張臨強（北海航海保障中心煙臺航標處，山東 煙臺 264000）

一、航標燈閃光狀態(tài)下有效光強測量的必要性

（一）有效光強是航標燈的重要技術(shù)指標

航標燈在夜間發(fā)出固定燈質(zhì)(包括燈光節(jié)奏、周期、顏色)的燈光為船舶航行提供導助航服務。航標燈的燈光射程是由光強決定的，而對于閃爍的燈光，其射程要根據(jù)有效光強計算。所謂航標燈節(jié)奏光的有效光強是指在同樣的環(huán)境和設備條件下，定光光源和節(jié)奏光光源相比，若兩者的發(fā)光強度相等，則此定光光源的發(fā)光強度即為節(jié)奏光的有效光強。航標燈要保證為過往船舶提供可靠的助航服務，就必須有足夠的有效光強，使燈光達到應有的照射距離。因此，有效光強是航標燈最為重要的技術(shù)指標之一。

（二）現(xiàn)行檢測方法存在明顯的局限性

我國現(xiàn)行的航標燈光強檢測的技術(shù)標準是《航標燈光強測量和燈光射程計算》（JT/T 730-2008），該標準規(guī)定的檢測方法是在航標燈處于連續(xù)發(fā)光的定光狀態(tài)下進行測量，通過計算得到節(jié)奏光的有效光強。由于航標燈光源定光發(fā)光和閃光發(fā)光兩種狀態(tài)存在多方面的差異，因此這種通過定光光強計算得到的有效光強的測量方式存在很大的局限性，難以準確反映航標燈閃光的真實有效光強。

（三）LED光源檢測的技術(shù)要求

現(xiàn)在，絕大部分航標燈的光源都是LED，而LED發(fā)光效率受溫度影響很大，連續(xù)發(fā)光會造成溫度持續(xù)升高，遠遠高于閃光時的溫度。在定光狀態(tài)下測得的發(fā)光強度無法真實反映閃光狀態(tài)下的發(fā)光強度。

航標燈光強檢測實踐也充分證實了這一點。《航標燈光強測量和燈光射程計算》（JT/T 730-2008）規(guī)定航標燈光強檢測前預熱時間為15 min，但由于不同航標燈的LED光源散熱不同，在實際檢測中，很多航標燈預熱15 min后光強仍然不穩(wěn)定，有的甚至需要預熱半小時以上，嚴重影響了檢測結(jié)果的準確性?？梢?，目前迫切需要在閃光狀態(tài)下對LED光源航標燈進行光強檢測。

（四）履行IALA建議的需要

根據(jù)IALA于2017年頒布的建議R0204（E200-4）《海上信號燈光有效光強的測定和計算》第2．0版，航標燈節(jié)奏光的有效光強應在閃光狀態(tài)下進行測量，并按照修正的阿拉德法（Modified Allard Method, MAM）進行計算。

二、航標燈閃光狀態(tài)下有效光強的測量方法

（一）計算公式

航標燈節(jié)奏光的有效光強采用MAM進行計算，節(jié)奏光的有效光強Ie為節(jié)奏光光強函數(shù)與視覺響應函數(shù)卷積的最大值，其計算按公式（1）和公式（2）。

式中：

I（t）——閃光在t時刻的瞬時發(fā)光強度；

q（t）——視覺脈沖響應函數(shù)。

式中：

a——視覺時間常數(shù)，其中：夜間藍光a=0．2 s，夜間非藍光a=0．1 s；

t——時間，單位為秒（s）。

（二）測量布置

航標燈節(jié)奏光有效光強測量儀器設備布置見圖1。

圖1 儀器設備布置示意圖

測量儀器設備主要包括：被測航標燈、三維轉(zhuǎn)臺、照度計、導軌和計算機等。

1． 被測航標燈：被測航標燈固定于三維轉(zhuǎn)臺上，設置到指定的燈質(zhì)，穩(wěn)定地發(fā)出節(jié)奏光信號，接受測量。

2． 三維轉(zhuǎn)臺：三維轉(zhuǎn)臺承載被測航標燈，在計算機的控制下，按照測量要求帶動被測航標燈在三個維度上改變方向，從而實現(xiàn)對航標燈不同方向上燈光信號的測量。

3． 照度計：測量所接收到的航標燈燈光信號，并將測量結(jié)果傳送到計算機。

4． 導軌：用于承載照度計，照度計可在其上任意滑動，保證照度計在與被測航標燈相對方向不變的前提下調(diào)節(jié)測量距離。

5． 計算機：計算機的作用一是控制測量過程，二是處理測量數(shù)據(jù)。根據(jù)測量需要控制三維轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動，將被測航標燈轉(zhuǎn)到所需要的方向；內(nèi)置公式（1）（2）數(shù)學模型，對來自照度計的測量數(shù)據(jù)進行計算處理，從而得到準確的有效光強結(jié)果。

（三）測量過程

1． 測量環(huán)境：測量在暗室內(nèi)進行。測量環(huán)境溫度應在20℃±5℃。周圍不得有灰塵、振動、潮濕等不良因素。電源電壓應滿足航標燈正常工作要求。

2． 燈質(zhì)設定：同一航標燈在不同燈質(zhì)下的有效光強不同，因此，應指定一種常用燈質(zhì)進行測量，以便對測量結(jié)果進行比較判斷。例如：可以采用我國航道上常用的：聯(lián)閃2次、周期6 s（即明0．5 s、暗1 s、明0．5 s、暗4 s）的燈光節(jié)奏。

3． 測量：待航標燈預熱工作穩(wěn)定后，將測量相關(guān)參數(shù)設置于計算機，由計算機自動控制旋轉(zhuǎn)工作臺在水平方向以一定的角度間隔進行旋轉(zhuǎn)，快速采樣探頭采集獲得每個角度下的閃光光強曲線，通過上述MAM算法計算各角度對應的有效光強值。

三、航標燈閃光狀態(tài)下有效光強測量的關(guān)鍵技術(shù)問題

（一）旋轉(zhuǎn)精度

針對航標燈發(fā)光特點和測量需要，三維轉(zhuǎn)臺必須能夠進行水平360°、垂直90°勻速轉(zhuǎn)動，且轉(zhuǎn)動步進幅度不能大于0．01°。

（二）儀器定位

光強的測量是基于蘭伯特照度定律。

式中，I0為被測航標燈的光強；E為照度計接收面上的照度；l為測量距離；θ為光束與照度計接收面法線之間的夾角。

在儀器定位時，應使被測航標燈正對照度計光束接收面，即θ=0°，這樣，公式（3）即變?yōu)楣剑?），便于準確測量。

（三）測量距離

蘭伯特照度定律是基于點光源的，而實際航標燈發(fā)光體是有一定體積的，因此測量距離應足夠大，導軌足夠長。而測量距離又不能太遠，否則照度計得不到充分的測量光線，致使測量精度降低。

圖2顯示的是對一款航標燈測量距離研究的結(jié)果，該航標燈，在測量距離超過7．9 m的時候，光強變化低于2‰，公式（4）成立。根據(jù)研究，測量距離一般不能低于航標燈發(fā)光面直徑的50倍，測量中可以將測量距離以0．5 m的距離遞增，測量各距離下的光照度，計算對應的光強值，直至公式（4）成立。測量距離的上限是保證照度計讀數(shù)不得低于0．001 lx。

圖2 航標燈測量距離研究結(jié)果

（四）預熱時間

選擇周期同為2 s，閃光節(jié)奏分別為亮0．4 s暗1．6 s和亮0．5 s暗1．5 s的兩種燈質(zhì)進行穩(wěn)定時間的研究，點亮待測航標燈，每5 min測量一次航標燈的有效光強，總共監(jiān)測50 min，計算各時間點的相對誤差見圖3。

圖3 航標燈預熱時間研究結(jié)果

隨著穩(wěn)定時間的增加，有效光強相對誤差逐漸降低，預熱20 min后，有效光強相對誤差降至2‰以下。因此，航標燈預熱時間確定為20 min為宜。

（五）采樣頻率

MAM算法的核心是測量閃光瞬時光強曲線，采集光信號的采樣頻率無疑直接影響了測試結(jié)果的準確性。

圖4、圖5顯示的是不同采樣頻率下測得有效光強的誤差情況。采樣頻率分別為50 Hz、100 Hz、150 Hz、200 Hz、300 Hz、500 Hz、1 000 Hz和20 000 Hz。圖4研究的是閃光周期相同而閃光明的持續(xù)時間不同的燈光信號，圖5研究的是閃光明的持續(xù)時間相同而閃光周期不同的燈光信號。兩組研究得出的共同結(jié)論是，隨著采樣頻率的增大，相對誤差逐漸降低，當采樣頻率大于500 Hz后，有效光強的相對誤差降到1%以下。

圖4 不同明持續(xù)時間信號的采樣頻率研究結(jié)果

圖5 不同周期信號的采樣頻率研究結(jié)果

因此，采樣頻率確定為1 000 Hz比較合適。

（六）采樣時間

MAM算法的理念為測量閃光在無限長的采樣時間下的光強值，故測量采樣時間越長，越接近理論值。但在實際測量中，對同一測量點采樣的時間必然是有限的。

圖6顯示的是對周期為1．5 s（亮0．2 s，暗1．3 s）的燈光信號，在1T，2T，3T，4T，5T采樣時間下分別測得有效光強的變化情況。從圖中可以看出，為保證測量的準確性，采樣時間應至少為閃光周期的4倍。

圖6 采樣時間研究結(jié)果

四、結(jié)語

根據(jù)航標燈檢測的實際需要，借鑒IALA建議的辦法，采用MAM方法進行計算，解決了測量中的關(guān)鍵技術(shù)難題，對航標燈實現(xiàn)了在正常閃光的狀態(tài)下測量其有效光強，能夠更加真實準確地反映航標燈的實際發(fā)光能力。這一方法的實施，將進一步提升我國航標燈節(jié)奏光信號有效光強的測量水平，促進航標技術(shù)管理水平提升，從而進一步提高航標燈的效能，為國家藍色經(jīng)濟建設更好地保駕護航。