机外照明灯具夜视（NIVS）辐射强度测试技术研究

吴朝选

（中航工业兰州万里航空机电有限责任公司，甘肃 兰州 730070）

0 引 言

飞机夜视兼容照明灯具是为飞行员提供利用微光夜视仪能进行夜间飞行的关键设备[1-3]，它的关键技术指标之一辐射强度值的大小直接关系飞行员在夜间夜视成像系统（night vision image system，NVIS）能否安全观察正常飞行[4-7]。世界上各国家对飞机夜视兼容照明灯具的辐射强度技术指标以国标或行业标准的形成作出严格规定。美国机外工程师协会标准SAEARP5825-2005-07中对双模式机外灯具的设计要求和测试程序以标准的形式作出了严格的规定[8]。要求双模式机外照明灯具应满足该标准中的技术指标，并参照标准中推荐的方法进行NVIS辐射强度的测试。

NVIS友好模式机外灯具不仅要符合现有的FAA和可见光模式灯具的军用规范，而且必须限定灯具的红外（IR）含量。灯具的部分IR能量通过滤光片滤掉[9-11]，滤掉多少取决于各种飞机的战术要求。要求这些灯具能够被裸眼看到，但它不能干扰飞行员使用夜视镜。机外照明灯具与座舱内NVIS兼容照明灯具最大的区别在于没有一个固定的亮度值作比例系数。对于座舱内的NVIS兼容照明，军用规范中明确规定了亮度值，舱内飞行员自己可以控制；而对于机外照明，飞行员不能控制其他飞机机外灯具的亮度值和外界自然光，例如星光、月光等的亮度。当飞行员观察来自其他飞机的机外灯光时，由于受距离、视角和各种灯具发光模式的不同，要建立一种特定亮度系数关系是不可能的。使用单一的亮度比例系数将影响飞行员使用夜视镜观察的正确性，因此，在SAWARP 58025-2005中提出不使用亮度比例系数的方法。该方法考虑的实际情况是，灯具发光模式不同，其辐射能和亮度值是变化的，辐射强度的计算公式就象计算光度中光强的公式一样。

1 NVIS辐射强度的定义

NVIS辐射强度定义为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光度学中的光强。对于点光源同样遵循平方反比定律。

式中：G（λ）max=1mA/W；

G（λ）——夜视镜的相对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。

2 NVIS辐射强度NRI的测量

要实现NVIS辐射强度NRI的测量就像常规光强的测量一样，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辐射强度NRI：

式中：G（λ）A——NVIS的A类光谱辐射亮度；

l——被测光源到探测器间的距离。

硅光电探测器配专用滤光器是可以实现NVIS辐射强度的测试。首先选用一种硅光电探测器，按国家校准规范[12]准确测量其相对光谱响应度特性，如图1所示。而NIVS的A类光谱响应度分布系数如图2所示。

图1 硅光电探测器的相对光谱响应度分布曲线

图2 NIVS的A类光谱响应度分布系数曲线

若光探测器的光谱响应度要与NVIS A类光谱响应度分布相一致，其需要的滤光器光谱特性必须如图3所示。

图3 与NVISA类光谱响应度分布相一致的光探测器滤光器光谱透射比曲线

用多种方法制作这样的滤光器经试验测试表明很难达到，为此改用快速光谱辐射计的方法。该方法原理框图如图4所示。

图4 快速光谱辐射计原理框图

被测光源的光经光纤耦合到光谱仪的入射狭缝，光谱仪的出射狭缝配置CCD光电传感器。光电传感器接收到光信号转变成电信号后经过A/D转换再通过USB接口与计算机相连，编制相应的测试及控制软件对被测光源的光谱辐射进行数据采集和处理，实现NVIS辐射强度的测试。对于光源光谱辐射亮度的测试光纤测头可设计带成像光学系统，将被测光源发光面成像在光纤的端头再耦合到光谱仪。因光纤纤芯很细，对光学成像系统的成像质量要求非常高。而且在测量中对准光源发光面的位置操作非常严格，测试误差较大。为此该系统的光纤测头不用成像光学系统而设计专门的余弦修正器固定在光纤的入射端头，对于对准被测光源没有任何特殊的要求从而方便地适用于测量不同大小发光面的光源。

为了确保测试结果准确可靠，首先对快速光谱辐射计的波长准确度进行校正。校正结果列于表1。

表1 快速光谱辐射计用汞灯校准的结果

波长校准完成后，再对快速光谱辐射计的绝对光谱响应度进行校准。校准后用它测试一只已标定好色温为2 856K光谱辐射亮度值的标准白炽灯的测试结果列于表2。

在标准灯的工作状态下对快速光谱辐射计进行NVIS A类和B类的定标校准，校准系数曲线分别如图5、图6所示。

校准系数保存在NVIS辐射强度NRI的专用测试软件中，这样用该仪器即可对机外照明灯具的NVIS辐射强度进行准确的测试。测试系统界面如图7所示。

图5 快速光谱辐射计的A类NVIS光谱辐亮度定标曲线

图6 快速光谱辐射计的B类NVIS光谱辐亮度定标曲线

按图示界面，点击所需要测试的参数，测试系统自动测试出被测光源的夜视辐射强度、A类或B类光谱辐射亮度以及色坐标等参数，并打印测试结果。

3 结束语

该快速光谱辐射计系统可准确、快速、方便地测量机外照明灯具的NVIS辐射强度值。测试系统配有丰富的测量软件，可对机外照明灯具所有光源包括防撞灯的夜视辐射强度NRI进行测试。参照SAWARP 5825-2005-07标准进行测试结果判定，其量值直接溯源到国家光源的光谱副亮度标准。通过光谱的方法对NVIS的A类和B类进行数字化系数修正减少了匹配误差，能方便准确快速地测量机外照明灯具的NVIS光谱的辐射强度值，同时也适合机内照明光源的测试。

表2 快速光谱辐射计测试标准白炽灯的测试结果

图7 机外照明灯具的NVIS辐射强度测试操作界面图

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