道路照明的色度學參數測量方法

劉勛智

（瀘州市路燈管理處，四川 瀘州 646000）

0 引言

道路照明的目的是為行人和車輛駕駛提供良好的視覺環境，照明質量與交通運行、安全以及環境美化息息相關。道路照明質量的評價指標主要有照度、照度均勻性、亮度、亮度均勻性等。隨著社會的發展，人們對日常生活、工作、出行的要求更高。就道路照明而言，人們更希望有良好的顯色指數和色溫指數等色度學參數，使日常出行更加安全、舒適、快捷。文章結合國家有關標準，介紹了以道路照明的顯色指數、色溫指數等色度學參數進行現場測量的方法，探究道路照明中距路燈光源不同位置的顯色指數與色溫的差異性，并介紹了一種新的自動檢測道路路燈色度學參數的方案，為道路照明的色度學參數測量提出了全新的檢測方案，使道路照明的色度學參數現場測量更便捷、安全。

1 光譜儀的介紹

1.1 光譜儀的構造

光譜儀用于測定輻射源的光譜分布，能同時建立目標或背景的光強度、光譜特性，也稱為光譜輻射計或光譜分析儀，是對道路照明的顯色指數、色溫指數等色度學參數進行現場檢測的主要儀器。該儀器是以光電倍增管等光探測器測量譜線不同波長位置光強度的裝置。其構造由一個入射狹縫，一個色散系統，一個成像系統和一個或多個出射狹縫組成。以色散元件將輻射源的電磁輻射分離出所需要的波長或波長區域，并在選定的波長上進行光強度測定。

圖1 為光柵光譜儀的簡單結構。光源發出的光通過狹縫后，近似于點光源發射出光線，由準直面鏡將光線變成平行光，再由平面光柵將各波長的光線分開，光線經過光柵色散后由聚焦面鏡將同一波長的光聚集在一起，由線型CCD 等檢測器件收集信號并進行后期電路分析計算，從而得到光源的光譜信息。

圖1 光柵光譜儀器結構

1.2 光譜儀主要技術參數

1.2.1 光譜范圍

光譜范圍是光譜儀所能采集分析的光源的波長范圍，此參量決定了光譜儀的應用范圍。

1.2.2 色散率

色散率表示光譜儀把不同波長的光分散開的能力，與光譜儀色散系統的優劣有關。

1.2.3 帶寬

光譜儀把有復合光照明的狹縫經過分光系統而變為若干個單色的狹縫象，這單色的狹縫象即為譜線，它的空間寬度δL（線色散）所對應的δλ（光譜寬度）即光譜帶寬。光譜帶寬表示了光譜儀分辨光譜的能力，光譜帶寬越窄，則意味著儀器的分辨力越高。

1.3 典型產品介紹

以豐登電子儀器公司生產的YCKW-1 微型光譜儀為例，介紹其主要技術性能和技術參數。

1.3.1 特點

（1）高光學分析度4.2～5 nmFWHM；

（2）超小體積；

（3）低設置成本；

（4）程式設計微控制器；

（5）可同時連接256 臺光譜儀。

1.3.2 主要技術參數

（1）光譜解析度:4.2～5 nmFWHM；

（2）波長范圍:380～780 nm；

（3）雜散光:0.3%；

（4）光譜誤差值:0.12%；

（5）積分時間1 ms～24 s。

1.3.3 儀器外形圖

微型光譜儀外形圖見圖2。

圖2 微型光譜儀

2 道路照明色溫與顯色指數測量

2.1 測量地段的選擇和布點方法

根據GB/T 5700—2008 照明測量的方法以及GB/T 7922—2008 照明光源顏色的測量方法的要求。

仔細分析非中心卡方分布的概率密度函數(Probability Density Function,PDF)可知，其在自由度大于2時總是存在一個最大值，即隨機變量存在一個出現概率最大的值，這個值在所有的值中出現頻次最高.因此，除了使用統計分布的期望來估計未知項以外，還可以利用這個出現概率最大的值來估計該未知項，此時的更新半徑可以由下式計算得到：

（1）測量地段的選擇:最好選擇在燈具的間距、高度、懸挑、仰角和光源的一致性等方面能代表被測路段的典型路段。

（2）布點方法:現場的色溫和顯色指數測量，每個場地測量點的數目不應少于9 個，然后求其算數平均值作為該被測照明現場的色溫和顯色指數。

為了使數據更加準確，減少測量時造成的誤差，把道路同一側三個燈桿間的一半路段作為測量路段，并分成若干個大小相等的矩形網格，把測點設置在每個矩形網格的四角，圖3 為布點時的測點布置圖。

圖3 測點布置圖

這樣每個網格的邊長≤2 m，使得測量點的數量多于測量要求，得到的整體數據會更準確。

2.2 道路現場的色溫和顯色指數計算

2.2.1 平均色溫的計算

按照GB/T 7922—2008 照明光源顏色測量方法的要求，路面平均色溫按式（1）計算。

式中:Tav——路面的平均色溫，K；

Ti——每個測量點的色溫，K；

測點數越多，得到的平均值越精確，不過也相應地增加了工作量。

2.2.2 平均顯色指數的計算

與式（1）相同，平均顯色指數的計算也是求現場所有測量點的算術平均值。

2.3 測量條件、方法和測量數據分析

2.3.1 測量條件

（1）被測光源宜滿足下列要求:白熾燈和鹵鎢燈累計點燃時間在50 h 以上；氣體放電燈類光源累計燃點時間在100 h 以上。

（2）現場測量應在下列時間后進行:白熾燈和鹵鎢燈應燃點15 min；氣體放電燈類光源應燃點40 min。

2.3.2 測量方法

（1）為提高測量的準確性，測量時應等待示值穩定后再讀數。

（2）測量人員宜著深色服裝，防止測量人員或其他物體的影子對接收器的影響。

2.3.3 測量結果及數據分析

選取了某六車道道路的正向3 條車道進行測量，所用燈具為鈉燈，路面平均照度在30 lx 左右。3 條車道總寬10.7 m，將其橫向均勻分成5 組，以一盞燈桿的正下方為中心向兩邊測量，每隔2 m 測量一個點，共85 個測量點。如表1 為顯色指數的數據列表，其中9 號測試點為燈桿正下方的點，1 號點和17 號點為燈桿兩側與下一燈桿的中間點。

表1 顯色指數數據列表

根據數據分析我們選取其中兩組進行數據擬合作圖（圖4）。

圖4 顯色指數圖

從數據中可看出，路燈的正下方顯色指數最小，此處反映的數據為鈉燈光源的顯色指數，而沿燈的兩邊則顯色指數呈上升趨勢，原因就是受環境光的影響，所測得的數據是鈉燈光源與環境光復合光的顯色指數。

表2 色溫數據列表（單位/K）

根據表2 的分析，我們選取其中兩組比較，如圖5所示為第一組與第三組的色溫曲線。

圖5 色溫圖

從曲線上可以發現，色溫較顯色指數的變化更小，但也存在著路燈正下方的色溫為鈉燈本身的色溫，兩邊色溫逐漸增高的現象，原因是越遠離燈桿受到環境光的影響越大，導致了測得的數據逐漸偏高。

3 一種新型的測量方案

從上述常規道路照明的色溫與顯色指數測量方案中可以看出，現場測量會出現以下問題:

（1）取點過少則會導致數據的不準確性，若測量數據過多則因被測點數多造成數據測量記錄、處理工作量大，并且無法連續測量。

（2）使用儀器進行測量時對環境要求較高，需要設置路障以保證工作人員的安全，并且需要工作人員具有良好的測試水平和應對突發事件的能力。

為此在常規道路照明色溫、顯色指數測量方法的基礎上提出了一種新型的測量方法。筆者使用了一套新型的車載式道路照明檢測系統，該系統基于CCD傳感器，車載式測量道路色溫、顯色指數、色坐標等色度學參數，并可以動態密集測量。系統引入λ 余弦修正器，凹面衍射光柵等技術，進一步提高了系統的測量效率和精度。該測量系統的系統框圖如圖6 所示。

圖6 車載式道路明顯檢測系統框圖

該儀器的使用步驟簡單介紹如下:

（1）將光譜檢測系統的傳感器通過磁力吸盤放置于汽車頂上，這樣可以最大程度降低周圍物體反射光的干擾。

（2）使用通信電纜連接系統主機和汽車內的計算機，測量人員只需坐在車內操作軟件，便可快速準確地測出所需測量的數據。

駕駛檢測車在3 個車道內以約15 km/h 的速度對道路進行來回數次的測試。測出來的色溫和顯色指數的算術平均值為2 225 K 和38.9，和表3 所示五組手動測量的數據總平均值進行比較，發現數據的結果誤差范圍在1%之內，也就證明了動態測量方案的準確性。

表3

將常規的人工逐點測量法與動態測量法進行對比，動態測量法不僅有測量速度快、測量安全、減小勞動強度、數據處理方便的優點，更由于采用測試汽車自動測量排除了測量人員在測試現場所引起的擋光、反光干擾，有效提高了測試精度和數據采集的準確性。綜合現場測量分析，該光譜分析系統符合國家標準中重復性在1%之內的要求。通過現場測量結果的分析，表明該光譜分析系統是準確可靠的，為道路照明色度學參數的現場測量提供了良好的技術支持。

［1］GB 7922—2008 照明光源的顏色測量方法［S］

［2］施克孝.色溫、顯色指數與色度圖［J］.演藝科學，2011

［3］劉勝洋，曹明娜，李剛.高靈敏度CCD 光電信號檢測系統的設計［J］.電子測量技術，2007

［4］孔鵬，巴音賀希格，李文昊，等.雙光柵平場全息凹面光柵光譜儀的優化設計［J］.光學學報，2011（2）

［5］GB/T 5700—2008 照明測量的方法［S］

［6］秦大為，任軍軍，沈小明，曹剛.道路照明的照度檢測［J］.電工技術，2005（7）