CN101608909A - Led精密进近航道指示器两色光束中心过渡区角度的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学测量技术领域，具体为一种LED精密进近航道指示器两色光束过渡区角度的测试方法。该方法包括搭建测试系统，测试采样和数据处理等。测试系统包括待测LED精密进近航道指示器、测试屏、V(λ)滤光片、CCD摄像机和计算机。经过V(λ)滤光片，由CCD摄像机采集指示器发出的两色光束的灰度值，使用数理方法以及计算机图像处理技术对采集的数据进行处理，进而计算得到两色光束中心过渡区的角度，实现过渡区角度的精密测试。

Description

LED精密进近航道指示器两色光束中心过渡区角度的测量方法

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种LED精密进近航道指示器两色光束中心过渡区角度的测量方法。

背景技术

半导体技术继引发了微电子革命之后，又在孕育着一场新的产业革命---照明革命。发光二极管(LED)的特点使其在显示及特种照明等领域获得很大的应用。在航空灯具领域，各式灯具也逐渐应用LED作为其光源，来实现节能减排的目的。

随着飞机制造业的高速发展和喷气式飞机的使用，飞机的进近速度越来越快，进近时间越来越短，因而给飞行员提供准确的进近目视坡度信号就变得更加重要。精密进近航道指示器就是通过不同颜色的信号组合来帮助飞行员判断飞机的进近高度，指示器发出的红白两色光束过渡区的角度对于信号的准确性至关重要。相关国际标准严格规定，两色中心过渡区的角度不得大于3分。现代光电测试仪器用来测量角度的仪器有很多，但是可以用来精确测量出精密进近航道指示器两光束过渡区角度的测量仪器至今尚未见报道。

目前，国内外机场通常通过在光束照射到一定距离的线性变化来目视判断过渡区角度是否大于3′。使用该种方法来测试指示器的两色光束的过渡区角度，由于人的主观因素会带来一定的偏差，无法保证飞机降落的安全，而这种方法目前主要针对使用卤钨灯的指示器，而针对应用LED的精密进近航道指示器两色光束中心过渡区角度的测量方法尚未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种LED精密进近航道指示器两色光束中心过渡区角度的测量方法，以消除目前使用目视方法判断角度而出现偏差的问题，实现对指示器光学参数-两色光束的中心过渡区角度的精密测量。

本发明提出的LED精密进近航道指示器(以下简称指示器)两色光束过渡区角度的测量方法，具体步骤如下：

(1)搭建测试系统

将一台待测试LED精密进近航道指示器放在需要的位置，指示器光源采用白光LED和红光LED，指示器发出的光束在水平方向的光束角为±10°，俯仰方向的光束角度为±4°，在距离指示器L米(一般为3～7米，实施例中L取5米)处放置一测试屏，该测试屏的屏面垂直于所述指示器的中心光轴，能够让光束均匀的通过。沿着光传播的方向，在测试屏后放置一V(λ)滤光片，V(λ)滤光片后面放置一台CCD摄像机，用以采集指示器发出的两色光束，测试屏与CCD靶面相对于CCD镜头是一对共额的物像关系，CCD摄像机与计算机直接相连，CCD摄像机采集到的两色光束的由灰度值表示的光斑图像数据存储于计算机中；

(2)测试采样

测试时，上述测试系统各个部件的相对位置不变，将指示器的两色光(白光LED和红光LED)先后发光，CCD摄像机分别采样灰色值图像，并分别记录其原始数据；将两色光灰度值图像记录在同一张图像上，在该图像垂直于两色光过渡区域中心线、并过其中心点的垂直线(即采样线，图2，3中的C-C线)上，在红光区域和白光区域分别采样记录灰度值表示的图像的若干离散点数据；

(3)数据处理

由计算机软件对记录数据进行预处理，即通过Fourier变换，滤去背景照度和高频噪声；并通过数理方法和计算机图像处理技术根据垂直于过渡区域中心线的垂直线(即采样线C-C)上采样的光束灰度值，分别对于红光区域和白光区域的离散数据进行曲线拟合，分别得到红光和白光在采样线C-C上的二次曲线；再根据2条二次曲线图形，计算得到过渡区角度，从而实现过渡区角度的精确测量。

本发明有以下特点：

1.LED精密进近航道指示器应用红光LED和白光LED作为光源。

2.被测试LED精密进近航道指示器发出的光束在水平方向光束角为±10°，俯仰方向的光束角为±4°的充满或者照射在测试屏的适合位置，光束中心光轴垂直于测试屏，照射在测试屏上形成两色光的光斑，经过V(λ)滤光片后，在CCD摄像机的靶面上成像，采样灰度值表示的光斑像数据，并存储于计算机；

3.针对应用LED的精密进近航道指示器是由红光LED阵列和白光LED阵列组成的特点，本方法保持测试系统结构的相对位置不变，采用两色光依次发光，CCD摄像机采集灰度值图像，分别记录其原始数据，红白两色光的采样次序不分先后，两色光灰度值图像记录在同样一张图像上，在该图像垂直于两色光过渡区中心线、并过其中心点的垂直线(图2，3中C-C线)上，在红光区域和白光区域分别采样记录灰度值表示的图像的若干离散点数据。

4.通过数理方法以及计算机图像处理技术根据垂直于过渡区中心线的垂线上采样的光束灰度值，分别对红光区域和白光区域的离散数据进行曲线拟合，并且进行处理，最终实现过渡区角度的精密测量。

附图说明

图1是针对LED精密进近航道指示器两色光束中心过渡区角度测量方法的示意图。

图2为CCD摄像机采样上半部分白光束图像。

图3为CCD摄像机采样下半部分红光束图像。

图4为拟合曲线。其中，(a)为白光拟合曲线，(b)为红光拟合曲线。

图中标号：1为计算机，2为CCD摄像机，3为V(λ)滤光片，4为测试屏，5为LED精密进近航道指示器(简称指示器)。

具体实施方式

本发明所用元件如下：

LED的精密进近航道指示器5：使用红光和白光LED作为光源的待测指示器。

测试屏4：能够在离该指示器一定距离处接收到LED的精密进近航道指示器发来的水平视场角±10°、垂直视场角±4°的光束，测试屏的大小与LED的精密进近航道指示器离测试屏的距离有关系，本实例该距离为5米，测试屏大小有效范围为1.763×0.699m²，该实例中取为1.8×0.8m²，且该测试屏能够让光束均匀地透过。

V(λ)滤光片3：使得CCD摄像机的光谱响应度与人眼的光谱视见函数V(λ)尽可能匹配相近。

CCD摄像机2：将透过测试屏上的光束，经V(λ)滤光片后，采样并存储于计算机。

计算机1：通过编写程序软件包，对采集的光束进行处理，并且最终实现过渡区角度的精密测量。

测试系统组装：按照图1，将一台待检测的LED精密进近航道指示器5放置在某一位置，在距离其5米处放置所要求的测试屏4，该测试屏面4垂直于该指示器的中心光轴，能够让光束均匀地透过。沿着光的传播方向在测试屏4后放置一V(λ)滤光片3，紧接着放置一台CCD摄像机2用以采集指示器的两色光束，测试屏4与CCD靶面是相对于CCD镜头是一对共额的物像关系，将CCD摄像机2与计算机1直接相连，将CCD采集的两色光束光斑图像存储于计算机1。

以下为本发明用于测量LED精密进近航道指示器两色光束中心过渡区角度：

一、测试过程

1.如图1所示，将一台应用红光LED和白光LED的精密进近航道指示器放置在图中所示的位置，在距离其5米处放置一块符合要求的测试屏(有效面积取为1.8×0.8m²)，沿着光路在屏后若干米处放置一V(λ)滤光片，并在其后放置CCD摄像机，要求测试屏与CCD靶面相对于CCD镜头是一对物像关系，即CCD能够清晰成像测试屏，摄像机直接与计算机相连；

2.只打开白光LED，使用CCD摄像机采样上半部分白光光束(如图2)，并且将采集得到的灰度值图像存储于计算机；

3.关闭白光LED，打开红光LED，使用CCD摄像机采样下半部分红光光束(如图3)，并且将采集得到的灰度值图像存储于计算机(采集白光LED和红光LED灰度值图像不分前后顺序)；

二、数据处理

1.采样图像的预处理

将图2中c-c线上提取若干离散点，将离散点描述为(y₁，g₁)，(y₂，g₂)……(y_n，g_n)，y_i为对应的坐标值，而g_i为对应的灰度值，i＝1，2，…，n。而灰度值g_i，可以描述为g_i(y_i)＝u_i(y_i)+v_i(y_i)+n_i(y_i)，其中，u_i(y_i)为灰度值表示的背景光，v_i(y_i)为灰度值表示的有效光区，n_i(y_i)为高频噪声。通过Fourier变换，将上式变换为G_i(Y_i)＝U_i(Y_i)+V_i(Y_i)+N_i(Y_i)，U_i(Y_i)、V_i(Y_i)和N_i(Y_i)是u_i(y_i)、v_i(y_i)和n_i(y_i)对应的Fourier变换。滤去背景照度和高频噪声，得到G_i(Y_i)＝V_i(Y_i)，然后通过反Fourier变换得到g_i′(y_i′)＝v_i′(y_i′)。采集的离散点就可以表示为(y₁，g′₁)，(y₂，g′₂)…(y_n，g′_n)，y_i为对应的坐标值，g_i′为采样线上经过处理后的灰度值。

2.曲线拟合

将y_i坐标-处理后的灰度值g_i′表述为一个二次曲线 ${g_{1i}}^{\′}={\mathrm{py}}_i^2+{\mathrm{qy}}_i+r,$ 通过使用最小二乘法得到 $\mathrm{\Δ}{g}^{\′}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[{g^{\′}}_i-({\mathrm{py}}_i^2+q{y}_i+r)]}^2,$ 再通过 $\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂\left(\mathrm{\Δ}{g}^{\′}\right)}{\∂p}=0\\ \frac{\∂\left(\mathrm{\Δ}{g}^{\′}\right)}{\∂q}=0\\ \frac{\∂\left(\mathrm{\Δ}{g}^{\′}\right)}{\∂r}=0\end{array}\right.$ 得到相应的p、q、r系数，从而得到白光在C-C采样线上的二次曲线a。

3.在图3中C-C线上提取若干离散点，采取前面1采样图像预处理和2曲线拟合的同样方法，得到红光在C-C采样线上的二次曲线b；

4.过渡区角度的计算

将拟合的两条曲线放在同一个坐标系内，如图4所示(a是白光的拟合曲线、b是红光的拟合曲线)，两条曲线的交叉部分对应的y坐标长度就是两色光束中心过渡区的长度，通过测试系统物像关系可以换算到两色光过渡区的实际线性长度，据此就可以计算出对应的过渡区角度。

三、测试结果

通过上述计算机处理，得到如图4的两条曲线，而交叉部分对应的y坐标长度为4.29毫米，由于测试屏距离带检测指示器5米，因而两色光束过渡区角度为2.95′，满足国际标准小于3′的要求。

Claims (4)

1.一种LED精密进近航道指示器两色光束中心过渡区角度的测量方法，其特征在于具体步骤如下：

(1)搭建测试系统

将一台待测试LED精密进近航道指示器放在需要的位置，指示器光源采用白光LED和红光LED，指示器发出的光束在水平方向的光束角度为±10°，俯仰方向的光束角度为±4°，在距离指示器L米处放置一测试屏，该测试屏的屏面垂直于所述指示器的中心光轴，能够让光束均匀的通过；沿着光传播的方向，在测试屏后放置一V(λ)滤光片，V(λ)滤光片后面放置一台CCD摄像机，用以采集指示器发出的两色光束，测试屏与CCD靶面相对于CCD镜头是一对共额的物像关系，CCD摄像机与计算机直接相连，CCD摄像机采集到的两色光束的由灰度值表示的光斑图像数据存储于计算机中；

(2)测试采样

测试时，上述测试系统各个部件的相对位置不变，将指示器的两色光先后发光，CCD摄像机分别采样灰色值图像，并分别记录其原始数据；将两色光灰度值图像记录在同一张图像上，在该图像垂直于两色光过渡区域中心线、并过其中心点的垂直线即采样线上，在红光区域和白光区域分别采样记录灰度值表示的图像的若干离散点数据；

(3)数据处理

由计算机软件对记录数据进行预处理，通过Fourier变换，滤去背景照度和高频噪声；并通过数理方法和计算机图像处理技术根据采样线上采样的光束灰度值，分别对于红光区域或白光区域的离散数据进新曲线拟合，分别得到红光和白光在采样线上的二次曲线；再根据2条二次曲线图形，计算得到过渡区角度，从而实现过渡区角度的精确测量。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于所述对记录数据进行预处理步骤如下：

在采样线上提取若干离散点，将离散点描述为(y₁，g₁)，(y₂，g₂)……(y_n，g_n)，y_i为对应的坐标值，而g_i为对应的灰度值，i＝1，2，…，n；而灰度值g_i，描述为g_i(y_i)＝u_i(y_i)+v_i(y_i)+n_i(y_i)，其中，u_i(y_i)为灰度值表示的背景光，v_i(y_i)为灰度值表示的有效光区，n_i(y_i)为高频噪声；通过Fourier变换，将上式变换为G_i(Y_i)＝U_i(Y_i)+V_i(Y_i)+N_i(Y_i)，U_i(Y_i)、V_i(Y_i)和N_i(Y_i)是u_i(y_i)、v_i(y_i)和n_i(y_i)对应的Fourier变换；滤去背景照度和高频噪声，得到G_i(Y_i)＝V_i(Y_i)，然后通过反Fourier变换得到g_i′(y_i′)＝v_i′(y_i′)；采集的离散点表示为(y₁，g′₁)，(y₂，g′₂)…(y_n，g′_n)，y_i为对应的坐标值，g_i′为采样线上经过处理后的灰度值。

3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于所述曲线拟合的步骤如下：

将y_i坐标-处理后的灰度值g_i′表述为一个二次曲线 ${g_{1i}}^{\′}={\mathrm{py}}_i^2+{\mathrm{qy}}_i+r$ ，通过使用最小二乘法得到 $\mathrm{\Δ}{g}^{\′}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[{g^{\′}}_i-({\mathrm{py}}_i^2+{\mathrm{qy}}_i+r)]}^2,$ 再通过 $\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂\left(\mathrm{\Δ}{g}^{\′}\right)}{\∂p}=0\\ \frac{\∂\left(\mathrm{\Δ}{g}^{\′}\right)}{\∂q}=0\\ \frac{\∂\left(\mathrm{\Δ}{g}^{\′}\right)}{\∂r}=0\end{array}\right.$ 得到相应的p、q、r系数，从而得到白光在采样线上的二次曲线a和红光在采样线上的二次曲线b。

4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于所述过渡区角度计算的步骤如下：

将拟合的两条曲线放在同一个坐标系内，两条曲线的交叉部分对应的y坐标长度就是两色光束中心过渡区的长度，通过测试系统物像关系换算到两色光过渡区的实际线性长度，据此即计算出对应的过渡区角度。

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