CN220137390U - 一种基于非可见激光的飞机着陆速度测试系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种基于非可见激光的飞机着陆速度测试系统，包括：上位计算机，用于通过测试软件对测试数据进行即时处理分析，得到测速结果；总控装置，用于控制激光发射接收装置，并通过接入网络与上位计算机之间进行通讯；多套激光发射接收装置，用于采集飞机着陆时的测试数据，并通过接入网络将测试数据发送给上位计算机。本实用新型测试精度高，克服了激光速度测量法测试精度易受环境因素影响的缺点；另外系统无需固定安装，成本低，测试设备体积小、可以快速布设，支持本地和远程操控两种方式，方便安全，大大降低了人力、物力成本。

Description

一种基于非可见激光的飞机着陆速度测试系统

技术领域

本实用新型属于物体运动速度测试技术领域，具体涉及一种基于非可见激光的飞机着陆速度测试系统。

背景技术

飞机着陆速度是其试验试飞过程中要测量的一项重要参数。速度测试有多种方法。根据被测物体是否与测速靶接触来分类，可分为接触式测速法与非接触式测速法。考虑到飞机的安全性因素，飞机着陆速度一般应采用非接触式测试方式。

非接触式速度测量方法主要包括磁感应线圈速度测量法、天幕靶速度测量法、光幕靶速度测量法、微波雷达速度测量法、GPS速度测量法、超声速度测量法、高速摄影速度测量法、激光多普勒速度测量法及激光速度测量法等。

高速摄影法是利用高速摄影拍摄到高速运动的多张图片以及拍摄频率，选取图片中高速运动物体的某一特征点，通过其特征点来计算高速运动物体的位移，通过拍摄频率来计算高速运动物体的飞行时间，从而得出速度。优点是可靠性较高，精度取决于高速摄影机的性能。缺点是安装布置要求高，价格高，需要合作目标，一般为固定安装，使用不灵活。

激光多普勒测速法的基本原理是激光多普勒效应。当激光照射在某一物体上，激光会在某一物体的表面上发生漫反射，而反射回来的激光相对于入射的激光会有一个偏移量，而这个偏移量就被定义为多普勒频率，恰好多普勒频率与运动物体的速度成正比，因此，通过探测多普勒频率就可以间接地计算出物体的移动速度。优点是测速精度比较高。但缺点是成本比较贵，体积庞大，使用不灵活。

激光速度测量法是通过激光发射器将激光照射到被测物体上，其反射光被光电探测器接收后，采用计时装置记录激光往返的时间差值，从而计算出激光器与被测目标物体之间的距离。进行两次测距，通过得到两次测距的时间间隔Δt，以及该时间间隔内被测物体移动的距离s，从而得到物体的运动速度v＝s/Δt。激光速度测量法具有测量准确率高、速度快、时间短等优点，但是缺点是测速易受环境条件的影响，在阵风、振动等干扰下易出现误差。

实用新型内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本申请提出一种基于非可见激光的飞机着陆速度测试系统，包括：

上位计算机，用于通过测试软件对测试数据进行即时处理分析，得到测速结果；

总控装置，用于控制激光发射接收装置，并通过接入网络与上位计算机之间进行通讯；

多套激光发射接收装置，用于采集飞机着陆时的测试数据，并通过接入网络将测试数据发送给上位计算机。

进一步的，所述总控装置包括电源模块、UPS模块和主控板卡，所述主控板卡由核心处理器单片机、外围电路、网线接口、电源接口、信号输入接口以及信号输出接口组成。

进一步的，每套所述激光发射接收装置均包含两组激光发射接收模块，所述两组激光发射接收模块分别安装在三脚架横臂的两端；即：一个三脚架以及两组分别安装于三脚架横臂两端上的激光发射接收模块构成一套所述激光发射接收装置。

进一步的，所述激光发射接收装置的两个激光发射接收模块之间的间距、俯仰角度均可以在一定范围内调节，所述激光发射接收装置的三脚架横臂的高度也可以在一定范围内调节。

进一步的，在每组激光发射接收模块的光电探测器上，集成了只能透过特定中心波长的窄带滤光片，可将环境光和灯光等周围杂散光尽量滤除。

本实用新型与现有技术相比，其有益效果在于：

相比于一般的激光速度测量法，本方法针对飞机着陆过程特点，提出了激光发射端和接收端一体化集成的方式，保证单束发射激光和反射激光的高度、角度一致，提高了测试精度；提出了两组激光发射-接收模块组合安装方式，可灵活调整高度、角度、间距，保证相邻两束发射激光、反射激光的高度和角度一致，可适应振动、阵风等不利的测试环境，一定程度上克服了激光速度测量法测试精度易受环境因素影响的缺点；可根据不同机型的着陆速度，灵活设计激光发射接收装置的数量和布置方案，且可通过多点速度测量得到飞机着陆速度变化规律；

相比于高速摄像法和激光多普勒测速法，该测试系统无需固定安装，成本低，测试设备体积小、可以快速布设，支持本地和远程操控两种方式，方便安全，大大降低了人力、物力成本。

附图说明

图1为本实用新型测速系统的组成示意图；

图2为本实用新型激光发射接收装置的工作状态示意图；

图3为本实用新型着陆过程飞机机轮压缩回弹振荡示意图；

图4为本实用新型的测试流程图；

图5为本实用新型激光发射接收模块倾斜方向示意图；

图6为本实用新型飞机与跑道呈2°夹角的模型；

图7为本实用新型激光发射接收装置发射脉冲间隔示意图。

具体实施方式

为使本领域技术人员能够更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图对本实用新型做进一步的说明。

如图1所示，本申请提出的基于非可见激光的飞机着陆速度测试系统，主要由1套上位计算机、1套总控装置和多套激光发射接收装置(含三脚架)组成。

总控装置控制多套激光发射接收装置，并通过接入网络与上位计算机之间进行通讯。通过上位计算机测试软件对测试数据进行即时处理分析，得到测速结果。该测试系统组成示意图如图1所示。

总控装置包含电源模块、UPS模块和主控板卡，主控板卡由核心处理器单片机及外围电路，网线接口，电源接口，信号输入接口，信号输出接口等组成。

每套激光发射接收装置(图2)包含2组激光发射接收模块，安装在三脚架的横臂两端，其间距及俯仰角度可以在一定范围内调节，横臂高度也可以在一定范围内上下调节，以保证其高度、角度、振动干扰等处于同一水平，克服了飞机着陆区域附近阵风、振动等干扰因素影响，从而以适应不同的测试场景，提高测试精度。

每组激光发射接收模块集成了激光发射端和接收端，可完成一路激光的发射和反射接收，从而得到一个触发信息。在每组激光发射接收模块的光电探测器上，集成了只能透过特定中心波长的窄带滤光片，可将环境光和灯光等周围杂散光尽量滤除，从而保证了光电探测器只对出射激光波长附近的红外光进行响应，对其他波长的光不响应。

由于飞机落地位置的不确定性，需在飞机跑道边缘靠近着陆点附近区域，布置多套激光发射接收装置。每次测试时，只需多套激光发射接收装置中的任意一套探测到触发信号，即可完成飞机速度的测试，该方法可避免因为飞机落地位置不同而可能产生漏测的问题。同时，若获取多组测试信号，还可以获取到飞机落地后的速度变化规律。

某型飞机着陆时的速度在240km/h左右，即66.7m/s，以0.1s时间间隔为例，飞机在该时间段内运动距离为66.7m/s×0.1s＝6.67m。为使本专利提出的测试方法有较高精度，对标高速摄影法50帧/秒的采样率，需要获取不少于0.1s/0.02s＝5组有效测试结果，则在6.67m距离内至少需要布置5套激光发射接收装置。

在飞机着陆时，飞机机轮会发生一定程度的压缩－回弹振荡(如图3)，为使每套激光发射接收装置上的2组发射接收模块出射激光束照射到机轮上的位置尽量一致，从而使其触发条件一致，单套激光发射接收装置上2组发射器接收器间距不可过大。

本测速系统采用的原理是定距测时法，即飞机着陆后，滑行依次经过多套激光发射接收装置，先后遮挡各个激光发射模块发射的激光束，然后将光反射到激光接收模块，激光接收模块获取飞机滑行时前轮通过时的时刻，经过信号调理后，由总控装置传输到上位计算机进行处理和运算，从而得出飞机着陆时的瞬时速度。

总控装置采取继电器的方式，控制激光发射接收模块的开关，每个继电器分别控制一个激光发射接收模块。接到指令时，继电器打开，激光器发射激光，开始工作。默认设置第一个起始靶为触发靶，有物体遮挡时，第一个激光接收模块接收到信号，开始计时，中途计时不停止，直到最后一个模块计时完毕。整个测试流程如图4所示。

本测速系统中测试的是飞机通过两束激光光束中心点之间的平均速度，即

根据误差传递理论，对上式求微分，得到速度测试的相对误差为：

式中:v为飞机着陆点速度(单位为m/s)，s为两光束中心的靶距，t为飞机飞行时间(单位为ms)。因此，测速误差由测时和测距两部分误差组成。

测时误差主要原因是单片机的晶振频率(计时模块)和数据处理软件中计算时间间隔时对起始靶和终止靶过靶信号中的计时时刻的选取不一致所带来的误差(把飞机先经过的激光发射接收模块称为起始靶，后经过的激光发射接收模块为终止靶)；测距误差主要是激光发射接收模块与飞机跑道不垂直而产生的误差、飞机滑行方向与激光光束不垂直而引起的测量误差和激光脉冲时间间隔内飞机位移引起的误差。

(1)测时误差

以采用频率为50MHz的晶振为例，每次计时带来20ns的误差。由于可通过测速软件对飞机遮挡光斑等因素进行考虑，并采用算法进行优化，因此可避免由两束激光灵敏度不同而带来的误差。这样，只需考虑由软件计算时间间隔时，对起始靶和终止靶过靶信号计时时刻的选取不一致所带来的误差，最大为两个采样长度对应的时间，即40ns。故而：

测时总误差Δt＝40+20＝60ns。

(2)测距误差

a)激光发射接收模块与飞机跑道不垂直产生的误差

在实际布置激光发射接收模块时，首先要保证其与地面是平行的，不可产生夹角，若夹角向上，则激光照射到天上，无法照射到被测目标物体；若夹角向下，则激光照射到地上，光电探测器一直接收到信号，无法测出速度值。保证其水平后，理想情况是激光照射方向垂直飞机跑道，若在水平方向上2组激光发射装置均存在倾斜(与垂直跑道方向呈一定夹角)，在水平方向上的倾斜会造成被测目标经过的路径不等于无倾斜时的情况，因此会带来误差，激光发射接收模块倾斜示意图如图5所示。图中两个激光接收模块之间的水平距离为L(称为靶距)，假定激光发射接收模块距离飞机跑道中心距离为50m；若两组激光发射接收模块与飞机跑道垂直方向的倾斜角度分别是a和b，假设向左偏角度为正。激光发射接收模块1垂直照射到飞机跑道上点为D，倾斜a角度之后，照射到飞机跑道上的点为C；发射接收模块2垂直照射到飞机跑道上点为F，倾斜b角度之后，照射到飞机跑道上的点为E。DF之间的距离为L，CE之间的距离为L1。

若飞机从C点行驶至E点的时间为t₁，假设飞机在预定飞机跑道内降落，落地后匀速滑行速度为v₁。则:v₁×t₁＝L+50×tan(a)-50×tan(b)。因此，可以计算出行驶速度:所以，即使在激光发射接收模块均出现倾角的情况下，依然可以计算出飞机的滑行时的平均速度。若夹角a、b不等，想要得到准确的实际飞机走过的路程，可通过激光发射接收模块1到C点的距离与激光发射接收模块1到飞机跑道的距离来算出；若夹角a、b相等，CE两点的距离与DF两点的距离相等，均为L，速度不变。若夹角a＝2°，b＝1°，L＝500mm，飞机走过的距离是500.873mm，比实际多走了0.873mm，设为Δs₁。

b)飞机滑行方向与激光光束不垂直而引起的测量误差

红外脉冲半导体激光器使用自动水平仪，可以保证其水平方向性。当飞机偏离跑道方向呈一定夹角(偏航)时，在2组红外激光发射和接收模块处得到的时间会增大，实际走的距离也会增大。示意图如图6所示，以飞机滑行方向与跑道的夹角为2°、速度为70m/s、靶距L为500mm为例进行计算，则可以得到

飞机实际走的距离比理想的距离多了500.3502-500＝0.3502mm，设为Δs₂。本误差可以采用距离精准法来进行缩小误差，每套激光发射接收装置可以认为是一个激光测距仪，把每套激光发射接收装置到飞机的实际距离测出来，若两段距离相等，可认为飞机的滑行方向与跑道方向一致，无夹角；若两段距离不等，可算出夹角度数，再算出飞机滑行的距离，映射到飞机跑道方向上的实际距离，即可得出比较准确的飞机滑行速度。

c)激光脉冲间隔内飞机位移引起的误差

因为发射的激光是以脉冲的形式，而不是连续的，所以会有脉冲间隔时间内飞机位移引起的误差，最理想的情况是飞机的前轮在经过激光发射接收装置的正前方时，刚好被一个脉冲激光照射到；最不理想的情况是，刚好错过一个脉冲。激光发射接收装置发射脉冲间隔示意图如图7所示。最理想的情况与最不理想的情况，相差一个脉冲的时间间隔，其他情况要比一个脉冲时间间隔要小。若脉冲频率为25kHz，则脉冲时间间隔为40μs，飞机的速度为70m/s，则这段时间飞机的位移是2.8mm，设为Δs₃。

面这几种测距误差通常不会同时出现最大值的情况，所以采用均方和的形式表达测距误差Δs较为合理，即

由上面的分析计算，可知：当靶距s＝500mm时，Δs＝2.95mm，Δt＝0.6×10^-4ms，以某飞机为例，速度一般为v＝70m/s,则滑行时间t＝7.14ms，代入上式，有

对于某飞机，引起的速度的绝对误差为Δv＝0.4179m/s。

综上，仅为本实用新型之较佳实施例，不以此限定本实用新型的保护范围，凡依本实用新型专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆为本实用新型专利涵盖的范围之内。

Claims (5)

1.一种基于非可见激光的飞机着陆速度测试系统，其特征在于，包括：

上位计算机，用于通过测试软件对测试数据进行即时处理分析，得到测速结果；

总控装置，用于控制激光发射接收装置，并通过接入网络与上位计算机之间进行通讯；

多套激光发射接收装置，用于采集飞机着陆时的测试数据，并通过接入网络将测试数据发送给上位计算机。

2.根据权利要求1所述的基于非可见激光的飞机着陆速度测试系统，其特征在于：所述总控装置包括电源模块、UPS模块和主控板卡，所述主控板卡由核心处理器单片机、外围电路、网线接口、电源接口、信号输入接口以及信号输出接口组成。

3.根据权利要求1所述的基于非可见激光的飞机着陆速度测试系统，其特征在于：每套所述激光发射接收装置均包含两组激光发射接收模块，所述两组激光发射接收模块分别安装在三脚架横臂的两端；即：一个三脚架以及两组分别安装于三脚架横臂两端上的激光发射接收模块构成一套所述激光发射接收装置。

4.根据权利要求3所述的基于非可见激光的飞机着陆速度测试系统，其特征在于：所述激光发射接收装置的两个激光发射接收模块之间的间距、俯仰角度均可以在一定范围内调节，所述激光发射接收装置的三脚架横臂的高度可以在一定范围内调节。

5.根据权利要求3所述的基于非可见激光的飞机着陆速度测试系统，其特征在于：在每组激光发射接收模块的光电探测器上，集成了窄带滤光片，可将环境光和灯光这类周围杂散光尽量滤除。