六圩燈塔燈器升級改造研究

徐建昌

摘要：針對京杭運河蘇北段六圩口與長江交匯處1號航標(biāo)燈器存在的透鏡老化、LED燈發(fā)光效率衰減及視距降低等問題，分析了燈器升級改造的必要性，介紹了燈器升級改造的目標(biāo)、主要技術(shù)方案，并提出了本次燈器升級改造的主要技術(shù)創(chuàng)新點，最后對大型航標(biāo)燈器升級改造提出展望。

關(guān)鍵詞：京杭運河;大型航標(biāo)燈;燈器;LED航標(biāo);升級改造

中圖分類號：U697.2

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-7973（ 2020） 06-0064-03

六圩燈塔為京杭運河蘇北段1號航標(biāo)，設(shè)置在揚州施橋鎮(zhèn)境內(nèi)，長江與蘇北運河交匯處航道右岸，標(biāo)型為示位標(biāo)，用于標(biāo)示從長江進入蘇北運河的航道入口，該標(biāo)志始建于1986年，塔高15m，隨著沿江碼頭及城市開發(fā)建設(shè)，背景燈光錯綜復(fù)雜，原有燈塔的顯形視距及燈光射程不能很好的發(fā)揮助航功能，較多航運單位反映燈塔助航功能弱化，視線混淆。

京杭運河是貫穿江蘇南北水運的主通道，擔(dān)負著我省大宗物資中轉(zhuǎn)集散及北煤南運的戰(zhàn)略任務(wù)。隨著國家京杭運河（徐揚段）續(xù)建二期工程的結(jié)束，蘇北運河運能得到高度釋放，年貨運量增幅均在lOqo以上，而溝通京杭運河與長江干線的六圩河口因其地理位置突出，通航環(huán)境復(fù)雜，日顯重要。

為進一步改善通航條件，充分發(fā)揮1號航標(biāo)的助航功能，2006年蘇北航務(wù)管理處對1號航標(biāo)實施了重建，工程于2007年底竣工，重建后的燈塔采用倒圓臺式整體鋼結(jié)構(gòu)，塔總高66.9m，被稱為“全國內(nèi)河航標(biāo)第一燈塔”。發(fā)光層高度為46.1m，專門為其設(shè)計的6.5m直徑的可調(diào)射程的LED面光源弧形航標(biāo)燈為國內(nèi)首創(chuàng)，技術(shù)領(lǐng)先，外形尺寸世界之最（見圖1）。

航標(biāo)燈光源采用普通LED管，燈質(zhì)采用紅色莫爾斯“H”，4閃紅光，周期8秒，燈塔的日間視距可達10km以上，燈光有效射程大于10km。工程投入使用以來，助航效果明顯，工程水域通航條件得到明顯改善，船員反應(yīng)良好。

1 改造背景

截至2019年底，六圩燈塔燈器已連續(xù)工作12年，燈器透鏡老化、LED光源發(fā)光效率衰減，視距降低，燈器需要更換。

為有效改善京杭運河六圩河口的通航環(huán)境，及早向進出京杭運河的船舶特別是夜航船舶提供準(zhǔn)確、規(guī)范、清晰的航向指引，從而為船舶變道、選擇航路等提供更充分的準(zhǔn)備時間，對六圩燈塔燈器進行升級改造就顯得迫在眉睫。

2 升級改造目標(biāo)

根據(jù)建設(shè)需求及1號航標(biāo)多年使用經(jīng)驗，對燈器升級提出如下主要改造技術(shù)目標(biāo)：

（1）燈器發(fā)光時，距燈塔150米處無燈光盲區(qū);光源整體同步發(fā)光時，產(chǎn)生光的疊加效應(yīng)在距燈塔150米之外視覺為整體光束。

（2）燈光強度控制方法為智能和遠程手調(diào)并存。其中，智能控制為根據(jù)能見度的突然變化自動調(diào)節(jié)航標(biāo)燈各大模塊光強度，遠程手調(diào)則為適應(yīng)四季更替在系統(tǒng)平臺調(diào)節(jié)燈器正常發(fā)光強度范圍。

（3）光線從水平270°范圍射出，保證光強均勻、無死角，且水平配光均勻度不小于85%，燈光射程達10km以上;燈光顏色鮮艷，使用壽命可達10年以上。

（4）采用組合式費涅爾透鏡及多棱鏡。

3 主要技術(shù)方案

結(jié)合改造目標(biāo)，主要從LED光源選型、費涅爾透鏡設(shè)計、燈光發(fā)射角、水平配光均勻度、能見度傳感器等方面對六圩燈塔燈器進行方案設(shè)計。

3.1 LED光源的選型

為了滿足航標(biāo)燈顏色要求及保證燈光的顏色鮮明，采用壽命較長、耗電量小的LED光源。目前，常見LED光源有高亮度的普通LED管及高亮度大功率LED管兩種光源。

高亮度的普通LED管是原“六圩燈塔弧形LED航標(biāo)燈”所用的光源，采用了6480粒LED管及平面透鏡組合而成，由于普通LED管功率小，僅能在能見度較好的夜晚滿足10km燈光視距的要求，雨雪天氣及能見度不良時，燈光射程還將進一步降低。

高亮度大功率LED管是本次升級改造中采用的光源，其參數(shù)指標(biāo)為2.1V/1500mA;功率為3w，發(fā)散角較大。在天氣正常狀態(tài)下，每粒LED發(fā)光管的功率調(diào)整為0.5W，航標(biāo)燈總功率為810W;當(dāng)檢測到能見度降低時，可以控制每粒LED發(fā)光管達到最大功率3W，整燈功率達到4860W。航標(biāo)燈的功率可根據(jù)需求多級調(diào)節(jié)。

3.2 費涅爾透鏡的設(shè)計

盡管采用了高亮度大功率LED管，但每一粒LED管的光強仍較弱，為了保證光線在一定范圍內(nèi)直射出去，必須增大發(fā)光效果，為此，技術(shù)方案在每組LED光源前增設(shè)一套費涅爾透鏡（見圖2）。

3.3 發(fā)射角的研究

LED光源放置在距地面46.1米高，中7.5m的燈籠層中工作，在保證視距盡量遠的情況，還應(yīng)保證距燈塔150米處無燈光盲區(qū)，這就需要對發(fā)散角進行技術(shù)研究。

發(fā)散角的大小主要與發(fā)光體的高度、寬度和透鏡的焦距有關(guān)，可按以下公式進行計算：

B= 57.3×H/F

式中：β一一垂直發(fā)散角（°），F(xiàn)——焦距（毫米），H——發(fā)光體高度（毫米）。

從公式可知，“H”為LED光源的直徑，一般為中5毫米，改變發(fā)散角大小只需改變光源焦距的大小。將垂直方向的部分光源，按較大發(fā)散角考慮，一般取β= 10°-12°，而另一部分光源按較小的發(fā)散角考慮，一般取B≈6°～8°。較大的發(fā)散角保證燈光在燈塔近距離無盲區(qū)，較小的發(fā)散角保證燈光有較大的視距。

根據(jù)計算，升級改造后，盲點距離燈塔約為9.8m，盲點距小于150m，滿足設(shè)計要求。

3.4 水平配光均勻度

對航標(biāo)燈而言，主要的觀察方向在水平方向上，因此通常要求光強最大值位于V=0°的區(qū)域，要達到較遠的射程，要求中心光強足夠大，相應(yīng)的光束角不宜過大，否則過多的擴散光不僅大大降低了光通利用率，而且容易造成不必要的光污染。針對1號航標(biāo)，要求在270°范圍內(nèi)光分布均勻，避免某些方向過于暗淡而不易被察覺。

單顆LED功率較小，為提高航標(biāo)燈光通量，滿足視覺射程需要，航標(biāo)燈中需要將LED燈珠均勻排布在一定形狀的電路板上，形成陣列式排布狀態(tài)。受安裝工藝及透鏡技術(shù)指標(biāo)影響，LED燈珠的細微裝配及光強偏差在經(jīng)過透鏡作用后，可能會對配光均勻度帶來較大影響。

根據(jù)《航標(biāo)燈通用技術(shù)條件》，航標(biāo)燈的水平配光均勻度不小于85%。對航標(biāo)燈器升級改造時，我們在每組透鏡的反面設(shè)計了多個棱鏡，棱鏡高2mm，內(nèi)夾角34.72°;外夾角34.78°，圓角為0.65mm。在保證光線經(jīng)透鏡放大后成平行光線射出，保證視距達到設(shè)計要求，且多棱鏡通過光線折射保證水平配光均勻度不小于85%。

3.5 能見度傳感器

能見度儀的工作原理主要是依據(jù)對大氣消光系數(shù)的精確測量。根據(jù)Koschmider原理，氣象光學(xué)視距MOR與消光系數(shù)σ之間存在函數(shù)關(guān)系。只要精確測定σ，就可計算得到MOR值。本次燈器升級改造能見度儀采用前向散射法測大氣消光系數(shù)，通過公式換算得出能見度，其特點是白天夜晚都能工作、使用靈活方便。

本航標(biāo)燈器的光強調(diào)節(jié)根據(jù)能見度儀測量出的可視距離自動調(diào)節(jié)燈光強度。其中可視距離與燈光強度的關(guān)系根據(jù)現(xiàn)場的實際經(jīng)驗設(shè)置與調(diào)節(jié)（表1）。

4 技術(shù)創(chuàng)新點

4.1 高亮度大功率LED管的應(yīng)用

原先燈器光源采用的是普通LED管，為實現(xiàn)設(shè)計視距及光強，共采用了6480粒LED管及配套平面透鏡。此次燈器升級改造選擇高亮度大功率LED管，單粒LED管功率達到3w，大功率LED管的選用極大了減少了LED管的數(shù)量，燈器升級改造共使用了1620粒高亮度大功率LED管，數(shù)量上減少了75 %。

根據(jù)相關(guān)研究成果，數(shù)量眾多LED管的選用，受各批次LED燈光學(xué)指標(biāo)及裝配工藝差異影響，燈珠越多，差異越大，減少LED管數(shù)量有助于提供燈器整體可靠性。大功率LED管的成功實踐為以后采用更大功率LED管提供了經(jīng)驗。

4.2 大型航標(biāo)燈光源及透鏡組合方案

相比于小型航標(biāo)燈，大型航標(biāo)燈對燈器色度、光強、壽命等設(shè)計、制造及安裝均提出了更高的要求。

六圩燈塔弧形LED航標(biāo)燈采用多粒大功率LED管通過串、并聯(lián)的方式設(shè)計成單個弧形航標(biāo)光源，每個弧形航標(biāo)光源對應(yīng)獨立組合透鏡，實現(xiàn)光效均勻倍增的效果，然后由十個組合透鏡模塊匯成一個光帶，光帶高度從原先的1m高升級為1.5m，再將27個光帶組成一個270°弧形發(fā)光體，優(yōu)化后的燈器燈光穿透率高，射程更遠，燈光最大射程不小于25km，燈光柔和不刺眼，與背景燈光有明顯區(qū)別，采用光源陣列、透鏡組合方案在1號航標(biāo)如此規(guī)格大型航標(biāo)燈器上并無經(jīng)驗可借鑒，其成功實踐對未來實現(xiàn)航標(biāo)燈器大型化提供了較好的技術(shù)方案。

4.3 光源散熱

每組航標(biāo)燈的組合透鏡中采用了60粒大功率LED管，最大功率為180W，當(dāng)功率達到最大時，如不及時散熱，會影響光源及電子元件的正常發(fā)光，本設(shè)計在光源的鋁板前增加了一塊長1148mm、寬507mm、厚2mm鋁板散熱，光源鋁板與散熱鋁板之間涂導(dǎo)熱酯;同時在控制箱上安裝了透風(fēng)孔，保證控制箱內(nèi)空氣流通。

5 未來展望

航標(biāo)燈光源通過多年發(fā)展，已經(jīng)從白熾燈泡過渡到LED光源，但數(shù)量眾多的LED管陣列可能會使未來燈器局部光衰，對光源均勻性維護等方面帶來不利影響，隨著光源技術(shù)的發(fā)展，LED功率將進一步增大，這有助于減少大型航標(biāo)燈器的LED管數(shù)量，提高航標(biāo)燈器的穩(wěn)定性。

本項目依靠經(jīng)驗及現(xiàn)場觀察試驗等方法確定航標(biāo)燈水平光強均勻度，其觀測效果受試驗者主管因素影響較大，具有一定的局限性;未來根據(jù)形成光強角分布的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計原理，采取可視化軟件對設(shè)計光源進行性能仿真分析可以對設(shè)計方案進行更好的過程控制和優(yōu)化，有助于降低試驗成本，比選最優(yōu)方案。

一般情況下，大功率航標(biāo)燈的光衰及壽命受環(huán)境溫度影響很大，據(jù)相關(guān)研究，當(dāng)LED芯片溫度達到83°左右，燈器壽命將大幅衰減，進一步在光源散熱方面采取更先進的主動、被動降溫措施及工藝有助于大幅延長光源壽命，增加燈器在全壽命周期內(nèi)的價值。

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