趙 準,栗晉杰，高世龍

(中汽研汽車檢驗中心(天津)有限公司，天津 300000)

引言

近年來，車輛道路照明性能對行車安全的影響受到了業(yè)內和消費者的廣泛關注，2021版C-NCAP(中國新車評價規(guī)程)[1]已于2020年8月25日正式發(fā)布，該評價規(guī)程已于2022年1月正式實施，2021版C-NCAP相較之前版本的一項重要的變化就是加入了關于車輛照明安全評價的相關內容，這在全球的NCAP評價體系內尚屬首次，從而在行業(yè)內吸引了大量的關注度。2021版C-NCAP規(guī)程附錄D-《整車燈光性能試驗方法》中明確要求需要對汽車前照燈遠光和近光功能在整車狀態(tài)下分別進行光學測量。為滿足測試條件，且考慮消除天氣、環(huán)境、道路條件對測試的影響，需要設計一套能夠在室內試驗室條件下進行整車級照明性能測試的測試系統(tǒng)。

C-NCAP管理規(guī)程及CIE 188和CIE S 021[2,3]中對整車燈光性能的測試方法均有詳細描述，首先需要分別測量遠近光功能的光分布，然后根據燈具在車輛上的安裝參數(shù)(一般指安裝間距、安裝高度等)將其分別疊加后通過計算機軟件程序計算出路面的照度分布，之后根據路面的照度分布可以得出前照燈的照明光分布范圍及指定區(qū)域內的眩光值，并最終通過數(shù)學統(tǒng)計方法對其進行星級評價。

1 試驗室方案布局

傳統(tǒng)意義上來講，獲取車輛遠近光空間分布的方法有兩種：a)將光度計安裝于固定位置，沿方位和俯仰兩個方向旋轉車輛，并通過光度計測得空間光分布；b)通過移動光度計來實現(xiàn)所有測試點的光分布測量。方法a)的測試原理即等同于現(xiàn)有的燈具零部件級的暗室測試方法，但如果使用整車作為測試對象，則在使用方法a)的情況下會改變車輛的俯仰狀態(tài)，從而導致車輛底盤懸掛狀態(tài)的改變，而車輛懸掛狀態(tài)的改變對車輛明暗截止線的影響尤為突出，從而影響了最終測試數(shù)據的準確性。而在方法b)中，當光度計與測試對象距離設置為25 m時，在測試對象固定的情況下，光度計的左右移動范圍將達到近百米左右，為了滿足上述測試規(guī)定及遠場條件，需要一個巨大的建筑才可以實現(xiàn)相關測試。

為解決上述問題，本文采用將上述兩種方法相結合的方案，即車輛圍繞方位角旋轉，而光度計沿垂直方向上下移動，這樣車輛的旋轉不會改變車輛的俯仰狀態(tài)，因此不會影響車輛的懸掛狀態(tài)及前照燈的傾斜角度，而且光度計只沿垂直方向移動，也大大縮減了試驗室所需的場地寬度。

如圖1所示，主要的測量設備為帶有移動光度計探頭的Ⅲ類分布光度計，該光度計可以沿著垂直方向進行移動[4]。在測試中記錄車輛旋轉的方位角D以及光度計探頭沿垂直方向移動距離S，最后將測得的照度分布轉化為廣泛應用的CIE (A，α)球坐標。

圖1 帶移動照度探頭的Ⅲ類測角光度計Fig.1 Class III goniophotometer with moving illuminance probe

如圖2所示的整車燈光試驗室的方案布局，實現(xiàn)車輛方位旋轉的設備為一個高精度的車輛轉臺，轉臺設計承重為3.5 t，旋轉角度精度能夠達到0.01°。成像亮度測量設備/成像式亮度計(ILMD)則安裝于車輛上方，并位于車輛縱向對稱中心平面上，用來測量車輛前方 25 m 屏幕上的亮度分布。移動光度計則安裝于屏幕右側的垂直軌道上，垂直移動范圍為±3.5 m，能夠完全滿足測試所需的角度范圍。

圖2 整車燈光試驗室方案布局圖Fig.2 Layout plan of vehicle lighting laboratory

2 車輛參數(shù)確認

與傳統(tǒng)的零部件燈具測試原理有所不同，車輛轉臺的中心并不與前照燈基準中心相重合。因此項目組在研發(fā)階段的早期，進行了每個前照燈在測量之前是否必須以坐標系原點為中心的討論，但研究發(fā)現(xiàn)這將需要一個極為復雜的車輛轉臺及車輛姿態(tài)對準系統(tǒng)，在理論上比較難以實現(xiàn)并且實用性較差。經項目組討論，最終采用了通過確定轉臺上車輛的位置并根據旋轉角度及光度計移動距離來修正光度計讀數(shù)的方案。

車輛參數(shù)的確認是通過尖端帶有觸覺探頭的7軸鉸接式機械臂來完成的，如圖3所示。該機械臂的工作半徑為5 m，車輛參數(shù)的確認基于待測車輛的輪轂中心位置進行，通過專門的程序精確測量車輪位置、角度以及前照燈光學中心的相對位置從而完成車輛燈具安裝參數(shù)、基準中心的最終確認。

圖3 車輛參數(shù)校準用機械臂Fig.3 Robotic arm for vehicle parameter calibration

圖4顯示了一個典型的車輛及前照燈安裝參數(shù)位置測量報告，其中包含所有必要的數(shù)據，用以確定車輛位置、轉臺中心點位置以及照明功能的基準中心位置。通過機械臂測得的相對位置參數(shù)，經計算后即可得到修正后的前照燈發(fā)光強度。

圖4 車輛及前照燈安裝參數(shù)位置測量報告圖示Fig.4 Diagram of vehicle and headlamp installation parameter position measurement report

3 光度計測量

傳統(tǒng)光度計具有出色的動態(tài)范圍、光譜適應性和高線性度等優(yōu)點，C-NCAP 照明安全測試中僅使用傳統(tǒng)光度計測量關鍵的眩光區(qū)域。

如圖5所示，被測前照燈隨轉臺圓形軌跡移動(小圓圈)，光度計的圓柱坐標系(大圓柱)跟隨前照燈共同移動。

圖5 Ⅲ類測光角度計偏心測試幾何模型Fig.5 Class III photometric goniometer eccentricity test geometric model

根據幾何坐標(D，S)，我們可以將其轉換為(φ，θ)和(A，α)，反之亦然。在應用式(1)進行計算時，由于前照燈基準中心并不位于轉臺中心，即轉臺旋轉中心與前照燈基準中心并不重合，而是存在一個偏心的關系，因此需要計算每個數(shù)據點前照燈和光度計之間的實際距離，通過數(shù)據糾正獲取正確的光分布數(shù)據。

(1)

式中：E為在距離d處測得的照度；

I為發(fā)光強度；

φ,θ為方位角和俯仰角。

由于在整車測試時，車輛的姿態(tài)、前照燈的安裝位置等因素均會與零部件級測試有一定的差異，為了評估該算法的準確性，對整車級前照燈性能測試結果與零部件級前照燈性能測試結果進行比對是必要且有意義的。

項目組在傳統(tǒng)零部件配光測試轉臺和整車燈光性能評價試驗室分別對具有較明顯光分布特征的前照燈樣品進行了比對測試，由于測試在整車燈光試驗室的研發(fā)階段進行，向下角度有限制，因此光分布不會覆蓋低至-7D的全角度范圍，而是從-1.6D開始。如圖6所示，圖(a)為傳統(tǒng)零部件配光測試轉臺測試結果，圖(b)為整車燈光試驗室測試結果。比對結果表明，除了較小的水平安裝偏移外，所有的光型結構，如明暗截止線、光學特征點和光強的變化都是完全相同的，這也驗證了整車前照燈靜態(tài)評價測試方法的科學性和準確性。

圖6 零部件測試與整車前照燈測試結果比對Fig.6 Comparison of component test and vehicle headlight test results

4 成像式亮度計(ILMD)測量

在測量眩光區(qū)域外的光分布時，采用成像式亮度計進行測量，成像式亮度計與光度計相結合進行測量的方法由于其測試效率、測試結果的準確性高等優(yōu)點近年來得到了更多的認可[5,6]。成像式亮度計測試的原理是根據屏幕的反射特性，將成像式亮度計記錄的亮度圖像轉換為照度，最終根據照度值計算發(fā)光強度的光分布。

L(z,y)→E(z,y)→I(φ,θ)

(2)

式中：L(z,y)為亮度分布；

E(z,y)為照度分布；

I(z,y) 為光強分布。

同理，在通過成像式亮度計進行測量時，由于前照燈的中心并不處于轉臺中心，需要計算前照燈光學中心與轉臺中心的相對位置，并對所得到的測試結果進行修正。

如圖7所示，圓形軌跡為車輛旋轉時前照燈的運動軌跡，物體系統(tǒng)中的發(fā)光強度在球體上以坎德拉定義，但在平面屏幕上顯示為照度分布。因為車輛旋轉角度D以及前照燈與屏幕的距離是已知的，所以屏幕上的每個點可以對應坐標系中的一個角度，通過計算可以將測量的亮度值轉化為相應的發(fā)光強度。

圖7 成像式亮度計偏心測試幾何模型Fig.7 ILMD eccentricity test geometric model

圖8說明了前照燈安裝位置對測試屏幕上捕獲的光分布立體角的影響。兩幅圖顯示了同一前照燈的測量結果，第一次將前照燈安裝于車輛左側，第二次安裝于車輛右側。由于前照燈安裝位置不同，第一次的光分布圖像在 V-V 線右側覆蓋了更大的區(qū)域，而第二次的光分布在V-V 線左側包含了更大的立體角。然而屏幕上獲得的光分布角度相對于車輛坐標系是固定的，與安裝位置無關，這也證明了坐標系之間的轉換是正確的。

圖8 基于測量屏幕亮度的光分布左右前照燈結果對比Fig.8 Comparison of left and right headlamp results based on light distribution measured on screen brightness

C-NCAP規(guī)程中要求的測量角度范圍為水平方向 60L 到 60R，垂直方向 7D 到 6U。在測量時，需要在不同的旋轉角度下通過成像式亮度計記錄多幅光分布圖像，最后將多個光分布圖像進行合并和拼接后得到一個覆蓋所需測量角度范圍的光分布圖像，這需要專門的數(shù)據處理軟件來完成，本文不再詳述。此外，由于光度計的光譜適應性較好以及受雜散光影響較小，所以光度計的測量不確定度較小，在測試中可以通過光度計對一個或多個點進行測量讀數(shù)，以校正成像式亮度計的測量值，從而保證測試結果的準確性[7]。

5 可追溯性、測量不確定度和精度

5.1 可追溯性和不確定度準則

整車燈光試驗室測試數(shù)據的可追溯性基于傳統(tǒng)的幾何和光度校準程序，并遵循ISO/IEC 17025的各項規(guī)定[8]。測量不確定度則根據CIE TC2-67文件《道路車輛道路照明、光信號和反光裝置的光度測定》中的條款確定[6]。

5.2 幾何精度

整車燈光試驗室的所有測量都旨在預測和評估道路照明質量，如照明距離和照明寬度等。因此對測試過程中的幾何精度要求較高，對基準平面即車輛的轉盤平面要求尤其高。除此之外照度計和成像式亮度計位置、屏幕幾何位置以及所有距離和測角儀角度精度均使用高精度經緯儀確定，測量距離的精度小于1 mm，角度的確定精度小于0.002°。

另外，如第2節(jié)所述，轉臺上的待測車輛參數(shù)的確認是基于鉸接式測量機械臂來完成的，其測量精度同樣小于1 mm。

5.3 光度測試精度

而使用成像式亮度計和屏幕組合獲取光分布測試方法的校準則取決于屏幕的反射特性，該反射特性可以使用現(xiàn)有L類光度計的進行校準而確定。需要注意的是,屏幕的反射特性受灰塵、溫濕度、通風條件等影響較大，因此整車燈光試驗室的環(huán)境條件要求相對較高，試驗室內需要設置恒溫恒濕條件，且需保持較為干凈的試驗測試環(huán)境。

此外，對于測試車輛照明功能的每次測試，都可使用照度計用以檢查或校準其光分布。

5.4 數(shù)據后處理精度

如上文所述，整車燈光試驗測試獲得的原始數(shù)據實際上就是前照燈近光和遠光功能的光分布數(shù)據，為了進行車輛道路照明性能(如照明距離、照明寬度)的評估，還需要對獲取的光分布進行處理從而獲取最終的道路光分布和測試指標數(shù)據，這些數(shù)據的處理過程涉及一些空間幾何模型的轉換和數(shù)據插值計算方法的選擇，不同的運算模型或計算軟件可能導致最終的評價結果存在一定的差異。數(shù)據后處理的精度影響了最終的評分結果，因此需要對該處理過程進行規(guī)范和統(tǒng)一，目前該項研究仍在進行過程中，初步研究顯示，不同軟件或計算方法的數(shù)據精度差異較小，項目組將另外撰寫論文進行詳細分析，本文不再詳述。

6 總結與展望

本文論述了基于C-NCAP的整車燈光性能評價試驗室的方案設計及測試原理，試驗方案符合C-NCAP的測試要求。在受控條件下的室內試驗室中測量車輛前照燈照明性能具有重復性好、不受道路以及環(huán)境影響等優(yōu)點，此外由于測試方案選用了25 m的測試距離，可以更好地將整車級前照燈性能測試結果與零部件級的測試結果進行比較和關聯(lián)。

雖然當前的整車燈光試驗室是針對靜態(tài)光分布進行測試，但在未來的試驗室擴展中可能會通過使用快速光度計或者相機快速讀出模式等技術手段增加動態(tài)光分布測試功能，從更多角度和狀態(tài)實現(xiàn)車輛照明的測試，助力燈具行業(yè)的發(fā)展和技術進步。