航標燈閃光狀態下的有效光強測量分析

◎ 鄧莎 江西省贛中航道事務中心

航標燈在長時間使用后發光效能可能會降低，因此需要定期開展航標燈節奏光有效光強的測量工作，確保其可以滿足實際使用的需要。本文圍繞著航標燈閃光狀態下有效光強的測量技術手段進行了簡要研究。

1.有效光強測量基本原理

對航標燈閃光信號的有效光強實施測量，先是要構建分布光度計測量系統，再基于國際或國家標準進行單、雙立柱模式的測量。測量時，航標燈旋轉共包含水平軸和垂直軸兩個方向，要依據被測航標燈的功率、性能類型，進一步調節探測器在軸線上的距離，假設垂直軸需要優先旋轉，則測量系統每調節一定水平角度時就要對該角度節奏光進行連續多次測量，獲得對應光信號，之后通過公式來計算，就可得到其有效光強的參數結果[1]。

2.航標燈在閃光狀態下測量有效光強的技術方法

大多數航標燈都是LED形式的光源，這種光源的實際發光效率與溫度因素有著很大關系，且長時間持續維持定光狀態就會造成溫度變高，與閃光時相比溫度高出許多，因此，若處于定光狀態對發光有效光強進行測量，將無法客觀反映出航標燈工作的真實發光強度標準，為了保證其有效光強測量結果的準確性，還需探尋相關測量技術方法，同時要遵循《航標燈光強測控和燈光射程計算》（JT/T730-2008）中的有關規定，確保LED光強測量時較為穩定。

2.1 相關技術指標

測量航標燈LED光源在閃光狀態下的有效光強，主要是搭建由分布光度計、被測標準燈、計算機、導軌、電源、三維轉臺以及角度控制儀器等結構組成的測量系統，其可以通過控制方向變化來測得實際發光強度，再進一步計算有效光強參數。具體技術指標還包括下述幾點：①被測標準燈能夠在系統中繞著水平軸或垂直軸自由轉動，實際轉動角度范圍為0-360°；②控制角度精度標準為0.2°，而傳動角度的分辨率標準則為0.1°；③實際光度測量控制為標準光源下2%的精度，光度測量的光強范圍為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0.1%；⑤被測航標燈與相關配套夾具的尺寸最大允許參數為1160mm（寬度）×1600mm（高度）；⑥測量環境技術要求：控制環境溫度范圍為0-35℃，實測最適宜溫度標準為25±2℃，相對濕度在70%以下，不可出現結露情況，安裝合適的空調設備[2]。

2.2 計算公式

航標燈處于閃光狀態下的LED光源也被稱作節奏光，其進行有效光強計算時可以運用M A M相關公式，其通常采用光強函數結合視覺響應函數實施卷積計算，求出最大參數值，依據公式（1）和公式（2）。

在公式（1）當中，Ie表示的是閃光狀態中航標燈實際有效光強參數，I（t）則表示t時刻節奏光產生的瞬時發光強度參數，q（t）則表示視覺脈沖響應函數。

在公式（2）中，t表示時間，其單位為s（秒），a則表示LED光源視覺時間常數，其中夜間時的藍光顯示時間常數a=0.2s，非藍光顯示時間常數a=0.1s。

除此之外，有效光強在經過重復測試時，可能會由于被測樣品燈具不穩、儀器測試條件存在偏差以及讀數產生誤差等原因造成測試結果的不良波動，這也會引發不確定度分量，如表1所示為某次重復測量8次光強的結果，對其不確定度的評定則采用公式（3）與（4）。

表1 航標燈某次重復測量8次光強的結果

通過公式（3）來計算獲得測試結果的標準差值：

上式中，s（ ）表示的是標準差，Pi表示的第i次測試的光強結果， 表示的是對應殘差值，n為總測試次數。

通過公式（4）來計算獲得標準不確定度值：

上式中，uA表示標準不確定度[3]。

2.3 測量工作的有關布置

被測航標燈在閃光狀態下測量有效光強的工作系統儀器設備基本布置結構如圖1所示。

圖1 測量工作系統中儀器設備的布置圖

此次布置的核心工作儀器包括三維轉臺、被測標準燈（航標燈）、計算機、導軌以及照度計（分布光度計）等，其具體布置要求如下所述。

第一，三維轉臺設備，主要發揮出承載被測標準燈的作用，還要受到計算機儀器的直接控制，基于實際測量需求，還應當控制航標燈在3個不同維度上的方向變化，進而保證不同方向上對航標燈閃光燈光信號情況實現有效測量。

第二，被測標準燈，按照要求選擇規格相符的航標燈固定到三維轉臺上方位置，要保證燈質可靠，可以穩定放出閃光狀態的信號，并能夠良好接受儀器測量。

第三，計算機，屬于測量系統的核心儀器，其最重要的作用是對整個測量過程進行控制，同時也能快速處理獲得的測量參數?；跍y量要求對三維轉臺轉動角度加以調控，使被測標準燈轉到最合適的方向，計算機內置計算的數學模型即為上述提到的公式（1）與（2），計算機與照度計進行連接，接受來自照度計傳送的節奏光測量數據，再進一步計算處理獲得有效、準確的最終光強參數結果，保證測量到位。

第四，導軌，其主要為承載照度計儀器的構件部分，導軌軌道內可以讓照度計自由滑動，在控制被測航標燈與照度計之間相對方向保持不變條件下，對兩者的實測距離作出調節。

第五，照度計，即直接對航標燈節奏光信號進行測量，接收到的數據結果還會進一步傳送給計算機設備。

2.4 實測流程

首先，對航標燈閃光狀態下光強實際測量的環境進行控制，該項測量實驗需要在暗室內開展，且保證環境溫度在25℃左右，溫度上下浮動偏差不宜超過2℃，測量位置的周圍不能過于潮濕或存在灰塵，也要排除一切振動因素的影響，提高測量質量，電源調節電壓值達到航標燈正常運轉的要求。其次，設定燈質，被測的航標燈相同但燈質情況不同時，其測量得到的有效光強結果也存在差異，故此，開展測量試驗時有必要選定較為常見的燈質，保證測量結果在判斷時更加客觀并符合真實情況，比如說當前國內航道經常使用的航標燈閃光狀態燈光節奏標準為：周期6s（包括明0.5s、暗1s、明0.5s以及暗4s），其中共有2次聯閃。最后是測量實施，測量前要進行被測燈的預熱工作，由于LED光源的散熱特性有所不同，實測時的預熱時間要依據具體情況來控制，通常為15～60min，要保證光強穩定后停止預熱，完成預熱后在計算機中輸入測量的一系列參數，通過計算機對三維工作轉臺實施控制，先要從水平方向上旋轉到指定間隔角度，之后從各個角度通過探頭快速采樣收集獲得閃光光強參數結果，制作成變化曲線，再通過上述分析的M A M算法公式計算每個角度有效光強的結果。

3.航標燈在閃光狀態下時測量有效光強的技術要點

3.1 控制旋轉的精度

從航標燈閃光狀態下LED光源發光特點來看，結合其有效光強的實際測量需求，需要保證三維狀態旋轉精度得到合理控制，該轉臺能夠在水平方向上呈360°旋轉，垂直方向最大可旋轉90°，計算機控制轉動可勻速進行，也要保證轉動時的步進幅度不可超出0.01°，如此便有利于提高光強測量的準確度，使測量結果更能體現價值。

3.2 儀器的有效定位

節奏光光強測量時還會依據蘭伯特照度定律，為了保證測量的準確性，需要提高儀器定位水平，因此可結合公式（5）來進一步計算。

在上述公式當中，I0表示的是測量的航標燈光強結果，E則為相關照度計顯示面上的照度參數，l則表示實際測量時的儀器距離，θ表示的是照度計接收端法線和發出光束間形成的夾角角度。

在上述參數明確后即能有效定位儀器位置，同時也可讓被測標準燈與照度計光束接收端位置呈正對形式，也就是控制θ為0°，在這種情況下可以轉換上述公式變成公式（6），為準確測量和儀器定位計算提供更方便的條件。

3.3 合理設置測量距離

在蘭伯特照度定律當中，通過照度測量是以點光源為基準，但實際測量的航標燈發光體不能夠直接看作成點，要考慮體積影響，故此應保證測量距離更大，主要是加長導軌部分，但也不能讓實測距離設置太遠，否則相關照度計接收端可能無法獲得充足光線，從而導致測量結果的精度下降[4]。

為了研究出合適的測量距離，此次選擇了一個標準款航標燈進行了不同距離的測量實驗，通過實測結果可以發現，所研究航標燈當測量距離設置長度超出7.9m時，光強變化頗小，都不超過2%，這也與上述分析的公式（6）要求一致。該研究還能確定測量距離不可小于航標燈發光面直徑50倍參數，實驗中主要是以0.5m為測量距離每段遞增的標準，在各個距離下的測量獲得光照度結果來看，其計算獲得的光強值都能夠使公式（6）成立，依據照度計顯示要求，還應確保測量距離保持其讀數不小于0.001lx，這也為上限值。圖2為航標燈不同測量距離下的光強結果變化。

圖2 航標燈不同測量距離下的光強結果變化

3.4 把控預熱時間

在預熱時間控制方面，可以選擇兩個閃光節奏分別為亮0.5s暗1.5s和亮0.4s暗1.5秒的航標燈來進行研究，其周期皆為2s，每次間隔5min進行一次節奏光光強測量，總測量時間為50min，同時進行預熱，再對各時間段相對誤差值加以計算。計算發現，隨著時間的增加，有效光強測量結果的誤差也越來越小，表示航標燈節奏光變化慢慢趨向于穩定，但預熱時間達到20min后誤差降低到2%以下，故而可控制把控預熱時間為20min。

3.5 采樣的頻率與時間控制

對測量采樣的頻率，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等幾個標準的頻率，設置閃光狀態周期一致的航標燈信號，結果顯示，采樣頻率增加過程中，相關測量結果會逐漸下降，而500Hz時誤差降低到1%以下，故而其也為最佳頻率，采樣時間方面，為保證測量結果的準確，最好控制時間不小于航標燈閃光周期的4倍標準。

4.結論

綜上所述，對航標燈的閃光信號光強進行測量時，需要構建合理的測量系統，布置好各項儀器，同時也要依據特定公式來計算獲得的數據。由本文分析可知，航標燈在閃光狀態下時測量有效光強的技術要點包括：控制旋轉的精度、儀器的有效定位、合理設置測量距離、把控預熱時間、采樣的頻率與時間控制等。