CN101405186A - 基于高亮度发光二极管的目视助航设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于引导飞机、船舶或其它交通工具进场路线的目视助航设备。该目视助航设备包括高亮度发光二极管(LED)或发光二极管阵列和光束变换元件以产生具有不同颜色或频闪模式的复合光束用于引导飞机、船舶或其它交通工具进入预定的进场路线。

Description

基于高亮度发光二极管的目视助航设备
相关申请
本申请要求申请号为60/766,371、申请日为2006年1月13日、名称为“基于高亮度发光二极管的目视助航设备”的美国临时申请的在先权利。在此我们申明上述美国临时申请在美国专利法35USC§119(e)之下的利益，并且上述申请在此被引作参照。
技术领域
本发明涉及一种目视助航设备，特别是一种基于高亮度发光二极管(LED)的精确进场路线指示灯(PAPI)。
背景技术
目视进场坡度指示灯(VASI)或精确进场路线指示灯(PAPI)利用多光束光源所产生的颜色变化将交通工具(例如飞机)引导到正确的下滑坡度上。已有VASI或PAPI设备通常采用白炽灯、荧光灯或弧光灯作为光源。一些实例见于美国发明专利4,034,480，4,064,424，4,183,078，4,430,695和4,532,512中。
Mehrtens的标题为“DESCENT SIGHTING DEVICE FOR AIRCRAFT”的美国发明专利4,034,480描述了一种用于飞机在最终跑道着陆阶段为飞行员提供目视着陆导航的独立式照准装置。该装置包括可以瞄准假想进场路线的框架或窗口使飞行员的视线自动对准平行于理想的进场路线，从而帮助飞行员进入期望的着陆点。
Hergenrother的美国发明专利4,064,424描述了一种目视下滑轨道航标系统。其航标灯成对安置在跑道的相对端，因此可以与目前用来指示跑道的传统跑道灯安置在一起。该发明在聚焦透镜的相对侧安置一带孔的反射镜，以消除聚焦透镜会聚光束以提高颜色区亮度后在颜色区外侧形成的黑暗区。从而使飞行员不仅可以看到聚焦的颜色导航区，而且还可以看到航标灯产生的全部导航光束。该发明采用两只光源，例如白炽灯光源，投射产生空间方向略微偏移(例如1度左右)的颜色区，以代替用一只光源加滤色片投射产生颜色区的方法。其中两只光源交替点亮以产生颜色导航区扫描式运动的效果。
Kidd的美国发明专利4,183,078描述了一种用于机场跑道两侧的进场坡度指示灯，该指示灯产生一分割的光束，光束分界区可以按所需飞行路线的角度调节以为进场飞机提供导航。该指示灯包括一个支架，其中安装至少两只探照灯管，每只探照灯管包含一可移动的、预先校准方向的探照灯，探照灯由一光源，一红色滤波片和一发散透镜组成以产生分割的光束。
Payne等人的美国发明专利4,430,695描述了一种用于校准飞机着陆辅助探照灯的目视着陆辅助设备，其着陆辅助探照灯包括一置于抛物面镜焦点的光源，一与抛物面镜同轴的透镜和一置于抛物面镜和透镜之间靠近透镜焦点的滤波片。该设备包括一基座，基座表面作为探照灯支架，一透镜用于会聚探照灯的光束到一成像设备上，和一观测成像设备的装置。当滤波片出现在成像设备的焦点上时，其在探照灯中的位置就是正确的。
Tanner的美国发明专利4,532,512描述了一种用于直升机的全向进场坡度指示灯单元。该单元包括两只安装在旋转轴上的发光方向相反的光源，光源产生不同颜色的光束以向进场飞机警示其与进场坡度指示灯的相对位置。
上述基于电灯的VASI或PAPI设备的缺点是使用寿命较短(小于2000小时)。为解决这一问题，Shemwell在美国发明专利5,278,104中提出了一种基于激光的VASI或PAPI设备和方法用于辅助飞机着陆。该设备产生三种颜色的激光光束，一束激光光束传播在飞机进场路线的平面上，另一束光束传播在飞机的一侧，第三束光束传播在飞机的另一侧。飞机的飞行员可以通过所看到光束的颜色判断飞机是否在进场路线平面上还是在其一侧或另一侧。如果需要，至少一束传播在飞机一侧的激光光束可以分为多束相邻的扇形光束，其中至少一束扇形光束以间断模式发射。然而，基于激光的VASI或PAPI设备有造价高和光功率或光亮度低的缺点。
因此，需要一种改进的VASI或PAPI设备，可以兼备寿命长、造价低和发光亮度高的优点。
发明内容
本发明提出一种新型PAPI或VASI设备，其利用最近发展的高亮度发光二极管(LED)或LED阵列作为光源。LED光源与传统电灯或其他照明光源相比具有多项优点。这些优点包括：每单位功耗(瓦)较白炽灯产生更多光能；再者，LED光源可直接产生所需颜色的光束而无需滤色片，从而使其效率更高且初装成本更低；另外，LED光源的发光色调不会随其驱动电流的降低而变化，而白炽灯在低亮度工作时其发光色调会偏黄。一般情况下，LED采用固态封装保护，使其较白炽灯和放电灯远为耐久。在其额定功率下，LED的使用寿命很长，通常超过10,000小时，这一寿命是荧光灯的两倍，是白炽灯的20倍。其它优点包括点亮时间短，使其可以用于通讯设备。另外，LED光源可以产生很高的光功率和光强度以满足FAA，ICAO，UK-CAA，NATO和其它国际标准对飞机或其它交通工具进场指示灯的要求。
本发明提出一种新颖的光学系统用于控制LED光束的形状，使不同颜色或频闪模式LED光束之间的过渡区压窄到很小的发散角以用于高精度进场路线指示灯。
本发明的另一个目的是提供多个传感元件用于控制PAPI设备的性能。这些传感元件包括倾斜角传感器用于测量LED光束的仰角，温度传感器用于测量环境温度，和光探测器用于测量LED光强及环境光强度。传感器采集的信息发送到一微控制器，以根据PAPI的工作状态调节LED光强。
本发明提出的PAPI设备既可以采用手动控制也可以通过无线收发器进行远程控制。
本发明提出一种用于引导交通工具进入预定进场路线的目视助航设备。该目视助航设备包括：一系列高亮度发光二极管(LED)或发光二极管阵列用于产生具有不同颜色和/或频闪模式的复合光束；和一系列光束变换元件用于控制该光束的形状从而使不同颜色和/或频闪模式的光束通过狭窄过渡区分层排列，并利用光束颜色和/或频闪模式的变化引导交通工具进入进场路线。
本发明提出一种构建具有预定进场路线的交通工具着陆区的方法。该方法包括在着陆区内或附近提供目视助航设备的步骤，该目视助航设备包括：一系列高亮度发光二极管(LED)或发光二极管阵列用于产生具有不同颜色和/或频闪模式的复合光束；一系列光束变换元件用于控制该光束的形状从而使不同颜色和/或频闪模式的光束通过狭窄过渡区分层排列，并利用光束颜色和/或频闪模式的变化引导交通工具进入进场路线。
本发明提出一种具有预定进场路线的交通工具着陆区。该着陆区中或附近包括至少一目视助航设备，每一目视助航设备包括：一系列高亮度发光二极管(LED)或发光二极管阵列用于产生具有不同颜色和/或频闪模式的复合光束；一系列光束变换元件用于控制该光束的形状从而使不同颜色和/或频闪模式的光束通过狭窄过渡区分层排列，并利用光束颜色和/或频闪模式的变化引导交通工具进入进场路线。
附图说明
附图中，在不同视图中相同的参考标号指代相同的或功能类似的元件，附图与以下描述一起构成本说明书的一部分，用于进一步说明各个实施例，以解释本发明所具有的各种原理和优点。
图1显示了一基于LED的精确进场路线指示灯(PAPI)的构成框图；
图2描绘了该精确进场路线指示灯的工作模式；
图3描绘了该精确进场路线指示灯的光学系统设计；和
图4显示了一适用于本发明的安装有目视助航设备的交通工具着陆区。
熟练技术人员会意识到，图中的元件只是以简洁明了的方式展示，并不必完全按照实物比例绘制。例如，图中某些元件的尺寸相对于其他元件可能会夸大，以增进对本发明实施例的理解。
具体实施方式
在描述基于本发明的这些具体实施例之前，需要说明的是，这些实施例主要涉及与基于高亮度发光二极管的目视助航设备有关的方法步骤和装置元件。因而，在图中，装置元件和方法步骤在适当的时候会以常规符号表示，只显示出与理解本发明实施例有关的特定细节，而不写入那些对本领域普通技术人员显而易见的细节以免淡化说明书，从而使说明书具有此优点。
本文中，相对词，例如：第一和第二，顶部和底部，以及类似的用语，只是用于将一个实体或动作与另一个实体或动作相区分，并不必然是要求或暗示着任何实体或动作间实际的此种关系或顺序。词语“包括”或任何其它变化形式，是开放式包含，因此包括一系列组成部分的一个过程、方法、物件或装置并不只是包括那个已列入的组成部分，还可能包括其他的未列入的、或在这些过程或方法或物件或装置中不是固有的组成部分。一个组成部分前面有“一”字并不排除多个同样的组成部分包括在其过程、方法、物件或装置中。
图1显示了本发明一优选实施例的构成框图，图中描绘了一包含两组高亮度LED 102和104的精确进场路线指示灯(PAPI)100，其中两组LED分别产生两束不同颜色，例如白色和红色的光束。根据应用需求，LED光束的最大亮度可以达到大于30,000坎德拉(candela)的水平。这一高亮度可通过采用板上芯片直装(COB)LED技术获得，其中LED芯片以表贴方式直接封装在导热的基板上以获得较高的散热效率。采用COB封装的LED芯片可以获得更大的发光面积和更高的驱动电流以增加其输出功率。COB封装还使LED寿命延长及光波长和亮度更稳定。LED的驱动电流可以通过LED驱动电流控制器106和108及微控制器110控制以调节LED的光强，其中微控制器110既可以从前面板接收指令也可以通过无线收发器接收指令(前面板和无线收发器没有在图中示出)。
PAPI设备100中集成有多个传感元件用于实现LED亮度的自动控制。参考图1，光探测器112用于测量环境光强度。测得的信息发送到微控制器110以切换PAPI 100的工作模式，即白天工作模式(对应于90-100％LED最大光强)和夜晚工作模式(对应于5-20％LED最大光强)。另一只光探测器113用于测量LED光源102和104的光强，以为微控制器110提供反馈控制信息，从而使LED光强在元件老化或工作条件和环境状况变化时仍能维持在稳定的水平上。倾斜角传感器114用于测量PAPI设备100的仰角。所测得的数据可以显示在前面板上以用于光束瞄准。同时，该数据发送到微控制器110从而微控制器110可以通过倾斜角控制器116自动控制PAPI 100的仰角。当测得的仰角数据超出一定允许范围时，微控制器110可以进一步关断LED光源102和104。另外，PAPI 100还包括一温度传感器118，其获得的温度信息发送到微控制器110以根据环境温度变化调节LED的驱动电流从而消除温度变化引起LED光强的变化。所示PAPI设备100可以由标准交流电源120驱动。PAPI设备100内置一交流-直流转换器112用于为其所有元件提供直流电。
图2描绘了该PAPI设备的工作模式。白色LED 102产生位于上层的白色光束101，红色LED 104产生位于下层的红色光束103。通过控制LED光束的形状使白色照明区101和红色照明区103沿水平方向上一很窄的过渡区105分开。过渡区105的垂直发散角(α)小于3分(＜3’)。需要注意的是，为了显示方便图中发散角α有所夸大。LED模块的倾斜角(β)可以在一定范围内(例如2°到8°之间)调节以适应不同下滑坡度的要求。
图3详细描述了光束变换光学系统。COB封装的红色LED 104垂直安装在热沉124上。红色LED 104产生的光束由一组光学透镜126，128收集并在透镜组126，128的像平面上形成LED的镜像。一光束变换元件130置于该像平面上，该光束变换元件由一光瞳132和一具有锐利边沿的刀口134组成。刀口134阻挡LED镜像的下半部从而形成一沿水平面具有锐利线状边沿的照明图案。光束变换元件130的倾角和垂直位置可通过两个调节螺杆精密调节。所形成的照明图案位于另一光学透镜136的焦平面上，该透镜将LED光束准直并形成一具有锐利边沿和固定仰角的红色LED光束，其中LED光束的仰角由LED装置的倾斜角决定。具有锐利边沿的白色LED光束可以通过类似方式产生。这时，刀口置于阻挡LED镜像上半部的位置上。将两束LED光束沿它们的线状边沿组合就可以形成一双色的LED光束，其中白色光束位于上半层，红色光束位于下半层。通过精密调节各LED单元中光束变换元件130的位置，可以使白色照明区和红色照明区之间的过渡区尽量窄。在本实施例一个略为不同的变化中，标准光学透镜136可以用柱透镜代替以进一步压窄过渡区的垂直宽度或发散角。
图4显示了一用于交通工具例如飞机402的由本发明图1中所描述的PAPI设备100所定义的进场路线400。该交通工具可以是飞机402，飞船等等。PAPI设备100置于跑道404的着陆区。例如，PAPI设备100可以安装在跑道上或其附近。着陆区除飞机跑道以外还可以是港口的码头等其它实体。所有交通工具着陆区均可受益于本发明所提供的PAPI设备100。
在本发明的另一实施例中，红外LED取代可见LED为佩有夜视镜的飞行员提供助航。在这一实施例中，LED或LED阵列产生两束光束，其中之一通过强度调制产生一定频闪模式。利用与实施例一中类似的光束变换元件，恒定光束和频闪光束组合形成具有多重频闪模式的复合光束，不同频闪模式光束间以狭窄过渡区分开。LED光束的强度和频闪模式可以通过微控制器自动控制以适应不同环境条件。
在本发明的又一实施例中，一具有多重颜色(紫外，可见或红外)和/或多重频闪模式的LED光束作为中心线指示灯引导飞机进入机场跑道的中心线。在这一实施例中，LED光束沿水平方向分为多层，层间狭窄过渡区与跑道中心线对齐。进场飞机的飞行员根据其所观察到的颜色或频闪模式调整其进场路线。
在前文说明书中，描述了本发明的具体实施例。但是，本领域普通技术人员意识到，在不脱离本发明的保护范围的情况下，可以做出一些修改和变化。例如，随着半导体技术的发展，会出现更高亮度的LED。因此，PAPI设备中所用LED的数量可进一步减少。LED光束中可以引入更多的颜色或频闪模式以提供更加精确的进场路线指示。具体实施例中引用的LED颜色、频闪模式和光亮度是说明性而并非限定性的。基于LED的进场路线指示灯可以应用于任何需要路线对准的导航辅助应用。例如，该LED指示灯可以用作门标以引导飞机靠近指定的登机门或装货码头。另外，本发明可用作海上导航以引导进港船只进入指定的航道/港口/天桥。因而，说明书和附图应解释为仅仅是说明性的而并非限定性的，所有变型均包括在本发明意图保护的范围内。文中所提到的一切好处、优点、问题解决方案或者任何可能带来的或更显著的好处、优点、问题解决方案的元件均不能解释为任何权利要求的关键的或必须的或本质的技术特征或元件。本发明的权利仅由所附权利要求书所定义，包括在申请过程中所做的任何修改，以及授权权利要求的所有等同物。

Claims (24)

1.一种用于引导交通工具进入预定进场路线的目视助航设备，该目视助航设备包括：
一系列高亮度发光二极管(LED)或发光二极管阵列用于产生具有不同颜色和/或频闪模式的复合光束；
一系列光束变换元件用于控制该光束的形状从而使不同颜色和/或频闪模式的光束通过狭窄过渡区分层排列，并利用光束颜色和/或频闪模式的变化引导交通工具进入进场路线。
2.如权利要求1所述的目视助航设备，其光束变换元件包括一具有锐利线状边沿的挡光元件。
3.如权利要求1所述的目视助航设备，其发光二极管(LED)或发光二极管阵列产生紫外、可见和/或红外光束。
4.如权利要求1所述的目视助航设备，还包括一控制单元用于控制发光二极管(LED)的亮度，其中该控制单元可以接收近端和远端的指令。
5.如权利要求4所述的目视助航设备，还包括一系列传感元件。
6.如权利要求5所述的目视助航设备，其传感元件包括一光探测器，一温度传感器和/或一倾斜角传感器。
7.如权利要求5所述的目视助航设备，其传感元件采集的信息可发送到控制单元用于自动调节发光二极管(LED)的亮度。
8.如权利要求1所述的目视助航设备，还包括一倾斜角控制器用于控制该目视助航设备的倾斜角度或方位。
9.一种构建具有预定进场路线的交通工具着陆区的方法，该方法包括在着陆区内或附近提供目视助航设备的步骤，该目视助航设备包括：
一系列高亮度发光二极管(LED)或发光二极管阵列用于产生具有不同颜色和/或频闪模式的复合光束；
一系列光束变换元件用于控制该光束的形状从而使不同颜色和/或频闪模式的光束通过狭窄过渡区分层排列，并利用光束颜色和/或频闪模式的变化引导交通工具进入进场路线。
10.如权利要求9所述的方法，其光束变换元件包括一具有锐利线状边沿的挡光元件。
11.如权利要求9所述的方法，其发光二极管(LED)或发光二极管阵列产生紫外、可见和/或红外光束。
12.如权利要求9所述的方法，还包括一控制单元用于控制发光二极管(LED)的亮度，其中该控制单元可以接收近端和远端的指令。
13.如权利要求12所述的方法，还包括一系列传感元件。
14.如权利要求13所述的方法，其传感元件包括一光探测器，一温度传感器和/或一倾斜角传感器。
15.如权利要求13所述的方法，其传感元件采集的信息可发送到控制单元用于自动调节发光二极管(LED)的亮度。
16.如权利要求9所述的方法，还包括一倾斜角控制器用于控制该目视助航设备的倾斜角度或方位。
17.一种具有预定进场路线的交通工具着陆区，该着陆区中或附近包括至少一目视助航设备，每一目视助航设备包括：
一系列高亮度发光二极管(LED)或发光二极管阵列用于产生具有不同颜色和/或频闪模式的复合光束；
一系列光束变换元件用于控制该光束的形状从而使不同颜色和/或频闪模式的光束通过狭窄过渡区分层排列，并利用光束颜色和/或频闪模式的变化引导交通工具进入进场路线。
18.如权利要求17所述的着陆区，其光束变换元件包括一具有锐利线状边沿的挡光元件。
19.如权利要求17所述的着陆区，其发光二极管(LED)或发光二极管阵列产生紫外、可见和/或红外光束。
20.如权利要求17所述的着陆区，其每一目视助航设备还包括一控制单元用于控制发光二极管(LED)的亮度，其中该控制单元可以接收近端和远端的指令。
21.如权利要求20所述的着陆区，其每一目视助航设备还包括一系列传感元件。
22.如权利要求21所述的着陆区，其传感元件包括一光探测器，一温度传感器和/或一倾斜角传感器。
23.如权利要求21所述的着陆区，其传感元件采集的信息可发送到控制单元用于自动调节发光二极管(LED)的亮度。
24.如权利要求17所述的着陆区，其每一目视助航设备还包括一倾斜角控制器用于控制该目视助航设备的倾斜角度或方位。
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