翠容， 武文彬， 左 勇， 徐 永

（北京长城计量测试技术研究所，北京 100095）

基于成像式照度测量的菲涅尔光学助降系统设计

唐翠容， 武文彬， 左 勇， 徐 永

（北京长城计量测试技术研究所，北京 100095）

为了解决菲涅尔光学助降系统的检测问题，提出了一种基于成像式照度探测法的菲涅尔灯发光强度测量方案，并研制了成像式照度探测装置。试验结果表明该装置可远距离对大口径、大发光角度的菲涅尔灯进行发光强度的探测，满足菲涅尔光学助降系统检测装置测量的要求。

计量学；光学助降系统；菲涅尔透镜；成像式照度探测装置

1 引 言

菲涅尔光学助降系统（Fresnel Lens Optical Landing System，FLOLS）是当代航母上典型的光学着舰引导系统，该系统的检测和校准研究对保证舰载机的着舰安全起着至关重要的作用［1］。FLOLS作为基本的目视助降设备，最显著的优点就是在空中提供了光学下滑道，所谓的光学下滑道是指菲涅尔透镜光学助降系统发出的相对海平面保持一定倾斜角的5层光波束［2］，让着舰变得相对安全。

2 菲涅尔光学助降系统检测装置技术指标

菲涅尔灯发光强度检测系统要求可远距离对大口径、大发光角度的菲涅尔灯进行发光强度的探测，得到光强的空间分布，并且具有测量速度高和消除背景光干扰的特点。具体技术指标：光强测量范围为0～5000 cd；测量分辨率为4 cd；杂光衰减率为80%；口径＞0.5 m；水平角度测量范围＞20°；垂直角度测量范围＞20°［3］。

3 菲涅尔灯发光强度测量方案

3.1 总体测量方案

菲涅尔灯的发光强度检测系统大多采用了大口径的反射镜，使检测系统设备承重、空间需求大，而且反射镜的面形误差、安装精度对系统的检测精度影响非常大。而选用旋转灯具的方式可以更方便来进行光强检测。

如图1所示，菲涅尔灯安装在二维转动平台上，照度探测系统由3个部分组成：（1）分光成像模块，包含成像透镜与分光棱镜，分别将菲涅尔灯成像并分光；（2）图像采集模块，包括CCD与显示器，用于显示菲涅尔灯的像并瞄准对中；（3）照度探测模块，包括照度探头、信号放大、A／D转换和计算机，照度探头采集到菲涅尔灯发出的光，通过信号放大、模数转换，最后传送给计算机进行数据处理和相关光度参数的分析。

图1 菲涅尔灯发光强度测量方案示意图

3.2 成像式照度探测方案分析

为了使菲涅尔灯发光强度测量达到一定的精度，以及分布曲线测量准确性达到一定的高度，需要测量的相对距离越远越好。光强度的测量通常是通过照度测量实现的［4］，菲涅尔灯发光强度与测量距离的关系为：I＝El2，发光强度正比于距离的平方和照度，可见距离越远，照度越小，对照度探测的精度要求也越高。而成像式照度探测就能满足上述要求，具有以下几个优点：（1）提高到达照度探头的光通量（SA／SB倍，SA为成像透镜的通光面积，SB为照度探头的光敏面面积）。由于测量距离较远，用照度计直接测量时，到达照度探头的光线少，光电流小，在照度探头灵敏度一定的情况下，测量得到的照度精度较低；（2）提高检测系统对杂散光的抗干扰能力。由于杂散光是光度计测量中影响测试精度重要的因素，而成像式照度探测结构只有视场中的物发出的光才能到达照度探头，同时对于杂散光，若将光学系统内表面做了发黑处理或者加工消杂光螺纹，则杂散光被镜管吸收，可有效地避免杂散光的干扰；（3）系统简化，便于使用。由于测量和对焦共用一个光学系统，使系统简化。采用CCD进行瞄准时，CCD的中心和照度探头的中心都在光轴上，不用随距离变化修正瞄准轴，便于使用。

4 成像式照度探测装置设计

4.1 光学设计

成像式照度探测系统包含两个接收元件，分别是CCD和照度探头。CCD的尺寸选择不能过大或过小，选用1／2″（6.4 mm×4.8 mm）的CCD，光斑大小约占CCD的1／14，使用时，能在视场范围内较好地搜索菲涅尔灯所在位置以及对准。同样对于照度探头尺寸的选择不能过大或过小，综合考虑本系统的成像放大倍率以及光源的尺寸，选择尺寸2.7 mm ×2.7mm的照度探头。照度探头光通量接收面、显示器以及菲涅尔灯的像对应的位置关系如图2所示。

图2 成像式照度探测光路

检测仪器工作距离为10～400 m，如果使用同一种焦距的成像透镜，那么在远距离测量时，光斑非常小。由于探测器接收面上，各个位置的响应度存在差异，光斑过小时测量误差大。基于上述分析，采用3种不同焦距的透镜，焦距分别为：40 mm、160 mm、300mm，测量距离分别为：近场光度标定和目标搜索、50～200m、100～400m。

对于焦距为40 mm的透镜，相对孔径D／f′＝7／20，孔径D＝14mm，对于物距s＝13.3m，尺寸为DL×DL＝500mm×500mm的菲涅尔灯在CCD和探测器上成像，像斑边长满足

对于500mm×500mm的菲涅尔灯，使用焦距f′＝160mm的镜头，测量距离s为50～200m时，CCD

即CCD与照度探头上的光斑边长与照度探头上的光斑边长

同理使用焦距f′＝300 mm的镜头，测量距离s为100～400m时，CCD与照度探头上的光斑边长

因此，照度测量由f160和f300镜头完成，f40镜头主要进行近距离光度标定，以及远距离测量时用于菲涅尔灯搜索和对准。

由于测量的菲涅尔灯具有多种颜色［5］，需采用消色差正胶合透镜，可以使菲涅尔灯发出的不同颜色的光在像面上的球差最小，保证成像质量。设计的3种不同焦距的消色差双胶合透镜参数见表1。

表1 消色差正透镜设计参数mm

4.2 结构设计

照度探测系统的结构如图3所示，镜筒与管座之间采用梯形螺纹连接。梯形螺纹螺距大，能够实现3种不同焦距的透镜快速的装卸；同时，梯形螺纹能够实现调焦的功能。

图3 成像式照度探测系统结构图

为了保证照度探测角度精度，要求菲涅尔灯的中心与探测系统的光轴同高，因此使用高度可调的三角架来支撑检测装置和调整探测系统光轴的高度。照度探测中的转接模块用于安装分光棱镜，并连接CCD和照度计，用于成像显示和照度探测。

5 成像式照度探测装置试验

成像式照度探测，配备3种焦距的成像镜头，有4种测量档位状态。试验中使用大动态点光源用作成像式照度探测装置的辐射源，其具有辐射发光强度高，发光强度可调和色温不变等特点，通过水平、俯仰调节机构，对准被测光源，光电采集探头进行照度探测，经数模转换后由串口输出测量结果。

5.1 发光强度测量动态范围试验

成像照度计的发光强度动态范围试验结果为在各个档位最大读数Dm均为3209。由成像照度探测各档的最大读数Dm得出发光强度测量的动态范围Dm∶1。所以，成像照度计各档发光强度测量的动态范围均为3 209∶1，大于要求的测量动态范围5 000∶4＝1250∶1。

5.2 照度和发光强度分辨率试验

设各档的照度量程Em及最大度数Dm，由式（1）计算各档的照度分辨率：

设定测量距离l，可由式（2）计算发光强度的测量分辨率：

各档的照度分辨率ΔE及不同测量距离下发光强度的量程Im和发光强度测量分辨率ΔI如表2。

由表2可以看出，成像照度计的发光强度量程和分辨率不仅与档位有关，也与测量距离密切相关。对于不同的测量距离，应选择合适的档位进行测量。当被测目标较远时应选择较为灵敏的档位，如×1档以提高分辨率；当被测目标较近时应选择较高档位，如×1000档，以扩大测量范围。

表2 不同测量距离时量程与分辨率

5.3 照度测量重复性试验

由5次标定数据统计出成像照度计同一读数对应的照度重复性曲线如图4所示，

图4 成像照度计5次标定试验结果

其中Ei为各次标准照度计读数。

5.4 杂光衰减率

主要试验成像照度计中遮光罩及镜筒的消杂光能力，分析环境杂散光对测量精度的影响。成像照度计读数E1＝13，非成像照度计读数E2＝1 965，得到的杂光衰减率为：

由图4可以看出，成像照度计读数在0～2 500范围内，标准照度E与成像照度计读数D间基本线性。若仅使用0～2 500之间的线性区域，其测量动态范围也可达2 500∶1，为要求测量动态范围5 000 cd∶4 cd＝1 250∶1的2倍，足以满足要求。在成像照度计读数D为0～2 500的近似线性区间内（约占全量程的80%），照度E测量的平均重复性由公式（3）得出为0.14 lx。

6 结 论

根据提出的基于成像式照度探测法的菲涅尔灯发光强度测量方案，研制了成像式照度探测装置。通过试验结果表明，成像式照度测量发光强度的测量范围及分辨率与测量距离有关，随测量距离的增大测量范围增大，同时测量分辨率降低；反之，随测量距离的减小测量范围减小，同时测量分辨率提高。要求的测量动态范围（测量范围上限：测量分辨率）为1 250∶1，成像式照度探测装置测量动态范围为3 209∶1，其中线性区测量动态范围为2 500∶1，优于相关技术指标要求；线性区范围内，光照度测量的重复性为0.14 lx；杂光衰减率大于99%，均满足菲涅尔光学助降系统检测装置技术指标的要求。

［1］ 彭秀艳，赵希人.舰载机起降指导技术研究现状及发展趋势［J］.机电设备，2006，23（2）：12－15.

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

［3］ 杨一栋.舰载飞机着舰引导与控制［M］，北京：国防工业出版社，2007.

［4］ 金伟其，胡威捷.辐射度、光度与色度及其测量［M］.北京：北京理工大学出版社，2011.

［5］ 胡恩勇.光波束着舰引导系统研究［D］.南京：南京航空航天大学，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”国防科技工业技术基础科研项目（J052009B002）

唐翠容（1961－），女，北京人，中航工业北京长城计量测试技术研究所工程师，主要从事几何量计量测试工作。hit99335＠sohu.com