耦合调光LED灯组设计及在光学助降系统中的应用

本文介绍了一种基于耦合调光技术的LED灯组设计方法，以及灯组用于光学助降系统的实现方案。设计方案较好地解决了LED亮度均匀量化控制问题，并且成功地把以耦合调光技术实现的LED灯组应用到了某光学助降系统，实现了远距离、高精度下滑道指示，取得了良好的试验效果，达到了调光均匀、维护方便、使用成本降低的目的。

【关键词】LED灯组 耦合调光技术 光学助降系统 卤钨灯

1 引言

常规光学助降系统多采用卤钨灯作为光源。卤钨灯光源存在几个不足：

（1）功耗大、光能利用率低。卤钨灯发出的光为白炽光，而光学助降系统需要使用单色光，因此需要增加滤光片进行滤光。采用滤光片时，光能效率和滤光片带宽设计两个指标很难均衡，在整个发光系统中，90%以上的能量都以热和其他波段光的形式被耗费掉了。

（2）产品寿命短、维护复杂。要保证其发光强度，需加大卤钨灯功率，导致其使用寿命缩短，维护成本提高。

（3）光源发光面积大，耦合效率低，不利于光束整形。卤钨灯通常发光面积直径都大于100mm，需要设计较大的透镜才能把光耦合进传输光纤，并且卤钨灯发光平行性较差，不利于光束整形。

LED作为一种新型发光源，具有节能、环保、寿命长、体积小、可靠性高等优点，得到越来越广泛的应用。鉴于LED光源的诸多优点，其在光学助降系统中具有良好的应用前景。

本文介绍了一种基于耦合调光技术的LED灯组设计方法，以及应用于某光学助降系统的实现方案。方案中，将高亮度LED用作光学助降光源，通过LED光束耦合、精确整形以及调光设计，实现了对LED亮度的均匀量化控制，实现了远距离、高精度下滑道指示。

2 光学助降系统基本原理

光学助降系统是保证固定翼飞机安全回落的重要手段。飞机在下滑降落全过程中，飞行员需要根据目视观察陆上助降标示，结合飞行经验和陆上引导员的指令，完成航向标校和下滑角标校，在着陆区准确着陆。

光学助降系统也称菲涅尔透镜光学助降系统（FLOLS），由4组灯组成。最主要的是中央竖排的由5个灯箱组成的分段主灯箱，它通过菲涅尔透镜发出5层光束，形成5层坡面，光束的颜色自中间向上下两边依次为橙色、黄色和红色。主灯箱光束与飞机的理想下滑道平行，与水平面保持一定的角度。主灯箱两侧各有一组水平排列的绿色基准灯，当进近飞机沿正确下滑道下滑时，飞行员可以看到橙色光束处于绿色基准灯中央，保持这样的下滑角就可以准确着陆。

3 LED灯组工作原理

光学助降系统LED灯组光学结构示意图如图1所示。

LED光源阵列经汇聚后耦合进石英传光束，从传光束出射的光经菲涅尔透镜汇聚整形后，形成22?发散角光束，该光束经柱透镜阵列后被展宽，形成22?×40°角度的狭长光束出射。

相邻灯箱之间光轴夹角为20?，5个灯箱上下排列，其光纤出光端面虚像汇聚于一点，形成1.7°×40°共5层的光波束面，其排列示意图如图2所示。

3.1 菲涅耳透镜

从光源发射的光束经菲涅耳透镜后，变为发散角22?的近似平行光。设光源半径为r，透镜的焦距为f，光源经透镜后其发散半角为a，散角的计算公式为：

α=atan（r/f）

在单体灯箱尺寸一定的情况下，要求菲涅尔透镜的系统焦距尽可能短。目前根据导光光纤的特性，石英光纤常见的数值孔径为0.22，塑料光纤数值孔径为0.5。实际设计中，可根据要实现出光面的大小和焦距，确定选用哪种数值孔径的光纤。

3.2 柱透镜阵列

光源经菲涅耳透镜后，发散角可近似为平行光。经柱透镜阵列后，其横向发散半角为θ，与柱透镜阵列中单柱镜半径r、半弦长h（弦长H）、透镜折射率n等有关，计算如下。

由图4可得：

h=r×sinα

n×sinα=sinβ

θ=β-α

可以得出：

3.3 耦合光纤

需要为LED设计耦合光路，并且通过两级整形，将LED光源耦合到光纤接收端面。首先是将LED光源通过聚光杯进行整形，再将聚光杯的出射光束，通过整形透镜耦合到光纤的接收端面上。单体灯箱LED光源数为12个，因此，耦合光纤采用12路光纤合束设计。

LED光源自身的发散角度大，需要根据LED光源面积选定与之匹配的聚光杯。经过聚光杯后的出光面面积为A，角度为β。若采用胶合透镜作为整形透镜，可以根据下面的公式确定胶合透镜的参数，式中d1为口径，f1为焦距，NA1为数值孔径，A1整形透镜出光光斑。

为使从整形透镜出射的光束完全耦合到光纤上，则光纤的数值孔径NA、接受端面S应满足下面的条件：

NA≥NA1

S≥A1

4 耦合调光系统设计

4.1 调光系统组成

LED灯组调光系统由上位机、CPLD调光电路、LED驱动电路、温度控制组成。上位机通过串口接收用户的调光指令，再将调光指令转发至CPLD调光电路。CPLD调光电路接收到调光指令后，产生相应的脉冲信号，然后，通过调整PWM脉冲信号的占空比控制LED灯组亮度，驱动LED灯阵以不同亮度发光。调光系统原理框图如图5所示。

4.2 CPLD调光控制

CPLD调光电路接收上位机发送的调光控制信息。上位机向CPLD调光电路发送的指令一共有三种，分别为亮度粗调指令、亮度精调指令和闪烁指令。实现上位机与CPLD通信的方法，是在CPLD内部建立锁存器，并将锁存器作为上位机的扩展存储空间，其地址映射为上位机的存储空间地址。当上位机需要向CPLD发送指令时，之需将数据写入到相应的地址空间就可以了。

CPLD向LED驱动单元发送3路相同的PMW脉冲信号，脉冲频率为1kHz，PWM占空比根据控制信息调整，实现对LED驱动板的控制。CPLD调光电路接收LED驱动板的短路、断路信息和温控板的状态信息、温度反馈值。其原理框图如图6所示。

4.3 LED驱动单元

驱动电路的功能是接收通信板发送的PWM脉宽调制信号，对LED灯阵的发光亮度进行调节。

LED灯阵由12只LED组成，采用4只串联成一路共3路的方式工作，每一路由相互独立的信号控制。单路LED电路框图见图7所示。

4.4 发光板设计

发光板由一组高亮LED灯组成。为保证发光板的出光亮度一致，任一LED灯组发光板的组成及LED灯的数量应设计为一致，采用串并联的结构连接。以由3个链路、12个LED灯组成一个发光板为例，其连接方式如图8所示。

每一路都有单独的信号控制，可单独打开或关闭。

5 结语

通过耦合调光技术的合理设计，较好地解决了LED亮度均匀量化控制问题，并且成功地把以耦合调光技术实现的LED灯组应用到了某光学助降系统，取得了良好的试验效果。现有技术具备了3个特点：

（1）调光方便，可任意调整LED灯组的亮度、频率等；

（2）以软串联的形式代替传统惯用的硬件串联的方法，维护方便；

（3）可靠性高、使用寿命长，降低了使用成本。

参考文献

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作者单位

中国电子科技集团公司第二十七研究所 河南省郑州市 450047