基于CCD的參數檢測儀光輻射檢定系統設計

岳智革，劉福，劉魏，尼佳偉

(1.福州監測站，福州福建350015;2.軍械技術研究所，河北石家莊050000)

0 引言

某型裝備控制系統采用目視瞄準、電視測角儀與手動控制瞄準線相配合的瞄準方式進行，其中電視測角儀是連接裝備與人員的紐帶，它的正常工作是該裝備控制系統發揮效能的關鍵［1］。電視測角儀工作原理是將裝備尾光彈標的光輻射接收至自身的感光元件，通過光信號與光電轉換完成信息的傳輸。參數檢測儀是檢測電視測角儀的專用設備［2］，能夠完成電視測角儀的所有相關參數的計量，其中光學參量的檢定尤為重要。電視測角儀的工作性能能夠用參數檢測儀來評定，但參數檢測儀的工作性能卻沒有設備來進行衡量，所以被參數檢測儀檢定的結果就值得懷疑。

以往普遍的作法是反推法，即將原裝生產的電視測角儀作為標準儀器，用參數檢測儀檢定該標準儀器，得出結果與標準儀器設計制造參數范圍相吻合，則認為參數檢測儀工作正常，反之則需要維修或者更換器件。這種做法能夠達到測量標準與被檢設備的測量不確定度要求［3］，但是存在很大的弊端，首先是標準儀器生產成本高，使得標準儀器不可能大量配裝;其次是標準儀器保存困難，長時間使用之后無法保證其本身的性能，加之單機更新困難，給測量結果造成巨大的隱患;再次是儀器無法溯源，測量結果不具有普遍適用性。

基于此，本文從參數檢測儀的重點部件著手，對光輻射參數檢定提出設計思路，對解決標準儀器檢定帶來的弊端、提升裝備計量檢定結果質量具有重要意義。

1 設計思路及可行性分析

參數檢測儀結構如圖1所示，它是檢測電視測角儀的設備。以往利用標準儀器對參數檢測儀進行計量，本系統設計則借鑒標準儀器檢測參數檢測儀的方法，對參數檢測儀光輻射元件性能(主要是光源輻射亮度)進行評定。此外，利用國家計量部門提供的標準光輻射器具，對系統的溯源功能進行設計。

圖1 參數檢測儀結構示意圖

為了滿足系統溯源，設計思路為:主體以積分球為基礎，其作為理想的朗伯光源和勻光器，在光學領域具有重要的地位;電視測角儀的光感元件為CCD(Charge Coupled Device，電荷耦合器件)，由一系列光電轉換之后輸出電信號，則積分球內部可設置CCD元件進行電視測角儀感光模擬，雖無光電轉換電路，但仍可將積分球CCD輸出灰度值DN與電視測角儀電信號進行對比，兩者若存在定量比例關系，則可用內置CCD探測的積分球系統代替電視測角儀，反之則設計思路失敗。值得說明的是，積分球內部的探測器雖有多種可選，但為了與電視測角儀相匹配，特選擇CCD器件。

為了驗證CCD輸出能否代替電視測角儀輸出，必須知曉光輻射亮度與電視測角儀輸出之間的定量關系，將該關系與光輻射亮度和CCD輸出的關系進行比對。由圖2、圖3可知，電視測角儀和CCD相對于光輻射亮度的輸出調整系數雖有差別(前者99.2%，后者99.9%)，但都呈現線性關系，能夠用直線方程表達，證明在以光輻射亮度為自變量在一定范圍變化時，在CCD輸出與電視測角儀輸出具有定量關系。

圖2 光輻射亮度與電視測角儀輸出關系

圖3 光輻射亮度與CCD輸出關系

由圖4可知，CCD與測角儀輸出定量關系呈線性，比例系數約為1/15229.7，調整決定系數為99.93%，表明CCD輸出數碼值DN具有替代電視測角儀電壓輸出的功能。此外，由圖3、圖4所示，當光輻射亮度為0時，CCD和電視測角儀都有輸出，尤以電視測角儀輸出最為明顯，分析認為是環境暗信號和電子器件噪聲所致，對驗證結果沒有影響。

圖4 CCD與測角儀輸出定量關系

2 溯源及量值傳遞

檢定參數檢測儀光輻射參量的標準電視測角儀根本的問題在于無法溯源，不能夠保證量值傳遞的準確性。本系統設計必須考慮量值的溯源，做法是將國家基準傳遞到積分球系統中，通過一系列量值傳遞，使積分球出口輻亮度值與國家基準相關聯，進而對比參數檢測儀的光輻射亮度值，以確定參數檢測儀輻亮度的范圍。具體溯源及量值傳遞示意見圖5。

圖5 量值溯源及傳遞示意圖

按照圖5示意圖，由光譜輻照度標準燈和標準漫反射白板組成亮度基準，標準輻照度燈經漫反射白板之后，由國家計量院出具的證書數據得出標準白板的積分輻照度值，然后結合標準白板的反射率，由式(1)計算出標準輻亮度值，完成標準輻照度向標準輻亮度的轉換。

式中:B為標準輻亮度;E(λ)為λ波長范圍內的積分輻照度，由證書數據計算得出;ρ為規定角度內標準白板的反射率，本系統按45°計算。利用距離反比定律，計算出標準輻亮度值，實驗室定標階段以輻射計［4］為媒介，利用單位輸出所對應的輻亮度值標定使用的積分球系統，與此同時得出積分球內部CCD的輸出數碼灰度值DN，必要時進行DN值飽和抑制［5］，求出CCD輸出與標準輻亮度之間的定量關系，則在使用階段，只要觀察DN值輸出，就可以得出積分球出光口的輻射亮度。積分球系統定標結果見表1。

表1400 ～800 nm積分球定標數據

對表1中定標結果進行線性擬合，得出圖形如圖6。由圖6及擬合數據可知，探測器輸出灰度數碼值DN與輻射亮度擬合方程為:L=0.00241DN+0.217，其中L為積分輻亮度，方程式調整決定系數為99.994%，幾乎完全呈線性關系。理想情況下的定標擬合曲線應該經過原點，但由于探測器本身的敏感程度和外部環境噪聲等因素的影響，當探測器輸出灰度數碼值為0時，輻射亮度值并不為0，雖然對于檢測參數檢測儀影響不大，但令系統的普遍適用性大打折扣。這就說明當所測積分輻亮度數值小于方程式常數項0.217 W/(m2sr)時，該系統并不能夠滿足使用要求。

圖6 定標結果擬合曲線

3 參數檢測儀光輻射參量試計量

通過定標結果擬合式，對參數檢測儀背景輻亮度和光源輻亮度進行檢定［6］，將輸出的數碼灰度值帶入擬合式中，將得出的輻亮度值與參數檢測儀正常工作輻亮度范圍進行對比，評定參數檢測儀的工作性能。試計量結果見表2。

表2 參數檢測儀試計量結果

A類、B類背景輻亮度值為參數檢測儀兩種工作狀態下的輻亮度，所要達成的工作目的不同，所以指標范圍要求也不同。由表2中得知，設計的系統能夠完成對參數檢測儀光輻射參數的檢測工作，檢測各項指標合格。

4 結論

在實際應用的基礎上，本文受標準電視測角儀檢測參數檢測儀的方式的啟發，設計了一種檢測參數檢測儀光輻射參數的系統，該系統環境要求不高，可操作性強，并且方便運輸，可量產進行配裝。通過驗證該系統與標準電視測角儀的相互替代性，得出設計思路可行的結論，通過對系統溯源及量值傳遞的論述，試驗得出系統定標曲線，完成了系統的溯源，并用最小二乘法給出了定標數據的擬合方程。利用該系統對參數檢測儀進行了試計量，計量效果良好，能夠滿足計量需要。不足點在于系統的普遍適用性不高，當所測輻射亮度較低時，系統功能失效，分析可知與系統內置探測器有關，設計優化時可考慮將該探測器更換，以滿足系統的普適性。

［1］常雷，周偉，張榕.某新型反坦克導彈控制系統原位檢測的平行光管設計［J］.四川兵工學報，2011，7(32):32-35.

［2］中國人民解放軍總裝備部.GJB 5231-2004軍用光電測角儀通用規范［S］.2004.

［3］中國人民解放軍總裝備部.GJB 5109-2004裝備計量保障通用要求—檢測和校準［S］.2004.

［4］王淑榮，邢進，李福田.利用積分球光源定標空間紫外遙感光譜輻射計［J］.光學精密工程，2006，14(2):185-190.

［5］劉光燦，白廷柱，劉賤平.電視測角儀控制CCD曝光量抑制背景干擾的方法［J］.激光與紅外，2007，37(10):1101-1104.

［6］董樹峰，趙健，李英志.一種雙CCD電視測角儀的參數自動檢測系統［J］.紅外與激光工程，2006，35:354-359.