航標(biāo)燈閃光狀態(tài)下的有效光強(qiáng)測量

張臨強(qiáng)（北海航海保障中心煙臺航標(biāo)處，山東 煙臺 264000）

一、航標(biāo)燈閃光狀態(tài)下有效光強(qiáng)測量的必要性

（一）有效光強(qiáng)是航標(biāo)燈的重要技術(shù)指標(biāo)

航標(biāo)燈在夜間發(fā)出固定燈質(zhì)(包括燈光節(jié)奏、周期、顏色)的燈光為船舶航行提供導(dǎo)助航服務(wù)。航標(biāo)燈的燈光射程是由光強(qiáng)決定的，而對于閃爍的燈光，其射程要根據(jù)有效光強(qiáng)計(jì)算。所謂航標(biāo)燈節(jié)奏光的有效光強(qiáng)是指在同樣的環(huán)境和設(shè)備條件下，定光光源和節(jié)奏光光源相比，若兩者的發(fā)光強(qiáng)度相等，則此定光光源的發(fā)光強(qiáng)度即為節(jié)奏光的有效光強(qiáng)。航標(biāo)燈要保證為過往船舶提供可靠的助航服務(wù)，就必須有足夠的有效光強(qiáng)，使燈光達(dá)到應(yīng)有的照射距離。因此，有效光強(qiáng)是航標(biāo)燈最為重要的技術(shù)指標(biāo)之一。

（二）現(xiàn)行檢測方法存在明顯的局限性

我國現(xiàn)行的航標(biāo)燈光強(qiáng)檢測的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是《航標(biāo)燈光強(qiáng)測量和燈光射程計(jì)算》（JT/T 730-2008），該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的檢測方法是在航標(biāo)燈處于連續(xù)發(fā)光的定光狀態(tài)下進(jìn)行測量，通過計(jì)算得到節(jié)奏光的有效光強(qiáng)。由于航標(biāo)燈光源定光發(fā)光和閃光發(fā)光兩種狀態(tài)存在多方面的差異，因此這種通過定光光強(qiáng)計(jì)算得到的有效光強(qiáng)的測量方式存在很大的局限性，難以準(zhǔn)確反映航標(biāo)燈閃光的真實(shí)有效光強(qiáng)。

（三）LED光源檢測的技術(shù)要求

現(xiàn)在，絕大部分航標(biāo)燈的光源都是LED，而LED發(fā)光效率受溫度影響很大，連續(xù)發(fā)光會(huì)造成溫度持續(xù)升高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于閃光時(shí)的溫度。在定光狀態(tài)下測得的發(fā)光強(qiáng)度無法真實(shí)反映閃光狀態(tài)下的發(fā)光強(qiáng)度。

航標(biāo)燈光強(qiáng)檢測實(shí)踐也充分證實(shí)了這一點(diǎn)?！逗綐?biāo)燈光強(qiáng)測量和燈光射程計(jì)算》（JT/T 730-2008）規(guī)定航標(biāo)燈光強(qiáng)檢測前預(yù)熱時(shí)間為15 min，但由于不同航標(biāo)燈的LED光源散熱不同，在實(shí)際檢測中，很多航標(biāo)燈預(yù)熱15 min后光強(qiáng)仍然不穩(wěn)定，有的甚至需要預(yù)熱半小時(shí)以上，嚴(yán)重影響了檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性?？梢?，目前迫切需要在閃光狀態(tài)下對LED光源航標(biāo)燈進(jìn)行光強(qiáng)檢測。

（四）履行IALA建議的需要

根據(jù)IALA于2017年頒布的建議R0204（E200-4）《海上信號燈光有效光強(qiáng)的測定和計(jì)算》第2．0版，航標(biāo)燈節(jié)奏光的有效光強(qiáng)應(yīng)在閃光狀態(tài)下進(jìn)行測量，并按照修正的阿拉德法（Modified Allard Method, MAM）進(jìn)行計(jì)算。

二、航標(biāo)燈閃光狀態(tài)下有效光強(qiáng)的測量方法

（一）計(jì)算公式

航標(biāo)燈節(jié)奏光的有效光強(qiáng)采用MAM進(jìn)行計(jì)算，節(jié)奏光的有效光強(qiáng)Ie為節(jié)奏光光強(qiáng)函數(shù)與視覺響應(yīng)函數(shù)卷積的最大值，其計(jì)算按公式（1）和公式（2）。

式中：

I（t）——閃光在t時(shí)刻的瞬時(shí)發(fā)光強(qiáng)度；

q（t）——視覺脈沖響應(yīng)函數(shù)。

式中：

a——視覺時(shí)間常數(shù)，其中：夜間藍(lán)光a=0．2 s，夜間非藍(lán)光a=0．1 s；

t——時(shí)間，單位為秒（s）。

（二）測量布置

航標(biāo)燈節(jié)奏光有效光強(qiáng)測量儀器設(shè)備布置見圖1。

圖1 儀器設(shè)備布置示意圖

測量儀器設(shè)備主要包括：被測航標(biāo)燈、三維轉(zhuǎn)臺、照度計(jì)、導(dǎo)軌和計(jì)算機(jī)等。

1． 被測航標(biāo)燈：被測航標(biāo)燈固定于三維轉(zhuǎn)臺上，設(shè)置到指定的燈質(zhì)，穩(wěn)定地發(fā)出節(jié)奏光信號，接受測量。

2． 三維轉(zhuǎn)臺：三維轉(zhuǎn)臺承載被測航標(biāo)燈，在計(jì)算機(jī)的控制下，按照測量要求帶動(dòng)被測航標(biāo)燈在三個(gè)維度上改變方向，從而實(shí)現(xiàn)對航標(biāo)燈不同方向上燈光信號的測量。

3． 照度計(jì)：測量所接收到的航標(biāo)燈燈光信號，并將測量結(jié)果傳送到計(jì)算機(jī)。

4． 導(dǎo)軌：用于承載照度計(jì)，照度計(jì)可在其上任意滑動(dòng)，保證照度計(jì)在與被測航標(biāo)燈相對方向不變的前提下調(diào)節(jié)測量距離。

5． 計(jì)算機(jī)：計(jì)算機(jī)的作用一是控制測量過程，二是處理測量數(shù)據(jù)。根據(jù)測量需要控制三維轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動(dòng)，將被測航標(biāo)燈轉(zhuǎn)到所需要的方向；內(nèi)置公式（1）（2）數(shù)學(xué)模型，對來自照度計(jì)的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，從而得到準(zhǔn)確的有效光強(qiáng)結(jié)果。

（三）測量過程

1． 測量環(huán)境：測量在暗室內(nèi)進(jìn)行。測量環(huán)境溫度應(yīng)在20℃±5℃。周圍不得有灰塵、振動(dòng)、潮濕等不良因素。電源電壓應(yīng)滿足航標(biāo)燈正常工作要求。

2． 燈質(zhì)設(shè)定：同一航標(biāo)燈在不同燈質(zhì)下的有效光強(qiáng)不同，因此，應(yīng)指定一種常用燈質(zhì)進(jìn)行測量，以便對測量結(jié)果進(jìn)行比較判斷。例如：可以采用我國航道上常用的：聯(lián)閃2次、周期6 s（即明0．5 s、暗1 s、明0．5 s、暗4 s）的燈光節(jié)奏。

3． 測量：待航標(biāo)燈預(yù)熱工作穩(wěn)定后，將測量相關(guān)參數(shù)設(shè)置于計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制旋轉(zhuǎn)工作臺在水平方向以一定的角度間隔進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，快速采樣探頭采集獲得每個(gè)角度下的閃光光強(qiáng)曲線，通過上述MAM算法計(jì)算各角度對應(yīng)的有效光強(qiáng)值。

三、航標(biāo)燈閃光狀態(tài)下有效光強(qiáng)測量的關(guān)鍵技術(shù)問題

（一）旋轉(zhuǎn)精度

針對航標(biāo)燈發(fā)光特點(diǎn)和測量需要，三維轉(zhuǎn)臺必須能夠進(jìn)行水平360°、垂直90°勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，且轉(zhuǎn)動(dòng)步進(jìn)幅度不能大于0．01°。

（二）儀器定位

光強(qiáng)的測量是基于蘭伯特照度定律。

式中，I0為被測航標(biāo)燈的光強(qiáng)；E為照度計(jì)接收面上的照度；l為測量距離；θ為光束與照度計(jì)接收面法線之間的夾角。

在儀器定位時(shí)，應(yīng)使被測航標(biāo)燈正對照度計(jì)光束接收面，即θ=0°，這樣，公式（3）即變?yōu)楣剑?），便于準(zhǔn)確測量。

（三）測量距離

蘭伯特照度定律是基于點(diǎn)光源的，而實(shí)際航標(biāo)燈發(fā)光體是有一定體積的，因此測量距離應(yīng)足夠大，導(dǎo)軌足夠長。而測量距離又不能太遠(yuǎn)，否則照度計(jì)得不到充分的測量光線，致使測量精度降低。

圖2顯示的是對一款航標(biāo)燈測量距離研究的結(jié)果，該航標(biāo)燈，在測量距離超過7．9 m的時(shí)候，光強(qiáng)變化低于2‰，公式（4）成立。根據(jù)研究，測量距離一般不能低于航標(biāo)燈發(fā)光面直徑的50倍，測量中可以將測量距離以0．5 m的距離遞增，測量各距離下的光照度，計(jì)算對應(yīng)的光強(qiáng)值，直至公式（4）成立。測量距離的上限是保證照度計(jì)讀數(shù)不得低于0．001 lx。

圖2 航標(biāo)燈測量距離研究結(jié)果

（四）預(yù)熱時(shí)間

選擇周期同為2 s，閃光節(jié)奏分別為亮0．4 s暗1．6 s和亮0．5 s暗1．5 s的兩種燈質(zhì)進(jìn)行穩(wěn)定時(shí)間的研究，點(diǎn)亮待測航標(biāo)燈，每5 min測量一次航標(biāo)燈的有效光強(qiáng)，總共監(jiān)測50 min，計(jì)算各時(shí)間點(diǎn)的相對誤差見圖3。

圖3 航標(biāo)燈預(yù)熱時(shí)間研究結(jié)果

隨著穩(wěn)定時(shí)間的增加，有效光強(qiáng)相對誤差逐漸降低，預(yù)熱20 min后，有效光強(qiáng)相對誤差降至2‰以下。因此，航標(biāo)燈預(yù)熱時(shí)間確定為20 min為宜。

（五）采樣頻率

MAM算法的核心是測量閃光瞬時(shí)光強(qiáng)曲線，采集光信號的采樣頻率無疑直接影響了測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖4、圖5顯示的是不同采樣頻率下測得有效光強(qiáng)的誤差情況。采樣頻率分別為50 Hz、100 Hz、150 Hz、200 Hz、300 Hz、500 Hz、1 000 Hz和20 000 Hz。圖4研究的是閃光周期相同而閃光明的持續(xù)時(shí)間不同的燈光信號，圖5研究的是閃光明的持續(xù)時(shí)間相同而閃光周期不同的燈光信號。兩組研究得出的共同結(jié)論是，隨著采樣頻率的增大，相對誤差逐漸降低，當(dāng)采樣頻率大于500 Hz后，有效光強(qiáng)的相對誤差降到1%以下。

圖4 不同明持續(xù)時(shí)間信號的采樣頻率研究結(jié)果

圖5 不同周期信號的采樣頻率研究結(jié)果

因此，采樣頻率確定為1 000 Hz比較合適。

（六）采樣時(shí)間

MAM算法的理念為測量閃光在無限長的采樣時(shí)間下的光強(qiáng)值，故測量采樣時(shí)間越長，越接近理論值。但在實(shí)際測量中，對同一測量點(diǎn)采樣的時(shí)間必然是有限的。

圖6顯示的是對周期為1．5 s（亮0．2 s，暗1．3 s）的燈光信號，在1T，2T，3T，4T，5T采樣時(shí)間下分別測得有效光強(qiáng)的變化情況。從圖中可以看出，為保證測量的準(zhǔn)確性，采樣時(shí)間應(yīng)至少為閃光周期的4倍。

圖6 采樣時(shí)間研究結(jié)果

四、結(jié)語

根據(jù)航標(biāo)燈檢測的實(shí)際需要，借鑒IALA建議的辦法，采用MAM方法進(jìn)行計(jì)算，解決了測量中的關(guān)鍵技術(shù)難題，對航標(biāo)燈實(shí)現(xiàn)了在正常閃光的狀態(tài)下測量其有效光強(qiáng)，能夠更加真實(shí)準(zhǔn)確地反映航標(biāo)燈的實(shí)際發(fā)光能力。這一方法的實(shí)施，將進(jìn)一步提升我國航標(biāo)燈節(jié)奏光信號有效光強(qiáng)的測量水平，促進(jìn)航標(biāo)技術(shù)管理水平提升，從而進(jìn)一步提高航標(biāo)燈的效能，為國家藍(lán)色經(jīng)濟(jì)建設(shè)更好地保駕護(hù)航。