李金龙 徐振兴 金善益 / 上海市计量测试技术研究院
辐射抗扰度测试是电磁兼容测试中关键的测试项目之一，其通过宽带天线发射场强较高的射频电磁场对被测样品（DUT）进行电磁干扰测试，测试中的射频电磁场强度可达几百伏每米[1,2]。例如，用于车辆的测试场强通常高达200 V/m，在雷达波频段达到600 V/m。在如此较强的电磁场干扰条件下，对测试中DUT进行实时工作状态监视的摄像头需要具备高抗电磁干扰性能。目前，电磁兼容测试专用的图像监视摄像头通常需要金属电磁屏蔽外壳、“电-光-电”转换，以及内部电路滤波等多重电磁兼容性设计，导致其体积大、造价高。同时，金属摄像头易对测试电磁场的均匀性产生扰动，难以实现对DUT进行近距离、多角度监视。而且，在一些条件下的高等级测试场强中，电磁兼容测试专用的图像监视摄像头同样会受电磁干扰而产生水波纹等异常显示界面，这会对测试结果的准确判断产生较大影响。
光纤束图像传输技术具有抗强电磁干扰，保持图像稳定传输的特点，其作为光学内窥镜广泛应用于医学、工业、军事等领域[3-5]，但是其传输距离短，系统结构复杂。自2019年开始研究光纤束图像传输技术的长距离传输应用，合作研究单位上海大学在2020年搭建了试验系统，实现图像传输[6]，但是该系统实现的视野范围较小，且传输距离仅为1 m。因此，有必要尽快开展新型图像高稳定精准监视系统的开发研究，在辐射抗扰度测试中把DUT的实时工作状态准确无误地传递到控制室，以实现对测试结果做出准确判断。
辐射抗扰度测试需要在半电波暗室或全电波暗室中进行，目的是减少电波暗室内电磁波反射以确保施加电磁场的场均匀性，同时防止电波暗室内电磁波泄露到暗室外污染暗室外电磁环境。以机动车零部件的辐射抗扰度测试为例，简要介绍辐射抗扰度测试的图像监视方法。辐射抗扰度测试的图像监视示意图如图1所示。其中，信号源在测试人员的控制下，把经过功率放大的射频电磁信号注入半电波暗室内的发射天线，在DUT区域形成射频电磁场。半电波暗室内的摄像头实时监视处于测试电磁场的DUT工作状态，把图像信息传输至暗室外的图像解析主机，并显示图像以便测试人员判断DUT的工作状态是否正常。
图1 辐射抗扰度测试的图像监视示意图
目前，在辐射抗扰度测试中，图像监视系统通常是基于电信号的电子摄像头拾取监视画面，并把电信号转换为光信号，再通过通信光纤把包含图像信息的光信号传送至电波暗室外的解析主机还原图像信息，并显示监视画面。但是电子摄像头易对测试均匀电磁场产生扰动，且会受强电磁干扰而显示异常，存在无法实时准确地反映DUT工作状态等问题。特别是对多个功能灯组合为一体的汽车组合灯，由于其有多个子显示区域且易受电磁干扰，因而成为辐射抗扰度测试中工作状态监视的难点。为解决该类技术问题，本文提出一种抗电磁干扰的图像监视系统，采用基于光学机理的非金属部件作为成像物镜代替传统电子摄像头，实现图像监视系统在电波暗室内的部分为全光路图像传输的非金属部件，在辐射抗扰度测试中，可确保图像信息的拾取与传输不受电磁干扰。
抗电磁干扰图像监视系统的原理如图2所示，该系统由成像物镜、传像光纤束、转接镜、CCD图像探测器、卡口连接器以及显示计算机组成。
图2 抗电磁干扰图像监视的系统原理
在系统中，由成像物镜将图像信息汇聚至光纤束端面；
由光纤束对图像信息进行传输，再使用转接镜对光纤束所传输的图像进行接收并将图像信息投射到CCD图像探测器的感光面上；
CCD图像探测器对图像信息进行信号转换，将光信息转换成电信息，并传输至计算机；
通过计算机软件处理图像信息并实时显示监视画面。其中卡口连接器用于把成像物镜、传像光纤束和转接镜三者进行匹配连接，以实现图像信息在该光路中高质量清晰传输。
在应用中，成像物镜为非金属光学成像系统，安装在电波暗室内，使DUT工作状态画面成像并高效耦合进传像光纤束，再传输至电波暗室外的CCD图像探测器，最后在计算机显示屏幕上显示DUT真实图像信息。该系统在电波暗室内的部分为非金属材质的光学传像结构，不受电磁干扰，且对测试均匀电磁场扰动小，可以进一步提高辐射抗扰度测试的数据准确性，并拓展应用在其他电磁环境恶劣的场合，具有较高的应用价值。
在所研制系统中，传像光纤束的成本占整个系统硬件成本的主要部分。因此，课题组在选定传像光纤束规格后再确定成像物镜和转接镜的参数。权衡系统需求和硬件成本，由于选择端面尺寸为8 mm×8 mm，长度为5 m的传像光纤束，故选择像方像面对角线长度为8 mm的成像物镜，以确保成像物镜拾取的图像信息可以完整耦合进传像光纤束；
选择物方有效尺寸直径为16 mm的转接镜，以确保其可以完整接收传像光纤束输出的图像信息；
选择转接镜像方像面与CCD图像探测器尺寸相匹配的尺寸；
此外，制作接口匹配的卡口连接器将成像物镜、传像光纤束、转接镜和CCD图像探测器等部分组成一套完备光学成像传像显示系统，实现将物象场景信息完整地传输至CCD图像探测器感光面上，最后在计算机屏幕上还原显示真实物象。该系统结构简单，组装灵活，同时可以实现成像距离从0.3 m至远距离且视场角大于100°的宽广视野，传像距离达到5 m且成像分辨力高的高质量图像传输。
为较全面地验证所研制系统的图像传输性能，以包含多个功能的机动车前组合灯为实物进行实验。机动车前组合灯的辐射抗扰度测试现场如图3所示，该机动车组合灯包含远/近光灯、转向灯、日行灯、位置灯等功能。在验证测试中，开启的功能模块为近光灯、转向灯、日行灯和位置灯，测试全程对各个功能模块灯的工作状态进行实时监视。测试中出现任何人眼可见的闪烁等亮度变化则判定测试结果为“不符合”。
图3 机动车前组合灯的辐射抗扰度测试现场
图像监视效果对比如图4所示，其中图4（a）为传统电信号系统的监视画面，可见画面中的近光灯（较强亮光）和转向灯（黄色亮光）已经融为一片，且无法清晰辨别转向灯的亮光颜色。此外，近光灯和日行灯的显示边界也不够清晰，这是因为高亮度远/近光灯的光晕对传统电子摄像头造成影响致使监视画面不清晰，影响测试中监视判断DUT的工作状态。图4（b）为本文研制系统的监视画面，可见画面中各个功能模块的发光个体状态清晰可辨，可以实现对DUT更为精准的工作状态监视。
图4 图像监视效果对比
针对目前电磁兼容辐射抗扰度测试中传统监视摄像头易对测试均匀电磁场产生扰动，且受强电磁干扰影响易显示异常，存在无法实时准确地反映被测样品工作状态等问题，提出并研制了一套基于光纤束图像传输技术的图像监视系统。该系统的核心部件光学成像物镜及传像光纤束都是基于光学机理的非金属部件，不受电磁干扰且不对测试均匀电磁场产生影响。同时，该系统对包含强光DUT进行图像监视时，可以避免强光的光晕影响。在辐射抗扰度测试中，可以实现成像距离从0.3 m至远距离且视场角大于100°的宽广视野，传像距离达到5 m且成像分辨力高的图像高稳定精准监视，这将进一步提高测试数据的准确性。
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