單燈多顯示智能鐵路信號(hào)機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的仿真測(cè)試與研究

杜躍飛，賀清

(蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州730070)

鐵路信號(hào)控制系統(tǒng)中，各種色燈信號(hào)機(jī)是保證列車行車安全，提高行車效率的重要組成部分，設(shè)計(jì)與開發(fā)適合我國國情的城市智能化交通信號(hào)控制系統(tǒng)，是21世紀(jì)我國交通工作者研究的熱點(diǎn)[1]。信號(hào)機(jī)從1956年56型單燈信號(hào)機(jī)的出現(xiàn)到現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的LED信號(hào)機(jī)已經(jīng)發(fā)展了70多年。從用白熾燈從電能中產(chǎn)生最大效率的白光，到如何用半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)將電子轉(zhuǎn)換為光子的高效能一直是一項(xiàng)長期的探索的課題[2?3]。LED具有高光效、長壽命、少污染、光色好、價(jià)格低、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，諸多優(yōu)勢(shì)使其在各個(gè)行業(yè)迅速發(fā)展。EDRINE等[4]將LED描述為一種新型輻射探測(cè)器，用于診斷放射學(xué)和輻射防護(hù)領(lǐng)域防護(hù)領(lǐng)域的X射線劑量測(cè)量。在軌道交通領(lǐng)域，LED色燈信號(hào)機(jī)主要涉及到散熱、光色、光強(qiáng)、陣列排布、透鏡設(shè)計(jì)等要素，已有部分學(xué)者對(duì)相關(guān)領(lǐng)域做了研究，SPAGNOLO等[5]提出使用相變材料PCM用于交通運(yùn)輸中LED黃色信號(hào)燈，利用PCM相變材料來滿足大范圍溫度變化的色度要求的研究。HU等[6]利用LED的色彩調(diào)節(jié)能力，使用了將設(shè)備穩(wěn)定的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為色度坐標(biāo)的模型評(píng)估基于RGB和HSB的對(duì)色混合系統(tǒng)。梁靜等[7]針對(duì)LED現(xiàn)有典型色差公式的色差預(yù)測(cè)性能進(jìn)行了研究評(píng)價(jià)，為顏色視覺辨別特性及色差評(píng)價(jià)方法的探索積累初始數(shù)據(jù)。VARMA等[8]提出一種新型LED陣列分配方案，用于隨機(jī)LED陣列獲得均勻的輻照度。MORENO等[9]研究了由多個(gè)LED組成的光源稀釋對(duì)光照均勻性的影響，并推導(dǎo)出不同結(jié)構(gòu)LED陣列的最大稀釋度的解 析 表 達(dá) 式。JAFRANCESCO等[10]對(duì)Tonatiuh，SolTrace，TracePro和CRS4-2 4種光學(xué)設(shè)計(jì)工具進(jìn)行了功能性和可用性比較。針對(duì)鐵路信號(hào)機(jī)，本文就小功率LED式燈盤陣列進(jìn)行了設(shè)計(jì)選型。通過Tracepro光學(xué)仿真軟件將透鏡式信號(hào)機(jī)中直絲聚焦式TX12/25型信號(hào)燈泡與小功率LED信號(hào)燈盤進(jìn)行對(duì)比。依據(jù)中華人民共和國相關(guān)鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[11?13]，應(yīng)用球帶系數(shù)法，對(duì)大功率LED燈珠進(jìn)行數(shù)量估算，最后通過Tracepro光學(xué)仿真驗(yàn)證了基于大功率LED燈珠的新型單燈多顯信號(hào)機(jī)的可行性。

1 光源燈盤設(shè)計(jì)

1.1 燈珠間距設(shè)計(jì)

由于LED發(fā)光近似為朗伯體分布，根據(jù)斯派羅法則的延伸，2個(gè)LED發(fā)光管之間的距離會(huì)直接影響光的疊加效應(yīng)，當(dāng)2個(gè)發(fā)光管間距較遠(yuǎn)，光照中心會(huì)出現(xiàn)明顯的暗點(diǎn)(即波谷)，當(dāng)2個(gè)發(fā)光管間距太近，容易形成單個(gè)波峰以致光源浪費(fèi)。在優(yōu)先滿足鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T2353-2018《鐵路燈光信號(hào)發(fā)光強(qiáng)度》的光強(qiáng)基礎(chǔ)上得到較為均勻的照明，即希望2個(gè)LED疊加后形成較為平坦光照分布，需要計(jì)算沿連接2個(gè)LED中心軸的最大平坦條件，找到比較合適的波峰間距，從而獲得多個(gè)LED緊密分布時(shí)的最佳相隔間距。

2個(gè)波峰間出現(xiàn)的最大平坦距離稱為斯派羅極值σL，該值存在的條件應(yīng)滿足式(1)。

式中：一階微分表示函數(shù)的斜率，二階微分表示斜率的變化情況。斯派羅極值法原理圖如圖1所示，即當(dāng)2個(gè)發(fā)光管波峰之間最大值σ大于σL時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一段中間波谷區(qū)，若σ繼續(xù)增大波谷也隨之增大，直至光強(qiáng)分布不存在重疊部分；而當(dāng)2個(gè)發(fā)光管波峰之間最大值σ逐漸減小時(shí)，2波峰中間出現(xiàn)中央平坦區(qū)，當(dāng)σ=σL時(shí)中央平坦區(qū)達(dá)到最大；隨著σ繼續(xù)減小中央平坦區(qū)減小到0，整體表現(xiàn)為1個(gè)波峰。

圖1 斯派羅法則原理Fig.1 Schematic diagram of sparrow's law

1.2 燈盤陣列設(shè)計(jì)

TB/T2353—2018《鐵路燈光信號(hào)發(fā)光強(qiáng)度》和TB/T3242—2010《LED鐵路信號(hào)機(jī)構(gòu)通用技術(shù)條件》對(duì)信號(hào)機(jī)的發(fā)光強(qiáng)度做了明確規(guī)定，由于單個(gè)小功率LED無法滿足要求，需對(duì)燈珠陣列和透鏡進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型。

理想情況下的單顆LED燈珠可近似為朗伯體，光強(qiáng)的分布不僅受其材料及形狀影響，還與發(fā)光角度有直接關(guān)系[8]。近似光強(qiáng)與發(fā)光角度滿足式(2)關(guān)系。

式中：θ為發(fā)光角度；E0(r)為發(fā)光管在光軸方向的光照度；m取決于LED發(fā)光區(qū)域與球面密封材料的曲率中心的相對(duì)位置。通常LED的m>30，隨著LED制造材料的升級(jí)，m值有所減小。

由式(2)可以得出，光照強(qiáng)度隨著m的增大而減小。m值由θ1/2決定：

式中：θ1/2為LED的配光曲線中對(duì)應(yīng)發(fā)光強(qiáng)度為最大值1/2時(shí)的角度。點(diǎn)光源照射到與光軸垂直平面時(shí)的光照強(qiáng)度由式(2)～(3)得到：

式中：r為LED到照射平面的距離。LED在面板平面上的位置(x,y)的輻照度分布公式(3)可以用笛卡爾坐標(biāo)系(x,y,z)表示。z表示點(diǎn)光源到照射面的距離，則坐標(biāo)系中任意一點(diǎn)Q(x,y,z)處的光照強(qiáng)度如式(5)所示。

式中：I是LED的光照強(qiáng)度；(x0,y0)是LED在平面坐標(biāo)系的坐標(biāo)。

一般情況下LED可看成點(diǎn)光源，隨著發(fā)光管數(shù)量的增加，光照范圍和強(qiáng)度也會(huì)明顯改變。小功率單個(gè)LED無法滿足信號(hào)機(jī)的光照強(qiáng)度要求，必須使用數(shù)十個(gè)甚至上百個(gè)并聯(lián)以達(dá)到理想的效果。所以需要對(duì)燈盤陣列進(jìn)行設(shè)計(jì)及選擇。

通常LED的陣列分布情況有3種，包括方形陣列、三角形陣列和環(huán)形陣列，如圖2所示。每次實(shí)驗(yàn)測(cè)試針對(duì)不同的陣列均采用的是相同型號(hào)相同數(shù)量的燈珠。

圖2 陣列分布圖Fig.2 Array distribution

結(jié)果表明，方形陣列在最大距離之內(nèi)有較好的均勻性，三角陣列可以適當(dāng)減小分布空間，利于在有限空間使用，圓環(huán)陣列相比前兩者有更好的聚光效果，在排列半徑內(nèi)有比較好的均勻性，隨著陣列中心到平面的距離增大，均勻性降低，考慮到色燈信號(hào)機(jī)應(yīng)用于相距500 m以上居多，對(duì)高聚光、高指向性的需求大于均勻性需求。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，圓環(huán)陣列滿足鐵路信號(hào)機(jī)高聚光、高指向性的要求。

圓環(huán)陣列各LED等間距均勻分布，如圖3所示。根據(jù)TB/T2353—2016《鐵路燈光信號(hào)發(fā)光強(qiáng)度》中對(duì)各顏色光強(qiáng)的要求，不同顏色燈珠數(shù)量可以略有不同。

圖3 LED發(fā)光盤燈珠分布Fig.3 Distribution of LED emitting disc lamp beads

2 傳統(tǒng)光源及小功率LED光盤Tra‐cepro仿真

2.1 白熾燈光學(xué)仿真

此次采用的是直絲聚焦式TX12/25型信號(hào)燈泡，其工作電壓及功率為12 V/25 W，具體光學(xué)參數(shù)如表1，仿真測(cè)試采用Tracepro光學(xué)仿真軟件，測(cè)試處于單燈空曠環(huán)境下，光源距測(cè)試板(1 m×1 m×30 mm)10 m。圖4(a)給出的仿真結(jié)果為輻照?qǐng)D。

表1 直絲聚焦式TX12/25型信號(hào)燈泡參數(shù)Table 1 Parameters of straight wire focusing TX12/25 signal bulb

圖像經(jīng)過平滑度90度處理，采用區(qū)域坐標(biāo)系輔助顯示。根據(jù)圖4(a)可知，TX12/25型信號(hào)燈在開放環(huán)境下10 m外遮板平均光通量維持在80 lm左右，而光照范圍基本維持在光軸10°上下，發(fā)光強(qiáng)度可以達(dá)到1 600 cd。

2.2 小功率LED信號(hào)燈仿真

小功率LED信號(hào)機(jī)內(nèi)部由數(shù)十甚至上百個(gè)小功率LED燈珠集成。以下以原中國鐵路西安局集團(tuán)有限公司LED燈盤為例。

測(cè)試燈盤光源額定功率為7.45 W，一共采用61顆直插式燈珠，單個(gè)燈珠發(fā)光功率0.1 W左右，單個(gè)LED二極管光通量約為6 lm。呈圓形陣列分布。通過Tracepro輻照仿真測(cè)試結(jié)果如圖4(b)。

圖4 輻照?qǐng)DFig.4 Radiation diagram

測(cè)試結(jié)果表明，小功率LED發(fā)光盤在空曠環(huán)境下發(fā)光強(qiáng)度可達(dá)2 700 cd，相比傳統(tǒng)直絲聚焦式TX12/25型信號(hào)燈，小功率LED燈盤能耗約為TX12/25型信號(hào)燈的1/3，發(fā)光強(qiáng)度約是其1.7倍，且小功率LED式燈盤具有可靠性高，免維修，壽命長等優(yōu)良性能。更適合做信號(hào)機(jī)光源。但由于小功率LED是許多單一芯片采取外圍電路集成，缺乏優(yōu)良的整體協(xié)調(diào)性能，產(chǎn)品一致性較差。

隨著大功率LED技術(shù)突破，使LED獲得更高的取光率、較大的光通量，使光折損降低，同時(shí)更好地解決光的發(fā)散角度、均勻性以及與導(dǎo)光板的搭配等問題。大功率LED通過不同的封裝結(jié)構(gòu)方式，從而保持和提高產(chǎn)品的一致性、可靠性等整體性能，因此，信號(hào)機(jī)僅用極少數(shù)大功率LED燈珠布置在燈盤上以滿足其光學(xué)性能成為可能。

3 新型LED信號(hào)機(jī)光性能研究

本次設(shè)計(jì)參考?xì)W司朗(OSRAM)生產(chǎn)的中高功率SMD封裝LED燈珠[14]，每顆綠色燈珠的光通量是151 lm/W，黃色燈珠光通量為98 lm/W，紅色燈珠光通量為99 lm/W。

3.1 LED燈珠數(shù)量估算

下面對(duì)單個(gè)紅色燈珠在功率為2 W時(shí)進(jìn)行光學(xué)仿真測(cè)試(其他顏色不做綴訴)，光通量設(shè)為99 lm/W，參考OSRAM生產(chǎn)的OSCONIQ? P 3030。在Tracepro中生成LED的表面材質(zhì)，對(duì)LED的光強(qiáng)分布進(jìn)行模擬，經(jīng)過40°平滑度處理。其單顆LED發(fā)光測(cè)試結(jié)果如圖5。

圖5 直角坐標(biāo)光強(qiáng)分布圖Fig.5 Light intensity distribution in rectangular coordinates

仿真模擬使用遺失光線得到相應(yīng)結(jié)果。由于大功率LED燈珠封裝設(shè)計(jì)導(dǎo)致發(fā)光范圍較大，設(shè)置50°半角值，2 W有功功率。結(jié)果顯示，相比小功率LED燈，單個(gè)大功率LED光強(qiáng)在空曠環(huán)境中可達(dá)340 cd，是現(xiàn)行直插式小功率LED光強(qiáng)的9倍，但是單顆依舊達(dá)不到行業(yè)要求，需要在加強(qiáng)其聚光性指向性后進(jìn)行數(shù)量估算。針對(duì)大功率LED燈珠的發(fā)光角度太大問題，必須對(duì)透鏡進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)。通過Tracepro光學(xué)透鏡設(shè)計(jì)，可將主要光線照射范圍控制到中心光軸10°上下，此時(shí)中心光強(qiáng)可達(dá)1 900 cd，圖6為加裝透鏡后極坐標(biāo)系光強(qiáng)分布圖。

圖6 加裝透鏡后極坐標(biāo)系光強(qiáng)分布Fig.6 Light intensity distribution in polar coordinate system with lens

進(jìn)一步確定LED燈珠個(gè)數(shù)，須對(duì)LED信號(hào)機(jī)的總光通量進(jìn)行計(jì)算。通常關(guān)于光通量的計(jì)算方法包括V-H系統(tǒng)法、積分球法、球帶系數(shù)法。V-H系統(tǒng)法被廣泛用于泛光照明器的計(jì)算；積分球法是將被測(cè)光源與標(biāo)準(zhǔn)光源進(jìn)行比較從而求得總光通量的值，在傳統(tǒng)光源的測(cè)量中被廣泛使用；球帶系數(shù)法用于估算燈具的最小總光通量，即根據(jù)燈具規(guī)定點(diǎn)的光強(qiáng)值來估算總光通量的方法。

本文采用球帶系數(shù)法估算LED燈珠數(shù)量。信號(hào)機(jī)的光強(qiáng)度按式(6)計(jì)算：

式中：I為信號(hào)燈的光強(qiáng)度，cd；E為經(jīng)過色修正后的光照度，lx；L為測(cè)試距離，m。

光強(qiáng)與光通量之間存在如下關(guān)系[15]：

如圖7所示，立體角可表示為：

圖7 立體角示意圖Fig.7 Schematic diagram of solid angle

將式(8)代入式(7)后可得計(jì)算總光通量的公式如下：

對(duì)于軸對(duì)稱光源：

如圖8，將球面劃分為n條大小相等的球帶，各球帶的發(fā)光強(qiáng)度值可分別表示為I1，I2，…，IN，由式(9)可推導(dǎo)得各球帶的光通量如下：

圖8 球帶分割Fig.8 Ball belt segmentation

總光通量為：

由推導(dǎo)可知，式(12)成立的條件是各球帶光強(qiáng)為常數(shù)：

實(shí)際情況中，I隨著角度的變化而連續(xù)變化，I隨角度線性變化更符合實(shí)際情況。

式(14)是優(yōu)化后的球帶系數(shù)法，是一種絕對(duì)測(cè)量方法，不受燈具尺寸限制，比普通球帶系數(shù)法更加精準(zhǔn)，適用于LED信號(hào)機(jī)光通量測(cè)量。

根據(jù)TB/T 3242—2010標(biāo)準(zhǔn)“LED信號(hào)機(jī)燈珠損壞數(shù)量達(dá)到30%±5%時(shí)應(yīng)報(bào)警；數(shù)量超過50%±5%時(shí)應(yīng)使燈絲繼電器可靠落下?！本C合考慮球帶系數(shù)結(jié)果及冗余性選用綠色LED燈珠3顆，黃色4顆，紅色3顆。

3.2 光強(qiáng)測(cè)試

鐵道標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2353—2018中規(guī)定了鐵路燈光信號(hào)發(fā)光強(qiáng)度，其中高柱色燈信號(hào)機(jī)的光軸方向的光強(qiáng)度應(yīng)不低于表2規(guī)定。

LED信號(hào)機(jī)的光強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表2，圖9為大功率紅色LED光強(qiáng)分布測(cè)試結(jié)果，由于實(shí)際燈具不是嚴(yán)格對(duì)稱的，因此給出不同方向上的光強(qiáng)分布，圖9中采用了0°(藍(lán)色)、45°(綠色)、90°(紅色)、135°(天藍(lán)色)4個(gè)角度用來表示4個(gè)法線所在切面的光強(qiáng)分布曲線。測(cè)試結(jié)果表明：紅黃綠3色色品均符合鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其中紅色采用3顆燈珠，一共6 W；綠色3顆共6 W；黃色由于在TB/T 2353—2018中規(guī)定光強(qiáng)在3 900 cd以上，滿足需求的同時(shí)考慮可靠性，采用4顆燈珠，共8 W。

表2 色燈信號(hào)機(jī)光軸方向的光強(qiáng)度Table 2 Light intensity of light axis direction of color light signal

圖9 紅色LED光強(qiáng)分布Fig.9 Light intensity distribution of red LED

4 新式單燈位三顯示信號(hào)機(jī)設(shè)計(jì)

根據(jù)上文對(duì)大功率LED燈珠的光學(xué)測(cè)試結(jié)果，提出建立單燈位多顯示LED信號(hào)機(jī)的設(shè)計(jì)構(gòu)想，即在同一發(fā)光盤上安裝多種顏色燈珠，以三顯示信號(hào)機(jī)為例，將3顆紅色燈珠，3顆綠色燈珠，4顆黃色燈珠按圖10所示分布。10顆燈珠(單燈所占面積3 mm×3 mm×2 mm)整體呈正九邊形分布，中心位置放置黃色燈珠，各色之間均勻分布，單色呈正三角分布。通過光學(xué)測(cè)試，在同一發(fā)光盤上3顆紅色燈珠光強(qiáng)可達(dá)3 860 cd(鐵路標(biāo)準(zhǔn)2 100 cd)，3顆綠色燈珠3 818 cd(鐵路標(biāo)準(zhǔn)2 800 cd)，4顆黃色燈珠4 396 cd(鐵路標(biāo)準(zhǔn)3 900 cd)，均可滿足鐵路標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定。紅綠2種顏色工作時(shí)功率約為TX12/25型信號(hào)燈泡的1/4，黃色約為TX12/25型信號(hào)燈泡功率的1/3。新式信號(hào)機(jī)相比傳統(tǒng)燈泡更加節(jié)能。

圖10 新型信號(hào)機(jī)燈珠分布圖Fig.10 New signal bead distribution diagram

要注意的是需同時(shí)設(shè)計(jì)與光盤燈珠陣列對(duì)應(yīng)的無色聚焦透鏡，智能點(diǎn)燈單元完成顯示不同色光的控制，這些內(nèi)容本文沒有涉及。

由于我國鐵路信號(hào)機(jī)種類繁多，在對(duì)月白色、藍(lán)色、紫色等大功率燈珠進(jìn)行以光學(xué)測(cè)試后，若滿足鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，該設(shè)計(jì)可適用于列車進(jìn)、出站信號(hào)機(jī)、區(qū)間信號(hào)機(jī)、調(diào)車信號(hào)機(jī)、駝峰信號(hào)機(jī)等，有利于降低建設(shè)成本，減輕站間限界限制等。

5 結(jié)論

1)針對(duì)鐵路信號(hào)機(jī)發(fā)光特性，提出利用光源配光曲線和斯派羅極值來確定燈珠間距及燈盤陣列排布的方法。利用Tracepro對(duì)不同的信號(hào)機(jī)光學(xué)仿真測(cè)試對(duì)比論證了采用大功率LED燈珠做光源的可行性。

2)根據(jù)大功率LED光學(xué)測(cè)試結(jié)果及球帶系數(shù)法確定燈盤各色燈珠數(shù)量，實(shí)現(xiàn)單燈位多顯示鐵路信號(hào)機(jī)的設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明，新式信號(hào)機(jī)能夠滿足鐵路信號(hào)機(jī)光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。

3)本文所做工作僅是起步，后續(xù)在LED色衰、大霧等特殊情況下存在變色問題、智能信號(hào)機(jī)點(diǎn)燈電路設(shè)計(jì)以解決線路之間的電容效應(yīng)、聚焦透鏡設(shè)計(jì)等方面還需更進(jìn)一步研究。