圖像高穩(wěn)定精準(zhǔn)監(jiān)視在輻射抗擾度測(cè)試中的應(yīng)用

李金龍 徐振興 金善益 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

輻射抗擾度測(cè)試是電磁兼容測(cè)試中關(guān)鍵的測(cè)試項(xiàng)目之一，其通過(guò)寬帶天線發(fā)射場(chǎng)強(qiáng)較高的射頻電磁場(chǎng)對(duì)被測(cè)樣品（DUT）進(jìn)行電磁干擾測(cè)試，測(cè)試中的射頻電磁場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)幾百伏每米[1,2]。例如，用于車輛的測(cè)試場(chǎng)強(qiáng)通常高達(dá)200 V/m，在雷達(dá)波頻段達(dá)到600 V/m。在如此較強(qiáng)的電磁場(chǎng)干擾條件下，對(duì)測(cè)試中DUT進(jìn)行實(shí)時(shí)工作狀態(tài)監(jiān)視的攝像頭需要具備高抗電磁干擾性能。目前，電磁兼容測(cè)試專用的圖像監(jiān)視攝像頭通常需要金屬電磁屏蔽外殼、“電-光-電”轉(zhuǎn)換，以及內(nèi)部電路濾波等多重電磁兼容性設(shè)計(jì)，導(dǎo)致其體積大、造價(jià)高。同時(shí)，金屬攝像頭易對(duì)測(cè)試電磁場(chǎng)的均勻性產(chǎn)生擾動(dòng)，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)DUT進(jìn)行近距離、多角度監(jiān)視。而且，在一些條件下的高等級(jí)測(cè)試場(chǎng)強(qiáng)中，電磁兼容測(cè)試專用的圖像監(jiān)視攝像頭同樣會(huì)受電磁干擾而產(chǎn)生水波紋等異常顯示界面，這會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確判斷產(chǎn)生較大影響。

光纖束圖像傳輸技術(shù)具有抗強(qiáng)電磁干擾，保持圖像穩(wěn)定傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，其作為光學(xué)內(nèi)窺鏡廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、工業(yè)、軍事等領(lǐng)域[3-5]，但是其傳輸距離短，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。自2019年開始研究光纖束圖像傳輸技術(shù)的長(zhǎng)距離傳輸應(yīng)用，合作研究單位上海大學(xué)在2020年搭建了試驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)圖像傳輸[6]，但是該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的視野范圍較小，且傳輸距離僅為1 m。因此，有必要盡快開展新型圖像高穩(wěn)定精準(zhǔn)監(jiān)視系統(tǒng)的開發(fā)研究，在輻射抗擾度測(cè)試中把DUT的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)準(zhǔn)確無(wú)誤地傳遞到控制室，以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試結(jié)果做出準(zhǔn)確判斷。

1 輻射抗擾度測(cè)試的圖像監(jiān)視方法

輻射抗擾度測(cè)試需要在半電波暗室或全電波暗室中進(jìn)行，目的是減少電波暗室內(nèi)電磁波反射以確保施加電磁場(chǎng)的場(chǎng)均勻性，同時(shí)防止電波暗室內(nèi)電磁波泄露到暗室外污染暗室外電磁環(huán)境。以機(jī)動(dòng)車零部件的輻射抗擾度測(cè)試為例，簡(jiǎn)要介紹輻射抗擾度測(cè)試的圖像監(jiān)視方法。輻射抗擾度測(cè)試的圖像監(jiān)視示意圖如圖1所示。其中，信號(hào)源在測(cè)試人員的控制下，把經(jīng)過(guò)功率放大的射頻電磁信號(hào)注入半電波暗室內(nèi)的發(fā)射天線，在DUT區(qū)域形成射頻電磁場(chǎng)。半電波暗室內(nèi)的攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)視處于測(cè)試電磁場(chǎng)的DUT工作狀態(tài)，把圖像信息傳輸至暗室外的圖像解析主機(jī)，并顯示圖像以便測(cè)試人員判斷DUT的工作狀態(tài)是否正常。

圖1 輻射抗擾度測(cè)試的圖像監(jiān)視示意圖

目前，在輻射抗擾度測(cè)試中，圖像監(jiān)視系統(tǒng)通常是基于電信號(hào)的電子攝像頭拾取監(jiān)視畫面，并把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，再通過(guò)通信光纖把包含圖像信息的光信號(hào)傳送至電波暗室外的解析主機(jī)還原圖像信息，并顯示監(jiān)視畫面。但是電子攝像頭易對(duì)測(cè)試均勻電磁場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)，且會(huì)受強(qiáng)電磁干擾而顯示異常，存在無(wú)法實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地反映DUT工作狀態(tài)等問(wèn)題。特別是對(duì)多個(gè)功能燈組合為一體的汽車組合燈，由于其有多個(gè)子顯示區(qū)域且易受電磁干擾，因而成為輻射抗擾度測(cè)試中工作狀態(tài)監(jiān)視的難點(diǎn)。為解決該類技術(shù)問(wèn)題，本文提出一種抗電磁干擾的圖像監(jiān)視系統(tǒng)，采用基于光學(xué)機(jī)理的非金屬部件作為成像物鏡代替?zhèn)鹘y(tǒng)電子攝像頭，實(shí)現(xiàn)圖像監(jiān)視系統(tǒng)在電波暗室內(nèi)的部分為全光路圖像傳輸?shù)姆墙饘俨考谳椛淇箶_度測(cè)試中，可確保圖像信息的拾取與傳輸不受電磁干擾。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

抗電磁干擾圖像監(jiān)視系統(tǒng)的原理如圖2所示，該系統(tǒng)由成像物鏡、傳像光纖束、轉(zhuǎn)接鏡、CCD圖像探測(cè)器、卡口連接器以及顯示計(jì)算機(jī)組成。

圖2 抗電磁干擾圖像監(jiān)視的系統(tǒng)原理

在系統(tǒng)中，由成像物鏡將圖像信息匯聚至光纖束端面；由光纖束對(duì)圖像信息進(jìn)行傳輸，再使用轉(zhuǎn)接鏡對(duì)光纖束所傳輸?shù)膱D像進(jìn)行接收并將圖像信息投射到CCD圖像探測(cè)器的感光面上；CCD圖像探測(cè)器對(duì)圖像信息進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，將光信息轉(zhuǎn)換成電信息，并傳輸至計(jì)算機(jī)；通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件處理圖像信息并實(shí)時(shí)顯示監(jiān)視畫面。其中卡口連接器用于把成像物鏡、傳像光纖束和轉(zhuǎn)接鏡三者進(jìn)行匹配連接，以實(shí)現(xiàn)圖像信息在該光路中高質(zhì)量清晰傳輸。

在應(yīng)用中，成像物鏡為非金屬光學(xué)成像系統(tǒng)，安裝在電波暗室內(nèi)，使DUT工作狀態(tài)畫面成像并高效耦合進(jìn)傳像光纖束，再傳輸至電波暗室外的CCD圖像探測(cè)器，最后在計(jì)算機(jī)顯示屏幕上顯示DUT真實(shí)圖像信息。該系統(tǒng)在電波暗室內(nèi)的部分為非金屬材質(zhì)的光學(xué)傳像結(jié)構(gòu)，不受電磁干擾，且對(duì)測(cè)試均勻電磁場(chǎng)擾動(dòng)小，可以進(jìn)一步提高輻射抗擾度測(cè)試的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，并拓展應(yīng)用在其他電磁環(huán)境惡劣的場(chǎng)合，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在所研制系統(tǒng)中，傳像光纖束的成本占整個(gè)系統(tǒng)硬件成本的主要部分。因此，課題組在選定傳像光纖束規(guī)格后再確定成像物鏡和轉(zhuǎn)接鏡的參數(shù)。權(quán)衡系統(tǒng)需求和硬件成本，由于選擇端面尺寸為8 mm×8 mm，長(zhǎng)度為5 m的傳像光纖束，故選擇像方像面對(duì)角線長(zhǎng)度為8 mm的成像物鏡，以確保成像物鏡拾取的圖像信息可以完整耦合進(jìn)傳像光纖束；選擇物方有效尺寸直徑為16 mm的轉(zhuǎn)接鏡，以確保其可以完整接收傳像光纖束輸出的圖像信息；選擇轉(zhuǎn)接鏡像方像面與CCD圖像探測(cè)器尺寸相匹配的尺寸；此外，制作接口匹配的卡口連接器將成像物鏡、傳像光纖束、轉(zhuǎn)接鏡和CCD圖像探測(cè)器等部分組成一套完備光學(xué)成像傳像顯示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)將物象場(chǎng)景信息完整地傳輸至CCD圖像探測(cè)器感光面上，最后在計(jì)算機(jī)屏幕上還原顯示真實(shí)物象。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，組裝靈活，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)成像距離從0.3 m至遠(yuǎn)距離且視場(chǎng)角大于100°的寬廣視野，傳像距離達(dá)到5 m且成像分辨力高的高質(zhì)量圖像傳輸。

為較全面地驗(yàn)證所研制系統(tǒng)的圖像傳輸性能，以包含多個(gè)功能的機(jī)動(dòng)車前組合燈為實(shí)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。機(jī)動(dòng)車前組合燈的輻射抗擾度測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示，該機(jī)動(dòng)車組合燈包含遠(yuǎn)/近光燈、轉(zhuǎn)向燈、日行燈、位置燈等功能。在驗(yàn)證測(cè)試中，開啟的功能模塊為近光燈、轉(zhuǎn)向燈、日行燈和位置燈，測(cè)試全程對(duì)各個(gè)功能模塊燈的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。測(cè)試中出現(xiàn)任何人眼可見的閃爍等亮度變化則判定測(cè)試結(jié)果為“不符合”。

圖3 機(jī)動(dòng)車前組合燈的輻射抗擾度測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

圖像監(jiān)視效果對(duì)比如圖4所示，其中圖4（a）為傳統(tǒng)電信號(hào)系統(tǒng)的監(jiān)視畫面，可見畫面中的近光燈（較強(qiáng)亮光）和轉(zhuǎn)向燈（黃色亮光）已經(jīng)融為一片，且無(wú)法清晰辨別轉(zhuǎn)向燈的亮光顏色。此外，近光燈和日行燈的顯示邊界也不夠清晰，這是因?yàn)楦吡炼冗h(yuǎn)/近光燈的光暈對(duì)傳統(tǒng)電子攝像頭造成影響致使監(jiān)視畫面不清晰，影響測(cè)試中監(jiān)視判斷DUT的工作狀態(tài)。圖4（b）為本文研制系統(tǒng)的監(jiān)視畫面，可見畫面中各個(gè)功能模塊的發(fā)光個(gè)體狀態(tài)清晰可辨，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)DUT更為精準(zhǔn)的工作狀態(tài)監(jiān)視。

圖4 圖像監(jiān)視效果對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前電磁兼容輻射抗擾度測(cè)試中傳統(tǒng)監(jiān)視攝像頭易對(duì)測(cè)試均勻電磁場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)，且受強(qiáng)電磁干擾影響易顯示異常，存在無(wú)法實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地反映被測(cè)樣品工作狀態(tài)等問(wèn)題，提出并研制了一套基于光纖束圖像傳輸技術(shù)的圖像監(jiān)視系統(tǒng)。該系統(tǒng)的核心部件光學(xué)成像物鏡及傳像光纖束都是基于光學(xué)機(jī)理的非金屬部件，不受電磁干擾且不對(duì)測(cè)試均勻電磁場(chǎng)產(chǎn)生影響。同時(shí)，該系統(tǒng)對(duì)包含強(qiáng)光DUT進(jìn)行圖像監(jiān)視時(shí)，可以避免強(qiáng)光的光暈影響。在輻射抗擾度測(cè)試中，可以實(shí)現(xiàn)成像距離從0.3 m至遠(yuǎn)距離且視場(chǎng)角大于100°的寬廣視野，傳像距離達(dá)到5 m且成像分辨力高的圖像高穩(wěn)定精準(zhǔn)監(jiān)視，這將進(jìn)一步提高測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。