◎ 鄧莎 江西省贛中航道事務(wù)中心

航標(biāo)燈在長(zhǎng)時(shí)間使用后發(fā)光效能可能會(huì)降低，因此需要定期開(kāi)展航標(biāo)燈節(jié)奏光有效光強(qiáng)的測(cè)量工作，確保其可以滿(mǎn)足實(shí)際使用的需要。本文圍繞著航標(biāo)燈閃光狀態(tài)下有效光強(qiáng)的測(cè)量技術(shù)手段進(jìn)行了簡(jiǎn)要研究。

1.有效光強(qiáng)測(cè)量基本原理

對(duì)航標(biāo)燈閃光信號(hào)的有效光強(qiáng)實(shí)施測(cè)量，先是要構(gòu)建分布光度計(jì)測(cè)量系統(tǒng)，再基于國(guó)際或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行單、雙立柱模式的測(cè)量。測(cè)量時(shí)，航標(biāo)燈旋轉(zhuǎn)共包含水平軸和垂直軸兩個(gè)方向，要依據(jù)被測(cè)航標(biāo)燈的功率、性能類(lèi)型，進(jìn)一步調(diào)節(jié)探測(cè)器在軸線(xiàn)上的距離，假設(shè)垂直軸需要優(yōu)先旋轉(zhuǎn)，則測(cè)量系統(tǒng)每調(diào)節(jié)一定水平角度時(shí)就要對(duì)該角度節(jié)奏光進(jìn)行連續(xù)多次測(cè)量，獲得對(duì)應(yīng)光信號(hào)，之后通過(guò)公式來(lái)計(jì)算，就可得到其有效光強(qiáng)的參數(shù)結(jié)果[1]。

2.航標(biāo)燈在閃光狀態(tài)下測(cè)量有效光強(qiáng)的技術(shù)方法

大多數(shù)航標(biāo)燈都是LED形式的光源，這種光源的實(shí)際發(fā)光效率與溫度因素有著很大關(guān)系，且長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)維持定光狀態(tài)就會(huì)造成溫度變高，與閃光時(shí)相比溫度高出許多，因此，若處于定光狀態(tài)對(duì)發(fā)光有效光強(qiáng)進(jìn)行測(cè)量，將無(wú)法客觀反映出航標(biāo)燈工作的真實(shí)發(fā)光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，為了保證其有效光強(qiáng)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，還需探尋相關(guān)測(cè)量技術(shù)方法，同時(shí)要遵循《航標(biāo)燈光強(qiáng)測(cè)控和燈光射程計(jì)算》（JT/T730-2008）中的有關(guān)規(guī)定，確保LED光強(qiáng)測(cè)量時(shí)較為穩(wěn)定。

2.1 相關(guān)技術(shù)指標(biāo)

測(cè)量航標(biāo)燈LED光源在閃光狀態(tài)下的有效光強(qiáng)，主要是搭建由分布光度計(jì)、被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)燈、計(jì)算機(jī)、導(dǎo)軌、電源、三維轉(zhuǎn)臺(tái)以及角度控制儀器等結(jié)構(gòu)組成的測(cè)量系統(tǒng)，其可以通過(guò)控制方向變化來(lái)測(cè)得實(shí)際發(fā)光強(qiáng)度，再進(jìn)一步計(jì)算有效光強(qiáng)參數(shù)。具體技術(shù)指標(biāo)還包括下述幾點(diǎn)：①被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)燈能夠在系統(tǒng)中繞著水平軸或垂直軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍為0-360°；②控制角度精度標(biāo)準(zhǔn)為0.2°，而傳動(dòng)角度的分辨率標(biāo)準(zhǔn)則為0.1°；③實(shí)際光度測(cè)量控制為標(biāo)準(zhǔn)光源下2%的精度，光度測(cè)量的光強(qiáng)范圍為1-107cd（以探頭位置為參考），照度范圍為0.01-10 0 0 0l x；④雜散光部分不能超過(guò)0.1%；⑤被測(cè)航標(biāo)燈與相關(guān)配套夾具的尺寸最大允許參數(shù)為1160mm（寬度）×1600mm（高度）；⑥測(cè)量環(huán)境技術(shù)要求：控制環(huán)境溫度范圍為0-35℃，實(shí)測(cè)最適宜溫度標(biāo)準(zhǔn)為25±2℃，相對(duì)濕度在70%以下，不可出現(xiàn)結(jié)露情況，安裝合適的空調(diào)設(shè)備[2]。

2.2 計(jì)算公式

航標(biāo)燈處于閃光狀態(tài)下的LED光源也被稱(chēng)作節(jié)奏光，其進(jìn)行有效光強(qiáng)計(jì)算時(shí)可以運(yùn)用M A M相關(guān)公式，其通常采用光強(qiáng)函數(shù)結(jié)合視覺(jué)響應(yīng)函數(shù)實(shí)施卷積計(jì)算，求出最大參數(shù)值，依據(jù)公式（1）和公式（2）。

在公式（1）當(dāng)中，Ie表示的是閃光狀態(tài)中航標(biāo)燈實(shí)際有效光強(qiáng)參數(shù)，I（t）則表示t時(shí)刻節(jié)奏光產(chǎn)生的瞬時(shí)發(fā)光強(qiáng)度參數(shù)，q（t）則表示視覺(jué)脈沖響應(yīng)函數(shù)。

在公式（2）中，t表示時(shí)間，其單位為s（秒），a則表示LED光源視覺(jué)時(shí)間常數(shù)，其中夜間時(shí)的藍(lán)光顯示時(shí)間常數(shù)a=0.2s，非藍(lán)光顯示時(shí)間常數(shù)a=0.1s。

除此之外，有效光強(qiáng)在經(jīng)過(guò)重復(fù)測(cè)試時(shí)，可能會(huì)由于被測(cè)樣品燈具不穩(wěn)、儀器測(cè)試條件存在偏差以及讀數(shù)產(chǎn)生誤差等原因造成測(cè)試結(jié)果的不良波動(dòng)，這也會(huì)引發(fā)不確定度分量，如表1所示為某次重復(fù)測(cè)量8次光強(qiáng)的結(jié)果，對(duì)其不確定度的評(píng)定則采用公式（3）與（4）。

表1 航標(biāo)燈某次重復(fù)測(cè)量8次光強(qiáng)的結(jié)果

通過(guò)公式（3）來(lái)計(jì)算獲得測(cè)試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差值：

上式中，s（ ）表示的是標(biāo)準(zhǔn)差，Pi表示的第i次測(cè)試的光強(qiáng)結(jié)果， 表示的是對(duì)應(yīng)殘差值，n為總測(cè)試次數(shù)。

通過(guò)公式（4）來(lái)計(jì)算獲得標(biāo)準(zhǔn)不確定度值：

上式中，uA表示標(biāo)準(zhǔn)不確定度[3]。

2.3 測(cè)量工作的有關(guān)布置

被測(cè)航標(biāo)燈在閃光狀態(tài)下測(cè)量有效光強(qiáng)的工作系統(tǒng)儀器設(shè)備基本布置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 測(cè)量工作系統(tǒng)中儀器設(shè)備的布置圖

此次布置的核心工作儀器包括三維轉(zhuǎn)臺(tái)、被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)燈（航標(biāo)燈）、計(jì)算機(jī)、導(dǎo)軌以及照度計(jì)（分布光度計(jì)）等，其具體布置要求如下所述。

第一，三維轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)備，主要發(fā)揮出承載被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)燈的作用，還要受到計(jì)算機(jī)儀器的直接控制，基于實(shí)際測(cè)量需求，還應(yīng)當(dāng)控制航標(biāo)燈在3個(gè)不同維度上的方向變化，進(jìn)而保證不同方向上對(duì)航標(biāo)燈閃光燈光信號(hào)情況實(shí)現(xiàn)有效測(cè)量。

第二，被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)燈，按照要求選擇規(guī)格相符的航標(biāo)燈固定到三維轉(zhuǎn)臺(tái)上方位置，要保證燈質(zhì)可靠，可以穩(wěn)定放出閃光狀態(tài)的信號(hào)，并能夠良好接受儀器測(cè)量。

第三，計(jì)算機(jī)，屬于測(cè)量系統(tǒng)的核心儀器，其最重要的作用是對(duì)整個(gè)測(cè)量過(guò)程進(jìn)行控制，同時(shí)也能快速處理獲得的測(cè)量參數(shù)?；跍y(cè)量要求對(duì)三維轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角度加以調(diào)控，使被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)燈轉(zhuǎn)到最合適的方向，計(jì)算機(jī)內(nèi)置計(jì)算的數(shù)學(xué)模型即為上述提到的公式（1）與（2），計(jì)算機(jī)與照度計(jì)進(jìn)行連接，接受來(lái)自照度計(jì)傳送的節(jié)奏光測(cè)量數(shù)據(jù)，再進(jìn)一步計(jì)算處理獲得有效、準(zhǔn)確的最終光強(qiáng)參數(shù)結(jié)果，保證測(cè)量到位。

第四，導(dǎo)軌，其主要為承載照度計(jì)儀器的構(gòu)件部分，導(dǎo)軌軌道內(nèi)可以讓照度計(jì)自由滑動(dòng)，在控制被測(cè)航標(biāo)燈與照度計(jì)之間相對(duì)方向保持不變條件下，對(duì)兩者的實(shí)測(cè)距離作出調(diào)節(jié)。

第五，照度計(jì)，即直接對(duì)航標(biāo)燈節(jié)奏光信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，接收到的數(shù)據(jù)結(jié)果還會(huì)進(jìn)一步傳送給計(jì)算機(jī)設(shè)備。

2.4 實(shí)測(cè)流程

首先，對(duì)航標(biāo)燈閃光狀態(tài)下光強(qiáng)實(shí)際測(cè)量的環(huán)境進(jìn)行控制，該項(xiàng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)需要在暗室內(nèi)開(kāi)展，且保證環(huán)境溫度在25℃左右，溫度上下浮動(dòng)偏差不宜超過(guò)2℃，測(cè)量位置的周?chē)荒苓^(guò)于潮濕或存在灰塵，也要排除一切振動(dòng)因素的影響，提高測(cè)量質(zhì)量，電源調(diào)節(jié)電壓值達(dá)到航標(biāo)燈正常運(yùn)轉(zhuǎn)的要求。其次，設(shè)定燈質(zhì)，被測(cè)的航標(biāo)燈相同但燈質(zhì)情況不同時(shí)，其測(cè)量得到的有效光強(qiáng)結(jié)果也存在差異，故此，開(kāi)展測(cè)量試驗(yàn)時(shí)有必要選定較為常見(jiàn)的燈質(zhì)，保證測(cè)量結(jié)果在判斷時(shí)更加客觀并符合真實(shí)情況，比如說(shuō)當(dāng)前國(guó)內(nèi)航道經(jīng)常使用的航標(biāo)燈閃光狀態(tài)燈光節(jié)奏標(biāo)準(zhǔn)為：周期6s（包括明0.5s、暗1s、明0.5s以及暗4s），其中共有2次聯(lián)閃。最后是測(cè)量實(shí)施，測(cè)量前要進(jìn)行被測(cè)燈的預(yù)熱工作，由于LED光源的散熱特性有所不同，實(shí)測(cè)時(shí)的預(yù)熱時(shí)間要依據(jù)具體情況來(lái)控制，通常為15～60min，要保證光強(qiáng)穩(wěn)定后停止預(yù)熱，完成預(yù)熱后在計(jì)算機(jī)中輸入測(cè)量的一系列參數(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)三維工作轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)施控制，先要從水平方向上旋轉(zhuǎn)到指定間隔角度，之后從各個(gè)角度通過(guò)探頭快速采樣收集獲得閃光光強(qiáng)參數(shù)結(jié)果，制作成變化曲線(xiàn)，再通過(guò)上述分析的M A M算法公式計(jì)算每個(gè)角度有效光強(qiáng)的結(jié)果。

3.航標(biāo)燈在閃光狀態(tài)下時(shí)測(cè)量有效光強(qiáng)的技術(shù)要點(diǎn)

3.1 控制旋轉(zhuǎn)的精度

從航標(biāo)燈閃光狀態(tài)下LED光源發(fā)光特點(diǎn)來(lái)看，結(jié)合其有效光強(qiáng)的實(shí)際測(cè)量需求，需要保證三維狀態(tài)旋轉(zhuǎn)精度得到合理控制，該轉(zhuǎn)臺(tái)能夠在水平方向上呈360°旋轉(zhuǎn)，垂直方向最大可旋轉(zhuǎn)90°，計(jì)算機(jī)控制轉(zhuǎn)動(dòng)可勻速進(jìn)行，也要保證轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的步進(jìn)幅度不可超出0.01°，如此便有利于提高光強(qiáng)測(cè)量的準(zhǔn)確度，使測(cè)量結(jié)果更能體現(xiàn)價(jià)值。

3.2 儀器的有效定位

節(jié)奏光光強(qiáng)測(cè)量時(shí)還會(huì)依據(jù)蘭伯特照度定律，為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，需要提高儀器定位水平，因此可結(jié)合公式（5）來(lái)進(jìn)一步計(jì)算。

在上述公式當(dāng)中，I0表示的是測(cè)量的航標(biāo)燈光強(qiáng)結(jié)果，E則為相關(guān)照度計(jì)顯示面上的照度參數(shù)，l則表示實(shí)際測(cè)量時(shí)的儀器距離，θ表示的是照度計(jì)接收端法線(xiàn)和發(fā)出光束間形成的夾角角度。

在上述參數(shù)明確后即能有效定位儀器位置，同時(shí)也可讓被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)燈與照度計(jì)光束接收端位置呈正對(duì)形式，也就是控制θ為0°，在這種情況下可以轉(zhuǎn)換上述公式變成公式（6），為準(zhǔn)確測(cè)量和儀器定位計(jì)算提供更方便的條件。

3.3 合理設(shè)置測(cè)量距離

在蘭伯特照度定律當(dāng)中，通過(guò)照度測(cè)量是以點(diǎn)光源為基準(zhǔn)，但實(shí)際測(cè)量的航標(biāo)燈發(fā)光體不能夠直接看作成點(diǎn)，要考慮體積影響，故此應(yīng)保證測(cè)量距離更大，主要是加長(zhǎng)導(dǎo)軌部分，但也不能讓實(shí)測(cè)距離設(shè)置太遠(yuǎn)，否則相關(guān)照度計(jì)接收端可能無(wú)法獲得充足光線(xiàn)，從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的精度下降[4]。

為了研究出合適的測(cè)量距離，此次選擇了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)款航標(biāo)燈進(jìn)行了不同距離的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)測(cè)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，所研究航標(biāo)燈當(dāng)測(cè)量距離設(shè)置長(zhǎng)度超出7.9m時(shí)，光強(qiáng)變化頗小，都不超過(guò)2%，這也與上述分析的公式（6）要求一致。該研究還能確定測(cè)量距離不可小于航標(biāo)燈發(fā)光面直徑50倍參數(shù)，實(shí)驗(yàn)中主要是以0.5m為測(cè)量距離每段遞增的標(biāo)準(zhǔn)，在各個(gè)距離下的測(cè)量獲得光照度結(jié)果來(lái)看，其計(jì)算獲得的光強(qiáng)值都能夠使公式（6）成立，依據(jù)照度計(jì)顯示要求，還應(yīng)確保測(cè)量距離保持其讀數(shù)不小于0.001lx，這也為上限值。圖2為航標(biāo)燈不同測(cè)量距離下的光強(qiáng)結(jié)果變化。

圖2 航標(biāo)燈不同測(cè)量距離下的光強(qiáng)結(jié)果變化

3.4 把控預(yù)熱時(shí)間

在預(yù)熱時(shí)間控制方面，可以選擇兩個(gè)閃光節(jié)奏分別為亮0.5s暗1.5s和亮0.4s暗1.5秒的航標(biāo)燈來(lái)進(jìn)行研究，其周期皆為2s，每次間隔5min進(jìn)行一次節(jié)奏光光強(qiáng)測(cè)量，總測(cè)量時(shí)間為50min，同時(shí)進(jìn)行預(yù)熱，再對(duì)各時(shí)間段相對(duì)誤差值加以計(jì)算。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的增加，有效光強(qiáng)測(cè)量結(jié)果的誤差也越來(lái)越小，表示航標(biāo)燈節(jié)奏光變化慢慢趨向于穩(wěn)定，但預(yù)熱時(shí)間達(dá)到20min后誤差降低到2%以下，故而可控制把控預(yù)熱時(shí)間為20min。

3.5 采樣的頻率與時(shí)間控制

對(duì)測(cè)量采樣的頻率，選擇了50Hz、100Hz、150Hz、500Hz、3 0 0 H z、5 0 0 H z、1 0 0 0 H z 以及2000Hz等幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的頻率，設(shè)置閃光狀態(tài)周期一致的航標(biāo)燈信號(hào)，結(jié)果顯示，采樣頻率增加過(guò)程中，相關(guān)測(cè)量結(jié)果會(huì)逐漸下降，而500Hz時(shí)誤差降低到1%以下，故而其也為最佳頻率，采樣時(shí)間方面，為保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確，最好控制時(shí)間不小于航標(biāo)燈閃光周期的4倍標(biāo)準(zhǔn)。

4.結(jié)論

綜上所述，對(duì)航標(biāo)燈的閃光信號(hào)光強(qiáng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需要構(gòu)建合理的測(cè)量系統(tǒng)，布置好各項(xiàng)儀器，同時(shí)也要依據(jù)特定公式來(lái)計(jì)算獲得的數(shù)據(jù)。由本文分析可知，航標(biāo)燈在閃光狀態(tài)下時(shí)測(cè)量有效光強(qiáng)的技術(shù)要點(diǎn)包括：控制旋轉(zhuǎn)的精度、儀器的有效定位、合理設(shè)置測(cè)量距離、把控預(yù)熱時(shí)間、采樣的頻率與時(shí)間控制等。