機外照明燈具夜視（NIVS）輻射強度測試技術研究

吳朝選

（中航工業蘭州萬里航空機電有限責任公司，甘肅 蘭州 730070）

0 引 言

飛機夜視兼容照明燈具是為飛行員提供利用微光夜視儀能進行夜間飛行的關鍵設備[1-3]，它的關鍵技術指標之一輻射強度值的大小直接關系飛行員在夜間夜視成像系統（night vision image system，NVIS）能否安全觀察正常飛行[4-7]。世界上各國家對飛機夜視兼容照明燈具的輻射強度技術指標以國標或行業標準的形成作出嚴格規定。美國機外工程師協會標準SAEARP5825-2005-07中對雙模式機外燈具的設計要求和測試程序以標準的形式作出了嚴格的規定[8]。要求雙模式機外照明燈具應滿足該標準中的技術指標，并參照標準中推薦的方法進行NVIS輻射強度的測試。

NVIS友好模式機外燈具不僅要符合現有的FAA和可見光模式燈具的軍用規范，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的戰術要求。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。機外照明燈具與座艙內NVIS兼容照明燈具最大的區別在于沒有一個固定的亮度值作比例系數。對于座艙內的NVIS兼容照明，軍用規范中明確規定了亮度值，艙內飛行員自己可以控制；而對于機外照明，飛行員不能控制其他飛機機外燈具的亮度值和外界自然光，例如星光、月光等的亮度。當飛行員觀察來自其他飛機的機外燈光時，由于受距離、視角和各種燈具發光模式的不同，要建立一種特定亮度系數關系是不可能的。使用單一的亮度比例系數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的方法。該方法考慮的實際情況是，燈具發光模式不同，其輻射能和亮度值是變化的，輻射強度的計算公式就象計算光度中光強的公式一樣。

1 NVIS輻射強度的定義

NVIS輻射強度定義為機外光源的光譜輻射強度與夜視鏡的光譜響應度值的積分。該積分值即為NVIS輻射強度NRI。NVIS光譜輻射強度與夜視鏡光譜響應度分布曲線一體化的方法類似于光度學中的光強。對于點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A類或B類的相對光譜響應度；

S——亮度比例系數；

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

2 NVIS輻射強度NRI的測量

要實現NVIS輻射強度NRI的測量就像常規光強的測量一樣，NVIS的輻射強度NRI的測量理論來說只要設計一個與NVIS的A類和B類相對光譜響應度一致的測光探測器。帶上余弦校準器就能測出被測光源的NVIS輻射強度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現NVIS輻射強度的測試。首先選用一種硅光電探測器，按國家校準規范[12]準確測量其相對光譜響應度特性，如圖1所示。而NIVS的A類光譜響應度分布系數如圖2所示。

圖1 硅光電探測器的相對光譜響應度分布曲線

圖2 NIVS的A類光譜響應度分布系數曲線

若光探測器的光譜響應度要與NVIS A類光譜響應度分布相一致，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試驗測試表明很難達到，為此改用快速光譜輻射計的方法。該方法原理框圖如圖4所示。

圖4 快速光譜輻射計原理框圖

被測光源的光經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轉變成電信號后經過A/D轉換再通過USB接口與計算機相連，編制相應的測試及控制軟件對被測光源的光譜輻射進行數據采集和處理，實現NVIS輻射強度的測試。對于光源光譜輻射亮度的測試光纖測頭可設計帶成像光學系統，將被測光源發光面成像在光纖的端頭再耦合到光譜儀。因光纖纖芯很細，對光學成像系統的成像質量要求非常高。而且在測量中對準光源發光面的位置操作非常嚴格，測試誤差較大。為此該系統的光纖測頭不用成像光學系統而設計專門的余弦修正器固定在光纖的入射端頭，對于對準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光面的光源。

為了確保測試結果準確可靠，首先對快速光譜輻射計的波長準確度進行校正。校正結果列于表1。

表1 快速光譜輻射計用汞燈校準的結果

波長校準完成后，再對快速光譜輻射計的絕對光譜響應度進行校準。校準后用它測試一只已標定好色溫為2 856K光譜輻射亮度值的標準白熾燈的測試結果列于表2。

在標準燈的工作狀態下對快速光譜輻射計進行NVIS A類和B類的定標校準，校準系數曲線分別如圖5、圖6所示。

校準系數保存在NVIS輻射強度NRI的專用測試軟件中，這樣用該儀器即可對機外照明燈具的NVIS輻射強度進行準確的測試。測試系統界面如圖7所示。

圖5 快速光譜輻射計的A類NVIS光譜輻亮度定標曲線

圖6 快速光譜輻射計的B類NVIS光譜輻亮度定標曲線

按圖示界面，點擊所需要測試的參數，測試系統自動測試出被測光源的夜視輻射強度、A類或B類光譜輻射亮度以及色坐標等參數，并打印測試結果。

3 結束語

該快速光譜輻射計系統可準確、快速、方便地測量機外照明燈具的NVIS輻射強度值。測試系統配有豐富的測量軟件，可對機外照明燈具所有光源包括防撞燈的夜視輻射強度NRI進行測試。參照SAWARP 5825-2005-07標準進行測試結果判定，其量值直接溯源到國家光源的光譜副亮度標準。通過光譜的方法對NVIS的A類和B類進行數字化系數修正減少了匹配誤差，能方便準確快速地測量機外照明燈具的NVIS光譜的輻射強度值，同時也適合機內照明光源的測試。

表2 快速光譜輻射計測試標準白熾燈的測試結果

圖7 機外照明燈具的NVIS輻射強度測試操作界面圖

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