燈驅(qū)分離式全防護(hù)遠(yuǎn)射程航標(biāo)燈器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

◎ 林登山 汕頭航標(biāo)處

燈驅(qū)分離式全防護(hù)遠(yuǎn)射程航標(biāo)燈器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

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本文介紹一種新型燈驅(qū)分離式全防護(hù)遠(yuǎn)程航標(biāo)燈器的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用。采用大功率LED為光源，單點(diǎn)菲涅爾透鏡處理、自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)功率驅(qū)動(dòng)、以及光源和電子控制驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)分離，提高了燈器射程，并極大的方便了信息化管理和日常維護(hù)。

大功率LED 單點(diǎn)菲涅爾透鏡 燈驅(qū)分離 設(shè)計(jì) 應(yīng)用

1.前言

目前國(guó)內(nèi)燈塔使用的燈器基本上采用傳統(tǒng)光源，如高壓鈉燈或金鹵燈，加整體式菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)形式，由于受光源和光學(xué)鏡頭的限制，一般都安裝在具有環(huán)境防護(hù)的燈塔建筑內(nèi)。不能在野外惡劣環(huán)境下單獨(dú)安裝。且產(chǎn)品均為國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品，因?yàn)閺S商限制，通訊接口不統(tǒng)一不公開(kāi)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制管理困難，同時(shí)在維護(hù)方面也很難及時(shí)到位。

為了解決現(xiàn)有燈塔燈器的性能缺陷，本方案采用大功率LED為發(fā)光光源，用單點(diǎn)LED菲涅爾透鏡進(jìn)行光學(xué)準(zhǔn)直，通過(guò)多點(diǎn)光源組合提高燈器光源效率和射程；同時(shí)用燈驅(qū)分離式結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)整體密封式結(jié)構(gòu)，一是增強(qiáng)燈器防風(fēng)、防潮、以及抗霧化性能，二是把光源和電子驅(qū)動(dòng)、遙測(cè)遙控單元分離，給現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、安裝和維護(hù)帶來(lái)極大的便利。三是通過(guò)實(shí)際應(yīng)用提出推廣建議

2.燈驅(qū)分離式航標(biāo)燈技術(shù)方案

2.1系統(tǒng)方案

航標(biāo)燈工作原理框圖如圖1所示。

2.2光源選擇

單顆功率1W以上的LED稱為大功率LED。大功率LED具有出光效率高的優(yōu)點(diǎn)。在相同的功率條件下，采用大功率LED為光源，只需少數(shù)幾顆LED，其綜合光強(qiáng)大于上百顆小功率LED的光強(qiáng)。

新型燈驅(qū)分離式燈器光源采用單顆1W大功率LED為發(fā)光光源。

2.3光學(xué)處理：

2.3.1光學(xué)透鏡

大功率LED為半球面點(diǎn)光源，在未進(jìn)行光學(xué)處理的情況下，LED的發(fā)光為半球面發(fā)光。新型燈器的LED光源采用基于“半球面點(diǎn)光源水平360°準(zhǔn)直聚焦”專(zhuān)利技術(shù)的單點(diǎn)菲涅爾透鏡進(jìn)行二次光學(xué)處理，透鏡準(zhǔn)直聚焦角度為垂直±4°，水平±23°，且在結(jié)構(gòu)上透鏡和LED緊密配合，保證了LED所有出光都經(jīng)過(guò)透鏡匯聚，減少了光線散射，出光效率大于90%。

根據(jù)LED的電壓和電流特性，并結(jié)合航標(biāo)燈的整體結(jié)構(gòu)，單點(diǎn)菲涅爾透鏡可以進(jìn)行任意組合形成鏡頭模組。本燈器采用三聯(lián)單點(diǎn)菲涅菲爾鏡頭模組，透鏡模組結(jié)構(gòu)為全防水結(jié)構(gòu)。

2.3.2整燈光學(xué)設(shè)計(jì)

因?yàn)槊款w透鏡的水平角度為46°，為保證燈器水平360°均勻發(fā)光，整燈光學(xué)面為等邊八角形分布。經(jīng)模擬計(jì)算，整燈水平360°發(fā)光均勻度在30米處超過(guò)85%，當(dāng)每面安裝36顆1W，單顆130lm的LED時(shí)，水平任意方向發(fā)光強(qiáng)度定光大于70000cd。

2.4燈光射程：

本燈器光源采用八等邊形分布。根據(jù)大功率LED的光通量和燈器的射程要求，其最大設(shè)計(jì)射程為18海里，光源視線方向的有效光強(qiáng)要求為49000cd。因此，該燈器選用單顆光通量為130lm的白色LED，在燈器圓周八邊每邊安裝12條3聯(lián)鏡頭模組，4層安裝，保證水平任意可視方向的最大定光光強(qiáng)超過(guò)70000cd。這樣在閃光時(shí)間為0.5s，大氣透射系數(shù)T=0.74的條件下，有效光強(qiáng)超過(guò)50000cd,保證燈光射程超過(guò)18海里。

新型燈器光源為4層排列結(jié)構(gòu)，每?jī)蓪咏M成一個(gè)發(fā)光單元可以單獨(dú)使用。一個(gè)發(fā)光單元的射程超過(guò)15海里。根據(jù)透鏡特點(diǎn)和燈器的結(jié)構(gòu)，可以按照射程要求計(jì)算出點(diǎn)陣光源的大小。2.5工作功率

燈器所用能源為太陽(yáng)能和蓄電池。

新型燈器定光工作功率為360W（含電子控制和遙測(cè)遙控單元）。和泰蘭NOVA-250-3型功耗相同。閃光燈器的能耗方式有別于旋轉(zhuǎn)燈器，能耗的大小與燈質(zhì)閃爍周期有關(guān)。在燈質(zhì)為閃（2）6秒的條件下，整燈平均功率為60W。和旋轉(zhuǎn)燈器（如TRB300）功耗相同。

航標(biāo)燈工作原理框圖

如果燈光射程要求在15海里，只需要一個(gè)發(fā)光單元工作，即上兩層或下兩層光源發(fā)光。一個(gè)發(fā)光單元定光的最大工作功率為136W，有效光強(qiáng)超過(guò)18000cd。

新型燈器還可以根據(jù)使用環(huán)境設(shè)置360°、270°、以及180°發(fā)光。

2.6閃光電流與蓄電池

新型燈器在最大工作功率下，放電峰值電流（閃光瞬間）為30A。對(duì)于現(xiàn)有航標(biāo)蓄電池配備，屬于正常工作放電范圍，不會(huì)對(duì)電池造成任何損傷。

2.7LED驅(qū)動(dòng)、燈質(zhì)和亮度控制器、以及遙控遙測(cè)接口

新型燈器在光源電子驅(qū)動(dòng)部分采用了功率自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，使光源工作在最佳電壓和電流，最大限度的提高光源的發(fā)光效率。

LED燈質(zhì)和亮度控制器由ATmega88單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。ATmega88是基于AVR增強(qiáng)型RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)，ATmega88的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/ MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。

燈質(zhì)和亮度控制器可實(shí)現(xiàn)IALA規(guī)定的256種燈質(zhì)的設(shè)定，并可以實(shí)現(xiàn)17級(jí)燈器亮度的調(diào)節(jié)控制?？刂破黝A(yù)留有RS232接口，接口符合廣東海事局航標(biāo)導(dǎo)航處制定的《燈器與遙測(cè)遙控終端的接口標(biāo)準(zhǔn)》。可以和遙測(cè)遙控終端連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)航標(biāo)標(biāo)燈器的燈質(zhì)狀態(tài)、工作電流電壓參數(shù)、以及燈器亮度等的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、調(diào)整控制、以及故障報(bào)警。也可以與GPS同步時(shí)鐘連接實(shí)現(xiàn)燈質(zhì)同步。

2.8結(jié)構(gòu)

新型燈器的結(jié)構(gòu)采用燈驅(qū)分離式設(shè)計(jì)，即燈體和電子驅(qū)動(dòng)部分為防水電纜分離式連接。電子部分集成在一個(gè)不銹鋼防水盒里，光源固定在燈座上。電子部分的防水盒和燈座通過(guò)緊固螺絲固定，通過(guò)防水電纜接頭進(jìn)行兩者之間的電氣連接。

新型燈器的光源采用散熱片和燈座二次散熱方式，確保LED光源的工作溫度低于60°C，保證光源的衰減小于1%（每年）。

新型燈器為全防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，防護(hù)等級(jí)大于IP66，可以適合各種野外環(huán)境安裝，無(wú)需類(lèi)似燈籠等建（構(gòu)）筑物，大大的降低了安裝運(yùn)營(yíng)成本。

2.9新型燈器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

①把所有電子部件集成在電子防水盒里，在使用遙測(cè)遙控功能時(shí)，只需打開(kāi)電子防水盒蓋子即可安裝短信卡。極大的方便了燈器在使用前的設(shè)置和測(cè)試。同時(shí)在設(shè)置和測(cè)試時(shí)，可以連接備用測(cè)試光源，無(wú)需連接整燈。

②在燈器安裝時(shí)，電子防水盒和光源燈座可以分別攜帶和安裝。減輕了安裝過(guò)程的負(fù)重。

③方便了日常維護(hù)。

④新型燈器在能源供給方面可以配置交直流轉(zhuǎn)換器，在有市電的地方更方便能源供應(yīng)。

3.實(shí)驗(yàn)及測(cè)試數(shù)據(jù)

3.1燈光射程測(cè)試

測(cè)試方法：按照J(rèn)T/T 738-2008“燈光光強(qiáng)測(cè)試和燈光射程計(jì)算”中所規(guī)定的測(cè)試方法測(cè)試。

測(cè)試設(shè)備：照度計(jì)、米尺

測(cè)試電壓：12V

測(cè)試燈質(zhì)：定光

測(cè)試燈色：白色

3.2燈光均勻度測(cè)試

測(cè)試方法：

①按照J(rèn)T/T 738-2008“燈光光強(qiáng)測(cè)試和燈光射程計(jì)算”中所規(guī)定的測(cè)試方法測(cè)試。

②首先正對(duì)燈條測(cè)試，然后將燈器原地轉(zhuǎn)動(dòng)23°，測(cè)試兩燈條之間的發(fā)射光強(qiáng)。

測(cè)試設(shè)備：照度計(jì)、米尺。

測(cè)試燈色：白色

3.3防水試驗(yàn)

測(cè)試方法：按照IP66規(guī)定測(cè)試

在燈器工作狀態(tài)下用高壓水槍對(duì)燈器進(jìn)行噴水5分鐘，燈器工作一切正常。3.4實(shí)際應(yīng)用情況

本燈器目前安裝在甲子燈塔上試運(yùn)行。

①甲子到田尾角的直線距離約有16海里以上，晚上從田尾角山頂上朝甲子燈塔方向觀察，可明顯觀測(cè)到甲子燈塔的燈光（閃光）。

②利用船舶進(jìn)行燈光拉距測(cè)試。二〇一三年七月二十八日，利用作業(yè)船舶對(duì)該燈器進(jìn)行燈光拉距測(cè)試。從當(dāng)天晚上七點(diǎn)四十分開(kāi)始進(jìn)行觀測(cè)，測(cè)試的結(jié)果令人滿意。燈光的最遠(yuǎn)射程達(dá)到二十海里。觀測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度為：22°54′564N，116°28′851E

③利用“航標(biāo)遙測(cè)遙控終端”進(jìn)行測(cè)試，滿足了“廣東海事局航標(biāo)導(dǎo)航處制定的《燈器與遙測(cè)遙控終端的接口標(biāo)準(zhǔn)》”的要求。

4.結(jié)論

新型燈驅(qū)分離式航標(biāo)燈器采用新穎的獨(dú)特設(shè)計(jì)。經(jīng)試驗(yàn)證明，與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品相比，具有以下特點(diǎn)：

①采用大功率LED光源提高整燈單位發(fā)光光強(qiáng)；

②單點(diǎn)菲涅爾透鏡光學(xué)處理，可根據(jù)實(shí)際情況增減發(fā)光點(diǎn)陣，滿足射程要求；

③全防水密封透鏡結(jié)構(gòu)避免燈器霧化和透鏡老化；

④根據(jù)射程要求可改變燈器亮度保持燈器工作在最佳節(jié)能狀態(tài)；

⑤根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求可對(duì)燈器水平發(fā)光范圍進(jìn)行設(shè)置，達(dá)到節(jié)能效果；

⑥燈驅(qū)分離方便信息化管理和日常維護(hù)；

⑦燈器防護(hù)等級(jí)滿足野外惡劣環(huán)境簡(jiǎn)易安裝，節(jié)約燈器保護(hù)的建筑成本；

⑧燈質(zhì)GPS同步；

⑨連接遙測(cè)遙控終端實(shí)現(xiàn)燈器遠(yuǎn)程管理。

結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，該燈器可以在海區(qū)推廣使用。