基于CCD的參數(shù)檢測儀光輻射檢定系統(tǒng)設(shè)計(jì)

岳智革，劉福，劉魏，尼佳偉

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

0 引言

某型裝備控制系統(tǒng)采用目視瞄準(zhǔn)、電視測角儀與手動控制瞄準(zhǔn)線相配合的瞄準(zhǔn)方式進(jìn)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(tǒng)發(fā)揮效能的關(guān)鍵［1］。電視測角儀工作原理是將裝備尾光彈標(biāo)的光輻射接收至自身的感光元件，通過光信號與光電轉(zhuǎn)換完成信息的傳輸。參數(shù)檢測儀是檢測電視測角儀的專用設(shè)備［2］，能夠完成電視測角儀的所有相關(guān)參數(shù)的計(jì)量，其中光學(xué)參量的檢定尤為重要。電視測角儀的工作性能能夠用參數(shù)檢測儀來評定，但參數(shù)檢測儀的工作性能卻沒有設(shè)備來進(jìn)行衡量，所以被參數(shù)檢測儀檢定的結(jié)果就值得懷疑。

以往普遍的作法是反推法，即將原裝生產(chǎn)的電視測角儀作為標(biāo)準(zhǔn)儀器，用參數(shù)檢測儀檢定該標(biāo)準(zhǔn)儀器，得出結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)儀器設(shè)計(jì)制造參數(shù)范圍相吻合，則認(rèn)為參數(shù)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(dá)到測量標(biāo)準(zhǔn)與被檢設(shè)備的測量不確定度要求［3］，但是存在很大的弊端，首先是標(biāo)準(zhǔn)儀器生產(chǎn)成本高，使得標(biāo)準(zhǔn)儀器不可能大量配裝;其次是標(biāo)準(zhǔn)儀器保存困難，長時(shí)間使用之后無法保證其本身的性能，加之單機(jī)更新困難，給測量結(jié)果造成巨大的隱患;再次是儀器無法溯源，測量結(jié)果不具有普遍適用性。

基于此，本文從參數(shù)檢測儀的重點(diǎn)部件著手，對光輻射參數(shù)檢定提出設(shè)計(jì)思路，對解決標(biāo)準(zhǔn)儀器檢定帶來的弊端、提升裝備計(jì)量檢定結(jié)果質(zhì)量具有重要意義。

1 設(shè)計(jì)思路及可行性分析

參數(shù)檢測儀結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是檢測電視測角儀的設(shè)備。以往利用標(biāo)準(zhǔn)儀器對參數(shù)檢測儀進(jìn)行計(jì)量，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)則借鑒標(biāo)準(zhǔn)儀器檢測參數(shù)檢測儀的方法，對參數(shù)檢測儀光輻射元件性能(主要是光源輻射亮度)進(jìn)行評定。此外，利用國家計(jì)量部門提供的標(biāo)準(zhǔn)光輻射器具，對系統(tǒng)的溯源功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖1 參數(shù)檢測儀結(jié)構(gòu)示意圖

為了滿足系統(tǒng)溯源，設(shè)計(jì)思路為:主體以積分球?yàn)榛A(chǔ)，其作為理想的朗伯光源和勻光器，在光學(xué)領(lǐng)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(zhuǎn)換之后輸出電信號，則積分球內(nèi)部可設(shè)置CCD元件進(jìn)行電視測角儀感光模擬，雖無光電轉(zhuǎn)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(jìn)行對比，兩者若存在定量比例關(guān)系，則可用內(nèi)置CCD探測的積分球系統(tǒng)代替電視測角儀，反之則設(shè)計(jì)思路失敗。值得說明的是，積分球內(nèi)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(yàn)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(guān)系，將該關(guān)系與光輻射亮度和CCD輸出的關(guān)系進(jìn)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(diào)整系數(shù)雖有差別(前者99.2%，后者99.9%)，但都呈現(xiàn)線性關(guān)系，能夠用直線方程表達(dá)，證明在以光輻射亮度為自變量在一定范圍變化時(shí)，在CCD輸出與電視測角儀輸出具有定量關(guān)系。

圖2 光輻射亮度與電視測角儀輸出關(guān)系

圖3 光輻射亮度與CCD輸出關(guān)系

由圖4可知，CCD與測角儀輸出定量關(guān)系呈線性，比例系數(shù)約為1/15229.7，調(diào)整決定系數(shù)為99.93%，表明CCD輸出數(shù)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(dāng)光輻射亮度為0時(shí)，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(rèn)為是環(huán)境暗信號和電子器件噪聲所致，對驗(yàn)證結(jié)果沒有影響。

圖4 CCD與測角儀輸出定量關(guān)系

2 溯源及量值傳遞

檢定參數(shù)檢測儀光輻射參量的標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)確性。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮量值的溯源，做法是將國家基準(zhǔn)傳遞到積分球系統(tǒng)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(zhǔn)相關(guān)聯(lián)，進(jìn)而對比參數(shù)檢測儀的光輻射亮度值，以確定參數(shù)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(biāo)準(zhǔn)燈和標(biāo)準(zhǔn)漫反射白板組成亮度基準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)輻照度燈經(jīng)漫反射白板之后，由國家計(jì)量院出具的證書數(shù)據(jù)得出標(biāo)準(zhǔn)白板的積分輻照度值，然后結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)白板的反射率，由式(1)計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)輻亮度值，完成標(biāo)準(zhǔn)輻照度向標(biāo)準(zhǔn)輻亮度的轉(zhuǎn)換。

式中:B為標(biāo)準(zhǔn)輻亮度;E(λ)為λ波長范圍內(nèi)的積分輻照度，由證書數(shù)據(jù)計(jì)算得出;ρ為規(guī)定角度內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)白板的反射率，本系統(tǒng)按45°計(jì)算。利用距離反比定律，計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)輻亮度值，實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)階段以輻射計(jì)［4］為媒介，利用單位輸出所對應(yīng)的輻亮度值標(biāo)定使用的積分球系統(tǒng)，與此同時(shí)得出積分球內(nèi)部CCD的輸出數(shù)碼灰度值DN，必要時(shí)進(jìn)行DN值飽和抑制［5］，求出CCD輸出與標(biāo)準(zhǔn)輻亮度之間的定量關(guān)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(tǒng)定標(biāo)結(jié)果見表1。

表1400 ～800 nm積分球定標(biāo)數(shù)據(jù)

對表1中定標(biāo)結(jié)果進(jìn)行線性擬合，得出圖形如圖6。由圖6及擬合數(shù)據(jù)可知，探測器輸出灰度數(shù)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(diào)整決定系數(shù)為99.994%，幾乎完全呈線性關(guān)系。理想情況下的定標(biāo)擬合曲線應(yīng)該經(jīng)過原點(diǎn)，但由于探測器本身的敏感程度和外部環(huán)境噪聲等因素的影響，當(dāng)探測器輸出灰度數(shù)碼值為0時(shí)，輻射亮度值并不為0，雖然對于檢測參數(shù)檢測儀影響不大，但令系統(tǒng)的普遍適用性大打折扣。這就說明當(dāng)所測積分輻亮度數(shù)值小于方程式常數(shù)項(xiàng)0.217 W/(m2sr)時(shí)，該系統(tǒng)并不能夠滿足使用要求。

圖6 定標(biāo)結(jié)果擬合曲線

3 參數(shù)檢測儀光輻射參量試計(jì)量

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

表2 參數(shù)檢測儀試計(jì)量結(jié)果

A類、B類背景輻亮度值為參數(shù)檢測儀兩種工作狀態(tài)下的輻亮度，所要達(dá)成的工作目的不同，所以指標(biāo)范圍要求也不同。由表2中得知，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠完成對參數(shù)檢測儀光輻射參數(shù)的檢測工作，檢測各項(xiàng)指標(biāo)合格。

4 結(jié)論

在實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)上，本文受標(biāo)準(zhǔn)電視測角儀檢測參數(shù)檢測儀的方式的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一種檢測參數(shù)檢測儀光輻射參數(shù)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)環(huán)境要求不高，可操作性強(qiáng)，并且方便運(yùn)輸，可量產(chǎn)進(jìn)行配裝。通過驗(yàn)證該系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)電視測角儀的相互替代性，得出設(shè)計(jì)思路可行的結(jié)論，通過對系統(tǒng)溯源及量值傳遞的論述，試驗(yàn)得出系統(tǒng)定標(biāo)曲線，完成了系統(tǒng)的溯源，并用最小二乘法給出了定標(biāo)數(shù)據(jù)的擬合方程。利用該系統(tǒng)對參數(shù)檢測儀進(jìn)行了試計(jì)量，計(jì)量效果良好，能夠滿足計(jì)量需要。不足點(diǎn)在于系統(tǒng)的普遍適用性不高，當(dāng)所測輻射亮度較低時(shí)，系統(tǒng)功能失效，分析可知與系統(tǒng)內(nèi)置探測器有關(guān)，設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)可考慮將該探測器更換，以滿足系統(tǒng)的普適性。

［1］常雷，周偉，張榕.某新型反坦克導(dǎo)彈控制系統(tǒng)原位檢測的平行光管設(shè)計(jì)［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，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(guī)范［S］.2004.

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

［4］王淑榮，邢進(jìn)，李福田.利用積分球光源定標(biāo)空間紫外遙感光譜輻射計(jì)［J］.光學(xué)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(shù)自動檢測系統(tǒng)［J］.紅外與激光工程，2006，35:354-359.