LED作为第四代照明光源，逐步取代卤素灯在机场照明领域中的应用将是不可阻挡的发展趋势^[1]。然而，LED机场助航灯具的光源一般是由多颗大功率LED灯珠组合后经过二次配光形成，灯具光分布具有不确定性。LED机场助航灯具的光度和色度对灯具的使用也有重要的影响^{[2, 3]}，比如，灯具出射光强的最大值及主光束平均光强的大小直接影响飞行员对地面距离及飞机姿态的判断；出射角减小也会使飞行员看不到灯光或增强飞机着陆时的眩光效应，给飞机的安全降落带来隐患。因此，LED机场助航灯具制造商为了保证产品的合格性，需要对灯具进行检测。LED机场助航灯具在安装使用时，机场管理者也应了解其光度特性，以便能够及时更换灯具，从而保证灯具在符合机场照明标准要求的同时具有良好的使用效果。

GB/T 22907-2008《灯具的光度测试和分布光度学》标准给出了灯具光度测试的通用要求^[4]，主要有：(1)进行实验的标准实验条件，在此条件下的实际测量误差可以接受；(2)光源和灯具的选择程序；(3)灯具光度特性的测量程序和可能的误差来源；(4)测试结果报告格式；(5)光度检测的内容及要求(如：总光通量、光强分布等)。此外，针对LED机场助航灯具，美国运输部联邦航空局出版的工程摘要EB-67D《机场和障碍灯具用光源(白炽灯和氙气灯除外)》(2012)对LED提出了一些特殊要求^[5]。

分布式光度计作为典型的测量光源分布特性及光度参数的仪器，发挥着越来越重要的作用。配光曲线及参数的测量，对于设计有发光角度要求的LED机场助航灯具十分重要。同时分布式光度计采用直接法测量光源的光度参数，不受灯具尺寸和外形的限制，也是光度参数溯源的重要方式。此外，光度参数的测量准确与否，对于灯具的质量控制起着至关重要的作用，也关乎机场的日常安全管理。因此，设计一款分布式光度计并对其不确定度进行测试和研究，具有十分重要的意义。

本文基于实验室自主研发的一款Type-A型卧式分布光度计，针对嵌入式机场助航灯具进行测量不确定度的分析。选取一组LED机场快速出口滑行道指示灯具的测试数据，运用MATLAB软件模拟分析灯具的等光强图在上下分别平移不同角度后其中心光束的平均光强值，并通过将这些平均光强值与理想的中心主光束的平均光强值进行对比，得到Type-A型卧式分布光度计测试系统的测量不确定度，从而进一步确定灯具位置的扩展不确定度。

1 Type-A型卧式分布光度计

本文研发的卧式分布光度计如图 1a所示，为国际照明委员会(CIE)推荐的Type-A型结构，尤其适用于投光灯具的测量，具有测量精度高、结构紧凑、操作灵活等特点。在测量时，光度探测器固定在离待测灯具光度中心一定距离的主光轴上，LED机场助航灯具通过夹具固定在可在水平和垂直两个方向旋转的转台上。同时，要求转台的水平和垂直两驱动轴的交汇点能够与被测灯具的光度中心重合。待灯具的光输出稳定后，用计算机控制步进电机的驱动方式，使灯具分别绕垂直轴和水平轴转动，同时控制探测器在以自身到光度中心的距离为半径所形成的虚拟球面上的各个点位置进行数据采集。图 1b为测试原理图。

完成照度数据的采集后，根据照度第一定律(即垂直于光线传播方向的照度与点光源在该方向的光强成正比，与点光源到表面的距离的平方成反比)，获取灯具的光强分布信息，见式(1)。值得注意的是，只有点光源才符合距离平方反比定律，因此探测器到光度中心的距离应保持足够远，满足远场测试条件。

(1)

在国际民用航空公约附件14(ICAO ANEX l4)中具体规定了不同等级机场目视助航灯光系统总体构型、分组构型，并且对各类机场助航灯具的颜色、主光束范围、出射方向、最小平均光强、整体光强分布及出射角等光度学参数作出了明确的量化要求，同时规定了不同灯具的等光强曲线及其颜色^[6]。图 2是ICAO ANEX l4中给出的纵向间距为30 m的跑道中线灯(白光)和快速出口滑行道指示灯(黄光)的等光强图，图中规定了灯具在特定区域(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)内的光强值以及明确的特定区域边界线。其要求灯具能够保证在安全飞行的方向范围内给出足够光强的同时不产生眩光，而且在特定区域Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ之外不存在冗余的杂散光。对于黄光，在特定区域以及边界的光强分布并没有改变，只需要将其对应的光强值乘以系数0.4即可。

应用该分布光度计对一款经第三方检测并确认合格的快速出口滑行道指示灯(黄光)进行测量，并给出灯具的空间光强分布图，如图 3所示。

为了更好地对测试结果进行分析，我们将ICAO对灯具光度学参数的具体要求以及灯具测试结果通过表格的形式给出，如表 1所示。

主光束的平均光强为2659.2 cd，是平均光强规定值2000 cd的1.33倍；主光束范围内，测得的最大光强为3273.8 cd，测得的最小光强为1883.3 cd，最大光强与最小光强之比为1.74；主光束范围内，测得的最小光强为最小光强规定值1000 cd的1.88倍。由此可知，该结果是满足ICAO对其光度参数规定要求的。

2 测试精度分析

测量误差分为系统误差和随机误差两部分，本文设计的分布光度计的系统误差来源包括：(1)周围环境，如温度、湿度的变化，周围杂散光干扰；(2)分布光度计的机械结构本身，如机械发生形变、转角误差、灯具转动速度变化；(3)光度探测器和连接设备，包括校准误差、非线性和疲劳、光谱响应时间和测试距离的测量误差等；(4)灯具及其夹具，如灯具光度中心的选择误差，分布光度计上灯具的位置未对准，移动中灯具的机械变形。

随机误差来源有：(1)电源供电电压或频率的变化；(2)在不同燃点阶段灯具光源特性变化引起输出光的不稳定(光通量的波动、光弧的偏移等)；(3)灯具移动带来空气的流动引起灯具周围温度的变化。

测量不确定度^[7]是指由于测量误差的存在，对被测量值的不能肯定的程度。测量不确定度愈小，所述结果与被测量的真值愈接近，数据质量越高。对于测量的位置数据，测量不确定度通常用偏离所述位置的距离表达，在该距离范围内存在真实位置点的规定置信度，如用说明置信水准的区间半宽度的表示方法则称为扩展不确定度。选取上述测试数据，运用MATLAB软件模拟分析灯具的等光强图在上下分别平移不同角度后中心光束的平均光强值，通过将这些平均光强值与理想的中心主光束的平均光强值进行对比，得到测试系统的测量不确定度，从而进一步确定灯具位置的扩展不确定度。

通过对比分析图 4和图 5，可得如下结论：

1) 当灯具相对于参考点在竖直方向没有发生偏移即y=0°时，灯具的中心主光束平均光强的相对误差随着x轴角度偏移量的绝对值增大而增大，而且x轴角度沿正方向的偏离对相对误差的影响比较大。

2) 当灯具相对于参考点在竖直方向的偏移量分别为0.1、0.2、0.3度时，灯具的中心主光束平均光强的相对误差分布曲线大体上没有改变。因此可知，当y轴偏移量在0~0.3度时，灯具相对于参考点在水平方向上的偏移量对测试的精度影响比较大。

3) 当灯具相对于参考点在水平方向角度没有发生偏移，即x=0°时，灯具的中心主光束平均光强在y轴角度由0°沿着正方向增大到1.3°之间的变化不是很明显，相对误差 < 0.5%；但是灯具的中心主光束平均光强的相对误差随着y轴负方向偏移角度绝对值的增大而逐渐增大，在y=-1.2°时已达到2%。

4) 当灯具沿着x轴正方向发生偏移量分别为0.1、0.2、0.3度时，灯具的中心主光束平均光强相对误差分布曲线趋势和x=0°时一致，但是由于受到x轴偏移量的影响，整体数值增大。

综上所述，分布式光度计的测试精度受灯具位置沿水平轴偏移量尤其是水平轴的正向偏移的影响比较大，同时，竖直轴负方向的偏移量对精度的影响也不可忽视。因此，A型卧式分布光度计的灯具安放位置在水平轴方向扩展不确定度要小于竖直轴方向的扩展不确定度。图 6为x和y均有偏离的相对误差分布图，假设由灯具位置不准确引起的中心主光束平均光强相对误差绝对值为2%，则灯具位置在x轴方向扩展不确定度为-0.3°~0.3°，在y轴方向的扩展不确定度是-0.4°~1°。

3 结论

本文针对LED本身作为光源所特有的结构和光学特性，提出了LED机场助航灯具光强空间分布曲线的测量方法和系统设计方案，研发了一款Type-A型卧式分布光度计，并以嵌入式机场助航灯具为例对光度计进行了测量不确定度分析。实验与仿真结果表明，当灯具安装位置在x轴方向偏离-0.3°~0.3°或者在y轴方向偏离-0.4°~1°时，Type-A型卧式分布光度计测试结果满足ICAO对灯具光度参数的要求。