CN102313598B - 基于分光光谱光度、夜视辐射强度测试仪及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测试结果准确的光度、夜视辐射强度测试仪。基于分光光谱光度、夜视辐射强度测试仪，按光路依次包括光纤、光谱仪、CCD光电传感器、A/D转换器和计算机，在所述光纤的入射端头设置有余弦修正器和精密光栏。本发明可准确测试LED光源及其它光源的光强度值、机外照明灯具的A类和B类NVIS辐射强光谱辐射亮度值以及机外照明灯具的夜视辐射强值NR的测试，独特的光控同步触发技术还可实现闪烁光源如防撞灯的光度、夜视辐射强度NRI的测试，测试结果准确可靠。

Description

基于分光光谱光度、夜视辐射强度测试仪及其测试方法

技术领域

本发明涉及一种光度、夜视辐射强度测试仪，特别是涉及一种基于分光光谱光度、夜视辐射强度测试仪及其测试方法。

背景技术

传统的光度测试是通过光电传感器加V(λ)滤光器修正后，使光电传感器的相对光谱响应度与人眼视见函数相接近或一致，光度测试要求仪器的光电传感器的相对光谱响应度函数曲线如图1所示。修正后传感器的相对光谱响应度与人眼视见函数完全重合一致，理论上说可以，实际上是不可能的。只能达到国际和国家的标准和相关检定规程规定的误差，经目前国际国内通用的标准光源标定方法标定后，用于测量传统的光源的光度值是完全可行的。但随着LED照明光源的应用，用这样的光电传感器制作的经标定都是合格的二台或三台仪器去测量同一只LED照明光源时，经常可出现达30％或更大的误差。这是因为V(λ)滤光器匹配中，在不同的波长区总是不可能完全一致，而LED的辐射光谱又具有强的光谱选择性，从而引起如此大的测试误差。

飞机夜视兼容照明灯具是为飞行员提供利用微光夜视仪进行夜间飞行的关键设备，其关键技术指标辐射强度值的大小将直接关系到飞行员在夜间夜视成像系统(Night vision image system，NVIS)中能否安全观察并正常飞行。国际及国军标中规定的夜视辐射A类和B类的相对光谱响应度函数分别如图2、图3所示。传统测量仪器使用的方法是首先选用一种硅光电探测器测量出其相对光谱响应度特性曲线，一般硅光电探测器的光谱响应度曲线如图4所示。根据硅光电探测器的相对光谱响应度分布曲线分别配制滤光片，使其相对光谱响应度分布与图1、图2和图3所示的标准光度、A类和B类NVIS的光谱分布相一致，从而实现光度、A类NVIS、B类NVIS的辐射强度的测试。该方法的优点是这样设计制作的仪器操作简单，成本较低，而其最大的缺点是，不管采用怎样的技术设计加工的滤光片与硅光电探测器组合后，其相对光谱响应度分布与标准V(λ)、A类NVIS、B类NVIS光谱分布完全一致是不可能的，目前世界上做的最好的V(λ)滤光片的匹配误差也在2％左右。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种测试结果准确的光度、夜视辐射强度测试仪。

本发明还要提供一种上述光度、夜视辐射强度测试仪的测试方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：基于分光光谱光度、夜视辐射强度测试仪，其特征在于：按光路依次包括光纤、光谱仪、CCD光电传感器、A/D转换器和计算机，在所述光纤的入射端头设置有余弦修正器和精密光栏。

进一步的，在所述光谱仪中设置有光控同步触发器。

进一步的，所述CCD光电传感器的光谱范围为380nm-930nm。

基于分光光谱光度、夜视辐射强度测试仪的测试方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：1)设置在光纤的入射端头的余弦修正器校正光纤的角度响应特性；2)被测光源发出的光经光纤探测后，耦合到光谱仪的入射狭缝；3)设置在光谱仪的出射狭缝的CCD光电传感器将接收到的光信号转变成电信号；4)经过A/D转换器后与计算机相连，对被测光源的光谱辐射进行数据采集和处理，通过数字拟合的方法实现光度、NVIS辐射强度、A类或B类光谱辐射亮度的测试。

进一步的，在所述步骤1)前还包括步骤A：对所述光谱仪的波长准确度进行校正，误差控制在小于1nm。

进一步的，在所述步骤A后还有步骤B：再对所述光谱仪的绝对光谱响应度和相对光谱响应度进行校准。

进一步的，在所述步骤2)后还包括步骤：设置在光谱仪中的光控同步触发器对闪烁光源进行测试。

本发明的有益效果是：本发明可准确测试LED光源及其它光源的光强度值、机外照明灯具的A类和B类NVIS辐射强光谱辐射亮度值以及机外照明灯具的夜视辐射强值NR的测试，独特的光控同步触发技术还可实现闪烁光源如防撞灯的光度、夜视辐射强度NRI的测试，测试结果准确可靠。

附图说明

图1是人眼视见函数V(λ)光谱响应度分布系数曲线图。

图2是A类NIVS的光谱响应度分布系数曲线图。

图3是B类NIVS的光谱响应度分布系数曲线图。

图4是硅光电探测器的相对光谱响应度分布曲线图。

图5是本发明的结构框图。

图6是本发明的仪器光度拟合V(λ)定标曲线图。

图7是本发明的仪器A类NVIS光谱辐亮度拟合定标曲线图。

图8是本发明的仪器B类NVIS光谱辐亮度拟合定标曲线图。

具体实施方式

光度测量的定义及原理是：

对于光度测量，用带V(λ)滤光器的光探测器测量光源时，探测器的输出光电流为：

$I\left(A\right)={\∫}_{380}^{780}\mathrm{\Φe}\left(\mathrm{\λ}\right)S\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}---\left(1\right)$

式中：Φe(λ)是光源的光谱功率分布；S(λ)是探测器的光谱响应度，它可表示为：

S(λ)(A/W)＝S(555)Sn(λ)    (2)

式中：S(555)(A/W)是在555nm处S(λ)的绝对光谱响应度值，这里需要强调的是，Sn(λ)相似于V(λ)，两者都是相对于峰值555nm的函数，那么，光探测器的光通量响应度可表示为：

$\mathrm{Sv}(A/\mathrm{lm})=\frac{I}{\mathrm{\Φv}}=\frac{S\left(555\right){\∫}_{380}^{780}\mathrm{\Φe}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{Sn}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{\mathrm{Km}{\∫}_{380}^{780}\mathrm{\Φe}\left(\mathrm{\λ}\right)V\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}---\left(3\right)$

对于带V(λ)滤光器的光探测器，如Sn(λ)等于V(λ)，光通量响应度与光的功率分布无关。实际上是不可能相等的，Φe(λ)的匹配修正因子是用下式计算出：

$F=\frac{{\∫}_{380}^{780}\mathrm{\Φe}\left(\mathrm{\λ}\right)\·V\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{{\∫}_{380}^{780}\mathrm{Sn}\left(\mathrm{\λ}\right)\·V\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}---\left(4\right)$

一般Sn(λ)与V(λ)越接近，F越接近1。

而本发明的方法是在光源的光谱功率为Φe(λ)的条件下，通过一体化的测试仪器准确测定探测器的相对光谱响应度分布，然后准确将仪器的光谱响应度分布通过数字的方法拟合成与V(λ)函数完全一致。

根据测光原理，用这种仪器测量光源的光通量时，其输出光电流与光通量(lm)之间的关系为：

$\mathrm{\Φv}\left(\mathrm{lm}\right)=\frac{\mathrm{Km}\·F\·I}{S\left(555\right)}---\left(5\right)$

式中：F＝1

测量光照度与仪器用的有效光栏面积A之间的关系为：

$\mathrm{Ev}\left(\mathrm{lx}\right)=\frac{\mathrm{Km}\·I}{S\left(555\right)A}---\left(6\right)$

测量距离为γ的点光源时光强为：

$\mathrm{Iv}\left(\mathrm{cd}\right)=\frac{\mathrm{Km}\·I\·{\mathrm{\γ}}^2}{S\left(555\right)A}---\left(7\right)$

由以上描述可知，用本发明的仪器测量光源的光度量值时，不存在V(λ)的匹配误差问题，从而可以实现不同光谱功率分布(如LED)光源的光度量值的准确测试。

NVIS辐射强度的定义是：机外光源的光谱辐射强度与夜视镜的光谱响应度值的积分。该积分值即为NVIS辐射强度NRI。NVIS光谱辐射强度与夜视镜光谱响应度分布曲线一体化的方法类似于上述光度学中的光强，对于点光源同样遵循平方反比定律。

$\mathrm{NRI}=G{\left(\mathrm{\λ}\right)}_{\max }{\∫}_{450}^{930}G\left(\mathrm{\λ}\right)\·S\·N\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}$

式中：G(λ)_max＝lmA/W

G(λ)＝夜视镜相对A类或B类的相对光谱响应度。

S＝亮度比例系数。

N(λ)＝光源的光谱辐亮度W/cm²·sr·nm，

d(λ)＝5nm。

NVIS辐射强度NRI的测量：

NVIS辐射强度NRI的测量就象常规光强的测量一样，对NVIS的辐射强度NRI的测量理论来说，只要设计一个与NVIS的A类和B类相对光谱响应度一致的测光探测器，带上余弦校准器就能测出被测光源的NVIS的辐射强度NRI：

NRI＝无亮度比例系数的A类NVIS辐亮度×距离的平方

即：NRI＝G(λ)_A·l²

式中：G(λ)_A为NVIS的A类光谱辐射亮度，l为被测光源到探测器间的距离。

对于光源光谱辐射亮度的测试，在光纤上可设置成像光学系统，成像光学系统将被测光源发出的光成像在光纤的端头后再耦合到光谱仪，但由于光纤的纤芯很细，对成像光学系统的成像质量要求非常高，而且在测量中，需要将成像光学系统对准被测光源的发光面的位置，操作难度非常大，测试误差也较大。因此，本发明不采用成像光学系统，而采用余弦修正器，将余弦修正器和精密光栏设置在光纤的入射端头，精密光栏的作用是可以通过光栏的面积计算入射的光能量。余弦修正器可以校正光纤的角度响应特性，使之符合余弦特性，这对于对准被测光源没有任何特殊的要求，从而非常方便地适用于测量不同大小发光面的光源。

本发明的结构框图如图5所示，被测光源发出的光经余弦修正器后的光纤耦合到光谱仪的入射狭缝，在光谱仪的出射狭缝设置有CCD光电传感器，CCD光电传感器将接收到的光信号转变成电信号后，再经过A/D转换器后通过USB接口与计算机相连，计算机通过测试控制软件对被测光源的光谱辐射进行数据采集和处理，调取不同的定标系数，实现光度、A类NVIS、B类NVIS光谱辐射亮度及NVIS辐射强度的测试。

本发明的仪器带分光光谱仪系统，CCD光电传感器是阵列型，其光谱范围为380nm-930nm，可在标准光源提供的辐射情况下准确测定探测器的相对光谱响应度及绝对光谱响应度，然后根据探测器的相对光谱响应度分布采用数字拟合的方法准确校正探测器的相对光谱响应度分布，使其与标准V(λ)、A类NVIS、B类NVIS光谱分布完全一致，匹配可做到无误差，传统方法是无法做到的。

本发明还可在光谱仪中设置光控同步触发器，当被测光源是闪烁光源时，被测光源发出的闪烁光经光控同步触发器后，通过同步控制测试系统实现对持续时间大于10ms的闪烁光源的光度、NVIS辐射强度的测试。

为了确保测试结果准确可靠，本发明可首先对光谱仪的波长准确度进行校正，误差控制在小于1nm，校正结果列于表1。

表1：光谱仪用汞灯校准的结果

标准值(nm)    365.0 404.6 435.8 546.1 577.0 579.0

仪器测试值(nm)365.2 404.4 435.7 546.3 576.7 578.9

波长校准完成后，再对光谱仪的绝对光谱响应度进行校准，校准完成后，在标准灯的工作状态下准确校准光谱仪的相对光谱响应度，并对光谱仪进行V(λ)光度、NVIS的A类和B类的定标校准，数字拟合定标曲线，分别如图6、图7、图8所示。标定好光谱仪后测试一参考标准灯的结果列于表2。

表2：光谱仪测试参考标准灯的结果：

校准系数保存在光度、NVIS辐射强度NRI的测试软件中，通过点击需要测试的对象，用该仪器就可对所有光源的光度、机外照明灯具的NVIS辐射强度和A类或B类光谱辐射亮度进行准确的测试。

Claims (7)

1.基于分光光谱光度和夜视辐射强度的测试仪，其特征在于：按光路依次包括光纤、光谱仪、CCD光电传感器、A/D转换器和计算机，在所述光纤的入射端头设置有余弦修正器和精密光栏。

2.如权利要求1所述的基于分光光谱光度和夜视辐射强度的测试仪，其特征在于：在所述光谱仪中设置有光控同步触发器。

3.如权利要求1所述的基于分光光谱光度和夜视辐射强度的测试仪，其特征在于：所述CCD光电传感器的光谱范围为380nm-930nm。

4.如权利要求1所述的基于分光光谱光度和夜视辐射强度的测试仪的测试方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：1）设置在光纤的入射端头的余弦修正器校正光纤的角度响应特性；2）被测光源发出的光经光纤探测后，耦合到光谱仪的入射狭缝；3）设置在光谱仪的出射狭缝的CCD光电传感器将接收到的光信号转变成电信号；4）经过A/D转换器后与计算机相连，对被测光源的光谱辐射进行数据采集和处理，通过数字拟合的方法实现光度、NVIS辐射强度、A类或B类光谱辐射亮度的测试。

5.如权利要求4所述的基于分光光谱光度和夜视辐射强度的测试仪的测试方法，其特征在于：在所述步骤1）前还包括步骤A：对所述光谱仪的波长准确度进行校正，误差控制在小于1nm。

6.如权利要求5所述的基于分光光谱光度和夜视辐射强度的测试仪的测试方法，其特征在于：在所述步骤A后还有步骤B：再对所述光谱仪的绝对光谱响应度和相对光谱响应度进行校准。

7.如权利要求4所述的基于分光光谱光度和夜视辐射强度的测试仪的测试方法，其特征在于：在所述步骤2）后还包括步骤：设置在光谱仪中的光控同步触发器对闪烁光源进行测试。

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