CN102590883A - 机场道面异物扫描装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于光电检测技术领域，是一种机场道面异物扫描装置。其包括成像装置、红外辅助照明设备、防护罩、扫描机构、成像装置姿态调整机构。扫描机构上方固定安装防护罩，防护罩上开设有窗口，防护罩底板上安装有成像装置姿态调整机构，成像装置安装在成像装置姿态调整机构上，红外辅助照明设备安装在红外辅助照明设备姿态调节机构上，且安装位置及姿态根据防护罩的窗口位置和扫描范围及情况进行相应调节。通过对成像装置和红外辅助照明设备的姿态调节来控制扫描范围。本发明具有探测精度高，可探测异物(外来物)最小可达5mm，受天气、照度等环境因素影响小，能够昼夜工作的特点。

Description

机场道面异物扫描装置

技术领域

本发明属于光电检测技术领域，涉及对机场道面异物即外来物的监测技术，具体地说是一种机场道面异物(外来物)扫描装置。

背景技术

机场道面异物(外来物)FOD(Foreign Object Debris)，即可能损伤飞机或系统的某种外来的物质、碎屑或物体。道面异物的种类相当多，如硬物体、软物体、鸟类、雷电等。道面异物危害非常严重，机场道面上的道面异物可以很容易被吸入发动机，导致发动机失效。碎片也会堆积在机械装置中，影响起落架、襟翼等设备的正常运行。道面异物不仅会损坏飞机，造成巨大的经济损失，而且还会制造空难夺去宝贵的生命。非计划的拆换发动机本身就是昂贵的花费，更不用说航班延误或取消带来的损失。据保守估计，每年全球因道面异物造成的损失至少在30亿-40亿美元，道面异物不仅会造成巨大的直接损失，还会造成航班延误、中断起飞、关闭跑道等间接损失，而间接损失至少为直接损失的4倍。

现有的机场道面异物扫描设备主要采用毫米波雷达技术、激光雷达技术或光学成像技术。存在的主要不足有：一是能够探测到的最小道面异物尺寸偏大(20毫米)，不能满足实际使用需求；二是现有光学成像技术受阴雨天气，低照度等影响大，探测功能低、夜间难以工作等缺陷。解决光学成像技术在夜间等低照度条件下工作困难的常用手段是增加辅助照明设备。如果机场道面异物扫描装置的光学系统工作于可见光模式，夜间时就需要进行辅助照明，但照明设备发出的光线对飞行员正常判断跑道的位置会形成干扰，存在安全隐患，因此这种方法是不可取的。

发明内容

本发明的目的是提供一种机场道面异物扫描装置，提高了探测精度和环境适应性，最小可探测物体尺寸可达5mm，可适应于不同时段照度条件，昼夜均可正常工作。既不会对飞行员的视线产生干扰，又可以使扫描系统成像质量良好。

本发明包括：成像装置、红外辅助照明设备、防护罩、转台、成像装置姿态调整机构及红外辅助照明设备姿态调节机构。

转台上方固定安装防护罩，防护罩上开设有窗口，防护罩底板上安装有成像装置姿态调整机构，成像装置安装在成像装置姿态调整机构上，红外辅助照明设备安装在红外辅助照明设备姿态调节机构上，且安装位置及姿态根据防护罩的窗口位置和扫描范围及情况进行调节，三台摄像机和两台近红外激光光源可以调整成不同的俯仰角，俯仰角以监测区域平面为基准，调整角度为锐角，在转台轴垂直于平面的条件下，摄像机光轴通过与转台轴夹角的调节来实现俯仰角的调节，对不同远近区域进行成像，远处相对于监测区域平面的俯仰角较小，近处相对于监测区域平面的俯仰角较大，根据上述调整原则调整三台摄像机的俯仰角，使它们分别对远中近区域进行成像；同样道理，近红外激光光源的俯仰角也可以根据上述摄像机俯仰角的调整原则进行调节，使三台摄像机的整体成像范围都得到较好的照明。通过对成像装置和红外辅助照明设备的姿态调节来控制扫描范围。进而完成对整个监视区域的跑道道面的扫描和辅助照明。

所述成像装置包括摄像机和镜头，所述近红外辅助照明设备为近红外光源，可采用红外灯或近红外激光器。试验初期使用过红外灯，近距离效果较好；但需要远距离照明时，在现有的技术条件下，灯的体积较大，发散角不好控制，照明效果变差。具体实施设备采用近红外激光器作为近红外辅助照明设备的光源。

摄像机的选用可以有两种选择方式：一，采用工作于可见和近红外区的低照度彩色摄像机，且所述摄像机CCD靶面与主光轴的夹角为锐角，所述镜头为较小F数的可用于可见和近红外区的镜头，其中F数范围为2～5，实现的设备F数为3。摄像机可以进行彩色(可见区)和黑白(近红外区)两种工作状态的切换。二，采用摄像机为工作在近红外区的低照度单色摄像机，且所述摄像机CCD靶面与主光轴的夹角为锐角，所述镜头为较小F数的近红外镜头，其中F数范围为2～5，实现的设备F数为3，且在镜头上安装有750nm-900nm带通滤光片。低照度性能的选用是为了提高相机的环境适应能力，使摄像机能在较宽的照度范围下工作。即在白天即使照度变化很大的情况下(如早午晚时段，阴天或云运动产生的短时间照度变化)，摄影机能正常的工作，成像质量满足要求。而晚上由光源照明时，特别是远处的照度很难达到普通成像要求，在此情况下，摄像机的低照度性能可以明显的改善成像质量；反过来说，摄像机的低照度性能降低了对照明光源的要求，提高了环境适应性。镜头较小的F数，目的是为了镜头有足够的进光量，保证CCD靶面照度。

扫描机构包括基座、易折底座和转台，基座上固定安装易折底座，易折底座上方安装转台，转台上方支撑连接防护罩。

基座为设备的最底端部件，主要功能有：一，固定设备，即把扫描设备固定于适用区域的指定位置。二，调节扫描设备整体姿态，即调整设备俯仰和方位，使其可以正常工作于指定区域。

易折底座安装在基座上方，主要功能是满足机场跑道边设备的易折条件。

转台是实现扫描动作的部分，主要功能有：一，完成扫描动作，控制扫描速度、周期以及起始和终止位置。二，控制扫描装置姿态，使其符合整体工作程序。

防护罩上方安装有遮阳罩，作用为遮挡部分阳光，阳光以杂光的形式进入系统内影响光学系统成像质量，而遮阳罩的前端可以遮挡阳光，避免强烈的阳光直射入窗口，减少阳光对扫描装置成像质量的影响；调整系统温度，避免系统温度因阳光照射而急剧变化；避免降水直接落于窗口玻璃，减少雨雪对成像质量的影响。

所述防护罩的窗口上安装有玻璃，所述窗口和玻璃之间通过密封条密封，形成气密。防止水蒸气、沙尘和和其他有害气体进入防护罩内损害防尘罩内部的元器件。

发明的有益效果是：本发明的机场道面异物扫描装置解决了现有机场道面异物扫描设备能够探测道面异物最小尺寸偏大，达不到实际使用需求，和现有光学成像技术受阴雨天气，低照度等影响大，探测功能低、夜间难以工作等缺陷。该机场道面异物扫描装置能够昼夜工作，自动探测小到5毫米的道面异物，同时，扫描图像可进行人工确认，提高报警的可靠性，探测精度高。

附图说明

图1为本发明机场道面道面异物扫描装置的结构示意图，图中101为成像装置、102为红外辅助照明设备、103为防护罩、105为转台、1031为窗口、106为易折底座、107为基座、108为遮阳罩；

图2为机场道面异物扫描装置局部结构示意图，图中101为成像装置、104为成像装置姿态调整机构、1032为底板；

图3为防护罩内部结构示意图，图中101为成像装置、103为防护罩、104为成像装置姿态调整机构、1031为窗口、108为遮阳罩；

图4为本发明机场道面异物扫描装置的实际扫描区域图，图中L2、L1为每台机场道面异物扫描装置监测的矩形区域，R1为扫描的最远距离；

图5为本发明机场道面异物扫描装置的布设示意图，图中X为相邻机场道面异物扫描装置间距、R为每台机场道面异物扫描装置最大扫描半径、2为跑道道面；

图6为本发明机场道面异物扫描装置的扫描示意图，图中R2、R3、R4为别为三套成像装置对应的扫描半径、L2、L1为每台机场道面异物扫描装置监测的矩形区域。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的结构和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1至图3所示，一种机场道面异物扫描装置，其包括成像装置101、红外辅助照明设备102、防护罩103、摄像机姿态调整机构104、转台105、易折底座106、基座107。成像装置101包括三台摄像机和三个镜头，每台摄像机配套不同焦距的镜头，摄像机为低照度摄像机，且摄像机CCD靶面与主光轴的夹角为锐角。镜头设计分为两种形式：一，对镜头进行了近红外增透设计，且在镜头上安装有750nm-900nm带通滤光片。红外辅助照明设备102为两台带有姿态调节机构的近红外激光光源，用于夜间监测异物时辅助照明。成像装置101和红外辅助照明设备102安装在防护罩103内，其中红外辅助照明设备102的两个近红外激光光源安装在防护罩103内部成像装置101的两侧，实现红外辅助照明。基座107上固定安装易折底座106，易折底座106上方安装转台105，转台105上方支撑连接防护罩103，由转台105完成水平方向的扫描。防护罩103上开设有窗口1031，防护罩103的底板1032上安装有摄像装置态调节机构104，成像装置101安装在摄像装置姿态调节机构104的调整板上，且安装位置与防护罩的窗口1031位置相对应，三台摄像机和两台近红外激光光源根据上面原理所述调整原则分别调整成不同的俯仰角，完成对整个监视区域的跑道道面2的扫描和辅助照明。防护罩103的底板1032上安装有密封条，来保证防护罩的整体密封性。防护罩103上方设置有遮阳罩108，作用为遮挡部分阳光，阳光以杂光的形式进入系统内影响光学系统成像质量，遮阳罩108前端伸出防护罩103罩体40mm，避免强烈的阳光直射入窗口1031，减少阳光对扫描装置成像质量的影响；遮阳罩108与防护罩103主体有10mm距离，能够隔绝太阳直接照射防护罩103导致的过高温度，避免防护罩103内各部件系统温度因阳光照射而急剧变化；避免降水直接落于窗口玻璃，减少雨雪对成像质量的影响。防护罩103的窗口1031上安装有窗口玻璃，窗口玻璃采用机械性能较好的玻璃镀膜加工而成，窗口玻璃选材为融石英或K9玻璃，两者均作了实验，结果两者都起到了密封保护作用，从机械性能角度讲，融石英效果较好。还可以选用其他对可见和近红外透过性能良好的材料，其中机械性能好的具有更好的适用性。窗口1031周围和玻璃之间通过密封条密封，保证防护罩103前窗口1031处的密封。

如图4所示，每台机场道面异物扫描装置能够监测一个L2×L1的矩形区域，需要扫描的最远距离为R1。

该具体实施方式的机场道面异物扫描装置的光学系统进行了以下特殊的光学设计。

成像装置101的光学系统在近红外模式下工作，在近红外辅助照明的条件下能够有效解决夜间成像的问题。首先，成像装置101选用的是照度要求低、对近红外750nm-900nm波段敏感度高的成像器件。然后，对所述镜头进行了近红外增透设计，且在镜头上安装了750nm-900nm带通滤光片。只有750nm-900nm波段的近红外光能够通过镜头成像。夜间条件下，采用安装在该装置上的近红外辅助照明设备辅助照明，当照度达不到系统成像要求时，近红外辅助照明设备开启。由于近红外光线为不可见光，不会影响飞行安全，因此这种方法较好的解决了夜间监测道面异物的难题。

白天时自然光中的近红外光线比较充足，能够满足成像要求，因此，本发明机场道面异物扫描装置的光学系统只对750nm-900nm成像，成像装置101白天和夜间都工作于同一模式，减小了镜头设计难度，降低了系统的成本。由于可见光不能通过镜头成像，降低了夜间时助航灯光对成像质量的影响，成像效果稳定，降低了系统的误报情况。另外，该扫描装置使用的750nm-900nm波段的近红外光线具有较好的透雾性，在一定程度上也解决了复杂气象条件下系统识别异物的问题，增强了系统的环境适应性。

另外，为了解决摄像景深不足，扫描图像清晰范围小的问题，本发明机场道面异物扫描装置中的摄像机CCD靶面与主光轴的夹角由原来的直角调整为锐角，增大了图像清晰范围。

根据机场净空管理规定，跑道周围的建筑、设施不能超过特定的高度。本发明机场道面异物扫描装置在机场安装布设时，架设位置的选择十分关键，如果离跑道太远(如果架设高度为10米，则至少要离跑道100米远)，更不利于阴雨天、夜间等光线不足时的道面影像采集，给图像处理也带来很多不利因素。因此，将该机场道面异物扫描装置布设在跑道2两侧，高度不大于350mm，底部设计了易折结构，机场道面异物扫描装置按照L1间距布设，对于2倍L2宽的跑道，每台机场道面异物扫描装置需要拍摄的最远距离为R1。

本发明中机场道面异物扫描装置将三台摄像机安装在同一转台105上，每台摄像机配套不同焦距的镜头，三台摄像机通过转台105的水平旋转完成对环形区域的扫描，大大缩短了扫描周期，为及时清除跑道2上的道面异物赢得了时间。本发明机场道面异物扫描装置的扫描示意图6所示。

本发明机场道面异物扫描装置采集到的图像可通过光纤传输到监控中心，同时，监控中心发出的控制信号发送到该机场道面异物扫描装置，控制该装置的开关、扫描角度等工作状态。机场道面异物扫描装置采集的图像经监控中心软件系统分析后，会自动识别出道面上的道面异物，并发出报警信息，给出异物所处位置，为及时消除飞行安全隐患提供了手段。

本发明机场道面异物扫描装置的光学系统工作于近红外成像模式，增加了近红外辅助照明设备，解决了现有机场道面异物扫描设备能够探测道面异物最小尺寸偏大，达不到实际使用需求；现有光学成像技术受阴雨天气，低照度等影响大，探测功能低、夜间难以工作等缺陷。本发明机场道面异物扫描装置能够昼夜工作，自动探测小到5毫米的道面异物，与国外产品相比，探测精度提高了4倍。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种机场道面异物扫描装置，其特征是包括成像装置(101)、红外辅助照明设备(102)、防护罩(103)、转台(105)、成像装置姿态调整机构(104)及红外辅助照明设备姿态调节机构；转台(105)上方固定安装防护罩(103)，防护罩上开设有窗口(1031)，防护罩(103)的底板(1032)上安装有成像装置姿态调整机构(104)；成像装置(101)安装在成像装置姿态调整机构(104)上，红外辅助照明设备(102)安装在红外辅助照明设备姿态调节机构上，且安装位置及姿态根据防护罩(103)的窗口(1031)位置和扫描范围及情况进行调节，通过对成像装置(101)和红外辅助照明设备(102)的姿态调节来控制扫描范围；扫描机构包括基座(107)、易折底座(106)和转台(105)，基座(107)上固定安装易折底座(107)，易折底座(106)上方安装转台和扫描装置，由转台和扫描装置完成水平方向的扫描。转台上方支撑连接防护罩(103)。

2.根据权利要求1所述的机场道面异物扫描装置，其特征是成像装置(101)包括三台摄像机和三个镜头，每台摄像机配套不同焦距的镜头，摄像机为低照度摄像机，且摄像机CCD靶面与主光轴的夹角为锐角；所述近红外辅助照明设备(102)为两台带有姿态调节机构的红外激光光源。

3.根据权利要求2所述的机场道面异物扫描装置，其特征是成像装置(101)和红外辅助照明设备(102)安装在防护罩(103)内，其中红外辅助照明设备(102)的两个近红外激光光源安装在防护罩(103)内部成像装置(101)的两侧，实现红外辅助照明；

4.根据权利要求3所述的机场道面异物扫描装置，其特征是防护罩(103)的底板(1032)上安装有摄像装置态调节机构(104)，成像装置(101)安装在摄像装置姿态调节机构(104)的调整板上，且安装位置与防护罩(103)的窗口(1031)位置相对应；三台摄像机和两台近红外激光光源可以调整成不同的俯仰角，俯仰角以监测区域平面为基准，调整角度为锐角即0度至90度之间，在转台轴垂直于平面的条件下，摄像机光轴通过与转台轴夹角的调节来实现俯仰角的调节，对不同远近区域进行成像，远处相对于监测区域平面的俯仰角较小，近处相对于监测区域平面的俯仰角较大，根据上述调整原则调整三台摄像机的俯仰角，使它们分别对远中近区域进行成像；同样道理，近红外激光光源的俯仰角也可以根据上述摄像机俯仰角的调整原则进行调节，使三台摄像机的整体成像范围都得到较好的照明。进而完成对整个监视区域的跑道道面(2)的扫描和辅助照明。

5.根据权利要求4所述的机场道面异物扫描装置，其特征是所述摄像机为工作于可见和近红外区的低照度彩色摄像机，摄像机可以进行彩色即可见区和黑白即近红外区两种工作状态的切换；所述镜头为较小F数的可用于可见和近红外区的镜头，F数范围2～5，实现的设备F数为3。

6.根据权利要求4所述的机场道面异物扫描装置，其特征是所述摄像机为工作在近红外区的低照度单色摄像机，所述镜头为较小F数的近红外镜头，F数范围2～5，实现的设备F数为3，且在镜头上安装有750nm-900nm带通滤光片。

7.根据权利要求4所述的机场道面异物扫描装置，其特征是防护罩(103)的底板(1032)上安装有密封条，保证防护罩的整体密封性；防护罩(103)上方设置有遮阳罩(108)，作用为遮挡部分阳光；遮阳罩(108)前端伸出防护罩(103)罩体适当距离，该距离以能够避免强烈的阳光直射入窗口(1031)为设计原则；遮阳罩(108)与防护罩(103)主体有一定距离，距离不宜过大，大于2mm即可，其目的是避免太阳光直接照射防护罩(103)导致的过高温度。

8.根据权利要求7所述的机场道面异物扫描装置，其特征是防护罩(103)的窗口(1031)上安装有窗口玻璃，窗口玻璃采用机械性能较好的玻璃镀膜加工而成，窗口玻璃选材为融石英或K9玻璃。

9.根据权利要求7所述的机场道面异物扫描装置，其特征是所述防护罩(103)的窗口(1031)和玻璃之间通过密封条密封；窗口玻璃根据防护罩内部摄像机和镜头的选用情况，镀制不同的增透膜；对于工作于可见和近红外区的低照度彩色摄像机，窗口玻璃镀制可见近红外增透膜，对于工作在近红外区的低照度单色摄像机，窗口玻璃镀制近红外增透膜。

10.根据权利要求4所述的机场道面异物扫描装置，其特征是扫描采集到的图像可通过光纤传输到机场监控中心，机场道面异物扫描装置采集的图像经机场监控中心软件系统分析后，会自动识别出道面上的道面异物，同时，机场监控中心发出的控制信号发送到机场道面异物扫描装置，控制该装置的开关、扫描角度等工作状态，并发出报警信息，给出异物所处位置。

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