Opto-mechanical assembly and analysis of spectral module in visible-short wave infrared band
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摘要: 介绍了自行研制的辐射仪器的光谱模块，其光谱范围覆盖可见-短波红外波段(400 nm~2 500 nm)，讨论了光谱模块的装调方法并对装调结果进行了分析研究。辐射仪器由3个光谱模块组成，分别是可见波段光谱模块(400 nm~1 000 nm)，近红外波段光谱模块(900 nm~1 700 nm)和短波红外波段光谱模块(1 600 nm~2 500 nm)，光谱模块的探测单元均以平场凹面光栅分光，线阵探测器探测信号，光谱模块的光机组件主要包括光纤头、狭缝、反射镜组件、光栅组件和探测器组件等。鉴于光谱模块的光机装调效果与其光机设计息息相关，装调结果的好坏能反映光机设计的优劣，针对光谱模块的光机设计特点进行了光机装调。光机装调分析结果表明：3个光谱模块的波长分辨率分别优于4 nm，15 nm和20 nm，达到了仪器的设计指标，验证了光机设计、装调的合理性。Abstract: The spectral modules of self developed radiometer are introduced. The spectral range covers the visible-short wave infrared band(400 nm~2 500 nm).The methods of opto-mechanical assembly of spectral modules are discussed and the results of opto-mechanical assembly are analyzed. The radiometer consists of three spectral modules: the visible spectral module(400 nm~1 000 nm)(VIS for short), the near-infrared spectral module(900 nm~1 700 nm)(NIR for short), and the short wave infrared spectral module(1 600 nm~2 500 nm)(SWIR for short).The detection units of spectral module use the flat-field concave grating to diffract and focus different wavelengths, use the linear array detector to detect signals.The optical units of spectral modules consist of optical fiber, slit, assembly of reflector, assembly of grating and assembly of detector. Since the effect of opto-mechanical assembly is closely related to opto-mechanical design, the result of opto-mechanical assembly can reflect the advantages and disadvantages of opto-mechanical design. According to the characteristics of the opto-mechanical design of the spectral modules, the opto-mechanical assembly was carried out. The results of opto-mechanical assembly show that the wavelength resolution of the three spectral modules is better than 4 nm, 15 nm and 20 nm, respectively. The design indexes of the spectral module are achieved, verifying the rationality of the opto-mechanical design.
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引言
当机场内的某些跑道因维修、维护、施工或出现特殊情况需要关闭时，该跑道不能供飞机降落使用，为防止飞行员误降跑道，需设置醒目的置于地面的目视助航灯光以使飞行员正确、快速、有效地识别跑道关闭，警示飞行员禁止降落[1]。以便能够及时向飞行员提供有效的跑道临时关闭信息。目前此类目视助航设施尚在试用阶段，使用的构型、颜色、可视距离、功能等都没有统一标准，使得该警示灯在空中分辨距离、高度甚至构型不统一，易对飞行员造成困扰，影响飞行安全。美国Hudson Safe公司根据联邦航空局发布的咨询通告AC150/5345-55A[2]标准采用反馈法给出了警示车的尺寸大小、灯光构型以及光强范围[3-4]，但是没有考虑人眼视觉的影响因素。
为此，本文基于人眼视觉，对警示灯尺寸大小和灯光构型进行设计，消除了人眼的视觉影响，采用逐点法对警示灯光强进行计算，并考虑光传输衰减的影响，仿真了不同距离下警示灯的可分辨特性，为机场跑道临时关闭警示灯的设计提供了参考依据。
1 模型建立
1.1 构型设计
根据国内外现有警示灯的构型以及人们的认知习惯，警示灯外形轮廓采用符合认知习惯的构型X形。警示灯放置在跑道号码处的中线上，但不影响临近跑道的使用。为提高警示效果、便于运输与摆放，警示灯X形构型的尺寸、光源的分布必须要经合理设计选择。
为使飞行员有足够的时间做出判断并采取复飞操作，应至少在2 km处辨别警示灯的X构型。能否清楚地辨识X形与人眼分辨角和分辨极限有关，人眼分辨角θ可按以下经验公式[5]估算：
$$ \theta =\frac{1}{0.618-0.13/d}\text{ }~ $$ (1) 式中d为瞳孔直径(mm)。
一般瞳孔直径为3 mm~8 mm，人眼视力会因高速运动而下降，视野变小。通常视力在动态下比静态低10%~20%，特殊情况下达到30%~40%。选择视力在最差情况下，根据(1)式得到分辨角θ=5′。
要使飞机在2 km处识别X形，根据瑞利判据可知，人眼分辨角等于被分辨物体的距离与所对应的视距的比值：
$$ \theta =\frac{S}{L} $$ (2) 式中：S为被分辨物体距离；L为视距。
因此，要识别X形，其4个端点的距离至少为3 m，则单臂长至少为4.8 m。
机场着陆最低标准如表 1所示。
表 1 机场着陆标准Table 1. Landing standard of airport进近类别 决断高度/m 离跑道入口/m Ⅰ ≥60 1 150 Ⅱ 60≥DH≥30 570 Ⅲ ＜30 400 为确保飞行员在决断高度内清楚地辨别警示灯的X形，必须保证在决断高度看到连续的X形，即无法分辨X形上的单个灯。则由(1)式和(2)式求得灯间距应小于0.58 m。为此提出图 1所示警示灯模型。
1.2 灯光设计
警示灯作为跑道临时关闭警示装置，应满足在该关闭跑道进近的飞行员能够发现关闭标志，同时又不能影响临近跑道上飞机的正常着陆。因此，警示灯X形灯光的发光角和光强要符合相关的标准才能发出正确警示信息，如图 2所示。
图 2中白天，光束中心3°出射角范围内的有效光强≥70 000 cd，3°~10°半径内的有效光强≥34 000 cd，10°~15°半径内的有效光强≥13 000 cd。
夜晚，光束中心3°出射角范围内的有效光强≥2 000 cd，3°~10°半径内的有效光强≥970 cd，10°~15°半径内的有效光强应≥370 cd。
为保证警示灯提供醒目的X形灯光，不仅整体光强要求符合标准，单个灯具的光强设计也必须符合标准，如表 2所示。
表 2 灯具光强标准Table 2. Light intensity standard of lamp入射角光强比 比值 I(3°)/I(10°) 2.06 I(10°)/I(15°) 2.62 考虑到灯具光强标准为中间光强大，然后逐渐向四周均匀减小，为此初步选定了两种灯具设计方案。
方案1，如图 3(a)所示，采用的是3个灯珠串联为一组，再4组并联的联接方式，灯珠布局集中。
方案2，如图 3(b)所示，采用的是6个灯珠串联为一组，再两组并联的联接方式，灯珠的布局均匀分散。
通过助航灯具测光系统测得的上述2种灯具等光强曲线，如图 4和图 5所示。
由图 4可知，出射角3°处该灯具的平均出射光强为3 660 cd，出射角10°处的平均出射光强为1 630 cd，二者比值为2.23，标准比值为2.06；出射角15°处的平均出射光强为700 cd，与出射角10°处的比值为2.33，标准比值为2.62。故3°~10°的光强衰减程度比标准大，10°~15°的光强衰减程度比标准小。
由图 5可知，出射角3°处该灯具的平均出射光强为4 110 cd，出射角10°处的平均出射光强为2 000 cd，二者比值为2.06，标准比值为2.06；出射角15°处的平均出射光强为880 cd，与出射角10°处的比值为2.27，标准比值为2.62。光强衰减程度基本符合标准要求，故选择方案2进行灯具设计。
通常在发光物体照射距离超过其尺寸1/10时，该发光物体就可以看作点光源。点光源在一点产生的照度值正比于点光源在被照点方向的光强值，反比于点光源与被照点之间的距离平方[6-7]。因警示灯尺寸较大，光强测量较为困难，为此采用逐点法对警示灯光强进行计算。
选取警示灯垂直平行面上的点P，垂直距离h，则警示灯上i光源在照射点P处的直射照度：
$$ {{E}_{hi}}=\frac{I\left( {{\theta }_{hi}},{{\theta }_{vi}} \right)}{{{h}^{2}}}~\cdot \text{co}{{\text{s}}^{3}}{{\beta }_{i}}~ $$ (3) 式中：I(θhi, θvi)为i光源在P处光强值；h为竖直距离；βi为i光源到P处的距离与竖直距离的夹角。
警示灯在P处的直射照度：
$$ {{E}_{h}}=\sum\limits_{i=1}^{25}{{{E}_{hi}}}=\sum\limits_{i=1}^{25}{\frac{I\left( {{\theta }_{hi}},{{\theta }_{vi}} \right)}{{{h}^{2}}}\text{co}{{\text{s}}^{3}}{{\beta }_{i}}}~ $$ (4) 警示灯出射角α方向的光强值：
$$ {{I}_{a}}=\frac{{{E}_{h}}\cdot {{L}^{2}}}{\text{cos}\alpha }~=\sum\limits_{i=1}^{25}{\frac{I\left( {{\theta }_{hi}},{{\theta }_{vi}} \right)\cdot \text{co}{{\text{s}}^{3}}{{\beta }_{i}}}{\text{co}{{\text{s}}^{3}}\alpha }}\text{ }~ $$ (5) 式中L=h/cosα
最终计算得到警示灯的总体光强曲线如图 6所示。
如图 6所示，出射角3°的中心光束光强曲线值为97 000 cd，大于70 000 cd，出射角10°的光强曲线值为45 000 cd，大于34 000 cd，出射角15°的光强曲线值为18 800 cd，大于13 000 cd。满足标准要求。
2 仿真验证
人眼由于瞳孔的特殊结构，在接收警示灯光时，在视觉系统中会产生夫琅和费圆孔衍射图样[8]。为了仿真人眼分辨警示灯X形过程，把人眼看成凸透镜，恰好分辨两物时人眼与发光点的张角为最小分辨角θ：
$$ \theta =1.22\frac{\lambda }{D} $$ (6) 式中：λ为出射光的波长；D为瞳孔直径。
发光点与人眼中心的张角决定了衍射图样艾里斑的光能分布：
$$ I={{I}_{0}}{{\left[ \frac{2{{J}_{1}}\left( u \right)}{u} \right]}^{2}}~ $$ (7) 式中：I0为最大光强；J1为一阶贝塞尔函数；u=2πsinθ/λ。
考虑到环境对人眼分辨的影响，飞行员在距离S处的照度值E与大气衰减系数δ的函数[9]关系：
$$ E=\frac{{{I}_{0}}}{{{S}^{2}}}~{{\text{e}}^{-\delta \cdot S}}~ $$ (8) 大气衰减系数与能见度的关系[10]：
$$ \delta =\frac{14.274\pi {{V}^{-1.43}}}{\lambda } $$ (9) 式中：λ为光波长；V为能见度
环境亮度对比度与衰减系数关系[11]：
$$ {{C}_{s}}=C{{\text{e}}^{-\delta \cdot S}} $$ (10) 式中：Cs为表现亮度对比值；C为对比灵敏度。
根据不同背景亮度下的对比灵敏度，综合式(6)~(8)得到X形警示灯光强的分布，如图 7所示。
选择背景亮度为200 cd/m2，能见度2 500 m的清晨，查表[12]得对比灵敏度和照度阈值。再根据人眼成像原理仿真飞行员在安全标准范围内2 km和400 m距离处，人眼分辨X形这一过程，如图 8所示。
由图 8(a)可知，飞行员安全复飞距离2 km处开始看到警示灯X形，能够引起飞行员注意到跑道临时关闭信息，使得在安全复飞的距离内及时对飞机起到警示作用。
图 8(b)为在安全决断距离内飞行员在400 m处开始看到X形上单灯，即在此之前灯光一直是连续的呈X形上，保证了在决断高度内起到警示作用。
3 应用结果
对设计的机场跑道关闭警示灯进行应用验证，将其放置在跑道入口处，如图 9所示。通过目测证明在2 km处开始能够看到警示灯X形。400 m处开始能够分辨X形上的单灯，与仿真结果一致。
4 结论
本文基于人眼视觉以及机场相关标准建立的警示灯灯光构型，满足相关要求并且符合人们日常习惯。并提出利用逐点法计算警示灯总体光强，并通过仿真及验证实验得出：
1) 在2 km处开始分辨出警示灯X形，保证了飞机复飞安全。
2) 在400 m处开始可分辨警示灯X形上单灯，保证了飞机在决断高度内起到警示作用。
结果表明机场跑道临时关闭警示灯能够保证在机场临时关闭时对飞机起到警示作用，保证机场运行安全。为警示灯的相关标准制定提供了参考依据，也为后续的研制提供了参考。
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图 7 短波红外波段光谱模块单点激光器测量信号
Figure 7. Measuring signal of SWIR module when using single laser
表 1 可见波段光谱模块谱线中心坐标
Table 1 Center coordinates of spectral line of VIS module
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 波长/nm 404.66 435.84 546.07 696.543 706.722 727.294 738.398 750.387 763.511 772.376 794.818 800.616 811.531 826.452 842.465 852.144 912.297 922.45 中心像元 11.758 5 37.128 4 127.701 9 254.678 8 263.565 1 280.943 2 290.579 5 301.243 2 312.468 9 320.259 7 340.057 6 345.422 0 354.452 1 368.024 5 381.712 4 391.012 2 445.644 1 454.962 9 
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表 2 可见波段光谱模块半高宽和评估分辨率
Table 2 FWHM and resolution of VIS module
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 波长/nm 404.66 435.84 546.07 696.543 706.722 727.294 738.398 750.387 763.511 772.376 794.818 800.616 811.531 826.452 842.465 852.144 912.297 922.45 半高宽/nm 3.389 6 3.457 5 3.311 6 2.930 3 2.548 8 2.668 0 2.661 8 2.967 1 2.764 1 2.723 6 2.974 6 2.875 3 3.022 9 2.871 7 3.361 0 2.831 1 3.118 2 3.112 1 评估分辨率/nm 3.920 8 3.999 3 3.830 5 3.389 4 2.948 2 3.085 9 3.078 8 3.432 0 3.197 2 3.150 3 3.440 7 3.325 8 3.496 5 3.321 7 3.887 7 3.274 6 3.606 8 3.599 7
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表 3 近红外波段光谱模块谱线中心坐标
Table 3 Center coordinates of spectral line of NIR module
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 波长/nm 912.296 7 965.778 6 1 047.005 4 1 067.356 5 1 166.871 1 211.232 6 1 243.932 1 1 350.419 1 1 409.36 1 504.65 1 651.986 1 694.058 中心像元 524.185 0 539.662 4 563.859 0 574.132 6 600.372 9 613.805 6 623.707 8 656.388 3 675.193 6 705.768 7 753.635 0 764.223 9
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表 4 近红外波段光谱模块半高宽与评估分辨率
Table 4 FWHM and resolution of NIR module
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 波长/nm 912.296 7 965.778 6 1 047.005 4 1 067.356 5 1 166.871 1 211.232 6 1 243.932 1 1 350.419 1 1 409.36 1 504.65 1 651.986 1 694.058 半高宽/nm 4.601 4 4.042 4 3.689 4 3.170 6 4.045 6 4.090 2 4.627 0 3.245 0 3.939 0 4.625 2 4.331 6 4.663 0 评估分辨率/nm 14.769 4 12.975 2 11.842 1 10.176 8 12.985 4 13.128 5 14.851 8 10.415 8 12.643 1 14.846 1 13.903 4 14.967 1
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表 5 短波红外波段光谱模块谱线中心坐标
Table 5 Center coordinates of spectral line of SWIR module
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 波长/nm 1 650 1 690 1 730 1 770 1 810 1 850 1 890 1 930 1 970 2 010 2 050 2 090 2 130 2 170 2 210 2 250 2 290 2 330 2 370 2 410 2 450 2 490 中心像元 5.351 16.225 27.121 38.071 49.105 60.133 71.262 82.477 93.71 105.115 116.476 128.014 139.613 151.316 163.009 174.969 186.903 198.868 211.119 223.383 235.513 248.146
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表 6 短波红外波段光谱模块半高宽和评估分辨率
Table 6 FWHM and resolution of SWIR module
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 波长/nm 1 650 1 690 1 730 1 770 1 810 1 850 1 890 1 930 1 970 2 010 2 050 2 090 2 130 2 170 2 210 2 250 2 290 2 330 2 370 2 410 2 450 2 490 半高宽/nm 4.578 4.644 4.521 4.56 4.729 4.73 4.602 4.685 4.554 4.658 4.521 4.791 4.753 4.832 4.502 4.79 4.992 5.194 5.425 5.334 4.674 4.735 评估分辨率/nm 15.827 16.056 15.633 15.767 16.35 16.354 15.91 16.198 15.745 16.106 15.631 16.567 16.435 16.708 15.566 16.563 17.259 17.958 18.758 18.442 16.162 16.372
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