1  NVIS 测试挑战
NVIS组件包括飞行员和从事夜间操作的人员实际佩戴的护目镜，以及夜视镜附近使用的照明组件和组件。
现代NVIS护目镜的工作原理是收集并放大红色和近红外（通常在615 nm至900 nm波长窗口内）中的低水平光，在该窗口中会发生大量月光和星光的光谱输出。 这使得护目镜佩戴者能够在人眼感到黑暗的环境条件下很好地看到。
在实际操作中，NVIS通常用于包含大量显示器和其他点亮指示器的军用车辆，这些指示器本身会产生大量的红外光。 在1980年代初，当将这些高灵敏度护目镜引入飞机驾驶舱时，发现用于照明驾驶舱显示屏和开关面板的小型钨丝灯的近红外能量会影响护目镜的性能。 这提示需要定义允许的IR辐射以确保NVIS兼容性。
在照明不兼容的环境中使用NVIS时，它会自动降低增益以降低系统灵敏度并避免过载，从而补偿似乎是高水平的环境红外光。 不幸的是，这使NVIS无法检测到飞机外部的弱光信号，从而造成了一个黑暗的场景，使飞行员几乎蒙蔽了双眼。
为了确保NVIS与其他夜间可使用的光源之间的兼容性，制定了军事标准（MIL-L-85762），其中规定了各种光源可以产生的红外辐射的允许量，以确保 NVIS兼容性。
随后完成了对MIL-L-85762的修订，其中定义了除原始AN / PVS-5飞行员夜视成像系统（ANVIS）之外的其他类型夜视设备的照明兼容性要求。 MIL-L-85762A定义了一个新的相对响应函数称为“ Class B NVIS”，并将旧的ANVIS相对响应函数重新定义为“ Class A NVIS”。NVIS辐射度的计算方法保持不变。 仅需要定义NVIS设备的类别（在MIL-L-85762A中，A类= NRA，B类= NRB）。
由于整个1980年代和1990年代夜视技术的重大进步，以及新的显示和指示器技术的激增，与NVIS兼容性的问题变得更加突出。 结果，2001年采用了新的NVIS兼容性规范（MIL-STD-3009）。但是，MIL-STD-3009继承了MIL-L-85762A中定义的分光辐射计的相同性能要求。 如今，一些光谱辐射仪生产商提供的仪器可以满足此标准中指定的灵敏度和色度要求。 但是，所有NVIS分光光度计都不相同。
自发布以来，将MIL-STD-3009应用于各种照明组件已获得了许多经验。 超过15年后，某些人认为MIL-STD-3009已经过时了。 附录A是需要更新的部分，其中列举了可见光和近红外光谱的各个区域中NVIS分光光度计的最低灵敏度。 具体而言，MIL-STD-3009第A.3.2段规定:
分光光度计作为一个完整的系统组装时，应具有足够的灵敏度，以允许在10 nm的半功率带宽下测量等于或小于下表中所列水平的辐射水平，并能测量均方根噪声信号 比例为10：1。

规定的10：1信噪比旨在确保系统噪声对测量结果的影响可忽略不计。 但是，认识到这些灵敏度很难实现，并且指定的信噪比可能不足以进行准确的测量，因此实际上编写了MIL-STD-3009来允许更改某些测试条件，以便进一步提高信噪比。
例如，在附录B中，描述了咨询信号灯的样品测量和计算。 在B.3段（NVIS辐射度计算）中，提供了以下指导:
如本标准表III所示，咨询信号所需的NVIS辐射亮度Lr为0.343 cd /m²（0.1英尺朗（fL））。 如果可以证明照明设备的亮度和辐射度是成比例的，则可以在额定驱动条件下或在足以产生51.5 cd /m²（15 fL）的驱动力下进行照明测量，以较小者为准（ 如本标准第5.7.12节所述）。 这将增加光谱辐射度的信噪比，但对于辐射度与亮度不成比例变化的LCD之类的设备，必须小心限制。（我们的重点）
显然，该规范的作者认识到，较高的信噪比将产生更好的测量结果。 他们认为通过允许将被测设备（DUT）驱动到更高的输出电平来改善信噪比是合理的，只要可以证明该设备的亮度和辐射度可以成比例。 但是，他们还认识到某些照明组件（尤其是LCD显示器）的行为方式无法以人为的高亮度进行测量。 因此，对于这些照明组件，必须将DUT的亮度设置为指定的水平（0.5 fL）。 并且，在这些情况下，测量系统在以相对较低的NIR能量工作时必须提供所需的信噪比。 因此，对于LCD显示器测量，光谱仪必须比其他照明类别更加灵敏。
因此，当测量产生NVIS辐射水平接近指定限值的LCD显示器时，满足当前指定的阈值灵敏度的分光辐射计就成为问题。具体地说，信噪比为10：1意味着测量结果可能比显示器实际产生的辐射度高出10％。对于想要优化其产品设计并避免不必要的产品过度设计的LCD显示产品制造商，较高的信噪比光谱仪将是有利的。较高的信噪比可以更精确地测量NVIS辐射，这反过来又使设计人员可以减少设计余量，并更接近规定的极限进行工作。例如，在生产过程中肯定会有性能变化，但是即使在变化范围内，产生较高辐射水平的那些单元仍可以满足规格。面临的挑战是如何获得准确，可靠的NVIS辐射度测量值，以避免由测试系统（而不是特定单元的运行特性）引起的那些单元的错误故障。

2  满足一个更高的标准
NVIS计量设备的大多数供应商都满足于设计其仪器以满足MIL-SPEC的最低要求。 毕竟，这就是规范。 但是，拥有50多年高精度光谱辐射测量经验的Gamma Scientific早就意识到了MIL-SPEC的缺点，以及对寻求实现NVIS兼容性的制造商的负面成本影响。
为满足测量NVIS兼容性的更精确方法的需求，Gamma Scientific开发了GS-1290-NVIS系列NVIS分光辐射仪。 尽管MIL-SPEC和竞争系统的目标是10：1的信噪比（SNR）测量比率，但Gamma Scientific的这些新仪器的设计和制造目的是提供100：1或更高的SNR。 计量系统性能水平的提高使制造商能够确保其产品完全符合MIL-SPEC，而不会因不必要地使优质产品失效而带来不利影响。
Gamma Scientific GS-1290-NVIS系列产品使用RadOMAcam，这是一种带有透镜系统的望远镜，该透镜系统收集来自DUT的光并将其聚焦到光缆中。 一系列可选的孔径使采样视场的范围从3.2 mm减小到最小72 um。 较小的视野使仪器能够测量DUT上的极小光斑。 例如，这可用于测量显示器上的单个字符，甚至单个字符的笔画。.
RadOMAcam还包含一个内部LED，该LED将一个点投射到DUT上以指示精确的测量区域，并且可以在监视器上查看该点的精确位置，以方便测试过程中的精确对准。 尽管某些竞争产品具有类似的功能，但这些产品会遮挡显示器上的实际光斑位置，从而使对准更加困难。 最后，光缆将收集到的光馈入光谱辐射仪，该光谱仪使用光栅和温度控制的CCD阵列检测器以高精度测量光的光谱成分。
Gamma Scientific产品体现了许多重要的技术进步，使这些GS-1290-NVIS仪器能够提供早先引用的更高水平的性能，但在成本和测量速度方面仍保持竞争力。 这些措施包括在仪器本底噪声，杂散光去除，光谱精度和动态范围等方面对竞争产品的改进。 值得探讨如何解决每个问题。

3  制造更好的设备
至关重要的是，NVIS测量系统要比设备要测量的灵敏度更高，才能报告准确的辐射水平。 实现此目标的必要步骤之一是降低仪器的本底噪声。
CCD光谱仪中的主要噪声源是探测器阵列本身。 它的噪声水平取决于环境温度和应用于传感器的冷却量。 GS-1290-NVIS光谱辐射仪采用双级热电冷却系统，该系统将CCD稳定在比基于单级冷却设计的同类系统更低的环境温度下。 具体而言，在Gamma Scientific产品中，CCD冷却并稳定到-15°C，而竞争产品通常仅冷却到-5°或-10°。 由于CCD噪声与工作温度之间存在非线性关系，因此，这种明显较小的温度差会导致本底噪声的数量级差增加。
 “噪声”的另一个重要来源是杂散光。 在分光辐射计的光学系统中，实际上有几个潜在的杂散光源。 当然，我们的光学设计和制造方法均经过优化以消除或最小化杂散光，但是仅凭这些措施不足以将其降低到准确NVIS测量所需的水平。
杂散光会影响光谱仪的光谱纯度，即精确和准确地测量波长的能力。 光谱纯度是必需的，因为MIL标准中定义的加权函数必定与波长有关，并且这些加权值从可见光区域到近红外区域迅速变化。 分光辐射计中的杂散光可能会以错误的波长（通常不是输入光谱的波长）显示为报告的能量。 在NVIS测量应用中，如果在可见光水平相对较高的情况下测量的红外辐射水平极低，则将测量值分配给错误的波长可能会对结果准确性产生重大影响。 映射到NIR范围的像素捕获的可见光谱中的杂散光可以以类似于热噪声分量的方式降低测量的NVIS辐射。
为了将杂散光抑制提高到一个新水平，我们提供了由美国国家标准技术研究院（NIST）开发的可选杂散光表征和校正方法。 这项技术先前是由Gamma Scientific在较早的光谱辐射仪产品中实施的，但是GS-1290-NVIS系列产品进行了进一步的专有改进，以将杂散光抑制级别降低到<10–4（在633 nm下）。
Gamma Scientific具有显着先进的CCD光谱仪性能的另一个主要领域是动态范围扩展。 这在NVIS测量中很重要，因为被测照明组件中的可见光区域和NIR区域之间通常存在很大的辐射范围。
通常，基于CCD的光谱辐射仪使用一次测量来分析光谱功率分布。 设置测量积分时间，以使峰值波长刚好低于检测器的饱和点。 但是，这种方法意味着低电平信号可能靠近测量本底噪声。 为了解决这个问题，Gamma Scientific开发了一种新的软件算法来扩展系统的有效动态范围，从而极大地改善了测量噪声特性，尤其是当存在高水平可见光时，对于IR区域的测量。

图1. LED背光AMLCD显示屏的测量结果显示在原始检测器信号的黑线图中，AD计数为4,000,000至1可用动态范围。 这是使用增强的数据采集技术来完成的。 红色曲线是多次原始A到D扫描的信噪比（SNR），以百分比表示。

所有这些努力的结果是，Gamma Scientific GS-1290-NVIS的动态范围达到了七个数量级以上，本底噪声低于10-16 W /cm²/ sr / nm。 相反，最佳竞争产品的动态范围限制为六个数量级，本底噪声为10-14 W /cm²/ sr / nm（差两个数量级）。 较高的本底噪声使这些竞争产品无法可靠地区分优质DUT和不良DUT。

图2.使用图1中的原始A到D信号进行噪声确定，确定了100：1信号对噪声灵敏度水平的阈值灵敏度，并以红色绘制。 在此100：1 SN比灵敏度水平下，在380至930 nm大部分光谱范围内，该性能的灵敏度比MIL-STD-3009所需阈值高1000倍。 这意味着与其他NVIS分光辐射仪系统相比，测量速度更快，光斑尺寸更小。

图3.将原始A到D计数和阈值灵敏度函数相乘，然后应用光谱纯度改善函数，可提供以Watt /cm²/ sr / nm为单位的绝对光谱辐射率。 可以通过NVIS加权功能对其进行缩放，以验证通过/失败标准。

4结论

许多用于NVIS兼容性测试的光谱辐射仪供应商声称他们的产品符合当前的MIL-SPEC。 但是对于某些类型的照明组件（例如LCD），准确测量NVIS辐射水平是一个挑战.对于那些照明组件的制造商而言，对光谱辐射仪系统的投资超过了MIL-STD-3009中的最低性能要求，实际上可以节省金钱，方法是使他们能够更准确地测量真实NVIS辐射水平并证明其产品的合规性，而无需进行昂贵的返工或设计变化。
Gamma Scientific通过其GS-1290系列NVIS分光辐射计解决了这些问题。 这些仪器远远超过了MIL-SPEC的要求，同时仍保持了与其他系统相比的成本竞争力。 结果使制造商能够确保NVIS兼容性，而不会不必要地增加其自身的开发和生产成本。

图4.此处显示了电子和电光显示器驾驶舱组件类别的最终NVIS A级分析结果。