Practice and thinking of unmanned aerial vehicle in lighthouse pull distance test
摘 要：针对海洋气象环境、远海航行作业等因素对航标灯光拉距测试的制约与影响，探索运用无人机对灯塔、灯桩等航标设施进行灯光测距实验，进一步提高航标灯光拉距测试效率、降低测试成本、规避远海作业风险，为三沙地区的远海航标设施灯光拉距测试提供参考。 关键字：灯塔；无人机；拉距测试
Abstract: in view of the restriction and influence of marine meteorological environment.offshore navigation operation and other factors on the lighting distance measurement of navigation aids.it is explored to use UAV to carry out the lighting distance measurement experiment on the lighthouse and other navigation aids.so as to further improve the efficiency of lighting distance measurement of navigation aids.To reduce the test cost and avoid the risk of offshore operation.Providing reference for the li
ghting distance measurement of offshore navigation aids in Sansha area.
Key words:lighthouse; UAV; pull distance test
一、引言
灯塔灯光的拉距测试一般每年进行1次，如更换新型灯器，应重新进行拉距测试。传统的拉距测试方法一般是利用海岛灯塔换班补给的船舶在夜航期进行，对不在航线的灯塔要单独安排夜间灯光拉距测试。拉距测试时，一般将灯塔的灯光初隐或初现距离作为测试的灯光射程，如受海域限制拉测不到初隐距离时，以拉测最大距离为准。
二、测试依据
灯塔中最为重要的部分之一为透镜，其采用菲涅尔透镜（Fresnel lens），是由法国物理学家奥古斯汀·菲涅耳发明的。菲涅尔透镜，又名螺纹透镜，多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，也有玻璃制作的，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，它的纹理
高压锅限压阀是根据光的干涉及扰射以及相对灵敏度和接收角度要求来设计的[1] 。事实上菲涅耳透镜可以被视作一系列的棱镜按照环形排列，其中边缘较为尖锐，而中心则是较为平滑的凸面，见图1。
图1 菲涅尔透镜光折射示意图
此设计原来被应用于灯塔，也可以建造更大孔径的透镜，其特点是焦距短，且比一般透镜的材料用量更少、重量与体积更小。和早期的透镜相比，菲涅耳透镜更薄，可以传递更多
的光，使得灯塔即使距离相当远仍可看见，见图2。
图2 菲涅尔透镜与普通透镜对比图
大多数现代菲涅尔透镜仅由屈光元件组成。但是，灯塔镜头往往同时包含折射和反射元素，后者是外部照片中看到的金属环。内部元件是折射透镜的一部分，外部元件是反射棱镜，每个反射棱镜执行两次折射和一次全内反射，从而避免了从镀银镜反射时产生的光损失。
隧洞衬砌(二)人眼及摄像机镜头成像原理（见图3）
图3 人眼及摄像机镜头成像原理图
摄像机镜头的成像即为小孔成像原理：物体通过暗箱的小孔后会在投影平面上形成倒像。由于光的直线传播特性，物体上方的点经过小孔后会成像在投影平面下方，物体下方的点会成像在投影平面上方，左右同理。因此小孔成像获得的影像是上下左右颠倒。
人的眼睛就是一部高级的天然照相机，瞳孔就是光圈，晶状体就是透镜组（镜头），视网膜就是感光元件。面对不同强度的光线，瞳孔会自动改变大小以控制进光量。看远近不一的景物时，晶状体会自动调节屈光度实现变焦、聚焦功能。视网膜上的视觉细胞感知影像后，通过视觉神经传递到大脑，大脑会把倒像还原成正像。
（三）人眼测试灯塔灯光办法及缺点
灯塔是高塔形建筑物，需在塔顶装设灯光设备，故灯塔位置应显要（港口最高点之一），具有特定的建筑造型，易于船舶分辨。由于地球表面为曲面，故塔身须有充分的高度，使灯光能为远距离的航船所察见，一般视距为15～25 n mile。传统的拉距测试方法一般利用船舶夜航开展，采取目测的方式，即需双眼裸眼视力均在5.0（1.0）或以上，最远射程需2/3人数观测到。对不在航线的灯塔要单独安排夜间灯光拉距测试。传统的灯塔灯光射程测量方法普遍受气象海况、航路船舶等因素制约，存在效率低、成本高、风险大等问题。具体为：
1．传统的灯光拉距测量需要水面船舶配合，船舶出海少则1个班组，大型船只出海往往需要数个班组配合，加上至少3名测量人员，人力成本高。
2．传统的测量方法往往由专业的航标船承担作业任务，运维成本较高，每出海1次，单次测量仅燃油费1项支出就需上万元，而且传统测量方法受海况气象条件制约，单个航次测量成功概率较低。
3．考虑海况、地理地貌、航路条件、作业船舶硬件条件等情况，单次测量最少需4个小时（仅计算船舶往返时间），再加入实际作业时船舶进出港，人员观测时间，单次测量最少需6个小时。
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4．传统的测量方法必须在夜间开展，船舶夜航风险系数大，有碰撞、搁浅的风险，海上环境复杂多变，作业时遭遇突发的极端气象救援难度大。
5．传统的测量方法采用目测的方式，对测量人员视力要求较高。因认定结果需要2/3人数观测到，目测的方式受观测人员个体的感官影响较大，可能存在个别人员观测得到但其他人员观测不到的情况。
三、无人机在拉距测试中的应用
（一）测试设计
1．测试需求及难点
（1）搭载相机的平台应该足够平稳，不受风浪影响，以保证在观察采集灯塔灯光时能准确、持续地获取灯光图像信息；
（2）灯塔照射距离为15～20 n mile，需要平台具有远距离可控的特性，以符合该条件下的信息采集；
（3）平台及相机定位应足够准确，以保证准确搜寻到灯塔，从而捕获灯塔灯光；
（4）相机传感器应足够灵敏，以保证获取的灯塔灯光信息准确，对灯塔亮度测量有效。
基于以上情况，综合考虑采用无人机平台搭载相机采集灯塔灯光信息，见图4。
图4 无人机采集灯塔灯光示意图
2．测试系统构成
无人机搭载相机测量灯塔灯光亮度方案系统构成：
（1）长航程固定翼无人机，航程大于60 n mile；
（2）星光级相机云台吊舱，采集灯塔灯光数据；
（3）远距离数据链，控制半径大于37 km；
（4）地面控制站，显示无人机飞行信息、灯光采集图像及视频信息。
系统构架示意图,见图5。
图5 无人机采集灯塔灯光系统构架示意图
3．无人机采集灯塔灯光系统工作原理
（1）无人机通过地面站与数据链规划航线飞行至灯塔有效检测区域执行检测任务； （2）无人机通过预先获得的灯塔坐标信息，对灯塔进行搜索，并实施回传搜索的视频信息；
（3）无人机搜索的视频信息、飞机飞行的轨迹信息均通过数据链传输至地面站，直观的展示飞机状态及视频数据，实现灯光数据采集；
（4）无人机搜索到灯塔后，远程控制相机的放大倍数，使灯光画面更易于判别，保证灯光量的准确性。
4．执行标准
为实现检测结果的精准，对设备、使用方法、检测指标均提出了相应的标准。
（1）设备标准（见表1）
表1 设备标准参数表
序号 | 分类 | 项目 | 指标 |
1 | 飞行平台 | 航时 | ≥2 h |
2 | 航程 | ≥60 n mile |
3 | 抗风 | 6级 |
4 | 数据链 | 控制半径 | ≥37 km |
5 | 相机 | CCD类别 | 可见光相机 |
6 | 像素 | ≥1 080 p |
7 | 焦距 | 4.3～120 mm |
8 | 变焦倍率 | 30倍光学，2倍数码 |
9 | 地面站 | 显示器分辨率 | 1 920*1 080 |
10 | 显示器尺寸 | 14寸 |
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仿古建筑
（2）使用方法
检测环境条件：夜间，无风或微风，天气晴朗；
飞行高度：10 n mile检测，飞行高度范围100～200 m；20 n mile检测，飞行高度范围200～250 m；
受地球曲率影响及数据链通视要求，距离越远，飞行高度越高。
（3）检测标准
检测标准依据相机拍摄物像大小关系，以及相机采集的视频在通投射至显示器上的图像大小关系。灯塔灯光直径与灯罩直径相当，通过相机采集的视频图像，在显示屏显示。当显示器显示的灯光外廓尺寸远小于理论计算值时，则表明灯光发光量小，亮度不够；当显示器显示的灯光外廓尺寸与理论值相当或大于理论计算值时，则表明灯光发光量充足。
（二）测试过程
无人机搭载相机云台采集灯塔灯光信息，信息的准确性尤为重要。通过对无人机、相机云台、灯塔灯光特征的研究，设计出如下的测试方案及过程：
1．测试方案
通过执行该测试方案，获取相应的详细数据，以证明无人机搭载相机云台吊舱采集的灯塔灯光视频图像数据，可以通过信息量化证明灯塔灯光的亮度是否符合使用要求，以取代人眼检测灯塔灯光亮度的方式。
乌氏粘度计原理2．测试方式及过程
（1）测试条件：夜间，晴天，微风。
（2）测试方式：多次对比测试验证法，多次分组、分段对不同灯塔目标进行灯光亮度检测，分别记录各自的信息数据，并记录灯塔检测的主要过程信息。
人员分为两组：人眼检测小组、无人机检测小组；
人眼检测小组：采用传统方式对灯塔灯光进行亮度检测，检测灯光亮度是否合格；
无人机检测小组：控制无人机远程遥控实现灯塔的搜索定位以及灯光视频及图像采集，通过视频判断灯光亮度是否合格。
（3）测试过程：
第一次检测：对目标A分距离采集检测数据，两组成员同时执行任务。人眼检测组成员乘船，到达距离灯塔10 n mile处检测区域，进行数据记录，完成该点的检测任务，前往下一任务区域（20 n mile）进行检测，执行完成20 n mile螺纹套套检测数据记录后，返程。无人机小组放飞无人机至10 n mile检测区域，开始进行目标检测，搜索目标并记录检测结果，完成该点位检测后，飞往下一任务区域（20 n mile）进行检测，完成20 n mile检测数据采集后，返航降落。
