大型飞机驾驶舱照明环境仿真测评系统及其测评方法

摘要

本发明提供了一种大型飞机驾驶舱照明环境仿真测评系统，测评系统包括飞行过程驾驶舱光环境模拟仿真子系统、驾驶舱光环境实时记录子系统、驾驶舱照明视觉工效测评子系统。光环境模拟仿真子系统能仿真飞行过程中全天候驾驶舱外动静态光环境，并利用光环境实时记录子系统采集驾驶舱内各区域环境光变化，最后，应用照明视觉工效测评子系统评估驾驶舱各区域的亮度均匀性、对比度和可读性。与现有技术相比，本发明的光环境仿真能力更强，具备拂晓、黄昏、雷暴、穿云、正午强光等极端光环境仿真能力，同时，本发明具备光环境现场采集、记录功能，利于驾驶舱照明设计问题的解决。利用该仿真测评系统，能消除驾驶舱视觉工效设计对于飞机试飞过程的依赖，在驾驶舱照明设计阶段完成照明环境的效果验证。

说明书

技术领域

本发明涉及飞机驾驶舱照明技术，特别涉及一种大型飞机驾驶舱照明环境仿真测评系统及其测评方法。

背景技术

现代大型飞机任务功能不断加强，相应，与飞行任务相关的显示信息急剧增加，为满足信息显示需要，驾驶舱内集成了大量信息显示设备（综合电子显示器、信号灯、导光板等）。航行过程中，受高空多角度高强光照射、云层反射眩光、拂晓/黄昏时水平光线直射、雷暴时强光频闪等动静态光环境变化影响，显示设备上显示信息会难于辨识或看不清楚。为保证机组人员清楚观看驾驶舱内信息显示设备，驾驶舱照明系统应提供恰当的照明，让驾驶舱信息显示设备保持理想的显示效果和视觉工效。在传统飞行器设计流程中，驾驶舱照明系统的设计验证主要采用试飞的方法，但试飞成本高、代价大；飞行环境难于复现，不便于试飞问题的解决，即使发现问题，照明系统产品必须重新设计，会大大延长产品开发周期。由于试飞方法的不足，国外现已采用飞行环境仿真平台模拟飞行光环境，在地面完成视觉工效设计验证。

在CN 102152859 A的“飞机驾驶舱光环境仿真测评系统及方法”专利中，提供了一种飞机驾驶舱光环境仿真测评系统，该系统中的光环境模拟子系统模拟飞机驾驶舱的全天候光照条件，在此条件下利用信息显示界面测评子系统对显示系统的全天候视觉效果进行测试，从而实现对信息显示界面的视觉工效测评。但光环境模拟子系统仅能模拟均匀照射环境光，不具备拂晓、穿云、云层反射、正午强光、黄昏、雷暴等极端光环境模拟能力，且测评时不能记录现场光环境，一旦发现照明系统设计问题，由于缺失光环境数据而不便于设计问题的解决。

因此，发明人基于现有解决情况，设计一种大型飞机驾驶舱照明环境仿真测评系统，采用全新的飞行过程气象模拟方法，在地面逼真模拟全天候变化光环境（星光、月光、拂晓、白天正常、正午强光、穿云、云层反射、黄昏、雷暴等），并对显示界面的视觉工效进行测评，若测评结果不符合要求，则记录模拟光环境，形成不符合测评项照明环境数据库，以利于照明系统设计问题的解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种飞机驾驶舱光环境仿真测评系统，其能逼真模拟飞行过程光环境变化，并测评光环境变化下驾驶舱照明系统的视觉工效。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种飞机驾驶舱光环境仿真测评系统，其特征在于：所述系统包括驾驶舱光环境模拟子系统，用于仿真飞行过程驾驶舱外动静态光环境；驾驶舱光环境实时记录子系统，用于采集、记录驾驶舱各区域环境光分布；驾驶舱照明视觉工效测评子系统，用于对该环境光下的驾驶舱照明视觉工效进行测评。根据光、机、电的原理，设计一种大型飞机驾驶舱照明环境仿真测评系统。所述的驾驶舱光环境模拟子系统包括光环境模拟发生单元和光环境控制单元，所述光环境模拟发生单元包含全暗、星光、月光、拂晓、黄昏、雷暴、云层反射和穿云模拟发生装置，所述模拟发生装置在驾驶舱外形成预定标准的光环境；所述光环境控制单元包含温度控制装置、湿度控制装置、亮度反馈装置和亮度控制装置，用于控制驾驶舱内温度、湿度和光环境模拟发生装置亮度。所述的驾驶舱光环境实时记录子系统包含高分辨率视频记录仪和多通道环境光监测探头，高分辨率视频记录仪记录驾驶舱内整体环境光分布的强弱，环境光监测探头分布在驾驶舱仪表板、操纵台等区域，准确采集环境光探测点环境光照度。待驾驶舱光环境模拟子系统发生的光环境稳定后，所述的驾驶舱照明视觉工效测评子系统对该环境光下的驾驶舱照明视觉工效进行测评，分别采用均匀性测评单元、对比度测评单元、可读性测评单元评估驾驶舱照明环境的均匀性、显示设备的对比度、显示设备的可读性。

本发明的另一目的在于提供一种飞机驾驶舱光环境仿真测评方法，其能逼真模拟飞行过程光环境变化，并测评光环境变化下驾驶舱照明系统的视觉工效。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种飞机驾驶舱光环境仿真测评方法，其特征在于该方法包括以下步骤：A、使用驾驶舱光环境模拟仿真子系统形成飞行过程预定的光环境；B、开启驾驶舱光环境记录子系统；C、利用驾驶舱照明视觉工效测评子系统测试该环境光下的视觉工效，并形成视觉工效测评结果。其中步骤A包括：由光环境控制单元调节温度控制装置、湿度控制装置的工作参数，待温度、湿度达到设定要求后，再由光环境控制单元控制光环境模拟发生单元中各模拟发生装置的开启及状态，同时光环境控制单元的亮度反馈装置实时监测驾驶舱外光环境照度及特定点的亮度，当模拟光环境未达到设定要求时，由光环境控制单元自动调节光环境模拟发生单元中各模拟发生装置的亮度，直至满足设定要求，其中光环境模拟发生单元包含星光、月光、拂晓、黄昏、雷暴、云层反射、穿云模拟发生装置，模拟发生装置在驾驶舱外形成预定标准的光环境。步骤B包括光环境实时记录子系统工作时，由高分辨率视频记录仪和环境光监测探头共同记录光环境变化，高分辨率视频记录仪记录驾驶舱内整体环境光分布的强弱，环境光监测探头分布在驾驶舱仪表板、操纵台等区域，准确采集环境光探测点环境光照度。光环境实时记录子系统采集的图像和环境光照度数据实时予以存储，以在后续照明系统问题归零时提供现场数据，步骤C包括驾驶舱照明视觉工效测评系统工作时，待光环境模拟子系统发生的光环境稳定后，分别采用均匀性测评单元、对比度测评单元、可读性测评单元评估驾驶舱照明环境的均匀性、显示设备的对比度、显示设备的可读性。

本发明的优点在于消除驾驶舱视觉工效设计对于飞机试飞过程的依赖，在驾驶舱照明设计阶段完成照明环境的效果验证，降低研发成本，缩短研制周期。具体优点包括：

1. 提供一种飞行过程光环境仿真平台。在模拟驾驶舱外布置云层反射、穿云光环境模拟发生装置，同时在驾驶舱外构建移动暗室，移动暗室内加装有星光、月光、拂晓、黄昏、雷暴等模拟发生装置。通过移动暗室的透光状态变化、光环境模拟发生装置的开启、移动暗室和模拟驾驶舱间位置变化等共同作用来模拟飞行过程典型光环境，模拟光环境覆盖航行过程极端光环境变化，具备极强的天空光环境模拟能力；

2. 提供一种光环境实时记录装置。在模拟驾驶舱内安装高分辨率视频记录仪，并在各功能区域放置多个光传感探头，实时采集驾驶舱内光环境变化，为驾驶舱照明设计问题的解决提供现场光环境数据。

与现有技术相比，本发明的光环境仿真能力更强，具备拂晓、黄昏、雷暴、穿云、正午强光等极端光环境仿真能力，同时，本发明具备光环境现场采集、记录功能，利于驾驶舱照明设计问题的解决。利用该仿真测评系统，能消除驾驶舱视觉工效设计对于飞机试飞过程的依赖，在驾驶舱照明设计阶段完成照明环境的效果验证。

附图说明

 以下将结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

 图1是本发明的驾驶舱照明环境仿真测评系统构成框图。

图2是本发明的驾驶舱照明环境仿真测评系统工作流程图。

图3是本发明的驾驶舱光环境模拟仿真子系统工作流程图。

图4是根据本发明一个实施例的驾驶舱光环境模拟仿真子系统结构示意图。

 

具体实施方式

为减少驾驶舱照明系统设计验证对试飞过程的依赖，在地面完成驾驶舱照明系统设计验证，提高驾驶舱照明舒适性，本发明提供了一种具有驾驶舱照明环境视觉工效测试功能的驾驶舱照明环境仿真测评系统。

如图1所示，是本发明驾驶舱照明环境仿真测评系统构成框图。驾驶舱照明环境仿真测评系统包括驾驶舱光环境模拟仿真子系统1、驾驶舱光环境记录子系统2和驾驶舱照明视觉工效测评子系统3。驾驶舱光环境模拟仿真子系统包括光环境模拟发生单元101和光环境控制单元102。驾驶舱照明视觉工效测评子系统包括亮度均匀性测评单元301、对比度测评单元302和可读性测评单元303。

如图2所示，驾驶舱照明环境仿真测评系统首先使用驾驶舱光环境模拟仿真子系统1形成飞行过程预定的光环境（步骤11），并开启驾驶舱光环境记录子系统2（步骤12），然后利用驾驶舱照明视觉工效测评子系统3测试该环境光下的视觉工效，并形成视觉工效测评结果（步骤13）。

如图3所示，驾驶舱光环境模拟子系统1工作时，首先由光环境控制单元（102）调节温度控制装置（308）、湿度控制装置（309）的工作参数，待温度、湿度达到设定要求后（步骤21），再由光环境控制单元（102）控制光环境模拟发生单元（101）中各模拟发生装置（301-306，311,312）的开启及状态变化（步骤22），同时光环境控制单元的亮度反馈装置（310）实时监测驾驶舱外光环境照度及特定点的亮度变化，当模拟光环境未达到标准值时，由光环境控制单元自动调节光环境模拟发生装置（101）中各光环境发生装置的亮度，直至满足预定要求（步骤23），然后开始驾驶舱视觉工效测评（步骤24）。光环境模拟发生单元（101）中包含星光（302,303,304）、月光（302, 303,304）、拂晓（301）、黄昏（301）、雷暴（305）、云层反射（312）、穿云（311）等模拟发生装置，模拟发生装置在驾驶舱外形成预定标准的光环境。驾驶舱光环境模拟子系统中温度控制装置、湿度控制装置、光环境发生装置、亮度反馈装置等的位置分布如图4所示。

a）夜晚全暗光环境模拟。在模拟驾驶舱（307）外搭建可移动暗室（306），移动暗室内有可自动伸缩黑色窗帘，当窗帘伸展时，移动暗室为全暗状态，相反为透光状态。另外，移动暗室可来回移动，当移动暗室完全移向驾驶舱时，移动暗室和驾驶舱间形成闭合环境；当移离驾驶舱时，形成开放环境。模拟夜晚全暗时，移动暗室完全移向驾驶舱，且移动暗室内窗帘处于伸展状态，驾驶舱外闭合空间为全暗环境。

b）夜晚星光模拟。夜晚星光模拟时，在夜晚全暗光环境基础上，同时采用视景背投（302）来改变光环境。将星光视景投射到幕布（303）上，透过幕布后的光线在驾驶舱外形成星光环境，光线强弱通过综合调节投射光源亮度、幕布透过率、暗室反光器反射率实现。该模拟方法不仅形成星光时的光环境，同时，幕布上闪烁的星星能带来真实星光的视觉感受。

c）夜晚月光模拟。夜晚月光模拟方法和星光时相同，采用视景背投（302）方式，将月光视景投射到幕布上，透过幕布后的光线在驾驶舱外形成月光环境。

d）穿云模拟。穿云模拟时，移动暗室完全移向驾驶舱，移动暗室和驾驶舱间形成闭合空间，收缩暗室内窗帘（暗室为透光状态），再采用烟雾快速扩散方式来改变闭合空间内自然光透过率。在确定穿云模拟需要的烟雾发生装置（311）数量时，先计算移动暗室和驾驶舱间闭合空间的体积，再根据每台烟雾发生装置的烟雾量，计算出满足穿云模拟要求至少需要的烟雾发生装置数量。不同形态的云层模拟通过改变烟雾发生装置的烟雾量进行控制。当烟雾完全充满闭合空间时，驾驶舱外光环境为云中状态。此状态后，将移动暗室移离驾驶舱，驾驶舱外光环境为出云状态。

e）雷暴模拟。雷暴模拟时，在夜晚全暗光环境基础上，采用高强频闪灯（305）、高漫反射幕布共同来改变光环境，灯光颜色为航空白，有效光强不小于2000cd。

f）云层反射模拟。云层反射模拟时，移动暗室完全移离驾驶舱，同时采用正午高强自然光和模拟云层反射装置（312）共同实现。云层反射装置的反射面颜色为白色，反射率不小于90%；反射面与垂直方向间形成一定角度，以在驾驶员眼位处形成强的反射光。

g）白天模拟。白天模拟时，移动暗室完全移离驾驶舱，由电动转台旋转驾驶舱（307）来改变驾驶舱航向。通过在不同季节和时间点下改变驾驶舱航向，实现高空中不同角度天空光照射的模拟。

h）拂晓模拟。拂晓模拟时，在夜晚全暗光环境基础上，同时采用拂晓模拟光源（301）共同实现。根据拂晓时的光学特征和光学仿真结果，采用了20个色温约3200K、光通量约3000lm的碘钨灯，光源高度与人眼眼位基本持平，光源发光面朝向驾驶舱，在光源前约20cm处放置有透光幕布（303），实现对光源光线的弥散。通过调节碘钨灯亮度而改变驾驶舱外光环境照度。

i）黄昏模拟。和拂晓模拟时的方法相同，不同之处在于拂晓时光环境是由暗变亮，而黄昏时光环境是由亮变暗。

光环境实时记录子系统工作时，由高分辨率视频记录仪和环境光监测探头共同记录光环境变化，高分辨率视频记录仪记录驾驶舱内整体环境光分布的强弱，环境光监测探头分布在驾驶舱仪表板、操纵台等区域，准确采集环境光探测点环境光照度。光环境实时记录子系统采集的图像和环境光照度数据实时予以存储，以在后续照明系统问题归零时提供现场数据。

驾驶舱照明视觉工效测评系统工作时，待光环境模拟子系统发生的光环境稳定后，分别采用均匀性测评单元、对比度测评单元、可读性测评单元评估驾驶舱照明环境的均匀性、显示设备的对比度、显示设备的可读性。

均匀性测评单元工作时，利用亮度计测量仪表板、左操纵台、中央操纵台、右操纵台等区域内测试点亮度，求取各区域测试点亮度最大值                                                、最小值，由测试点亮度最大值、最小值计算区域亮度均匀度，依据《飞机座舱照明基本技术要求及测试方法》（GJB 455-1988）中2.3规定，仪表照明、导光板照明、仪表板照明均匀度均不超过5：1。

对比度测评单元工作时，利用亮度计测量仪表板、左操纵台、中央操纵台、右操纵台等区域内显示设备上显示标记的亮度和显示标记背景亮度，若显示标记为白色，则对比度；若显示标记为黑色，则对比度。依据《飞机座舱照明基本技术要求及测试方法》（GJB 455-1988）中2.5规定，显示设备标记与背景之间的对比度不小于5。

可读性测评单元工作时，利用亮度计和光谱辐射计测量显示设备上显示标记的颜色的亮度值和在1960CIE上色度空间上颜色坐标，由亮度值和颜色坐标计算颜色分辨指数，计算公式为：

（1）（2）（3）

式中：为亮度指标；和为目标颜色和背景颜色的亮度值；：色度差指标；和：目标颜色和背景颜色在1960CIE（国际照明委员会1960年规定的均匀色度空间）颜色坐标曲线上的差值。将计算得到的颜色分辨指数与《民用飞机电子显示系统通用规范》（HB6556-91）中5.6.1的规定进行比较，得出可读性测评结果。