機場目標可見性性能建模與分析

王志巍

（上海民航新時代機場設計研究院有限公司，上海 200335）

0 引 言

塔臺是機場建設的重要建筑物之一，也是機場安全、高效運行的核心設施。為保障機場塔臺建設滿足安全運行需求，我國民航局空管辦下發了咨詢通告［1］，作為機場塔臺建設的指導要求，但對于一些參數的計算方法并沒有明確。塔臺建設的最基本要求是站在塔臺的管制員能夠通過肉眼感知機場運行的飛行器或車輛的存在，然而目前的規章和規定中，并沒有對機場中的目標的可見性模型或評價方法。

張濤［2］研究了塔臺通視各項指標，并以某機場為例，分析了不同情景下各指標是否滿足塔臺通視要求；李娜等［2］研究了國內不同跑道構型、不同塔臺位置情況下塔臺通視情況，分析了機場塔臺位置和高度專項論證所面臨困境。

本文結合國內已發布規章、國內外研究成果，建立機場目標可見性性能模型，并通過機場現場實驗對比模型的可行性。該模型可用于對現有機場塔臺的通視情況進行評估，也可用于對新建或擴建機場塔臺選址、高度設計等提供機場可見性數據參考。

1 機場目標可見性問題描述

1.1 問題描述

機場在運行過程中，需要被塔臺管制員時刻關注的最重要目標是運動的航空器或車輛。塔臺管制員通過眼睛感知航空器或車輛的過程如圖1 所示。在機場大氣條件下，太陽和天空漫射光把場面運動的航空器或車輛照亮；航空器的影像通過大氣傳輸至管制員眼睛；影像由眼睛傳至大腦進行分析和處理，并判斷是否察覺或識別出目標。

圖1 機場目標可視性示意圖

機場目標可視性問題研究是在當前光照和大氣條件下，機場塔臺上的管制員通過裸眼，能否感知到機場關鍵點的航空器或車輛。

在機場周邊大氣環境中，管制員需要依賴眼睛感知航空器或車輛，其感知過程的影響因素包括：管制員的視力；目標航空器或車輛與管制員之間的距離；航空器或車輛的大小、外貌等特性，航空器或車輛與背景環境的顏色、亮度等差異；機場大氣對光的透射、衍射、散射等特性。

1.2 目標可見性定義

可見性是指目標物體的可見程度，即從人眼所在位置觀察遠處目標物體，能觀測到的目標物體的清晰程度。人眼的感知過程需要依賴人眼視覺系統，根據人眼對目標細節感知程度的不同，可把目標的可見性分成：察覺、識別和辨認3 種情況。

察覺 目標察覺是通過人眼視覺系統能覺察到機場存在某物體（目標），例如航空器或車輛等物體，而不考慮該物體的類別、類型或型號等信息，即觀察者知道存在某物，但無須識別或辨別該物體。

識別 目標識別是通過人眼視覺系統區分一類物體的能力，例如單引擎類通用航空器。

辨識 目標辨識是能通過人眼視覺系統觀察辨認出目標是什么類型，例如Cessna172 機型。

在機場目標可見性性能評價時，由于機場運行瞬息萬變，時間緊迫，首先是能察覺目標；其次判斷目標能否被識別。目標能否被察覺是目標可見性性能分析的首要任務。

1.3 機場目標可見性評估過程

為建立基于人眼的目標感知模型，不失一般性，做如下假設：機場場面的目標一般是指航空器或車輛；所有觀察都通過觀察者肉眼進行的，觀察者的視力正常；假定觀察者處于指定的塔臺高度，所有目標（例如航空器、車輛）的高度為1 m 左右；如果相同條件下，小型航空器或車輛能夠被察覺或識別，則正常運行的更大的航空器或車輛等也可被感知到。

塔臺管制員在塔臺上通過裸眼確定機場中目標可見性評估過程如下：

（1）確定機場的關鍵點，把該點作為航空器、車輛等目標所在位置。

（2）指定塔臺高度，確定管制員眼睛與關鍵點的距離。

（3）確定目標對象及其尺寸，即該機場運行時的航空器最小機型或車輛。

（4）確定機場光照環境和目標位置的亮度。

（5）確定目標對比度函數（target contrast，Ctgt），即確定目標對象相對于機場環境的對比度。

（6）建立大氣調制傳遞函數（the atmospheric optical turbulence modulation transfer function，MTF），通過MTF模擬機場大氣湍流的散射和折射，大氣透射率，大氣能見度，大氣氣溶膠等影響。

（7）確定人眼對比度閾值函數（the human contrast threshold function for discrimination，CTFeye），CTFeye用于表示人眼視覺特征。

（8）計算目標任務性能（Targeting Task Performance，TTP）。

（9）計算察覺和識別的概率，比較和評估目標感知概率是否達到可接受標準（例如，與最小值進行比較）。

2 機場目標可見性模型

本文將參照光電成像技術，建立目標可見性數學模型。

2.1 機場目標鑒別方法

目標的察覺、識別和辨識是基于目標鑒別方法［4］。在相同對比度下，觀察者感知目標的能力與其分辨不同頻率的模式靶的能力有關。大量實驗表明，可通過人眼對目標物體的等效條帶的分辨能力，確定眼睛對目標的感知能力，即Johnson 準則。Johnson 以50%概率完成察覺、識別和辨識等目標感知任務所需的等效條帶周期數（V50）建立目標可見性感知準則。其中目標等效條帶周期數可通過目標分辨力（-cyc／mrad）乘以目標尺寸（mrad）獲得。Vollmerhausen 基于TTP準則，給出目標獲取任務選擇的數據，見表1［5］。

表1 TTP準則中V50取值

塔臺管制員對目標物體的可見性概率

式中：V50為達到50%探測概率所需要的等效目標任務周期數，由視覺實驗測試得到；V為目標物體的可分辨周期數，該參數與目標的尺寸大小、TTP和距離有關。

一般以臨界特征長度作為機場目標航空器或車輛的大小尺寸參考值，臨界特征長度可簡單表示為目標的正面或側面橫截面積的平方根。機場不同航空器或車輛特征尺寸不相同。在可見度評估時，通常選擇較小的尺寸進行評估，如拖車、牽引車等，FAA 推薦的評估測試為Dodge Caravan、Cessna172 等。如果從正面或側面觀察，航空器或車輛可分辨周期數

式中：l、W和h分別為目標物體的外貌特征的長、寬和高；R為目標物體與管制員之間的距離；TTP為目標物體的任務性能。

2.2 目標任務性能

TTP 是Richard 等人基于Johnson 準則提出的［6-7］。把Ctgt與CTFeye圍成的區域作為人眼獲取到的目標物體的信息，橫坐標使用空間頻率，在視覺領域定義為cyc／mrad，縱坐標使用對比度表示，如圖2 中影響面積所示。

圖2 TTP準則示意圖

本文采用的TTP模型（包括Ctgt、MTF和CTFeye）

式中：ξlow、ξcut為Ctgt與CTFeye交點橫坐標，即積分的起始點和截止點的空間頻率。眼睛的橫向視角限制導致CTFeye具有空間帶通響應，可更好的識別ξlow和ξcut間的空間頻率。在該積分方程中，ξlow是Ctgt超過CTFeye的低空間頻率，非常接近于零。ξcut是Ctgt超過人CTFeye的高空間頻率。

如果目標物體與其背景的對比度減小，會使目標變得模糊不清［8］，對于航空器或車輛的影像來說，Ctgt可定義為

式中：δtgt為目標物體亮度（或溫度）的標準差；μscene為目標物體周邊場景的平均亮度（或溫度）；Δμ ＝μtgt-μB為目標物體平均亮度與其背景平均亮度（或溫度）的差值。

此外，管制員與目標物體有一定的距離時，目標物體的亮度由于受到大氣傳輸特性的影響發生衰減，導致航空器被管制員眼睛感知的視在亮度變小［9］。通過大氣對光線傳輸的衰減MTF進行討論。

2.3 人眼對比度閾值函數

目標的可見性就是人眼在特定背景環境下對目標的察覺、識別和辨識過程。大腦中樞對刺激信號的感知和辨識與信號相對于其背景的對比度有關，對比度太大，或者太小，都會降低圖像質量［10］。常用人眼對比度閾值函數（CTFeye）來表征人眼對信號感知的靈敏度［11］：

式中：ξ為空間頻率；L為目標亮度或為人眼觀測視角。

2.4 大氣調制傳遞函數

大氣通過影響光線的傳播來影響目標物體影像的清晰程度，主要為大氣湍流和懸浮顆粒構成的氣溶膠，對光線的主要影響為散射、折射和吸收作用［12-13］。目標物體圖像光線被大氣吸收、散射，引起光線在傳播過程中不斷衰減，造成圖像對比度降低、形狀扭曲變形、清晰度下降，影響管制員對目標航空器或車輛感知的準確性，把這兩種影響分開考慮，則：

式中：MTFtub為大氣湍流調制傳遞函數；MTFaer為氣溶膠調制傳遞函數。

（1）大氣湍流的調制傳遞函數。MTFtub可分為長曝光湍流MTF和短曝光湍流MTF。一般認為人眼屬于短曝光［14］（曝光時間小于0.01 s）：

（2）氣溶膠的傳遞函數。大氣氣溶膠效應在目標識別研究中經常被忽視。氣溶膠會對光線產生散射作用。MTFaer計算模型［18］

式中：Aα為大氣氣溶膠的吸收系數；Sα為大氣氣溶膠的散射系數；ξc為氣溶膠的空間頻率，ξc≈a／λ；a為大氣中主要氣溶膠例子半徑［16］。

根據ξ與ξc關系，MTFaer分為低頻區和高頻區，ξ＞ξc時為高頻區，ξ≤ξc時為低頻區。假定氣溶膠粒子直徑為a＝2 μm，波長λ ＝0.55 μm，則ξc≈3.6 cyc／rad，故MTFaer為高頻區。由于高頻區，MTFaer與空間頻率ξ無關，因此結果取大氣透過率數值［17］。

3 仿真實驗

以國內某新建4C類機場為例，如圖3 所示。

圖3 某機場平面簡圖

機場場面運行時，跑道入口是重點關注區域，設置跑道入口處為目標可見度性能評估的關鍵位置點。

該機場的塔臺位置見圖3，距跑道中心線距離476 m，塔臺距機場地面的高度為42 m。塔臺距關鍵點位置約1 535 m，即R＝1 535 m。

考慮2 種目標物體，具體尺寸見表2。

表2 測試目標尺寸數據 m

3.1 基于模型的仿真結果

根據某日該機場氣溫條件，背景溫度為300 K；目標與背景的溫差為30 K，目標對比度為0.4；考慮大氣輕微湍流和氣溶膠高頻率區影響，大氣能見度設為10 km。察覺、識別、辨識時選擇的V50分別為：4.6、14.5和23.3。假設距離R逐漸變化，根據上述模型，計算結果見表3 和圖4。

表3 不同目標不同距離處的可見性概率

圖4 不同距離和目標可見性預測概率對比

圖4 中分別為引導車和Cessna172 飛機的察覺、識別和辨識的概率隨距離的變化關系。基于不同距離、不同目標物體的可見性預測概率可知：在物體不變情況下，目標的可見性會隨距離增大而下降；在距離不變情況下，人眼對場景目標的察覺比識別容易，識別比察覺容易；并且目標尺寸越大，預測概率越大。

3.2 現場測驗設計

為了驗證實際管制人員對機場目標的可見性，選擇了該機場15 名管制員進行現場測試。被測試人員不知道關鍵點會放置什么物體，要求通過裸眼觀察關鍵點位置，識別和判斷目標。關鍵點設置3 個場景，依次放置Cessna 172、引導車和無任何目標物體。根據3個場景，測驗共進行3 次。

實驗過程：針對每次測驗，依次讓測試人員從塔臺指定位置窗口進行觀察，每人觀察時間為1 s，然后回答調查問卷。

調查問卷包含4 個問題：

問題1 您是否在關鍵點看到了物體？（選擇題，如果選擇A 請回答問題2，如果選擇B 答卷結束。）（ ）

A有 B沒有

問題2 您看到的是車輛？航空器？（選擇題，如果是選擇A 請回答問題3，如果選擇B 請回答問題4。）（ ）

A車輛 B航空器

問題3 您看到的是什么車輛？（ ）

A引導車 B擺渡車 C加油車

問題4 您看到的是什么航空器？（ ）

A小型航空器 B中型航空器 C大型航空器

上述4 個問題，問題1 用于測試目標是否能夠被察覺，問題2 測試目標是否可以被識別，問題3、4 測試目標是否可以被辨認。同時，可根據數學模型仿真計算出目標可見性的概率。對比測試結果和模型仿真結果，見表4。

表4 現場測驗與仿真結果對比

表4 中“測試”列是通過現場15 人的測試結果。其中數據“*／15”為參與人15 人，選擇結果與實際一致的有*人。該測試可從統計結果上初步說明目標的可見性。表4 中的“仿真”列為相同條件下通過數據模型仿真得出的結果。為詳細對比2 種方案結果，繪制成雷達圖，如圖5、6 所示。

圖5 Cessna172測試與仿真對比

圖6 引導車測試與仿真對比

通過測試與仿真對比可知，仿真結果與測試結果在目標可見性趨勢上是一致的，表明仿真模型有一定的參考意義，可作為定性的參考和判斷。

現場人員測試方法受到物理的距離、大氣環境等條件限制，只能測試和評估特定條件下的目標可見性，對機場設計或建設階段缺少必要條件，無法開展相關測試；測試需要投入大量人力、物力和時間，成本較大；因此測驗方法在實際應用中受到較大限制。而仿真可通過調整不同的參數，獲得所需條件的任意情況數據，這正是目標可見性數學模型的意義。

4 結 語

本文針對機場場面目標的可見性問題進行詳細的分析。分析了機場目標可見性的具體問題，詳細定義了機場目標的可見性概念，基于一般性假設，給出了機場目標可見性的評估過程。借鑒光學成像技術，建立了目標可見性模型。論述了目標鑒別方法、目標任務性能、人眼對比度閾值函數、大氣環境調制傳遞函數等影響因素模型建立過程。根據模型完成了對某機場場面目標可見性性能的預測評估。

設計現場測試實驗，通過現場測試統計數據與模型仿真預測數據對比發現，2 種方法的結果在目標可見性趨勢上具有一致性，表明了該模型的可行性。

由于現場測試數據較少，未來工作需進一步豐富和完善現場測試，進一步論證、修正和完善模型。