塔架式光學(xué)FOD探測系統(tǒng)中所用激光器安全性分析

周晟，郭正銘，劉童，袁行超，周駿

（四川省電子產(chǎn)品監(jiān)督檢驗所，成都 610000）

引言

外來物（Foreign Object Debris）即可能損傷航空器或系統(tǒng)的某種外來的物質(zhì)、碎屑或物體[1]。機場現(xiàn)有外來物處理方式普遍為定時停止跑道運行，人工上道進行道面巡查，這就導(dǎo)致無法及時發(fā)現(xiàn)外來物，占用跑道運行時間，降低跑道運行效率等關(guān)鍵問題。因此，自動化運行的機場跑道外來物探測系統(tǒng)已逐漸引起業(yè)內(nèi)重視。

塔架式光學(xué)FOD探測系統(tǒng)安裝于跑道道面140 m外，使用高清晰度光學(xué)鏡頭和數(shù)字攝像機對跑道道面進行不間斷監(jiān)測，通過圖像處理算法識別跑道外來物，發(fā)現(xiàn)外來物時發(fā)出報警信號。從而在不影響機場航班通行能力的情況下及時發(fā)現(xiàn)外來物，維護機場運行安全。

為提高夜晚低能見度情況下的探測性能，需要在低能見度時使用近紅外激光器對跑道道面成像區(qū)域進行主動補光。該激光器為4類激光設(shè)備，在距離激光器較近處其發(fā)射光束具有對人體皮膚和眼睛產(chǎn)生損傷的潛在危害，因此需依據(jù)人體眼角膜的最大允許照射量，對塔架式光學(xué)FOD探測系統(tǒng)中所用激光器的安全距離進行測量，并在此基礎(chǔ)上分析激光器在實際使用環(huán)境下的安全性。

1 激光器在機場跑道FOD探測系統(tǒng)中的應(yīng)用

相比于其它形式的FOD探測系統(tǒng)，塔架式光學(xué)FOD探測系統(tǒng)部署傳感器數(shù)量少，總價較低，安裝維護方便。塔架式光學(xué)FOD探測系統(tǒng)由塔架式光學(xué)FOD傳感器和數(shù)據(jù)處理中心組成。其中，塔架式光學(xué)FOD傳感器負責對跑道道面成像并將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理中心；數(shù)據(jù)處理中心負責探測系統(tǒng)中各FOD傳感器數(shù)據(jù)的分析處理與融合，從中獲取外來物信息。

塔架式光學(xué)FOD傳感器安裝于約9 m高的塔架上，部署位置一般距離跑道中線超過140 m，沿跑道一側(cè)部署，作用半徑可達到350~600 m，因此使用數(shù)臺或十數(shù)臺塔架式光學(xué)FOD傳感器即可覆蓋3 600 m跑道，實現(xiàn)對全跑道的完整探測。圖1所示為塔架式光學(xué)FOD傳感器的部署與覆蓋示意圖。

圖1 塔架式光學(xué)FOD傳感器部署與覆蓋示意圖[4]

塔架式光學(xué)FOD傳感器使用高清長焦光學(xué)相機對跑道道面進行24 h不間斷掃描，通過對道面圖像的解析獲取外來物信息，因此其成像效果直接決定系統(tǒng)探測性能。在夜晚低光照環(huán)境下，單純地使用環(huán)境光將使圖像清晰度明顯下降，噪點提升，因此需要在夜晚使用激光器對道面相應(yīng)區(qū)域進行補光。

塔架式光學(xué)FOD傳感器使用出射波長為808 nm的近紅外面發(fā)射半導(dǎo)體激光器（VCSEL），其為連續(xù)激光，出射角度為2.5 °，出射光呈圓錐形，可覆蓋一定范圍的跑道區(qū)域。VCSEL有別于LED和標準的LD激光等光源，VCSEL 兼具 LD 和 LED的優(yōu)點,具有光斑模式好、發(fā)光閾值低、穩(wěn)定性好、壽命長、集成高、體積小、發(fā)散角小、耦合效率高、價格便宜、波長帶寬窄等優(yōu)點[2]，使其適合作為塔架式光學(xué)FOD探測系統(tǒng)的補光光源。

2 最大允許照射量（MPE）

2.1 激光器分類及其安全性

依據(jù)GB/T 7247.14-2012《激光產(chǎn)品的安全 第14部分：用戶指南》中第4.1.2節(jié)“產(chǎn)品類別”所述：激光器按照其危害分為以下類別等級（按照危害程度遞增的順序排列）：1類，1M類，2類，2M類，3R類，3B類、4類。

1）1類，在合理可預(yù)見的使用條件下通常是安全的激光產(chǎn)品。這是由于激光器本身固有的低發(fā)射能力，或是由于在正常運轉(zhuǎn)下完全封閉，人們不可能接觸內(nèi)部更高水平的激光輻射[3]。

2）1M類，超過1類允許可達發(fā)射極限的激光產(chǎn)品，但由于發(fā)射輻射的幾何擴散，照射裸眼不能造成傷害（未達到導(dǎo)致?lián)p傷極限）。但是如果使用放大觀察儀器，可能超過眼的安全極限，并可能造成損傷[3]。

3）2類，發(fā)射低水平的可見光輻射（即波長在400~700 nm之間）的激光產(chǎn)品，該輻射對皮膚是安全的，對眼睛則本質(zhì)上并非安全，但眼睛可通過對強光的自然回避反應(yīng)而獲得保護[3]。

4）2M類，發(fā)射的可見光輻射水平超過2類允許可達發(fā)射極限的激光產(chǎn)品。但由于發(fā)射輻射的幾何擴散，裸眼可通過對強光的自然回避反應(yīng)而得到保護[3]。

5）3R類，激光產(chǎn)品的可達發(fā)射水平是1類（非可見光）或2類（可見光）可達發(fā)射極限的5倍[3]。

6）3B類，激光產(chǎn)品的可達發(fā)射水平，無論是否使用放大觀察輔助器具，都可能對眼睛造成傷害[3]。

7）4類，激光產(chǎn)品的可達發(fā)射水平對眼睛和皮膚都可能造成損傷[3]。

2.2 最大允許照射量（MPE）

《國際民用航空公約附件14：機場》中5.3.1.2節(jié)要求：“在所有可航空域內(nèi)，任何激光束（可見的或不可見的）的輻照度均應(yīng)小于或等于最大允許照射（MPE）”。

依據(jù)GB/T 7247.14-2012《激光產(chǎn)品的安全第14部分：用戶指南》，最大允許照射量（MPE）是指正常情況下人體受到激光照射不會產(chǎn)生不良后果的激光輻射水平[3]。塔架式光學(xué)FOD傳感器所用的808 nm激光器，其波長正處在400~1 400 nm這一對視網(wǎng)膜可能造成損傷的區(qū)域，應(yīng)充分考慮其波長、脈寬和照射時間等參數(shù)，評估人體視網(wǎng)膜或皮膚受到激光器照射后是否會產(chǎn)生損傷。

對于808 nm激光器，GB/T 7247.14-2012表5中所定義的眼睛的最大允許照射量（MPE）等效于GB 7247.1-2012中所定義的1類激光器的最大發(fā)射功率。在連續(xù)100 s的激光直接照射情況下，通過一定距離外的孔徑為7 mm的光闌后測得其功率小于0.641 mW時即表示在此距離處激光的光功率密度小于眼角膜的最大允許照射量（MPE），不會對人體造成損傷。

3 激光器安全距離測量

塔架式光學(xué)FOD傳感器所用激光器以2.5 °出射角呈圓錐形向外發(fā)射激光，其光功率密度隨著距離的變大而逐漸變小，當距離激光器出射面一定距離外，激光的輻射水平小于眼角膜最大允許照射量時，此距離即為該激光器的安全距離，人體在此距離外直視激光器也不會對眼角膜造成損害。

3.1 測量方法

測量嚴格按照GB 7247.1-2012 《激光產(chǎn)品的安全第1部分設(shè)備分類、要求》和GB/T 7247.14-2012《激光產(chǎn)品的安全第14部分：用戶指南》中所述方法進行，模擬人眼連續(xù)直視激光器100 s的工況，由專業(yè)測試機構(gòu)執(zhí)行本次測量工作。

照射量值的所有測量和計算宜用一合適的平均孔徑。這也稱為限制孔徑，其定義為一圓形區(qū)域的直徑，輻照度或輻射量在該圓形區(qū)域上進行平均[3]。GB/T 7247.14-2012《激光產(chǎn)品的安全第14部分：用戶指南》中表2定義了適用于輻照度及輻照量測量的限制孔徑直徑，對于光譜范圍在400~1 400 nm的激光器，其限制孔徑應(yīng)為7 mm。

激光器安全距離測量結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 激光器安全距離測量結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 測量結(jié)果

測量結(jié)果表明，在2.5 °出光角下，在距離激光器出射面34.5 m外，通過一個孔徑7 mm的光闌后測得其功率為0.640 mW，小于GB 7247.1-2012 《激光產(chǎn)品的安全第1部分設(shè)備分類、要求》中所定義的1類激光器的最大發(fā)射功率0.641 mW，即34.5 m外激光的光功率密度小于眼角膜的最大允許照射量（MPE），不會對人體造成損傷。

4 塔架式FOD探測器所用激光器實際使用環(huán)境下的安全性分析

按照測量結(jié)果，距離激光器34.5 m內(nèi)連續(xù)直視激光器100 s，會對人體造成損傷。但在塔架式光學(xué)FOD傳感器的實際使用中，正常作業(yè)的工作人員不會暴露在以上環(huán)境中，本章對此進行以下分析：

1）首先分析塔架式光學(xué)FOD傳感器自動運行時激光器的安全性；

2）然后分析了人工操作塔架式光學(xué)FOD傳感器轉(zhuǎn)臺時激光器的安全性。

4.1 塔架式光學(xué)FOD傳感器自動運行時

正常使用中，激光器安裝于塔架上，距離地面較高，精密伺服轉(zhuǎn)臺帶動成像設(shè)備和激光器轉(zhuǎn)動，對跑道各區(qū)域進行分時掃描，單個點位激光器照射時間不超過5 s。

激光出射面中心距地面約9.057 5 m，激光光束的匯聚性使其光束被控制在一定角度內(nèi)，其出射角為2.5 °，激光光束中心照射到206 m外的跑道中線處。

4.1.1 激光器光束的照射范圍

圖3中陰影部分即為激光光束范圍，計算得到在實際使用環(huán)境下，在安全距離34.5 m范圍內(nèi)，激光光束的最下端與地面之間的距離高于6.79 m（即圖3中EG的長度）。因此：

圖3 實際安裝環(huán)境下激光出射角示意圖

1）在距離激光器34.5 m范圍內(nèi)，正常行走的工作人員不在激光光束的覆蓋范圍內(nèi)，不會受到激光光束的影響；

2）在距離激光器34.5 m范圍外，即使人員受到激光光束的照射，也不會對人體造成傷害，此時跑道道面是安全的。

4.1.2 激光器光束可照射到人體時的距離

本節(jié)假設(shè)身高1.8 m工作人員出現(xiàn)在傳感器前，計算得到在實際使用環(huán)境下，其被激光光束照射到時，距離激光器約為110.38 m，此距離遠超過激光器的安全距離34.5 m，此時激光器光束不會到工作人員造成危害。

4.1.3 激光停留時間

激光對人體的損害具有累計效應(yīng)，即激光照射時間越長對人體損害越大。以上測試中是按照人眼連續(xù)直視激光器100 s（標準測試的規(guī)定值）的工況進行的測試，塔架式光學(xué)FOD傳感器在自動運行時不會出現(xiàn)激光在某處連續(xù)照射100 s的情況：

1）在不進行掃描探測和外來物確認拍照時，激光器會關(guān)閉；

2）光學(xué)傳感器正常掃描探測時，單個點位照射時間不超過2 s；

3）進行外來物確認拍照時，單個點位照射時間不超過5 s。

4.1.4 塔架式光學(xué)FOD傳感器自動運行時激光器安全性的結(jié)論

塔架式光學(xué)FOD傳感器自動運行時，激光光束在110.13 m外才會照射到工作人員，該距離遠大于激光器的安全距離34.5 m，同時激光光束不會在單個點位停留時間過長造成累積效應(yīng)。因此塔架式光學(xué)FOD傳感器自動運行時，激光光束不會對正常作業(yè)的工作人員造成損傷。

圖4 激光器光束可照射到人體時的距離示意圖

圖5 光學(xué)轉(zhuǎn)臺俯仰為160 °時激光器光束范圍示意圖

4.2 人工操作塔架式光學(xué)FOD傳感器轉(zhuǎn)臺

光學(xué)成像設(shè)備和激光器安裝于二維光學(xué)轉(zhuǎn)臺上，可以人工遠程操縱轉(zhuǎn)臺使設(shè)備對特定區(qū)域成像，此時激光器光束的出射范圍會超出4.1.1節(jié)中所述的照射范圍。轉(zhuǎn)臺在俯仰方向的動作范圍為160~200 °（以水平方向為180 °）。假設(shè)人工操作時，將光學(xué)轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動到了俯方向160 °，此時激光器以最大俯視角度正對土坪區(qū)，計算此時激光器光束的照射范圍。

經(jīng)計算，此時激光器照射到土坪區(qū)時，其中心位置與激光器出射面距離僅為26.48 m，小于安全距離34.5 m，此時如果工作人員位于土坪區(qū)并持續(xù)直視激光器，有可能會對其造成損傷。身高1.8 m工作人員，其在激光器附近時不會受到影響，但一旦到達距激光器出射面18.66 m處附近，則會被激光器照射。

為避免此類情況發(fā)生，對工作人員造成損傷。塔架式光學(xué)FOD傳感器探測系統(tǒng)軟件中對此種行為進行了防誤操作處理：在夜晚可能開啟激光器的情況下，人工無法操縱光學(xué)設(shè)備查看近側(cè)的土坪區(qū)，而只能對跑道區(qū)域進行探測，白天則不受限制。

5 結(jié)束語

由以上針對塔架式光學(xué)FOD傳感器所用激光器的測量結(jié)果及安全性分析可知，結(jié)合系統(tǒng)軟件設(shè)置，在機場實際使用環(huán)境下，塔架式光學(xué)FOD探測系統(tǒng)在自動運行或人工操作時，該激光器均不會對機場正常作業(yè)的工作人員造成傷害。