飞机座舱风挡反射眩光分析方法研究.docx

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飞机座舱风挡反射眩光分析方法研究

飞机座舱风挡反射眩光分析方法研究

摘要:

为解决眩光问题,对飞机座舱眩光分析方法进行研究。

针对飞机座舱视环境分析方法与实际情况存在较大差距,初步设计阶段无法较为真实的体现飞机座舱在各飞行阶段的视觉环境与光污染问题,提出了一种飞机座舱风挡反射眩光分析评估方法。

以视光学理论和光线追踪算法为理论基础,利用视觉仿真软件,建立能够模拟接近真实人眼视觉感受的座舱视觉仿真环境,并通过实际应用获得了夜航风挡反射眩光的验证结果与实际情况进行对比。

经实验表明:

该方法可以有效的对驾驶舱可能产生的风挡眩光进行分析,判断反射眩光出现的区域,并对结构优化方案进行评估。

关键词:

飞机座舱反射眩光视觉仿真

随着现代民用飞机座舱的高度复杂化和综合化,座舱内部光学环境也越来越复杂。

特别是大量采用综合显示器来代替过去的常规仪表、舱内照明灯具越来越多样化和多功能化,以及导光板、信号灯、警告灯等发光显示器件的普遍应用。

这些复杂的光照环境与座舱内饰部件在色彩和空间上相互耦合,形成了一个更加错综复杂的舱内视觉环境,对座舱人机工效设计提出了新的要求。

飞机座舱是人与飞机直接交互的界面。

由于不合理的座舱照明和内饰设计,或者不合适的舱内空间布局会导致舱内眩光的出现,进而影响飞行员对飞行信息的有效获取和实施正确无误的飞行操纵,关系到飞机的安全性和舒适性等飞机重要指标。

目前,正在研制的某型民用飞机上,也出现了一定程度的舱内眩光。

眩光问题在研发初期如果不获得合理解决,会影响飞机的适航取证和交付,更有甚者会危及到飞机和人员的安全。

目前,从公开发表的资料来看,就国外而言,介绍飞机座舱光学环境的研究报告不多,在飞机座舱视光学仿真方面,则更是少之又少。

然而,随着虚拟设计技术的普遍应用,采用数字化技术进行座舱及客舱内饰视觉仿真越来越得到重视。

据相关资料介绍,空客380、波音787的座舱照明与内饰设计均采用了先进的数字化仿真技术。

国内仍采用基于工程样机实物检验座舱布置布局的方法对座舱视觉环境进行分析评估,建造周期长且与实际飞行的光环境存在巨大差距。

本文通过以下技术创新解决了上述问题。

采用附加可变材质属性的材质三维建模方法,对座舱各内饰部件反射率和造型进行调整,建立飞机座舱数字三维模型,实现座舱可变视觉环境的实时模拟和评估。

采用CIE标准天空数据库进行环境光源建模,模拟高空各飞行阶段、时间的内、外部光源环境,确保仿真环境和仿真结果更加真实。

采用视觉仿真的方法,对可能产生的风挡眩光进行了仿真评估,提出了可行的结构优化方案,并与实物驾驶舱进行了对比分析。

1视觉仿真方法

飞机座舱内饰设计光学仿真是一个复杂的过程。

目前,主要的基于工程样机的视觉环境评估方法与飞机过程中的实际情况存在较大差距。

如何在初步设计阶段较为真实的体现飞机座舱在各飞行阶段的视觉环境与光污染,完善座舱结构优化方案,避免眩光的产生是目前的主要难点。

飞机座舱视觉光学仿真的主要方法是在研究舱内光学环境的基础上,以视光学的基本理论和相应算法为基础,利用光学仿真软件（如SPEOS）,建立能够模拟接近真实人眼视觉感受的视觉仿真模型,依赖软件强大的光学仿真计算能力,进行基于人眼真实视觉的光学仿真。

基于该软件的视觉仿真方法,能够进行基于人眼真实视觉的光学仿真;仿真过程可对座舱布局、内饰材质、色彩及舱内光源进行改变,通过色度分析和视觉效果评估,可以实现对不同座舱结构布置方案的优化。

飞机座舱眩光仿真方法如图1所示。

2视觉仿真建模

2.1座舱结构模型

根据飞机设计手册的相关内容和适航条款CCAR25.773所确定的最小视界范围规定确定眼位。

由驾驶员眼位、GB10000-88《中国成年人人体尺寸》第50百分位数人体模型和相应的座舱设计要求确定T型操纵台布局,建立主仪表板、中央操纵台、左右操纵台模型,确定尺寸位置及布局参数,完成座舱建模。

2.2光源模型

座舱光源主要分为内部光源和外部光源。

飞机座舱内的光源分布环境直接影响到飞行员视觉舒适性和飞行的安全性。

因此,必须分析和确定其准确的物理特性和飞行过程中的光源分布。

2.2.1环境光源模型

环境光及光的传播方式对飞行员的工作绩效有显著的影响。

当座舱显示屏表面采用反射率较高的材质时,外部环境光源会对显示屏表面产生明显的反射眩光,降低显示器的对比度,影响显示器的可视性。

除了降低显示图像的对比度,高强度或长时间在眩光环境中持续操作活动,容易引起人的疲劳和工作能力下降,危及飞行安全。

2.2.2光线计算方法

BSDF（Bidirectionalscatteringdistributionfunction）双向散射分布函数,这种描述在1991年由PaulHeckbert提出,用来表征物体表面的光学散射属性,并且采用了一种综合的概括的拟合函数的表达式来表达光学散射属性。

这种方式在提出后成为最常用的通用光学数学函数,BSDF函数描述的现象通常是由光线在物质表面的光反射和光透射传播来反映散射属性,在反射光线计算中,一般默认为物体不具备透光性,因此只通过BRDF函数来表明某一种材质的光线属性。

BRDF函数是描述反射光分布状态的一般函数,指在一定条件下（例如一定的视角）反射光的辐射亮度和入射光的辐射照度的比值[1]。

这个函数由测量数据或分析模拟所定义,能完全定义反射表面的光度特征。

其几何关系如图2。

其中dA为反射表面小面元,dωO和dωI为立体角角元,θO和θI为反射光线和入射光线的仰角,ωO和ωI为反射光线和入射光线的方位角。

BRDF函数的表达式为:

其中dΦ为单位辐射通量[2～3]。

BRDF的一个重要性质就是方向可逆性,即将入射方向和反射方向互换,得到相同的散射情况。

在计算机图形学中利用这一特性研究光反射的基本方法是光线追踪算法,从光源发出的光遇到物体表面会产生反射和折射而发生方向改变,沿着反射和折射方向继续前进,直到遇到新的物体。

此过程中,只有很少一部分光能够进入人的视觉。

因此,实际光线追踪算法的跟踪方向是与光的传播方向相反的,亦称为视线追踪算法,是物理照明过程的近似逆过程。

这一过程可以跟踪物体间镜面反射光线和规则投射,模拟光的传播。

飞机座舱内可产生光反射的主要部件有显示器表面（LCD或CRT）、挡风玻璃等[4]。

2.3材质模型

材质模型是飞机内饰设计工作的核心内容之一,在飞机座舱复杂环境光照条件下,不同材质对光线反射路径和材质色彩产生直接影响。

通常采用专业测试设备,通过测量不同角度光线在材质上的反射率,确定材质的BRDF属性或通过自定义的方式,对要仿真的结构部分进行光线反射属性定义,并以此建立仿真材质模型。

2.4人眼视觉模型

人眼的视觉模型,主要是将人眼的视觉特性,包括暗视觉特性、明视觉特性、中间视觉特性、视敏度、对比敏感度、色容度、视野、暗适应、明适应等进行数字化综合,建立人眼视觉模型。

通常情况下,座舱视觉评估观察点设置在主驾驶眼位[5]。

3驾驶舱视觉仿真及结构优化方案分析

常见的危害性有害光主要是舱内反射眩光,最典型的是中央操纵台发光显示器件在前风挡形成的反射眩光。

3.1结构布局位置影响评估

为研究中央操纵台眩光源位置对眩光效果的影响和结构优化方案设计原则,根据原始布置方案A,对中央操纵台几何尺寸与布置位置进行调整,使CDU获得不同安装位置。

对上述方案分别进行基于人眼视觉的仿真,得到图4所示仿真结果。

仿真结果表明,CDU不同安装位置对眩光效果有着非常大的影响:

前置位置不仅眩光面积获得一定减小,更重要的是眩光图像已移到风档的边角区。

经分析,前移和上移后眩光图像基本上已处于驾驶员视界要求之外。

因此,通过眩光源位置的改变,眩光得到了极大的改善,该结构优化方案满足视觉工效设计要求。

3.2结构布局角度影响评估

为研究中央操纵台眩光源角度对眩光效果的影响和结构优化方案设计原则,选取中央操纵台上的主要光源——控制显示装置（CDU）的安装角度来研究眩光的影响机理。

CDU在中央操纵台上的标准安装角度为与驾驶舱地板平面成夹角25°。

维持其发光强度不变,分别以3°为步长,正反向逐步调整安装角（从16°～34°）,进行相应角度的交互式仿真。

定义风挡CDU眩光图像的四个顶点为A、B、C、D点如图5所示。

根据计算数据可求得上下顶点视角差（具体数据见表1）。

显然,如果D-A及C-B顶点视角差数据均小,则眩光面积就小。

如果定义眩光面积最小的等级为Ⅰ级,面积中等的为Ⅱ级,面积最大的等级为Ⅲ级,则由表1可知有以下几点。

（1）CDU显示面与地板平面夹角为25°～28°时,眩光面积最小,眩光面积等级为Ⅰ级,眩光影响较小。

（2）CDU显示面与地板平面夹角为28°～34°,以及22°～25°时眩光面积中等,眩光面积等级为Ⅱ级,眩光影响一般。

（3）CDU显示面与地板平面夹角为22°以下眩光面积最大,眩光面积等级为Ⅲ级,眩光影响相对较大。

4结语

本文为解决飞机座舱风挡眩光问题,研究了飞机座舱结构优化分析方法,以视光学的基本理论和光线追踪算法为理论基础,利用工程视觉仿真软件SPEOS,对优化前、后的结构布局方案进行了对比分析和评估,提出了一种针对风挡眩光的结构优化评价方法。

通过工程实际应用,证明该结构优化方法可以有效的对驾驶舱可能产生的风挡眩光进行分析、判断,并对结构布局、布置方案进行优化设计、评估,大大缩短试航取证的时间,节约设计成本,目前已应用于我国大型客机座舱方案设计领域,十分具有工程实用价值。

参考文献

[1]JacquesDelacour.FrontpanelengineeringwithCADsimula2tiontool.Flatpaneldisplaytechnologyanddisplaymetrology[A].ProceedingsoftheConference,SanJose,CA;U2NITEDSTATES;1999,1:

27-29.

[2]魏庆农,刘建国,江荣熙.双向反射分布函数的绝对测量方法[J].光学学报,1996,16（10）:

1425-1430.

[3]孙成明,张伟,王治乐.双向反射分布函数在空间目标可见光反射特性建模中的应用[J].光学技术,2008,34（5）.

[4]林鹏.基于GPU的光线跟踪及虚拟眼视光学仿真[D].厦门:

厦门大学,2007.

[5]张存,张炜.飞机座舱内饰视觉仿真方法研究[J].航空计算技术,2009,39

（1）:

89-92,97.