機(jī)外照明燈具夜視（NIVS）輻射強(qiáng)度測試技術(shù)研究

吳朝選

（中航工業(yè)蘭州萬里航空機(jī)電有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730070）

0 引 言

飛機(jī)夜視兼容照明燈具是為飛行員提供利用微光夜視儀能進(jìn)行夜間飛行的關(guān)鍵設(shè)備[1-3]，它的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一輻射強(qiáng)度值的大小直接關(guān)系飛行員在夜間夜視成像系統(tǒng)（night vision image system，NVIS）能否安全觀察正常飛行[4-7]。世界上各國家對(duì)飛機(jī)夜視兼容照明燈具的輻射強(qiáng)度技術(shù)指標(biāo)以國標(biāo)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的形成作出嚴(yán)格規(guī)定。美國機(jī)外工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)SAEARP5825-2005-07中對(duì)雙模式機(jī)外燈具的設(shè)計(jì)要求和測試程序以標(biāo)準(zhǔn)的形式作出了嚴(yán)格的規(guī)定[8]。要求雙模式機(jī)外照明燈具應(yīng)滿足該標(biāo)準(zhǔn)中的技術(shù)指標(biāo)，并參照標(biāo)準(zhǔn)中推薦的方法進(jìn)行NVIS輻射強(qiáng)度的測試。

NVIS友好模式機(jī)外燈具不僅要符合現(xiàn)有的FAA和可見光模式燈具的軍用規(guī)范，而且必須限定燈具的紅外（IR）含量。燈具的部分IR能量通過濾光片濾掉[9-11]，濾掉多少取決于各種飛機(jī)的戰(zhàn)術(shù)要求。要求這些燈具能夠被裸眼看到，但它不能干擾飛行員使用夜視鏡。機(jī)外照明燈具與座艙內(nèi)NVIS兼容照明燈具最大的區(qū)別在于沒有一個(gè)固定的亮度值作比例系數(shù)。對(duì)于座艙內(nèi)的NVIS兼容照明，軍用規(guī)范中明確規(guī)定了亮度值，艙內(nèi)飛行員自己可以控制；而對(duì)于機(jī)外照明，飛行員不能控制其他飛機(jī)機(jī)外燈具的亮度值和外界自然光，例如星光、月光等的亮度。當(dāng)飛行員觀察來自其他飛機(jī)的機(jī)外燈光時(shí)，由于受距離、視角和各種燈具發(fā)光模式的不同，要建立一種特定亮度系數(shù)關(guān)系是不可能的。使用單一的亮度比例系數(shù)將影響飛行員使用夜視鏡觀察的正確性，因此，在SAWARP 58025-2005中提出不使用亮度比例系數(shù)的方法。該方法考慮的實(shí)際情況是，燈具發(fā)光模式不同，其輻射能和亮度值是變化的，輻射強(qiáng)度的計(jì)算公式就象計(jì)算光度中光強(qiáng)的公式一樣。

1 NVIS輻射強(qiáng)度的定義

NVIS輻射強(qiáng)度定義為機(jī)外光源的光譜輻射強(qiáng)度與夜視鏡的光譜響應(yīng)度值的積分。該積分值即為NVIS輻射強(qiáng)度NRI。NVIS光譜輻射強(qiáng)度與夜視鏡光譜響應(yīng)度分布曲線一體化的方法類似于光度學(xué)中的光強(qiáng)。對(duì)于點(diǎn)光源同樣遵循平方反比定律。

式中：G（λ）max=1mA/W；

G（λ）——夜視鏡的相對(duì)A類或B類的相對(duì)光譜響應(yīng)度；

S——亮度比例系數(shù)；

N（λ）——光源的光譜輻亮度，W/（cm2·sr·nm）；d（λ）=5nm。

2 NVIS輻射強(qiáng)度NRI的測量

要實(shí)現(xiàn)NVIS輻射強(qiáng)度NRI的測量就像常規(guī)光強(qiáng)的測量一樣，NVIS的輻射強(qiáng)度NRI的測量理論來說只要設(shè)計(jì)一個(gè)與NVIS的A類和B類相對(duì)光譜響應(yīng)度一致的測光探測器。帶上余弦校準(zhǔn)器就能測出被測光源的NVIS輻射強(qiáng)度NRI：

式中：G（λ）A——NVIS的A類光譜輻射亮度；

l——被測光源到探測器間的距離。

硅光電探測器配專用濾光器是可以實(shí)現(xiàn)NVIS輻射強(qiáng)度的測試。首先選用一種硅光電探測器，按國家校準(zhǔn)規(guī)范[12]準(zhǔn)確測量其相對(duì)光譜響應(yīng)度特性，如圖1所示。而NIVS的A類光譜響應(yīng)度分布系數(shù)如圖2所示。

圖1 硅光電探測器的相對(duì)光譜響應(yīng)度分布曲線

圖2 NIVS的A類光譜響應(yīng)度分布系數(shù)曲線

若光探測器的光譜響應(yīng)度要與NVIS A類光譜響應(yīng)度分布相一致，其需要的濾光器光譜特性必須如圖3所示。

圖3 與NVISA類光譜響應(yīng)度分布相一致的光探測器濾光器光譜透射比曲線

用多種方法制作這樣的濾光器經(jīng)試驗(yàn)測試表明很難達(dá)到，為此改用快速光譜輻射計(jì)的方法。該方法原理框圖如圖4所示。

圖4 快速光譜輻射計(jì)原理框圖

被測光源的光經(jīng)光纖耦合到光譜儀的入射狹縫，光譜儀的出射狹縫配置CCD光電傳感器。光電傳感器接收到光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換再通過USB接口與計(jì)算機(jī)相連，編制相應(yīng)的測試及控制軟件對(duì)被測光源的光譜輻射進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，實(shí)現(xiàn)NVIS輻射強(qiáng)度的測試。對(duì)于光源光譜輻射亮度的測試光纖測頭可設(shè)計(jì)帶成像光學(xué)系統(tǒng)，將被測光源發(fā)光面成像在光纖的端頭再耦合到光譜儀。因光纖纖芯很細(xì)，對(duì)光學(xué)成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量要求非常高。而且在測量中對(duì)準(zhǔn)光源發(fā)光面的位置操作非常嚴(yán)格，測試誤差較大。為此該系統(tǒng)的光纖測頭不用成像光學(xué)系統(tǒng)而設(shè)計(jì)專門的余弦修正器固定在光纖的入射端頭，對(duì)于對(duì)準(zhǔn)被測光源沒有任何特殊的要求從而方便地適用于測量不同大小發(fā)光面的光源。

為了確保測試結(jié)果準(zhǔn)確可靠，首先對(duì)快速光譜輻射計(jì)的波長準(zhǔn)確度進(jìn)行校正。校正結(jié)果列于表1。

表1 快速光譜輻射計(jì)用汞燈校準(zhǔn)的結(jié)果

波長校準(zhǔn)完成后，再對(duì)快速光譜輻射計(jì)的絕對(duì)光譜響應(yīng)度進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)后用它測試一只已標(biāo)定好色溫為2 856K光譜輻射亮度值的標(biāo)準(zhǔn)白熾燈的測試結(jié)果列于表2。

在標(biāo)準(zhǔn)燈的工作狀態(tài)下對(duì)快速光譜輻射計(jì)進(jìn)行NVIS A類和B類的定標(biāo)校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)曲線分別如圖5、圖6所示。

校準(zhǔn)系數(shù)保存在NVIS輻射強(qiáng)度NRI的專用測試軟件中，這樣用該儀器即可對(duì)機(jī)外照明燈具的NVIS輻射強(qiáng)度進(jìn)行準(zhǔn)確的測試。測試系統(tǒng)界面如圖7所示。

圖5 快速光譜輻射計(jì)的A類NVIS光譜輻亮度定標(biāo)曲線

圖6 快速光譜輻射計(jì)的B類NVIS光譜輻亮度定標(biāo)曲線

按圖示界面，點(diǎn)擊所需要測試的參數(shù)，測試系統(tǒng)自動(dòng)測試出被測光源的夜視輻射強(qiáng)度、A類或B類光譜輻射亮度以及色坐標(biāo)等參數(shù)，并打印測試結(jié)果。

3 結(jié)束語

該快速光譜輻射計(jì)系統(tǒng)可準(zhǔn)確、快速、方便地測量機(jī)外照明燈具的NVIS輻射強(qiáng)度值。測試系統(tǒng)配有豐富的測量軟件，可對(duì)機(jī)外照明燈具所有光源包括防撞燈的夜視輻射強(qiáng)度NRI進(jìn)行測試。參照SAWARP 5825-2005-07標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試結(jié)果判定，其量值直接溯源到國家光源的光譜副亮度標(biāo)準(zhǔn)。通過光譜的方法對(duì)NVIS的A類和B類進(jìn)行數(shù)字化系數(shù)修正減少了匹配誤差，能方便準(zhǔn)確快速地測量機(jī)外照明燈具的NVIS光譜的輻射強(qiáng)度值，同時(shí)也適合機(jī)內(nèi)照明光源的測試。

表2 快速光譜輻射計(jì)測試標(biāo)準(zhǔn)白熾燈的測試結(jié)果

圖7 機(jī)外照明燈具的NVIS輻射強(qiáng)度測試操作界面圖

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