1 引言

水路运输自古以来一直是主要的货运和客运方式。除了商用船舶之外,近年来民用船舶的数量也在急剧增加,这就增加了船舶在港口和运输水域内发生冲突的可能性,尤其是在夜间光线较暗的情况下,事故发生的概率会进一步增加^[1]。为了保证船舶航行时的安全,人们需要优良的导航系统来辅助船员驾船航行。目前使用最广泛的船舶导航系统是自动雷达绘标器,它通过雷达系统绘制出船舶附近水域的情况,船员根据绘制的地图判定航线,以避免碰撞的发生^[2]。近年来,移动设备和因特网也被用于水上导航之中,通过卫星定位及卫星拍摄的地图进行导航^[3-4]。这两种方法均是通过监控整个水域,并根据水域的情况为船舶提供合理的航线。但是这两种方法在实现时都需要在船舶或流域附近搭建很多设备,如雷达和信号基站等。这些设备需要消耗大量的资金去维护,当其中某一部分设备出现问题时,可能会导致整个系统无法正常工作。

在实际使用过程中,雷达或者移动设备导航系统提供的路线,常会因为目标过小或没有及时更新信息而发生错误,船员们仍然需要根据实际的水域环境做出自己的判断。这些判断多是船员根据自身的经验及对地形的熟悉程度做出的。因此,即便已采用上述导航系统来辅助航行,水路上的交通事故仍频繁发生,尤其是在视野不佳的时候。因此,除雷达和定位系统之外,需要一种其他的导航辅助方法帮助船员做出判断,并且能在雷达等系统不能工作时提供导航。

对于上述问题,灯光导引是一种很好的解决方法。导航灯很早就已在水面导航领域使用^[5]。起初是将航标灯作为导航灯应用在航海领域,航标灯多为白炽灯制作的环形灯,为海上的船舶指引方向^[6-7]。但白炽灯的使用寿命短,维护周期长,逐渐被发光二极管(LED)替代。LED具有发光效率高、使用寿命长、无故障时间长等特点,常被应用在各种工程领域中^[8]。但更换光源后,环形灯在一些导航情况下效率过低的缺点仍然存在,例如,在港口或者当船舶由宽阔水域进入狭窄水域时,环形灯不能很好地为船员提供帮助。后来人们发现,将定向单色灯作为导航灯是一种很好的解决办法。LED定向单色灯主要通过准直设计实现,LED光源的准直设计主要是依靠自由曲面透镜或透射与反射镜结合的方法^[9-10]来实现。

本文提出并设计了辅助船舶入港的LED导航系统。该系统在船舶目的地处利用经过准直设计的3种不同的单色LED光源对目标水域进行分区,在照射区域内的船舶通过观察灯光的颜色就可以得知目前其相对于目的地的位置,从而根据得到的信息对航线进行调整,最终到达目的地。该系统可以很好地帮助船员在夜间选择更有效、更准确的行进路线。此外,本课题组设计了一种大功率LED光学系统和电路控制系统,用以实现导航系统。

2 导航原理

所设计的辅助船舶入港的LED导航系统采用3个经过准直后的不同波长的LED光源照射水面,光源分别为红光、蓝光和绿光,每个颜色的光源都有不同的闪烁频率,以增加不同颜色的辨识度。被照射的水域会根据照射灯光颜色的不同而被分成3个区域。当有船舶驶入照射区域内时,船员可以根据颜色和闪烁频率来辨别相对于目的地的方向和位置,并根据得到的信息做出改变,以准确高效地驶向目的地。导航原理示意图如图1所示。

图1显示的是导航原理的俯视视角,直线EF表示的是水岸线,在EF左边为陆地,右边为水域。光学导航系统置于目的地岸边,照向水域。梯形ABCD为导航系统照射在水面上形成的光斑,图中虚线为3组光学系统照射的不同颜色光束的分界线,红色代表到达目的地的最佳路线,蓝色代表船舶航行的位置偏右,绿色代表偏左。船舶在照射区域内行驶,根据不同颜色或频率的光来分辨方向。相比于环形灯,该导航方案可以更高效地导引船舶驶向目的地。将图1中显示的光束发散角定义为水平发散角,与之垂直的是光束的垂直发散角。

图 1. 导航方案示意图

Fig. 1. Schematic of navigation scheme

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所设计的导航系统一般应用在港口等开阔的地方。一般情况下,港口的船舶很多,港口附近的环境也很复杂。因此,LED导航系统应尽可能早地将船舶引导至最佳的航道上,导航系统照射的距离也应尽可能远。对此,将LED导航系统的导航距离设定为20~2000 m。为了使LED导航系统的照射距离尽可能地达到要求,设定LED导航系统在岸边的高度为20 m。LED导航系统的导航精度与各个颜色照射区域的宽度有关,每个颜色的照射区域越窄,系统对船舶的导航就会越精确。因此,LED导航系统各颜色照射区域的宽度应结合船舶的长和宽来设计。查询中国船级社(CCS)资料可知,海船的宽度一般为40~50 m,长度一般为200~300 m。因此选择每个颜色的照射区域的宽度在2000 m远处为200 m,这样既可以给船舶留出足够的调整的空间,又可以一定程度上保证导航的精确程度。通过三角函数可以求出每个光束的水平发散角α为

α=2×arctan1002000=5.72°。(1)

3 光学系统设计

3.1 光源能量

为了选择合适的LED光源,根据导航的要求对LED光源参数进行计算。简化的照射截面示意图如图2所示。导航系统的高度为20 m。为了尽量简化计算,假设点光源在A处,根据导航的要求,点光源照射的距离最远应为2000 m处的D点。

图 2. 导航系统照射截面图

Fig. 2. Irradiation sectional view of navigation system

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在图2中,CD为导航系统实际照射在海面上的区域,C点为照射区域距离导航系统最近的点,BC长为20 m,D点为照射区域距离导航系统最远的点,ED为导航系统理论上的照射区域,P为ED的中点。AD与AB的夹角为β,光束在垂直方向的发散角为θ。根据图2所示导航系统照射截面图中的几何关系,可以得到:

tanβ=tanBDAB=100,(2)β=89.43°≈90°。(3)

因为△ABC为等腰直角三角形,可知图2中光束在垂直方向的发散角θ为

θ=β-45°=45°。(4)

根据这个结果可知AD与BD接近于平行,AD与BD的长度接近,可视为2000 m。同时由图2所示的导航系统照射截面图可知,当人处在D点并且可以观察到灯光时,在照射区域内的船舶均可以观察到导航系统。

由于人眼有自动调节功能,在不同的照度下瞳孔直径是不同的,具体如表1所示。同时根据资料可知在背景全黑的条件下,人眼的最小光刺激值约为0.2 μlx^[11],即当人眼所在位置处的最低光照度低于0.2 μlx 时,人眼无法感知到所接收的光。当人眼处于暗视觉条件下,人眼处的视场亮度小于或等于3×10^-5 cd/m²时,便不能辨别灯光与事物的颜色^[12]。因此选择表1中视场亮度为10^-3 cd/m²时的数据作为计算的基础,此时视网膜上的照度E=2.0×10^-4 lx,瞳孔面积S'=47.8 mm²,由此可得眼睛处的光通量ϕ为

ϕ=E×S'=(2.0×10-4)×47.8=9.56×10-9。(5)

假设各处的照度是均匀的,当不存在海平面时,光源发出的光照射的区域如图3所示。

图 3. 导航灯照射立体图

Fig. 3. Illumination space diagram of navigation lamp

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在图3中,光束的水平发散角为α,垂直发散角为θ。由图3中的几何关系可知:

L=2DP=2ADsinθ2,(6)AP=ADcosθ2,(7)H=2APtanα2。(8)

理论照射区域面积S为

S=H×L=4AD×APsinθ2tanα2。(9)

根据之前的计算结果可知:θ=45°,α=5.72°,AD=2000 m。将解算结果代入(9)式中可得S=282604.65 m²,所以照射区域内的总光通量ϕ₀为

ϕ0=E×S=(2.0×10-4)×282604.65≈57。(10)

根据所得结果可知:在全黑背景下,若要保证观察者在照射区域内可以观测到A处光源发出的光,则光源所需要的最小光通量约为57 lm。

虽然导航系统一般在夜晚使用,但考虑到其不会在完全黑暗的条件下才点亮,而是在傍晚时就需点亮,且现代化港口的灯光也是比较明亮的,因此选择将计算所得的最小光通量放大150倍(即8550 lm)较为合适。根据光通量计算可以求出所需要的光源功率。目前市场上的单色光LED的发光效率为80 lm/W,由此可以计算得出LED光源的功率P为

P=855080≈107。(11)

由(11)式的计算结果可知,107 W的LED单色光源可以满足所设计的光学导航系统的要求。最终考虑制作工艺等原因,选择100 W的红色、绿色和蓝色的单色光LED光源作为光学导航系统的光源。

3.2 光学系统设计

在实现辅助船舶入港的LED导航系统中,核心是设计出射光场为长宽比很大的矩形的光学系统。对此,采用了由长方形大功率面阵LED、矩形集光器和线性菲涅耳透镜组成的方案。

长方形LED的发光面为矩形。矩形集光器为改进的抛物面反射镜,由4个抛物面组成,相对的两面的抛物面的焦点和焦距相同,入射口与出射口的形状均为与LED光源发光面相似的矩形。线性菲涅耳透镜相当于柱面镜只保留了光学表面弯曲的程度,去掉了尽可能多的光学材料,形成了条纹为直线的菲涅耳透镜。线性菲涅耳透镜和柱面透镜的作用相同,只改变垂直于其母线方向的入射光线的夹角,而不改变另一方向入射光线的夹角。从LED光源发出的光束的发散角很大,故而首先需要使光束经过矩形集光器的抛物面进行反射,目的是使光束的发散角减小;然后光束再通过线性菲涅耳透镜进行折射,由于线性菲涅耳透镜的特性,光束在水平方向的发散角减小,接近于平行光,而在垂直方向的发散角不变,从而可以形成矩形光束。

图4(a)、(b)分别为基于矩形集光器的光学系统在水平方向和垂直方向上的光路图。对比两图可以看出,由LED光源发出的光束经过矩形集光器和线性菲涅耳透镜后,光束在水平方向上接近于平行光,而在垂直方向的发散角仍旧很大,可在2000 m远处形成矩形光斑。

以下将所设计的光学系统进行仿真。其中:LED光源的发光面积为25 mm×15 mm;矩形集光器在两个方向上的表面抛物线焦距分别为5 mm和8 mm,深度为200 mm;线性菲涅耳透镜的尺寸为150 mm×100 mm,焦距为300 mm;光学接收面设置在距离LED光源2000 m远处,并垂直于光轴放置。得到的仿真结果如图5所示。

图 4. 光学系统光路。(a)水平方向;(b)垂直方向

Fig. 4. Light paths of optical system. (a) Horizontal direction; (b) vertical direction

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图5(a)为在2000 m远处接收面的照度图,从图中可以清晰地看出接收面的光线主要由中间一个细长的亮斑和两侧的杂散光组成。而从图5(b)所示的照度曲线中可以知道,接收面上中心的长方形亮斑的照度为周围杂散光的6倍以上,在实际应用时,周围的杂散光会进入相邻光学系统中心的矩形亮斑中,由于两者的亮度差距很大而被掩盖,杂散光的存在不会影响所设计的导航系统的使用。根据图5(b)所示照度曲线可以求出光学系统照射出中心矩形亮斑在水平方向的发散角约为5.72°,在垂直方向的发散角为38.66°,符合所设计的水面导航系统的需求。

图 5. 仿真得到的2000m远处的光斑。(a)光斑形状;(b)在水平和垂直方向上的中心照度曲线

Fig. 5. Simulated spot at 2000 m away. (a) Spot shape; (b) illumination curves in horizontal and vertical directions

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4 电路控制系统设计

在所设计的导航方案中,为了提高导航的效率和精度,设计了LED光源在导航期间以不同的频率闪烁,以增加不同颜色光的辨识度,因此在导航系统中加入了电路控制系统。LED水面导航系统的控制电路主要实现两个功能:一是驱动光学系统中的LED光源发光,并可以根据需要改变光源的亮度;二是控制LED光源在工作时以特定的频率进行闪烁,并且可以通过计算机串口随时进行调节。

目前,基本上都是通过恒流来驱动LED发光,且LED光通量的大小与其驱动电流具有密切关系。所以,当改变LED驱动电流的大小时,其亮度也会随之改变。目前市场上LED驱动电源的工艺和产品都已经十分成熟,因此直接购买符合导航系统要求的LED驱动电源即可。本实验选择明纬公司的HLG-120H-36B。这款电源为明纬HLG型LED驱动电源,采用的是恒流驱动LED,B型产品拥有一根信号线,可以通过对信号线输入直流电压来实现调节电源输出电流的功能。本实验以此为基础改变LED的亮度及闪烁。

4.1 LED闪烁控制电路的设计

选用的LED驱动电源提供了信号线,向信号线输入不同的直流电压值可以改变输出百分比的额定电流,在信号线中输入1~10 V的直流电压,分别对应着10%~100%的额定电流。所以,当在信号线内输入周期性可调节的直流电压信号时,便可以得到周期性的LED驱动电流,从而实现LED的闪烁。本控制电路主要是为了得到可调节的周期性直流电压信号。

LED闪烁控制电路的设计方案如图6所示。计算机与单片机(SCM)之间通信,计算机通过向单片机发送命令来改变LED的闪烁频率,单片机向计算机发送反馈信息,显示当前LED光源的闪烁频率。单片机向数模转换芯片(DAC)发送数字信号,控制DAC输出的电压值。一般DAC提供的参考电压值为5 V,而信号线需要输入10 V的直流电压,电源才会输出100%的驱动电流,所以需要对DAC的输出电压通过放大电路进行放大,从而达到驱动电源调光方案的要求。最后,将输出的电压信号接入驱动电源的调光信号线,就可以实现控制LED闪烁的功能。此外,供电电路还可以起到为电路中的芯片及散热风扇供电的作用。

图 6. 闪烁控制电路的设计方案

Fig. 6. Design scheme of scintillation control circuit

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4.2 闪烁程序设计

程序设计的主要目的是通过单片机对DAC进行读写操作,输出所需要的特定频率的周期信号,以控制LED光源的闪烁。所选用的控制闪烁的周期信号是不同频率的方波信号。程序利用单片机内部的T0定时器形成中断,在中断期间依次对各个DAC进行操作,改变其输出电压,从而分别形成频率不同的方波。定时器设置的时长为10 ms,当进入中断时,便会将定时器初始化,进入下一次中断。在中断期间读取DAC输出值的改变间隔参数,随后根据参数判断其输出电压是高电平还是低电平,根据判断结果产生一定频率的直流电压方波信号,输入驱动电源后得到一定频率的方波LED驱动电流,从而实现LED光源的闪烁。

定时器的定时时长为10 ms,假设DAC的输出改变间隔参数为X,则在前X个定时中断时其输出为高电平,在后X个定时中断时输出电压为低电平。电路输出方波的周期T和频率f分别为

T=2X×10=20X,(12)f=1T=100020X=50X。(13)

5 水面导航系统的实验与分析

5.1 光学系统样机

根据所设计的光学系统的结构和各部分元件的参数,制作出3款相同的样机用来进行验证实验,以确定所设计的光学系统能否实现水面导航的功能。系统样机选择的光源为红光(640~750 nm)、绿光(480~550 nm)和蓝光(450~480 nm)3种颜色的功率为100 W的LED光源,其发光面尺寸为25 mm×15 mm,LED芯片的排列为10串联10并联。红色LED光源的电压为20~24 V,电流为3000~3500 mA;蓝色和绿色LED光源的电压为30~34 V,电流为3000~3500 mA。3种波长的LED光源的外形尺寸均为50 mm×32 mm。因矩形集光器结构的特殊性,无法通过传统的机械加工完成,且对其硬度要求不是很高,故而选择增材制造技术来制作。然后再将激光器内表面覆盖一层反光材料,以符合光学系统的要求。选取的线性菲涅耳透镜的尺寸为300 mm×200 mm,厚度为3 mm,焦距为300 mm。制作出来的样机如图7所示。为减小杂散光的影响,用黑色硬纸板遮住光学系统样机的框架,并在其内表面附上摄影所用的吸光布来减小侧面杂散光的影响;同时,在出光口处加上光阑以进一步减小杂散光对实验效果的影响。

图 7. 光学系统样机

Fig. 7. Optical system prototype

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5.2 LED导航系统水面实验

利用制作的光学系统样机进行水面实验,目的是验证所设计的导航系统在水面上能否对船舶起到导航的作用。本次实验在武汉木兰湖上进行,该湖水域开阔,适合导航系统远距离照射。实验选择在夜间开展,湖面上的灯光很少,几乎没有其他光源的干扰,可以确保LED光学系统照射的效果更容易被观察到。

本次实验的距离最远为2000 m,在此距离下导航系统发出的光束不会在水面上形成光斑,灯光的颜色只能由人眼直接观察得到。本次实验人员分为观察组和操作组,操作组人员负责控制LED导航系统的开关以及各颜色的亮度和闪烁频率;观察组配备全球定位系统(GPS)定位设备和摄像设备乘船在湖面上行驶,行驶到照射区域后用摄像设备记录当前的灯光颜色,GPS定位设备记录行驶轨迹,通过对比轨迹和所拍摄的视频可以得知在轨迹各处所对应的灯光颜色,确定所设计的LED导航系统能否对目标水域进行分区并对船舶导航。

本次实验将船行驶至距导航系统样机2000 m远处的湖面上,在LED导航系统的照射区域内垂直于照射方向行驶,并利用摄像设备记录行驶过程中的灯光颜色。图8显示了LED水面导航系统样机在实验时的工作图。从图8中可以看出,红色光学系统在中间,左边为绿色,右边为蓝色。在湖面上观察灯光的观察组人员可以清晰地分辨红色、绿色和蓝色3种颜色的灯光,且每种颜色的灯光闪烁可以明显地辨别出来。当船垂直于照射方向在湖面上行驶时,可以观察到不同位置处3种颜色灯光的强弱变化,每种颜色均有一个占主导的区域,虽然相邻的两种颜色有重叠区域,但依然能将照射区域通过颜色加以分区,可以起到导航的作用。

图 8. 水面验证实验样机

Fig. 8. Prototypes of optical system during the water surface verification experiment

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将摄像机记录的视频中的颜色与GPS定位设备记录的轨迹上的点一一对应,就可以得到如图9所示的LED光学系统照射区域分布图。图9中最下方的黑线为船行驶的轨迹,每种颜色的照射区域由轨迹上第一次和最后一次观察到该颜色的光的点确定。图9中的放大图显示了船在2000 m远处运行时轨迹上各点对应的主要灯光颜色的分布。

图9中红色、绿色和蓝色所覆盖的区域即代表每个颜色的光学系统所照射的区域。从图中可以清楚地看到每种颜色的照射区域范围,不同颜色的照射区域互有重叠。将轨迹上的各个颜色照射区域的起点、终点,与LED光学系统所在位置组成三角形,通过该三角形就可以计算出每种颜色的灯光照射在轨迹上的发散角。表2给出了不同颜色的灯光在2000 m远处的发散角,表中的length为各颜色照射区域的起点、终点,与LED光学系统所在位置组成三角形的边长。

由表2可见:红光与蓝光的发散角接近于同一值,均约为6.5°;而绿光的发散角为3°39'10.2″。这是因为轨迹中绿色照射区域的起点不是绿光光束的边缘,在轨迹的左侧,船没有行驶到部分绿光照射的区域。红光和蓝光的发散角可以说明所设计的基于矩形集光器的光学系统样机发射的光束的发散角为6.5°,在2000 m处照射区域的宽度为200~300 m,与导航原理中设计的参数基本一致,可以满足辅助船舶入港的LED导航系统对光源的要求。

从图9(b)中可以看出,红色灯光在轨迹上覆盖的区域最大,这主要是因为红光的波长较长,在空气中的衍射能力更强,相比于蓝光和绿光更容易在大气中传播。所以选择红色照射区域为船舶驶向目的地的最佳区域,可以更好地导引船舶。

图 9. 在2000 m处各颜色照射区域分布图

Fig. 9. Color distribution of irradiated area at distance of 2000 m away

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在本次实验中,由于湖面波浪和人为驾驶的原因,船行驶的轨迹与光学系统的光轴不垂直,轨迹存在着明显的晃动,但不平整的轨迹对每种颜色光束发散角的测量不会产生影响。由于导航系统作用于水面,灯光照射在水面上时会发生反射和折射,水面形成的波浪会使得灯光的像在纵向和横向上都被拉长^[13]。相邻两种颜色的灯光的倒影在有波纹的水面上会因为变宽而有重叠,重叠部分的颜色由两种灯光颜色混合而成,这会对船员观察系统灯光时产生影响。

在光学导航系统工作时,系统的光源会一直以不同的频率闪烁,在不同颜色灯光的重叠区域不会因灯光闪烁而出现颜色重叠的情况,水中倒影的重叠部分也会因闪烁的存在而减小对船员判断的影响。在船员进行观察时,光源倒影的亮度小于光源的亮度,所以船员更容易观察到实际的光源,这在一定程度上减小了水面倒影对系统的影响。水面灯光倒影对导航系统的具体影响将会在接下来的工作中进行研究。

6 结论

提出了一种辅助船舶入港的LED导航系统。在目的地利用不同频率闪烁的灯光照射在水域上,并将目标区域通过颜色划分为3种区域,驶入照射区域的船舶可以根据观察到的颜色来确定船舶与目的地的相对位置,从而使船舶更加高效、准确地驶向目的地。

所设计的LED导航系统由光学系统和控制电路系统组成。LED光学系统由线性菲涅耳透镜和矩形集光器组成。在2000 m远的距离内,光学系统发出的光束的发散角在水平方向上为6°,在垂直方向上为38.66°,两个方向上的发散角相差很大,光束照射的光斑是矩形光斑,且长宽比很大,保证了导航更加精确。此外,还设计了控制电路用以控制LED光源闪烁,提高导航系统的效率。电路控制系统由单片机发送周期可调的数字方波信号给DAC,DAC输出的模拟信号经放大器放大后输入驱动电源中,从而改变LED光源的驱动电流,得到周期可调的闪烁调制。

最后将设计的导航系统制作成样机,在开阔的湖面上进行验证实验。通过摄像机和GPS设备记录的实验现象,分析得到所设计LED水面导航系统可以将照射区域通过颜色进行分区,且各区域边界清晰,在照射区域内,船员可以根据颜色确定船的位置与方向,导航系统可以对船舶起到很好的导航作用。在实验中,各个颜色的照射区域出现了较大的重叠部分,这会对导航系统的实际应用产生一定影响,后续将对光学系统之间的配合开展进一步的研究。

与目前应用最广泛的雷达导航系统相比,所设计的导航方法更加简单和轻便,更容易装配和实现。雷达系统是一种避障式的被动系统,在躲避障碍物时有更好的作用。而本课题组设计的导航系统是一种主动式的导航系统,对于导引船舶入港和穿过狭窄空间具有更好的作用和效果。与新兴的移动设备导航系统相比,所设计的系统不需要在沿途设置信号基站,只需要在目的地放置导航系统,便可对区域内的船舶进行导航,其成本较低,在偏远地区也容易实现。

在实验过程中采用的摄像机可以清晰地记录导航系统的灯光效果,因此在接下来的工作中将考虑通过机器视觉的方法实现船舶的自动导航:通过在船舶上装配摄像头来识别灯光颜色,而后通过识别的颜色自动根据规则调整航向,实现自动导航。