董高慶， 柳吉齡， 田新月

(63936部隊， 北京 102202)

0 引 言

近年來， 隨著亞丁灣國際航運的護航、 釣魚島及南沙群島區(qū)域巡察等特種任務(wù)執(zhí)行需求的增多， 以及反恐維穩(wěn)任務(wù)日益艱巨繁重， 基于聲、 光、 電等技術(shù)的輕型非致命防暴裝備發(fā)展迅速， 尤其是強光照射裝備如強光照射器、 探照燈、 戰(zhàn)術(shù)燈， 以及各種聲光榴彈和聲光射彈等. 這些裝備已廣泛裝備到部隊、 公安、 武警， 以及地震救援等單位.

為合理評價各種強光照射器的性能優(yōu)劣， 急需建設(shè)強光照射器的試驗與測試條件， 對強光照射器進行性能測試、 作用效果試驗分析； 開展強光照射器戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)論證及效能評估， 為軍用輕型光刺激類裝備指標(biāo)論證提供試驗支持； 為強光照射器的標(biāo)準(zhǔn)制定提供技術(shù)支撐.

針對國內(nèi)強光照射器戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能測試技術(shù)及手段的不足， 本文基于光電測試及CCD圖像采集技術(shù)， 利用數(shù)字圖像處理技術(shù)[1]、 虛擬儀器技術(shù)等設(shè)計研制了一種新的強光照射器性能測試系統(tǒng)， 實現(xiàn)了強光照射器的性能綜合自動測試.

1 檢測主要性能參數(shù)及現(xiàn)狀

強光照射器所需檢測的主要性能參數(shù)有： 強度(能量密度)、 照度(功率密度)、 波長、 光斑面積、 光斑形狀、 均勻性、 閃爍頻率、 束散角、 光通量、 色溫(或主波長)等. 目前， 只能對上述部分參數(shù)采取手工或單個測試的方法進行組織試驗， 如利用照度計測試照度、 利用長度尺測量光斑直徑粗略計算光斑面積、 利用光電轉(zhuǎn)換計數(shù)器測試閃爍頻率， 存在誤差大、 一致性差、 試驗效率低等問題. 而其他參數(shù)如強度、 光斑形狀、 均勻性等則無測試條件.

2 測試原理

強光照射器性能自動測試系統(tǒng)原理如圖 1 所示. 被測裝備的參數(shù)通過3條途徑進行測量， (1) 被測裝備的光照射到背景幕上， 高速CCD相機采集后將亮度信號轉(zhuǎn)變成電信號， 輸出至計算機， 進行光斑形狀及束散角參數(shù)測量； (2) 被測裝備的光照射到光接收屏上， 光接收屏將光信號轉(zhuǎn)變成電信號， 并輸出至色彩照度計， 其結(jié)果由計算機進行判讀， 以進行光束切面的光強分布參數(shù)測量； (3) 被測裝備的光照射到積分球， 進行光通量的測量， 同時積分球外接的光電傳感器輸出至頻閃測試儀， 進行頻閃效應(yīng)功能測試.

圖 1 強光照射器性能測試系統(tǒng)原理圖

3 測試系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

通過論證設(shè)計， 強光照射器性能自動測試系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如下：

a. 波長檢測范圍： 400 nm～760 nm；

b. 視場范圍：≥4.6°；

c. 色溫測試范圍： 3 000 K～10 000 K；

d. 功率密度測試范圍： 0 mW/cm2～5 mW/cm2；

e. 測量光斑最大直徑： ≥800 mm；

f. 測量頻閃范圍： 0 Hz～100 Hz.

4 測試原理及方法

4.1 光斑形狀

光束打到10 m處白色幕布上， 通過光學(xué)成像系統(tǒng)將屏上的光斑成像于CCD， 并通過圖像處理軟件使處理后的光斑在液晶屏上顯示， 觀察光斑有無明顯亮點與暗斑； 通過上位機軟件將所采集的光斑圖像進行分析， 以光斑能量最強點作為光斑的中心并為參考點[2-3]， 再找出圖像上所有能量如50%， 40%和30%的點， 并將這些能量相等的點連接起來形成等能量線， 如圖 2 所示.

圖 2 光斑圖案示意圖

能量的強弱在液晶屏上以灰度形式反映， 圖 2 中A表示能量最強點， 1表示50%的等能量線， 2表示40%的等能量線， 3表示30%的等能量線.

采用灰度處理法進行圖像處理， 灰度值范圍為0～255， 即每一個灰度值為最大值的0.4%， 則在進行等能量線選擇和邊界能量線選擇時產(chǎn)生的誤差為±0.4%.

4.2 光斑面積

在圖 2 中， 由于等能量線圍成的區(qū)域不是圓[4]， 所以計算光斑半徑時， 將半徑定為面積與所圍面積相等的圓的半徑[1,5-6]. 在上位機上通過CCD測量計算出的半徑為r， 實際的光斑半徑為R， 則有

(1)

式中：L為檢測距離；f為鏡頭焦距.

光斑中心定位采用灰度重心法， 對灰度處理后得到的灰度圖進行處理.灰度圖像I(i,j)中目標(biāo)S的灰度重心(x0,y0)為

(2)

(3)

式中：W(i,j)為灰度權(quán)值， 式(2)、 式(3)中取W(i,j)=I(i,j)，I(i,j)為代表灰度圖的一個二維矩陣， 指的是從圖像左上角到這個點所構(gòu)成的矩形區(qū)域內(nèi)所有點的灰度值之和，I表示積分圖像，G表示原始圖像.則I(i，j)=sum(G(I,j)),其中0≤i≤x,0≤i≤y.在實際計算過程中， 對于一個點I(i,j)的值為I(i,j)=I(i-1,j)+I(x,y-1)-I(x-1,y-1)+G(i,j).i,j分別代表各像素點的橫、 縱坐標(biāo).

4.3 束散角

束散角表示的是強光照射器的發(fā)散程度[7]， 其值等于光束邊緣相對應(yīng)的兩條光線間的夾角， 如圖 3 所示.

圖 3 束散角測量示意圖

為了便于檢測，L設(shè)定為10 m；D1為10 m處的光斑大?。籇2為強光照射器的口徑大小. 通過CCD成像系統(tǒng)在距幕10 m處， 測出光斑直徑D1的大小. 束散角

φ=2arctan[(D1-D2)/2L].

(4)

4.4 光通量

由光度學(xué)理論知[8]， 積分球內(nèi)表面上的光可近似均勻分布， 則積分球出射窗處探測器的照度值

(5)

式中：Φ表示總光通量；ρ表示漫反射系數(shù)；f表示開口比；R表示積分球半徑.

采用標(biāo)準(zhǔn)光源照射時， 出射窗處的照度值

(6)

采用待測光源(強光照射器)照射時， 出射窗處的照度值

(7)

則

(8)

根據(jù)光電流與照度之間的關(guān)系式

(9)

在標(biāo)準(zhǔn)光源光通量、 光電流大小已知的情況下， 強光照射器的光通量

(10)

為了提高檢測精度， 標(biāo)定方法所使用的標(biāo)準(zhǔn)光源需要與強光照射器照射光源一致.

4.5 頻閃

頻閃就是照射器光斑閃爍頻率次數(shù). 強光照射器的頻閃功能能夠使人在短時間內(nèi)處于炫目狀態(tài)， 而人眼能夠分辨的頻閃大小為50 Hz， 因此強光照射器的頻閃大小必須在50 Hz以內(nèi). 而CCD響應(yīng)時間較長， 一般為25 Hz左右， 不能滿足實際檢測的需要， 為此采用響應(yīng)頻率較快的硅光電池作為探測器， 檢測時將硅光電池安裝在光電探測屏上， 經(jīng)過放大電路將硅光電池輸出的電流放大后， 通過信號整形將信號輸入單片機進行處理， 經(jīng)過校準(zhǔn)[9]從而利用單片機的計數(shù)定時功能實現(xiàn)電流脈沖頻率的計數(shù).

4.6 暗室設(shè)計

根據(jù)強光照射器試驗規(guī)程， 要求在距光源 10 m 處測量強度、 照度、 光斑面積、 光斑形狀、 均勻性、 束散角、 光通量等參數(shù). 因此， 結(jié)合強光照射器架設(shè)、 系統(tǒng)終端布設(shè)、 光幕及傳感器設(shè)置等要求， 暗室主要指標(biāo)設(shè)計如下：

長度： 13 m；

寬度： 4 m；

高度： 3.5 m.

實際現(xiàn)場照片如圖 4 所示.

圖 4 現(xiàn)場照片

5 試驗與應(yīng)用

系統(tǒng)設(shè)計調(diào)試完成后， 在暗室對強光手電的綜合性能進行了測試， 手電距測試幕布距離為 10 m， 與幕布中心等高. 所測光斑半徑為 73.33 cm， 束散角為4°. 手電成像光斑圖如圖 5 所示， 對應(yīng)能量分布圖如圖 6 所示.

圖 5 成像光斑圖

圖 6 對應(yīng)能量分布圖

采用該強光照射器性能測試系統(tǒng)， 相比現(xiàn)行的測試方法和測試手段， 不僅實現(xiàn)了強光照射器性能的綜合測試， 而且測試精度高、 一致性好， 自動化程度高.

6 結(jié)束語

根據(jù)上述測量原理進行設(shè)計的強光照射器性能測試系統(tǒng)， 實現(xiàn)了一套系統(tǒng)多種參數(shù)綜合測試， 測試精度高， 探測區(qū)域大， 結(jié)構(gòu)緊湊， 此方案在“十二五”科研發(fā)展條件建設(shè)中得到了應(yīng)用. 但是， 此方案僅僅就典型強光照射器主要技術(shù)指標(biāo)測試方法及試驗平臺進行了論述， 在指標(biāo)評價及效能評估方面涉及較少， 有待進一步深化研究.