一种机外红外照明灯工作状态检测设备及夜视响应辐射亮度定标方法与流程

1.本发明涉及航空地面保障设备领域，特别涉及一种机外红外照明灯工作状态检测设备及夜视响应辐射亮度定标方法。


背景技术：

2.根据gjb2020a
‑
2012《飞机内部和外部照明设备通用规范》，飞机夜视成像系统(nvis)隐蔽模式定义为用裸眼观察不到，需要使用nvis才能观察到的飞机外部照明工作模式，及在可见光范围具有极低的辐射能量，而在红外区域具有较高的辐射能量。机外的红外照明灯为飞机夜航提供隐蔽功能，同时向邻近飞机驾驶员提供清晰的有关飞机姿态、方位的视觉信息及飞机与飞机之间、飞机与编队之间的集合信号。
3.随着航空技术的发展，飞机照明设备正向着低功耗和隐身性方向发展，机外照明灯具隐身技术的应用使得夜间作战能力逐步提升，各国为了提高飞机夜间巡航和隐身作战能力，均装备了具有夜视兼容体制和具有隐身技术的飞机内外照明设备。国内夜视兼容的照明系统已经在多个型号飞机上装机使用，夜视兼容辐亮度作为夜视兼容照明灯具的重要参数指标，直接影响到飞行员对夜视环境的适应性，所以与飞机夜视兼容照明系统相关的标准均对夜视兼容辐亮度提出了具体参数值的要求。夜视兼容性与隐身技术主要体现在飞机航行灯、防撞灯、编队灯夜视成像系统(nvis)友好模式与隐蔽模式(ir模式)的引入，所谓夜视兼容机外照明是指由机外照明系统发出或反射进入夜视成像设备的红外光，其强度可以产生明显探测响应，但又不会导致探测器的增益饱和和对比度的丧失。而且飞机夜视兼容照明灯具的夜视兼容辐亮度值与该型飞机飞行员佩戴的夜视头盔有直接的关系，但目前国内针对机外红外照明灯夜视兼容辐亮度的测试和定标方法均未考虑到此因素，故测量结果均有一定偏差。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对现有技术的上述不足和缺陷，提供一种机外红外照明灯工作状态检测设备及夜视响应辐射亮度定标方法，以解决上述问题。
5.本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
6.一种机外红外照明灯工作状态检测设备，包括外壳体，其特征在于，所述外壳体上设置有照明光入口、显示屏、调节件，所述外壳体内设置有与所述照明光入口对应的照明光探测模块、与所述照明光探测模块以及显示屏连接的处理电路，所述调节件用以调节所述显示屏的读数。
7.在本发明的一个优选实施例中，所述照明光探测模块包括650～950nm高通滤光片和光数字传感器。
8.在本发明的一个优选实施例中，还包括用以对工作环境周围的环境光影响进行判断的环境光探测模块，所述环境光探测模块与所述处理电路连接，所述外壳体上设置有与
所述环境光探测模块对应的环境光指示灯，当环境光探测模块检测到环境光对测量有影响，环境光指示灯会闪烁，提示操作人员需要进行屏蔽处理，有效地提高检测设备的测试精度。
9.在本发明的一个优选实施例中，所述环境光探测模块包括450～600nm低通滤光片和环境光传感器。
10.在本发明的一个优选实施例中，所述外壳体设置有开关按钮、编队灯模式指示灯、航行灯模式指示灯、防撞灯模式指示灯。
11.一种如上述任一技术方案所述的机外红外照明灯工作状态检测设备的夜视响应辐射亮度定标方法，其特征在于，包括所述机外红外照明灯工作状态检测设备、模拟光源、电源、辐亮度计和宽光谱数据分析仪，电源与模拟光源连接，该定标方法还包括如下步骤：
12.步骤一：模拟光源形成均匀漫射的朗伯光源，作为飞机隐蔽模式的模拟光源；
13.步骤二：用辐亮度计测得上述模拟光源在380nm～1080nm波长段光谱响应辐射亮度的离散函数，控制电源调节电流，测量模拟光源的若干组不同辐射功率对应的光谱响应辐射亮度值；
14.步骤三：通过对像增强器输出的信号进行取样和选通放大，通过该输出信号算出光谱响应离散函数n(λ)；
15.步骤四：对a类光源在380nm～1080nm波长段内的夜视响应进行拟合，得到基于该型飞机飞行员佩戴的夜视头盔的光谱响应函数g(λ)；
16.步骤五：对光谱响应度函数g(λ)和光源的光谱辐亮度函数n(λ)在380nm～1080nm范围内进行积分，将积分结果代入公式(1)中算出夜视兼容照明系统辐亮度值，共计若干组辐亮度值；
[0017][0018]
公式(1)中：
[0019]
g(λ)max＝1ma/w；
[0020]
g(λ)为夜视头盔相对a类的光源的相对光谱响应度；
[0021]
s为亮度比例系数，其值为设定的亮度除以被测光源的亮度；
[0022]
n(λ)为光源的光谱辐亮度，由辐亮度计测得；
[0023]
步骤六：将上述若干组电源供电功率与模拟光源对应的辐射亮度值采用多项式模型进行拟合，拟合公式为l(λ)，建立模拟光源的功率和辐亮度值之间的对应关系如下公式(2)：
[0024][0025]
步骤七：将机外红外照明灯工作状态检测设备接到模拟光源出光面，调节电源的电流，使得机外红外照明灯工作状态检测设备的显示示数从最小值依次增加到最大值，然后将对应电源的电流值带入公式(2)式求出机外红外照明灯工作状态检测设备显示示数对应的辐亮度值，机外红外照明灯工作状态检测设备显示值与夜视响应辐亮度值的定标。
[0026]
在本发明的一个优选实施例中，步骤一中，所述模拟光源以近红外led光源作为辐
射源，在出射光路添加380nm～1080nm透射滤光片，通过所述电源控制输出功率，光阑组件可调节出光孔径从而控制总光通量，光阑中性衰减片，用于对光源的二级衰减，之后光源通过滤光片进入积分球，光源通过积分球匀光后，从乳白玻璃出射，形成均匀漫射的朗伯光源，作为飞机隐蔽模式的模拟光源。
[0027]
在本发明的一个优选实施例中，步骤二中，所述辐亮度计测得上述积分球光源在380nm～1080nm波长段光谱响应辐射亮度的离散函数，控制电源调节电流，测供电功率在3w～0.02w之间，测量模拟光源的20组不同辐射功率对应的光谱响应辐射亮度值。
[0028]
在本发明的一个优选实施例中，步骤三中，通过光栅单色仪对上述积分球光源从380nm～1080nm波长段的逐一波长进行测量，对像增强器输出的信号进行取样和选通放大，通过该输出信号算出光谱辐亮度离散函数n(λ)。
[0029]
在本发明的一个优选实施例中，步骤四中，对a类光源在380nm至1080nm波长段内的夜视响应进行拟合，得到基于该型飞机飞行员佩戴的夜视头盔的光谱响应度函数g(λ)。
[0030]
在本发明的一个优选实施例中，步骤五中，对谱响应度函数g(λ)和光谱辐亮度离散函数n(λ)在380nm～1080nm范围内进行积分，将积分结果代入公式(1
‑
1)中算出夜视兼容照明系统辐亮度值，共计20组辐亮度值：
[0031][0032]
公式(1)中：
[0033]
g(λ)max＝1ma/w；
[0034]
g(λ)为夜视头盔相对a类的光源的相对光谱响应度；
[0035]
s为亮度比例系数，其值为设定的亮度除以被测光源的亮度；
[0036]
n(λ)为光源的光谱辐亮度，由辐亮度计测得；
[0037]
在本发明的一个优选实施例中，步骤六中，将上述20组电源供电功率与积分球光源对应的辐射亮度值采用多项式模型进行拟合，4次多项式的拟合结果与实际数据均方差最小，拟合公式为l(λ)，建立积分球光源功率和辐亮度值之间的对应关系：
[0038]
nra＝(1.639
×
i4‑
5.533
×
i3+4.61
×
i2+5.297
×
i)e
‑6‑
0.02424e
‑
θ
(2－1)
[0039]
在本发明的一个优选实施例中，所述辐亮度计为pr745辐亮度计，为定标系统辐射亮度计量仪器，可以测量积分球光源在不同亮度下的光谱响应辐亮度值，要求辐亮度计波长范围380～1080nm，光谱精度＜0.8nm，光谱分辨率1.35nm/pixel。
[0040]
在本发明的一个优选实施例中，所述宽光谱数据分析仪为便携式宽光谱数据分析仪，为机外红外照明灯工作状态检测设备的感光值的数据处理终端，通过运行测试软件实现检测设备感光值的采集、分析、存储和管理。
[0041]
在本发明的一个优选实施例中，所述宽光谱数据分析仪包含液晶显示器、主板、固态硬盘、无线通信模块、电池模块、机壳、适配器。
[0042]
本发明的优点在于：本发明提供了一种机外红外照明灯工作状态检测设备，结构简单，能够用于夜视响应辐射亮度的定标。再者，本发明还提供了一种机外红外照明灯工作状态检测设备的夜视响应辐射亮度定标方法，该方法在将夜视头盔的光谱响应函数纳入测试结果的计算，同时尽可能的采用光学测试领域常用的测试设备和软件，并且实现了对夜
视兼容辐亮度值的准确、有效测试。本发明不需要实际的飞机照明灯，不需要对灯的性能进行测试，通过建立“模拟光源
→
光谱响应辐射亮度
→
夜视响应辐亮度
→
感光值
→
屏显值”的辐射亮度链式传递关系，实现机外红外照明灯工作状态检测设备的显示数值与夜视响应辐射亮度值之间的定标。
附图说明
[0043]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0044]
图1是本发明一种机外红外照明灯工作状态检测设备的夜视响应辐射亮度定标方法的测试场景示意图。
[0045]
图2是夜视兼容照明系统的光谱响应度曲线。
[0046]
图3是模拟光源的光谱响应辐亮度曲线。
[0047]
图4是机外红外照明灯工作状态检测设备的原理和组成示意图。
具体实施方式
[0048]
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面进一步阐述本发明。
[0049]
参见图4所示的一种机外红外照明灯工作状态检测设备300，为系统的定标设备，用于飞机隐蔽模式照明灯辐射亮度检测，包括外壳体301，外壳体301上设置有照明光入口381、显示屏310、调节件360，外壳体301内设置有与照明光入口381对应的照明光探测模块380、与照明光探测模块380以及显示屏310连接的处理电路，调节件360用以调节显示屏310的读数。本实施例中的调节件360可以为调节按钮，显示屏310的读数范围为0～99。外壳体还设置有开关按钮350、编队灯模式指示灯330、航行灯模式指示灯340、防撞灯模式指示灯350。照明光探测模块380包括650～950nm高通滤光片和opt3002光数字传感器，opt3002是光数字传感器可在单一器件内提供光功率计功能，具有高带宽，范围介于300nm和1080nm之间，凭借内置的满量程设置功能，无需手动选择满量程范围即可在1.2nw/cm2至10mw/cm2范围内进行测量，允许在23位有效动态范围内进行光测量，测量结果中的暗电流效应及其他温度变化会得到相应补偿。
[0050]
本实施例中还包括用以对工作环境周围的环境光影响进行判断的环境光探测模块370，环境光探测模块370与处理电路连接，外壳体301上设置有与环境光探测模块370对应的环境光指示灯371，当环境光探测模块370检测到环境光对测量有影响，环境光指示灯371会闪烁，提示操作人员需要进行屏蔽处理，有效地提高检测设备的测试精度。环境光探测模块370包括450～600nm低通滤光片和opt3001环境光传感器,opt3001环境光传感器用于测量可见光的密度，传感器的光谱响应与人眼的视觉响应紧密匹配，其中具有很高的红外线阻隔，因此能够如人眼般准确测量光强且不受光源影响,测量范围可达0.01lux至83klux，且内置有满量程设置功能，无需手动选择满量程范围。
[0051]
结合图1至图3所示，一种机外红外照明灯工作状态检测设备的夜视响应辐射亮度
定标方法，包括机外红外照明灯工作状态检测设备300、模拟光源100、电源400、辐亮度计200和宽光谱数据分析仪500，电源400与模拟光源100连接。该定标方法还包括如下步骤：
[0052]
步骤一：模拟光源100形成均匀漫射的朗伯光源，作为飞机隐蔽模式的模拟光源；
[0053]
步骤二：用辐亮度计200测得上述模拟光源在380nm～1080nm波长段光谱响应辐射亮度的离散函数，控制电源调节电流，测量模拟光源的若干组不同辐射功率对应的光谱响应辐射亮度值；
[0054]
步骤三：通过对像增强器输出的信号进行取样和选通放大，通过该输出信号算出光谱响应离散函数n(λ)；
[0055]
步骤四：对a类光源在380nm～1080nm波长段内的夜视响应进行拟合，得到基于该型飞机飞行员佩戴的夜视头盔的光谱响应函数g(λ)；
[0056]
步骤五：对谱响应度函数g(λ)和光谱辐亮度离散函数n(λ)在380nm～1080nm范围内进行积分，将积分结果代入公式(1)中算出夜视兼容照明系统辐亮度值，共计若干组辐亮度值；
[0057][0058]
公式(1)中：
[0059]
g(λ)max＝1ma/w；
[0060]
g(λ)为夜视头盔相对a类的光源的相对光谱响应度；
[0061]
s为亮度比例系数，其值为设定的亮度除以被测光源的亮度；
[0062]
n(λ)为光源的光谱辐亮度，由辐亮度计测得；
[0063]
步骤六：将上述若干组电源供电功率与模拟光源对应的辐射亮度值采用多项式模型进行拟合，拟合公式为l(λ)，建立模拟光源的功率和辐亮度值之间的对应关系如下公式(2)：
[0064][0065]
步骤七：将机外红外照明灯工作状态检测设备接到模拟光源出光面，调节电源的电流，使得机外红外照明灯工作状态检测设备的显示示数从最小值依次增加到最大值，然后将对应电源的电流值带入公式(2)式求出机外红外照明灯工作状态检测设备显示示数对应的辐亮度值，机外红外照明灯工作状态检测设备显示值与夜视响应辐亮度值的定标。
[0066]
上述步骤二至步骤五中的函数为现有技术，是本领域的公知常识，例如中国专利授权公告号cn107525584b中公开的一种夜视兼容照明系统的辐亮度测试方法中公开了上述的函数。
[0067]
该定标方法的各个参数可以根据具体实际情况而改变：
[0068]
本实施例中，步骤一中，模拟光源100以近红外led光源作为辐射源，主要用于提供380nm～1080nm波段均匀辐射亮度均匀可调的近红外朗伯光源，模拟光源100为定制的辐亮度可调面光源，模拟光源100包含lde光源、光阑、衰减片、滤光片、积分球、匀光片，通过电源400控制输出功率，光阑组件可调节出光孔径从而控制总光通量，光阑中性衰减片，用于对光源的二级衰减，之后光源通过滤光片进入积分球，光源通过积分球匀光后，从乳白玻璃出
射，形成均匀漫射的朗伯光源，作为飞机隐蔽模式的模拟光源。
[0069]
步骤二中，辐亮度计200为pr745辐亮度计，为定标系统辐射亮度计量仪器，可以测量积分球光源在不同亮度下的光谱响应辐亮度值，要求辐亮度计波长范围380～1080nm，光谱精度＜0.8nm，光谱分辨率1.35nm/pixel。辐亮度计200测得上述积分球光源在380nm～1080nm波长段光谱响应辐射亮度的离散函数，控制电源调节电流，测供电功率在3w～0.02w之间，测量模拟光源的20组不同辐射功率对应的光谱响应辐射亮度值。
[0070]
步骤三中，通过光栅单色仪对上述积分球光源从380nm～1080nm波长段的逐一波长进行测量，对像增强器输出的信号进行取样和选通放大，通过该输出信号算出光谱响应离散函数n(λ)。
[0071]
步骤四中，对a类光源在380nm至1080nm波长段内的夜视响应进行拟合，得到基于该型飞机飞行员佩戴的夜视头盔的光谱响应函数g(λ)。
[0072]
步骤五中，对谱响应函数g(λ)和光谱响应离散函数n(λ)在380nm～1080nm范围内进行积分，将积分结果代入公式(1
‑
1)中算出夜视兼容照明系统辐亮度值，共计20组辐亮度值：
[0073][0074]
公式(1)中：
[0075]
g(λ)max＝1ma/w；
[0076]
g(λ)为夜视头盔相对a类的光源的相对光谱响应度；
[0077]
s为亮度比例系数，其值为设定的亮度除以被测光源的亮度；
[0078]
n(λ)为光源的光谱辐亮度，由辐亮度计测得：
[0079]
步骤六中，将上述20组电源供电功率与积分球光源对应的辐射亮度值采用多项式模型进行拟合，4次多项式的拟合结果与实际数据均方差最小，拟合公式为l(λ)，建立积分球光源功率和辐亮度值之间的对应关系：
[0080]
nra＝(1.639
×
i4‑
5.533
×
i3+4.61
×
i2+5.297
×
i)e
‑6‑
0.02424e
‑
8(2－1)
[0081]
本实施例中的宽光谱数据分析仪500为便携式宽光谱数据分析仪，为机外红外照明灯工作状态检测设备300的感光值的数据处理终端，通过运行测试软件实现检测设备感光值的采集、分析、存储和管理。宽光谱数据分析仪500包含液晶显示器、主板、固态硬盘、无线通信模块、电池模块、机壳、适配器。
[0082]
本实施例中的电源400为直流稳压电源，为定标系统模拟光源100辐射亮度的控制器，最小分辨功率为0.01w，按标定需要通过按钮调节系统功率。
[0083]
本实施例的具体定标方法如下：
[0084]
首先，开启直流稳压电源400和辐亮度计200，通过辐亮度计200的观测目镜将模拟光源100的出光口和辐亮度计200的感光口对准；
[0085]
然后，调节直流稳压电源400的电流，稳定后辐亮度计200可以测得此电流下的模拟光源100对应的光谱响应辐亮度值，参见图3，横轴为模拟光源100的波长，纵轴为波长对应的响应度。
[0086]
进而，将图3对应的光谱响应辐亮度函数n(λ)和图2a类光源夜视响应度在380nm至
1080nm波长段内进行积分，就可以得到积分球光源在电流i0时的夜视响应辐亮度值nra，调节电流从i0到i
n
，就可以一组nra值，用matlab中的多项式对数据进行拟合，就可以得到nra(i)与电流i之间的函数关系式。
[0087]
最后，关闭辐亮度计200，将机外红外照明灯工作状态检测设备300的照明光探测模块380的窗口与模拟光源100的出光口对准，同时宽光谱数据分析仪500与机外红外照明灯工作状态检测设备300无线连接，照明光探测模块380的感光值可以通过同时宽光谱数据分析仪500显示。调节直流稳压电源400的电流，使得机外红外照明灯工作状态检测设备300的led显示屏310的显示示数从0～99依次变化，记录宽光谱数据分析仪500显示的感光值和直流稳压电源400对应的电流值，将电流值带入nra(i)与电流i之间的函数关系式，就得到对应的夜视响应辐亮度值，完成机外红外照明灯工作状态检测设备显示值与夜视响应辐亮度值的定标。本发明的具体实验例可以参见下表1
[0088]
表1
[0089]
[0090][0091]
注：光谱响应辐亮度是光源在固定功率下，每个波段的光对应的响应辐亮度，是波长的函数，通过对波长积分，可以得到该功率下光源的辐亮度值，再与夜视响应度相乘，就得到夜视响应辐亮度值。
[0092]
波长与光谱响应辐亮度值关系如下表2
[0093]
表2
[0094]
[0095]
[0096][0097]
表1和表2的数据都是通过上述的一种机外红外照明灯工作状态检测设备的夜视响应辐射亮度定标方法结合实际测量参数获得，可以得出夜视响应辐亮度值与显示屏的显示示数之间对应的定标关系。
[0098]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。