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、主要技術方案，并提出了本次燈器升級改造的主要技術創(chuàng)新點，最后對大型航標燈器升級改造提出展望。

關鍵詞：京杭運河;大型航標燈;燈器;LED航標;升級改造

中圖分類號：U697.2

文獻標識碼：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，設置在揚州施橋鎮(zhèn)境內(nèi)，長江與蘇北運河交匯處航道右岸，標型為示位標，用于標示從長江進入蘇北運河的航道入口，該標志始建于1986年，塔高15m，隨著沿江碼頭及城市開發(fā)建設，背景燈光錯綜復雜，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，擔負著我省大宗物資中轉(zhuǎn)集散及北煤南運的戰(zhàn)略任務。隨著國家京杭運河（徐揚段）續(xù)建二期工程的結束，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)境復雜，日顯重要。

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

航標燈光源采用普通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

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

（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)航標燈各大模塊光強度，遠程手調(diào)則為適應四季更替在系統(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 主要技術方案

結合改造目標，主要從LED光源選型、費涅爾透鏡設計、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計。

3.1 LED光源的選型

為了滿足航標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，航標燈總功率為810W;當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，技術方案在每組LED光源前增設一套費涅爾透鏡（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，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，滿足設計要求。

3.4 水平配光均勻度

對航標燈而言，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，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，為提高航標燈光通量，滿足視覺射程需要，航標燈中需要將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指標影響，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)《航標燈通用技術條件》，航標燈的水平配光均勻度不小于85%。對航標燈器升級改造時，我們在每組透鏡的反面設計了多個棱鏡，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，氣象光學視距MOR與消光系數(shù)σ之間存在函數(shù)關系。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系根據(jù)現(xiàn)場的實際經(jīng)驗設置與調(diào)節(jié)（表1）。

4 技術創(chuàng)新點

4.1 高亮度大功率LED管的應用

原先燈器光源采用的是普通LED管，為實現(xiàn)設計視距及光強，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)相關研究成果，數(shù)量眾多LED管的選用，受各批次LED燈光學指標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 大型航標燈光源及透鏡組合方案

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

六圩燈塔弧形LED航標燈采用多粒大功率LED管通過串、并聯(lián)的方式設計成單個弧形航標光源，每個弧形航標光源對應獨立組合透鏡，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號航標如此規(guī)格大型航標燈器上并無經(jīng)驗可借鑒，其成功實踐對未來實現(xiàn)航標燈器大型化提供了較好的技術方案。

4.3 光源散熱

每組航標燈的組合透鏡中采用了60粒大功率LED管，最大功率為180W，當功率達到最大時，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熱酯;同時在控制箱上安裝了透風孔，保證控制箱內(nèi)空氣流通。

5 未來展望

航標燈光源通過多年發(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，隨著光源技術的發(fā)展，LED功率將進一步增大，這有助于減少大型航標燈器的LED管數(shù)量，提高航標燈器的穩(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系統(tǒng)設計原理，采取可視化軟件對設計光源進行性能仿真分析可以對設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，大功率航標燈的光衰及壽命受環(huán)境溫度影響很大，據(jù)相關研究，當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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