道路照明的色度學(xué)參數(shù)測量方法

劉勛智

（瀘州市路燈管理處，四川 瀘州 646000）

0 引言

道路照明的目的是為行人和車輛駕駛提供良好的視覺環(huán)境，照明質(zhì)量與交通運(yùn)行、安全以及環(huán)境美化息息相關(guān)。道路照明質(zhì)量的評價(jià)指標(biāo)主要有照度、照度均勻性、亮度、亮度均勻性等。隨著社會的發(fā)展，人們對日常生活、工作、出行的要求更高。就道路照明而言，人們更希望有良好的顯色指數(shù)和色溫指數(shù)等色度學(xué)參數(shù)，使日常出行更加安全、舒適、快捷。文章結(jié)合國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，介紹了以道路照明的顯色指數(shù)、色溫指數(shù)等色度學(xué)參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場測量的方法，探究道路照明中距路燈光源不同位置的顯色指數(shù)與色溫的差異性，并介紹了一種新的自動檢測道路路燈色度學(xué)參數(shù)的方案，為道路照明的色度學(xué)參數(shù)測量提出了全新的檢測方案，使道路照明的色度學(xué)參數(shù)現(xiàn)場測量更便捷、安全。

1 光譜儀的介紹

1.1 光譜儀的構(gòu)造

光譜儀用于測定輻射源的光譜分布，能同時(shí)建立目標(biāo)或背景的光強(qiáng)度、光譜特性，也稱為光譜輻射計(jì)或光譜分析儀，是對道路照明的顯色指數(shù)、色溫指數(shù)等色度學(xué)參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場檢測的主要儀器。該儀器是以光電倍增管等光探測器測量譜線不同波長位置光強(qiáng)度的裝置。其構(gòu)造由一個(gè)入射狹縫，一個(gè)色散系統(tǒng)，一個(gè)成像系統(tǒng)和一個(gè)或多個(gè)出射狹縫組成。以色散元件將輻射源的電磁輻射分離出所需要的波長或波長區(qū)域，并在選定的波長上進(jìn)行光強(qiáng)度測定。

圖1 為光柵光譜儀的簡單結(jié)構(gòu)。光源發(fā)出的光通過狹縫后，近似于點(diǎn)光源發(fā)射出光線，由準(zhǔn)直面鏡將光線變成平行光，再由平面光柵將各波長的光線分開，光線經(jīng)過光柵色散后由聚焦面鏡將同一波長的光聚集在一起，由線型CCD 等檢測器件收集信號并進(jìn)行后期電路分析計(jì)算，從而得到光源的光譜信息。

圖1 光柵光譜儀器結(jié)構(gòu)

1.2 光譜儀主要技術(shù)參數(shù)

1.2.1 光譜范圍

光譜范圍是光譜儀所能采集分析的光源的波長范圍，此參量決定了光譜儀的應(yīng)用范圍。

1.2.2 色散率

色散率表示光譜儀把不同波長的光分散開的能力，與光譜儀色散系統(tǒng)的優(yōu)劣有關(guān)。

1.2.3 帶寬

光譜儀把有復(fù)合光照明的狹縫經(jīng)過分光系統(tǒng)而變?yōu)槿舾蓚€(gè)單色的狹縫象，這單色的狹縫象即為譜線，它的空間寬度δL（線色散）所對應(yīng)的δλ（光譜寬度）即光譜帶寬。光譜帶寬表示了光譜儀分辨光譜的能力，光譜帶寬越窄，則意味著儀器的分辨力越高。

1.3 典型產(chǎn)品介紹

以豐登電子儀器公司生產(chǎn)的YCKW-1 微型光譜儀為例，介紹其主要技術(shù)性能和技術(shù)參數(shù)。

1.3.1 特點(diǎn)

（1）高光學(xué)分析度4.2～5 nmFWHM；

（2）超小體積；

（3）低設(shè)置成本；

（4）程式設(shè)計(jì)微控制器；

（5）可同時(shí)連接256 臺光譜儀。

1.3.2 主要技術(shù)參數(shù)

（1）光譜解析度:4.2～5 nmFWHM；

（2）波長范圍:380～780 nm；

（3）雜散光:0.3%；

（4）光譜誤差值:0.12%；

（5）積分時(shí)間1 ms～24 s。

1.3.3 儀器外形圖

微型光譜儀外形圖見圖2。

圖2 微型光譜儀

2 道路照明色溫與顯色指數(shù)測量

2.1 測量地段的選擇和布點(diǎn)方法

根據(jù)GB/T 5700—2008 照明測量的方法以及GB/T 7922—2008 照明光源顏色的測量方法的要求。

仔細(xì)分析非中心卡方分布的概率密度函數(shù)(Probability Density Function,PDF)可知，其在自由度大于2時(shí)總是存在一個(gè)最大值，即隨機(jī)變量存在一個(gè)出現(xiàn)概率最大的值，這個(gè)值在所有的值中出現(xiàn)頻次最高.因此，除了使用統(tǒng)計(jì)分布的期望來估計(jì)未知項(xiàng)以外，還可以利用這個(gè)出現(xiàn)概率最大的值來估計(jì)該未知項(xiàng)，此時(shí)的更新半徑可以由下式計(jì)算得到：

（1）測量地段的選擇:最好選擇在燈具的間距、高度、懸挑、仰角和光源的一致性等方面能代表被測路段的典型路段。

（2）布點(diǎn)方法:現(xiàn)場的色溫和顯色指數(shù)測量，每個(gè)場地測量點(diǎn)的數(shù)目不應(yīng)少于9 個(gè)，然后求其算數(shù)平均值作為該被測照明現(xiàn)場的色溫和顯色指數(shù)。

為了使數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，減少測量時(shí)造成的誤差，把道路同一側(cè)三個(gè)燈桿間的一半路段作為測量路段，并分成若干個(gè)大小相等的矩形網(wǎng)格，把測點(diǎn)設(shè)置在每個(gè)矩形網(wǎng)格的四角，圖3 為布點(diǎn)時(shí)的測點(diǎn)布置圖。

圖3 測點(diǎn)布置圖

這樣每個(gè)網(wǎng)格的邊長≤2 m，使得測量點(diǎn)的數(shù)量多于測量要求，得到的整體數(shù)據(jù)會更準(zhǔn)確。

2.2 道路現(xiàn)場的色溫和顯色指數(shù)計(jì)算

2.2.1 平均色溫的計(jì)算

按照GB/T 7922—2008 照明光源顏色測量方法的要求，路面平均色溫按式（1）計(jì)算。

式中:Tav——路面的平均色溫，K；

Ti——每個(gè)測量點(diǎn)的色溫，K；

測點(diǎn)數(shù)越多，得到的平均值越精確，不過也相應(yīng)地增加了工作量。

2.2.2 平均顯色指數(shù)的計(jì)算

與式（1）相同，平均顯色指數(shù)的計(jì)算也是求現(xiàn)場所有測量點(diǎn)的算術(shù)平均值。

2.3 測量條件、方法和測量數(shù)據(jù)分析

2.3.1 測量條件

（1）被測光源宜滿足下列要求:白熾燈和鹵鎢燈累計(jì)點(diǎn)燃時(shí)間在50 h 以上；氣體放電燈類光源累計(jì)燃點(diǎn)時(shí)間在100 h 以上。

（2）現(xiàn)場測量應(yīng)在下列時(shí)間后進(jìn)行:白熾燈和鹵鎢燈應(yīng)燃點(diǎn)15 min；氣體放電燈類光源應(yīng)燃點(diǎn)40 min。

2.3.2 測量方法

（1）為提高測量的準(zhǔn)確性，測量時(shí)應(yīng)等待示值穩(wěn)定后再讀數(shù)。

（2）測量人員宜著深色服裝，防止測量人員或其他物體的影子對接收器的影響。

2.3.3 測量結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

選取了某六車道道路的正向3 條車道進(jìn)行測量，所用燈具為鈉燈，路面平均照度在30 lx 左右。3 條車道總寬10.7 m，將其橫向均勻分成5 組，以一盞燈桿的正下方為中心向兩邊測量，每隔2 m 測量一個(gè)點(diǎn)，共85 個(gè)測量點(diǎn)。如表1 為顯色指數(shù)的數(shù)據(jù)列表，其中9 號測試點(diǎn)為燈桿正下方的點(diǎn)，1 號點(diǎn)和17 號點(diǎn)為燈桿兩側(cè)與下一燈桿的中間點(diǎn)。

表1 顯色指數(shù)數(shù)據(jù)列表

根據(jù)數(shù)據(jù)分析我們選取其中兩組進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合作圖（圖4）。

圖4 顯色指數(shù)圖

從數(shù)據(jù)中可看出，路燈的正下方顯色指數(shù)最小，此處反映的數(shù)據(jù)為鈉燈光源的顯色指數(shù)，而沿?zé)舻膬蛇厔t顯色指數(shù)呈上升趨勢，原因就是受環(huán)境光的影響，所測得的數(shù)據(jù)是鈉燈光源與環(huán)境光復(fù)合光的顯色指數(shù)。

表2 色溫?cái)?shù)據(jù)列表（單位/K）

根據(jù)表2 的分析，我們選取其中兩組比較，如圖5所示為第一組與第三組的色溫曲線。

圖5 色溫圖

從曲線上可以發(fā)現(xiàn)，色溫較顯色指數(shù)的變化更小，但也存在著路燈正下方的色溫為鈉燈本身的色溫，兩邊色溫逐漸增高的現(xiàn)象，原因是越遠(yuǎn)離燈桿受到環(huán)境光的影響越大，導(dǎo)致了測得的數(shù)據(jù)逐漸偏高。

3 一種新型的測量方案

從上述常規(guī)道路照明的色溫與顯色指數(shù)測量方案中可以看出，現(xiàn)場測量會出現(xiàn)以下問題:

（1）取點(diǎn)過少則會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確性，若測量數(shù)據(jù)過多則因被測點(diǎn)數(shù)多造成數(shù)據(jù)測量記錄、處理工作量大，并且無法連續(xù)測量。

（2）使用儀器進(jìn)行測量時(shí)對環(huán)境要求較高，需要設(shè)置路障以保證工作人員的安全，并且需要工作人員具有良好的測試水平和應(yīng)對突發(fā)事件的能力。

為此在常規(guī)道路照明色溫、顯色指數(shù)測量方法的基礎(chǔ)上提出了一種新型的測量方法。筆者使用了一套新型的車載式道路照明檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于CCD傳感器，車載式測量道路色溫、顯色指數(shù)、色坐標(biāo)等色度學(xué)參數(shù)，并可以動態(tài)密集測量。系統(tǒng)引入λ 余弦修正器，凹面衍射光柵等技術(shù)，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的測量效率和精度。該測量系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖6 所示。

圖6 車載式道路明顯檢測系統(tǒng)框圖

該儀器的使用步驟簡單介紹如下:

（1）將光譜檢測系統(tǒng)的傳感器通過磁力吸盤放置于汽車頂上，這樣可以最大程度降低周圍物體反射光的干擾。

（2）使用通信電纜連接系統(tǒng)主機(jī)和汽車內(nèi)的計(jì)算機(jī)，測量人員只需坐在車內(nèi)操作軟件，便可快速準(zhǔn)確地測出所需測量的數(shù)據(jù)。

駕駛檢測車在3 個(gè)車道內(nèi)以約15 km/h 的速度對道路進(jìn)行來回?cái)?shù)次的測試。測出來的色溫和顯色指數(shù)的算術(shù)平均值為2 225 K 和38.9，和表3 所示五組手動測量的數(shù)據(jù)總平均值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的結(jié)果誤差范圍在1%之內(nèi)，也就證明了動態(tài)測量方案的準(zhǔn)確性。

表3

將常規(guī)的人工逐點(diǎn)測量法與動態(tài)測量法進(jìn)行對比，動態(tài)測量法不僅有測量速度快、測量安全、減小勞動強(qiáng)度、數(shù)據(jù)處理方便的優(yōu)點(diǎn)，更由于采用測試汽車自動測量排除了測量人員在測試現(xiàn)場所引起的擋光、反光干擾，有效提高了測試精度和數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。綜合現(xiàn)場測量分析，該光譜分析系統(tǒng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)中重復(fù)性在1%之內(nèi)的要求。通過現(xiàn)場測量結(jié)果的分析，表明該光譜分析系統(tǒng)是準(zhǔn)確可靠的，為道路照明色度學(xué)參數(shù)的現(xiàn)場測量提供了良好的技術(shù)支持。

［1］GB 7922—2008 照明光源的顏色測量方法［S］

［2］施克孝.色溫、顯色指數(shù)與色度圖［J］.演藝科學(xué)，2011

［3］劉勝洋，曹明娜，李剛.高靈敏度CCD 光電信號檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.電子測量技術(shù)，2007

［4］孔鵬，巴音賀希格，李文昊，等.雙光柵平場全息凹面光柵光譜儀的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2011（2）

［5］GB/T 5700—2008 照明測量的方法［S］

［6］秦大為，任軍軍，沈小明，曹剛.道路照明的照度檢測［J］.電工技術(shù)，2005（7）