基于CCD的参数检测仪光辐射检定系统设计

岳智革，刘福，刘魏，尼佳伟

(1.福州监测站，福州福建350015;2.军械技术研究所，河北石家庄050000)

0 引言

某型装备控制系统采用目视瞄准、电视测角仪与手动控制瞄准线相配合的瞄准方式进行，其中电视测角仪是连接装备与人员的纽带，它的正常工作是该装备控制系统发挥效能的关键［1］。电视测角仪工作原理是将装备尾光弹标的光辐射接收至自身的感光元件，通过光信号与光电转换完成信息的传输。参数检测仪是检测电视测角仪的专用设备［2］，能够完成电视测角仪的所有相关参数的计量，其中光学参量的检定尤为重要。电视测角仪的工作性能能够用参数检测仪来评定，但参数检测仪的工作性能却没有设备来进行衡量，所以被参数检测仪检定的结果就值得怀疑。

以往普遍的作法是反推法，即将原装生产的电视测角仪作为标准仪器，用参数检测仪检定该标准仪器，得出结果与标准仪器设计制造参数范围相吻合，则认为参数检测仪工作正常，反之则需要维修或者更换器件。这种做法能够达到测量标准与被检设备的测量不确定度要求［3］，但是存在很大的弊端，首先是标准仪器生产成本高，使得标准仪器不可能大量配装;其次是标准仪器保存困难，长时间使用之后无法保证其本身的性能，加之单机更新困难，给测量结果造成巨大的隐患;再次是仪器无法溯源，测量结果不具有普遍适用性。

基于此，本文从参数检测仪的重点部件着手，对光辐射参数检定提出设计思路，对解决标准仪器检定带来的弊端、提升装备计量检定结果质量具有重要意义。

1 设计思路及可行性分析

参数检测仪结构如图1所示，它是检测电视测角仪的设备。以往利用标准仪器对参数检测仪进行计量，本系统设计则借鉴标准仪器检测参数检测仪的方法，对参数检测仪光辐射元件性能(主要是光源辐射亮度)进行评定。此外，利用国家计量部门提供的标准光辐射器具，对系统的溯源功能进行设计。

图1 参数检测仪结构示意图

为了满足系统溯源，设计思路为:主体以积分球为基础，其作为理想的朗伯光源和匀光器，在光学领域具有重要的地位;电视测角仪的光感元件为CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)，由一系列光电转换之后输出电信号，则积分球内部可设置CCD元件进行电视测角仪感光模拟，虽无光电转换电路，但仍可将积分球CCD输出灰度值DN与电视测角仪电信号进行对比，两者若存在定量比例关系，则可用内置CCD探测的积分球系统代替电视测角仪，反之则设计思路失败。值得说明的是，积分球内部的探测器虽有多种可选，但为了与电视测角仪相匹配，特选择CCD器件。

为了验证CCD输出能否代替电视测角仪输出，必须知晓光辐射亮度与电视测角仪输出之间的定量关系，将该关系与光辐射亮度和CCD输出的关系进行比对。由图2、图3可知，电视测角仪和CCD相对于光辐射亮度的输出调整系数虽有差别(前者99.2%，后者99.9%)，但都呈现线性关系，能够用直线方程表达，证明在以光辐射亮度为自变量在一定范围变化时，在CCD输出与电视测角仪输出具有定量关系。

图2 光辐射亮度与电视测角仪输出关系

图3 光辐射亮度与CCD输出关系

由图4可知，CCD与测角仪输出定量关系呈线性，比例系数约为1/15229.7，调整决定系数为99.93%，表明CCD输出数码值DN具有替代电视测角仪电压输出的功能。此外，由图3、图4所示，当光辐射亮度为0时，CCD和电视测角仪都有输出，尤以电视测角仪输出最为明显，分析认为是环境暗信号和电子器件噪声所致，对验证结果没有影响。

图4 CCD与测角仪输出定量关系

2 溯源及量值传递

检定参数检测仪光辐射参量的标准电视测角仪根本的问题在于无法溯源，不能够保证量值传递的准确性。本系统设计必须考虑量值的溯源，做法是将国家基准传递到积分球系统中，通过一系列量值传递，使积分球出口辐亮度值与国家基准相关联，进而对比参数检测仪的光辐射亮度值，以确定参数检测仪辐亮度的范围。具体溯源及量值传递示意见图5。

图5 量值溯源及传递示意图

按照图5示意图，由光谱辐照度标准灯和标准漫反射白板组成亮度基准，标准辐照度灯经漫反射白板之后，由国家计量院出具的证书数据得出标准白板的积分辐照度值，然后结合标准白板的反射率，由式(1)计算出标准辐亮度值，完成标准辐照度向标准辐亮度的转换。

式中:B为标准辐亮度;E(λ)为λ波长范围内的积分辐照度，由证书数据计算得出;ρ为规定角度内标准白板的反射率，本系统按45°计算。利用距离反比定律，计算出标准辐亮度值，实验室定标阶段以辐射计［4］为媒介，利用单位输出所对应的辐亮度值标定使用的积分球系统，与此同时得出积分球内部CCD的输出数码灰度值DN，必要时进行DN值饱和抑制［5］，求出CCD输出与标准辐亮度之间的定量关系，则在使用阶段，只要观察DN值输出，就可以得出积分球出光口的辐射亮度。积分球系统定标结果见表1。

表1400 ～800 nm积分球定标数据

对表1中定标结果进行线性拟合，得出图形如图6。由图6及拟合数据可知，探测器输出灰度数码值DN与辐射亮度拟合方程为:L=0.00241DN+0.217，其中L为积分辐亮度，方程式调整决定系数为99.994%，几乎完全呈线性关系。理想情况下的定标拟合曲线应该经过原点，但由于探测器本身的敏感程度和外部环境噪声等因素的影响，当探测器输出灰度数码值为0时，辐射亮度值并不为0，虽然对于检测参数检测仪影响不大，但令系统的普遍适用性大打折扣。这就说明当所测积分辐亮度数值小于方程式常数项0.217 W/(m2sr)时，该系统并不能够满足使用要求。

图6 定标结果拟合曲线

3 参数检测仪光辐射参量试计量

通过定标结果拟合式，对参数检测仪背景辐亮度和光源辐亮度进行检定［6］，将输出的数码灰度值带入拟合式中，将得出的辐亮度值与参数检测仪正常工作辐亮度范围进行对比，评定参数检测仪的工作性能。试计量结果见表2。

表2 参数检测仪试计量结果

A类、B类背景辐亮度值为参数检测仪两种工作状态下的辐亮度，所要达成的工作目的不同，所以指标范围要求也不同。由表2中得知，设计的系统能够完成对参数检测仪光辐射参数的检测工作，检测各项指标合格。

4 结论

在实际应用的基础上，本文受标准电视测角仪检测参数检测仪的方式的启发，设计了一种检测参数检测仪光辐射参数的系统，该系统环境要求不高，可操作性强，并且方便运输，可量产进行配装。通过验证该系统与标准电视测角仪的相互替代性，得出设计思路可行的结论，通过对系统溯源及量值传递的论述，试验得出系统定标曲线，完成了系统的溯源，并用最小二乘法给出了定标数据的拟合方程。利用该系统对参数检测仪进行了试计量，计量效果良好，能够满足计量需要。不足点在于系统的普遍适用性不高，当所测辐射亮度较低时，系统功能失效，分析可知与系统内置探测器有关，设计优化时可考虑将该探测器更换，以满足系统的普适性。

［1］常雷，周伟，张榕.某新型反坦克导弹控制系统原位检测的平行光管设计［J］.四川兵工学报，2011，7(32):32-35.

［2］中国人民解放军总装备部.GJB 5231-2004军用光电测角仪通用规范［S］.2004.

［3］中国人民解放军总装备部.GJB 5109-2004装备计量保障通用要求—检测和校准［S］.2004.

［4］王淑荣，邢进，李福田.利用积分球光源定标空间紫外遥感光谱辐射计［J］.光学精密工程，2006，14(2):185-190.

［5］刘光灿，白廷柱，刘贱平.电视测角仪控制CCD曝光量抑制背景干扰的方法［J］.激光与红外，2007，37(10):1101-1104.

［6］董树峰，赵健，李英志.一种双CCD电视测角仪的参数自动检测系统［J］.红外与激光工程，2006，35:354-359.