强光照射器性能测试技术研究

董高庆， 柳吉龄， 田新月

(63936部队， 北京 102202)

0 引 言

近年来， 随着亚丁湾国际航运的护航、 钓鱼岛及南沙群岛区域巡察等特种任务执行需求的增多， 以及反恐维稳任务日益艰巨繁重， 基于声、 光、 电等技术的轻型非致命防暴装备发展迅速， 尤其是强光照射装备如强光照射器、 探照灯、 战术灯， 以及各种声光榴弹和声光射弹等. 这些装备已广泛装备到部队、 公安、 武警， 以及地震救援等单位.

为合理评价各种强光照射器的性能优劣， 急需建设强光照射器的试验与测试条件， 对强光照射器进行性能测试、 作用效果试验分析； 开展强光照射器战术技术指标论证及效能评估， 为军用轻型光刺激类装备指标论证提供试验支持； 为强光照射器的标准制定提供技术支撑.

针对国内强光照射器战术技术性能测试技术及手段的不足， 本文基于光电测试及CCD图像采集技术， 利用数字图像处理技术[1]、 虚拟仪器技术等设计研制了一种新的强光照射器性能测试系统， 实现了强光照射器的性能综合自动测试.

1 检测主要性能参数及现状

强光照射器所需检测的主要性能参数有： 强度(能量密度)、 照度(功率密度)、 波长、 光斑面积、 光斑形状、 均匀性、 闪烁频率、 束散角、 光通量、 色温(或主波长)等. 目前， 只能对上述部分参数采取手工或单个测试的方法进行组织试验， 如利用照度计测试照度、 利用长度尺测量光斑直径粗略计算光斑面积、 利用光电转换计数器测试闪烁频率， 存在误差大、 一致性差、 试验效率低等问题. 而其他参数如强度、 光斑形状、 均匀性等则无测试条件.

2 测试原理

强光照射器性能自动测试系统原理如图 1 所示. 被测装备的参数通过3条途径进行测量， (1) 被测装备的光照射到背景幕上， 高速CCD相机采集后将亮度信号转变成电信号， 输出至计算机， 进行光斑形状及束散角参数测量； (2) 被测装备的光照射到光接收屏上， 光接收屏将光信号转变成电信号， 并输出至色彩照度计， 其结果由计算机进行判读， 以进行光束切面的光强分布参数测量； (3) 被测装备的光照射到积分球， 进行光通量的测量， 同时积分球外接的光电传感器输出至频闪测试仪， 进行频闪效应功能测试.

图 1 强光照射器性能测试系统原理图

3 测试系统主要技术指标

通过论证设计， 强光照射器性能自动测试系统主要技术指标如下：

a. 波长检测范围： 400 nm～760 nm；

b. 视场范围：≥4.6°；

c. 色温测试范围： 3 000 K～10 000 K；

d. 功率密度测试范围： 0 mW/cm2～5 mW/cm2；

e. 测量光斑最大直径： ≥800 mm；

f. 测量频闪范围： 0 Hz～100 Hz.

4 测试原理及方法

4.1 光斑形状

光束打到10 m处白色幕布上， 通过光学成像系统将屏上的光斑成像于CCD， 并通过图像处理软件使处理后的光斑在液晶屏上显示， 观察光斑有无明显亮点与暗斑； 通过上位机软件将所采集的光斑图像进行分析， 以光斑能量最强点作为光斑的中心并为参考点[2-3]， 再找出图像上所有能量如50%， 40%和30%的点， 并将这些能量相等的点连接起来形成等能量线， 如图 2 所示.

图 2 光斑图案示意图

能量的强弱在液晶屏上以灰度形式反映， 图 2 中A表示能量最强点， 1表示50%的等能量线， 2表示40%的等能量线， 3表示30%的等能量线.

采用灰度处理法进行图像处理， 灰度值范围为0～255， 即每一个灰度值为最大值的0.4%， 则在进行等能量线选择和边界能量线选择时产生的误差为±0.4%.

4.2 光斑面积

在图 2 中， 由于等能量线围成的区域不是圆[4]， 所以计算光斑半径时， 将半径定为面积与所围面积相等的圆的半径[1,5-6]. 在上位机上通过CCD测量计算出的半径为r， 实际的光斑半径为R， 则有

(1)

式中：L为检测距离；f为镜头焦距.

光斑中心定位采用灰度重心法， 对灰度处理后得到的灰度图进行处理.灰度图像I(i,j)中目标S的灰度重心(x0,y0)为

(2)

(3)

式中：W(i,j)为灰度权值， 式(2)、 式(3)中取W(i,j)=I(i,j)，I(i,j)为代表灰度图的一个二维矩阵， 指的是从图像左上角到这个点所构成的矩形区域内所有点的灰度值之和，I表示积分图像，G表示原始图像.则I(i，j)=sum(G(I,j)),其中0≤i≤x,0≤i≤y.在实际计算过程中， 对于一个点I(i,j)的值为I(i,j)=I(i-1,j)+I(x,y-1)-I(x-1,y-1)+G(i,j).i,j分别代表各像素点的横、 纵坐标.

4.3 束散角

束散角表示的是强光照射器的发散程度[7]， 其值等于光束边缘相对应的两条光线间的夹角， 如图 3 所示.

图 3 束散角测量示意图

为了便于检测，L设定为10 m；D1为10 m处的光斑大小；D2为强光照射器的口径大小. 通过CCD成像系统在距幕10 m处， 测出光斑直径D1的大小. 束散角

φ=2arctan[(D1-D2)/2L].

(4)

4.4 光通量

由光度学理论知[8]， 积分球内表面上的光可近似均匀分布， 则积分球出射窗处探测器的照度值

(5)

式中：Φ表示总光通量；ρ表示漫反射系数；f表示开口比；R表示积分球半径.

采用标准光源照射时， 出射窗处的照度值

(6)

采用待测光源(强光照射器)照射时， 出射窗处的照度值

(7)

则

(8)

根据光电流与照度之间的关系式

(9)

在标准光源光通量、 光电流大小已知的情况下， 强光照射器的光通量

(10)

为了提高检测精度， 标定方法所使用的标准光源需要与强光照射器照射光源一致.

4.5 频闪

频闪就是照射器光斑闪烁频率次数. 强光照射器的频闪功能能够使人在短时间内处于炫目状态， 而人眼能够分辨的频闪大小为50 Hz， 因此强光照射器的频闪大小必须在50 Hz以内. 而CCD响应时间较长， 一般为25 Hz左右， 不能满足实际检测的需要， 为此采用响应频率较快的硅光电池作为探测器， 检测时将硅光电池安装在光电探测屏上， 经过放大电路将硅光电池输出的电流放大后， 通过信号整形将信号输入单片机进行处理， 经过校准[9]从而利用单片机的计数定时功能实现电流脉冲频率的计数.

4.6 暗室设计

根据强光照射器试验规程， 要求在距光源 10 m 处测量强度、 照度、 光斑面积、 光斑形状、 均匀性、 束散角、 光通量等参数. 因此， 结合强光照射器架设、 系统终端布设、 光幕及传感器设置等要求， 暗室主要指标设计如下：

长度： 13 m；

宽度： 4 m；

高度： 3.5 m.

实际现场照片如图 4 所示.

图 4 现场照片

5 试验与应用

系统设计调试完成后， 在暗室对强光手电的综合性能进行了测试， 手电距测试幕布距离为 10 m， 与幕布中心等高. 所测光斑半径为 73.33 cm， 束散角为4°. 手电成像光斑图如图 5 所示， 对应能量分布图如图 6 所示.

图 5 成像光斑图

图 6 对应能量分布图

采用该强光照射器性能测试系统， 相比现行的测试方法和测试手段， 不仅实现了强光照射器性能的综合测试， 而且测试精度高、 一致性好， 自动化程度高.

6 结束语

根据上述测量原理进行设计的强光照射器性能测试系统， 实现了一套系统多种参数综合测试， 测试精度高， 探测区域大， 结构紧凑， 此方案在“十二五”科研发展条件建设中得到了应用. 但是， 此方案仅仅就典型强光照射器主要技术指标测试方法及试验平台进行了论述， 在指标评价及效能评估方面涉及较少， 有待进一步深化研究.