动态光环境下机载显示器亮度自动调节系统设计

曾庆兵，吴伟国，冉 剑，文培乾

(1.上海航空电器有限公司，上海 201101;2.驻上海航空电子公司军事代表室，上海 201101)

引言

现代飞机任务功能不断加强，相应，与飞行任务相关的信息急剧增加，传统的机械、电子仪表已不能满足应用要求，显示信息已逐渐集成至机载显示器上。航行过程中，受高空正午强光、云层反射眩光、向光飞行等状态动静态光环境影响，尤其对于歼击机等高机动性的飞行器，随着其进行轴线滚动、垂直翻滚或者切入厚云层等飞行动作，显示器上的光环境快速动态变化［1］，严重影响机组人员辨识显示器上信息，轻则影响作战绩效，重则造成视盲，引发飞行事故。为消除强光快速变化影响，要求显示器依据驾驶舱光环境变化自适应调节亮度。

目前显示器亮度主要采取手动调节方式，由机组人员根据需要旋转亮度调节旋钮，但手动调节费时、效率低，强光快速变化时可能来不及亮度调节，极易造成机组人员视盲，引发飞行事故。显示器亮度自动调节方式［2－3］是消除飞行光环境影响的有效方式，但现有的自动亮度调节系统中显示器亮度变化速率与环境光变化速率相一致［4－6］，这对于黄昏、拂晓等光环境变化相对较慢的场合效果较好，但是对于入云、出云、翻滚等光环境快速变化的场合，现有亮度自动调节方法的调节效果不佳，容易造成机组人员亮暗变化的强烈不适，主要是因为亮度调节未考虑人眼的亮、暗适应特性。

针对强光快速变化条件下，显示器亮度剧烈变化给人眼造成不适的问题，本文提出一种航空机载显示器亮度自动调节系统，本亮度调节系统以光照传感器检测驾驶舱内环境光变化，根据显示器亮度控制模型计算显示器目标亮度，并依据人眼亮、暗适应曲线调节显示器当前亮度。

1 显示器亮度自动调节原理

显示器亮度自动调节时，通过光照传感器检测到环境光照度后，根据显示器亮度控制模型确定当前环境光照度下显示器目标亮度，然后依据人眼亮、暗适应曲线调节显示器当前亮度，其中显示器亮度控制模型和依人眼亮暗适应曲线调节亮度是显示器亮度自动调节的关键。

显示器亮度控制模型定义了驾驶舱内环境光照度和显示器亮度对应关系，该亮度控制模型通过视觉工效实验建立。视觉工效试验的理论基础为韦伯—费希纳定律，韦伯—费希纳定律给出了人眼受到某些刺激时，人眼主观亮度与光源亮度之间的关系。人眼的主观亮度F与光源亮度B的对数成正比:

其中K0和K是与周围环境亮度有关的常数。不同亮度B时，人眼能察觉的最小光源亮度变化ΔBmin取决于相对亮度变化。人眼可察觉的最小相对亮度变化ΔBmin/B称为对比灵敏度阈，以δ表示，其值通常在0.005～0.05之间［7］。视觉工效实验时模拟太阳光源形成照度不同的环境光，环境光照度按照韦伯—费希纳定律以等比关系进行变化，在某一环境光照度时，由机组人员判读显示器上视标，若观看舒适，则认为当前显示器亮度为舒适亮度，否则，旋转显示器亮度调节旋钮，调节出舒适亮度。根据环境光照度和显示器亮度对应关系建立显示器亮度控制模型，视觉工效试验示意图如图1所示。

图1 视觉工效试验示意图Fig.1 The sketch of visual ergonomics experiments

依人眼亮暗适应曲线调节亮度定义了驾驶舱光环境由亮环境进入暗环境或由暗环境进入亮环境时显示器亮度的变化规律。当从亮环境进入到暗环境时，在一段时间内机组人员完全看不到或很难看到视觉对象，过一段时间，随着视觉感度的升高逐渐能看见视觉对象，最后视觉观察达到稳定和清晰，这种视觉系统感度的升高被称为暗适应，相反，从暗环境进入到亮环境过程中视觉系统感度下降的现象被称为亮适应。虽然人眼视觉系统能适应光环境亮度的亮暗变化，但是亮暗适应时间的长短取决于亮度变化的量级，亮度差异越大，适应时间越长［8］。并且，暗适应时间 (约30min)要长于明适应时间 (5～15min)，明暗适应曲线如图2所示。

图2 明暗适应曲线Fig.2 The bright and dark adaptation curves

2 亮度自动调节系统设计

显示器亮度自动调节系统包括环境光照度检测单元和亮度调节控制单元。显示器亮度自动调节系统原理框图如图3所示。环境光照度检测单元利用光照传感器检测驾驶舱内环境光照度;亮度调节控制单元采集、处理光照传感器输出信号后得到环境光照度，根据亮度控制模型计算各显示器目标亮度值，并依据人眼亮暗适应曲线计算显示器当前亮度值，最后将亮度值通过ARINC-429总线发送给显示器;显示器接收、解析亮度值后给出与亮度值相应的背光亮度。

2.1 系统硬件设计

2.1.1 环境光变化检测单元

环境光变化检测单元为光照传感器，其作用是检测环境光的光照强度，将环境光照度转换成电信号。光照传感器布置在显示器周围［9］。光照传感器的核心器件是光电二极管，当无光照射时，光电二极管产生的暗电流很小，光照传感器的输出电压较低;当受到光照射时，光电二极管产生的电流随之增加，光照传感器的输出电压相应升高。光照传感器的电路原理图如图4所示。

面积为S、光通量为Φ的光照传感器其接收面可认为是理想漫散射面，发光强度为I的点光源照射在光照传感器上时，光照传感器上平均照度E为:

式中，dΦ为面元dS上的光通量，dw为面元dS对点光源所张的立体角，θ为面元法线与照射光线间夹角，l为面元与点光源间距离。

光照传感器能检测 (0～100000)lx范围内环境光照度，输出电压范围为 (0～5.1)VDC。该光照传感器的R2与R3构成分压电路，分压比为10/28，对光电二极管的输出电压进行分压，D1为5.1V的稳压管，用于对光电二极管输出电压进行稳压，保证传感器输出电压在限定范围，电阻R1和电容C1实现对光电二极管输出信号的反馈检测。

图4 光照传感器电路原理图Fig.4 The circuit diagram of light sensors

2.1.2 亮度调节控制单元

亮度调节控制单元原理框图如图5所示。亮度调节控制单元为亮度控制组件，安装在驾驶舱内操纵台上。光照传感器的模拟量输入信号经过滤波、放大及过压保护等处理后进入DSP的ADC采样通道。DSP采样、处理光照传感器输出信号后按照电压—照度模型得到显示器上环境光照度，根据亮度控制模型计算出显示器目标亮度，然后依据人眼亮暗适应曲线求取显示器当前亮度值，并将亮度值通过ARINC-429总线发送给多个显示器，ARINC-429总线为航空领域广泛应用的航空电子总线，具有接口方便、可靠性高、抗干扰能力强等优点。

图5 亮度调节控制单元原理框图Fig.5 The principle diagram of the luminance dimming unit

亮度调节控制单元具有亮度控制模型数据更新接口，通过RS232接口与外部交互数据，亮度调节控制单元自动识别连接状态，当连接成功后，则准备更新亮度控制模型数据。

为满足亮度调节控制单元模拟信号采样、总线通信、亮度数据计算等功能要求，亮度调节单元中采用了CPU结构，并配置相应的滤波电路、数据存储模块及通信接口电路等。光照传感器信号滤波电路原理图如图6所示，R27、R28、R40、U2B、C5、C6构成输入二阶滤波网络，主要起到电压跟随隔离、二阶滤波的功能，其中R27=R28=1K，C5=C6=100nF;R30、C7构成一阶滤波网络，选取R30=10K、C7=10nF，使之有与二阶滤波网络相同的时间常数;U2C构成电压跟随器;R12、D3构成稳压电路，限制输出电压不会超出5.1V。ARINC-429总线是单向传输总线，总线上的发送端口与接收端口分离，本文中，亮度调节控制单元上为发送端口，显示器上为接收端口，总线上有多个接受端口，ARINC-429总线接口电路如图7所示。

图6 光照传感器信号滤波电路Fig.6 The filter circuit diagram of light sensor signals

图7 ARINC-429总线接口电路Fig.7 The diagram of ARINC-429 bus interface circuit

2.2 系统软件设计

显示器亮度自动调节系统的软件为亮度调节控制单元软件，亮度调节控制单元软件装载于亮度控制组件中。

亮度调节控制单元软件主要包括:

(1)光照传感器数据采集模块。主要负责采集光照传感器的模拟量信号;

(2)数据处理模块。主要是分析、处理采集的数据和总线接收数据;

(3)总线数据收发模块。主要完成亮度数据的接收和发送;

(4)地面维护接口。主要完成亮度控制模型数据的下载和地面维护。

(5)BIT诊断模块。进行BIT诊断并获取结果数据。

显示器亮度调节系统亮度调节的总体流程框图如图8所示，软件开发环境为Code Composer Studio v3.3集成开发环境，编程语言为C语言。主要步骤为:

(1)程序初始化。初始化时间变量T、TN，T为环境光变化的持续时间，TN为上一次亮度变化的时间，T、TN设置为当前系统时间;

(2)采集光照传感器信号。读取显示器上传感器值，判定当前环境光照度，根据显示器亮度控制模型，确定显示器当前亮度，同时改变显示器亮度。显示器亮度控制模型定义了环境光照度和显示器亮度之间的对应关系;

(3)更新环境光照度。读取显示器上传感器值，更新当前环境光照度值;

(4)更新目标亮度。由当前环境光照度值，根据显示器亮度控制模型，得到显示器目标亮度;

(5)判定目标亮度和当前亮度的等同性。若目标亮度和当前亮度相等，则更新时间变量T、TN，显示器亮度不变，返回步骤 (3);否则转到步骤 (6);

(6)比较目标亮度和当前亮度的大小。若目标亮度大于当前亮度，则增加当前亮度，并返回步骤(3)，若目标亮度小于当前亮度，则减少当前亮度，并返回步骤 (3)。

其中步骤 (6)中，若目标亮度大于当前亮度，计算目标亮度和当前亮度的差值，由亮度差值计算出当前亮度变换到目标亮度所需的时间TU;更新时间变量TN，并计算时间变量T和时间变量TN的差值ΔT。若ΔT＞TU，按照人眼亮适应曲线表增加当前亮度，并按照当前亮度改变显示器亮度，同时更新时间变量T，TN，返回步骤 (3);若ΔT＜TU，更新时间变量TN，显示器亮度不变，返回步骤 (3);

若目标亮度小于当前亮度，计算当前亮度和目标亮度的差值，由亮度差值计算出当前亮度变换到目标亮度所需的时间TU;更新时间变量TN，并计算时间变量T和时间变量TN的差值ΔT。若ΔT＞TU，按照人眼暗适应曲线表减小当前亮度，并按照当前亮度改变显示器亮度，同时更新时间变量T、TN，返回步骤 (3);若 ΔT＜TU，更新时间变量TN，显示器亮度不变，返回步骤 (3)。

图8 显示器亮度调节系统的总体流程框图Fig.8 The flow block diagram of the auto-dimming system of cockpit displays

3 结束语

本文针对强光快速变化条件下，显示器亮度剧烈变化给人眼造成强烈不适的问题，设计了一种机载显示器照明亮度自动调节系统。由于显示器亮度调节时完全依照人眼亮暗适应曲线，保证了显示器亮度变化的柔和、均匀。该亮度调节系统已在飞机上实际应用，应用中表现出了亮度舒适、调光过程光色一致性好等优点。

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