燈驅分離式全防護遠射程航標燈器的設計與應用

◎ 林登山 汕頭航標處

燈驅分離式全防護遠射程航標燈器的設計與應用

◎ 林登山 汕頭航標處

本文介紹一種新型燈驅分離式全防護遠程航標燈器的設計及其應用。采用大功率LED為光源，單點菲涅爾透鏡處理、自適應驅動功率驅動、以及光源和電子控制驅動結構分離，提高了燈器射程，并極大的方便了信息化管理和日常維護。

大功率LED 單點菲涅爾透鏡 燈驅分離 設計 應用

1.前言

目前國內燈塔使用的燈器基本上采用傳統(tǒng)光源，如高壓鈉燈或金鹵燈，加整體式菲涅爾透鏡結構形式，由于受光源和光學鏡頭的限制，一般都安裝在具有環(huán)境防護的燈塔建筑內。不能在野外惡劣環(huán)境下單獨安裝。且產品均為國外進口產品，因為廠商限制，通訊接口不統(tǒng)一不公開，實現(xiàn)遠程控制管理困難，同時在維護方面也很難及時到位。

為了解決現(xiàn)有燈塔燈器的性能缺陷，本方案采用大功率LED為發(fā)光光源，用單點LED菲涅爾透鏡進行光學準直，通過多點光源組合提高燈器光源效率和射程；同時用燈驅分離式結構代替?zhèn)鹘y(tǒng)整體密封式結構，一是增強燈器防風、防潮、以及抗霧化性能，二是把光源和電子驅動、遙測遙控單元分離，給現(xiàn)場調試、安裝和維護帶來極大的便利。三是通過實際應用提出推廣建議

2.燈驅分離式航標燈技術方案

2.1系統(tǒng)方案

航標燈工作原理框圖如圖1所示。

2.2光源選擇

單顆功率1W以上的LED稱為大功率LED。大功率LED具有出光效率高的優(yōu)點。在相同的功率條件下，采用大功率LED為光源，只需少數(shù)幾顆LED，其綜合光強大于上百顆小功率LED的光強。

新型燈驅分離式燈器光源采用單顆1W大功率LED為發(fā)光光源。

2.3光學處理：

2.3.1光學透鏡

大功率LED為半球面點光源，在未進行光學處理的情況下，LED的發(fā)光為半球面發(fā)光。新型燈器的LED光源采用基于“半球面點光源水平360°準直聚焦”專利技術的單點菲涅爾透鏡進行二次光學處理，透鏡準直聚焦角度為垂直±4°，水平±23°，且在結構上透鏡和LED緊密配合，保證了LED所有出光都經過透鏡匯聚，減少了光線散射，出光效率大于90%。

根據(jù)LED的電壓和電流特性，并結合航標燈的整體結構，單點菲涅爾透鏡可以進行任意組合形成鏡頭模組。本燈器采用三聯(lián)單點菲涅菲爾鏡頭模組，透鏡模組結構為全防水結構。

2.3.2整燈光學設計

因為每顆透鏡的水平角度為46°，為保證燈器水平360°均勻發(fā)光，整燈光學面為等邊八角形分布。經模擬計算，整燈水平360°發(fā)光均勻度在30米處超過85%，當每面安裝36顆1W，單顆130lm的LED時，水平任意方向發(fā)光強度定光大于70000cd。

2.4燈光射程：

本燈器光源采用八等邊形分布。根據(jù)大功率LED的光通量和燈器的射程要求，其最大設計射程為18海里，光源視線方向的有效光強要求為49000cd。因此，該燈器選用單顆光通量為130lm的白色LED，在燈器圓周八邊每邊安裝12條3聯(lián)鏡頭模組，4層安裝，保證水平任意可視方向的最大定光光強超過70000cd。這樣在閃光時間為0.5s，大氣透射系數(shù)T=0.74的條件下，有效光強超過50000cd,保證燈光射程超過18海里。

新型燈器光源為4層排列結構，每兩層組成一個發(fā)光單元可以單獨使用。一個發(fā)光單元的射程超過15海里。根據(jù)透鏡特點和燈器的結構，可以按照射程要求計算出點陣光源的大小。2.5工作功率

燈器所用能源為太陽能和蓄電池。

新型燈器定光工作功率為360W（含電子控制和遙測遙控單元）。和泰蘭NOVA-250-3型功耗相同。閃光燈器的能耗方式有別于旋轉燈器，能耗的大小與燈質閃爍周期有關。在燈質為閃（2）6秒的條件下，整燈平均功率為60W。和旋轉燈器（如TRB300）功耗相同。

航標燈工作原理框圖

如果燈光射程要求在15海里，只需要一個發(fā)光單元工作，即上兩層或下兩層光源發(fā)光。一個發(fā)光單元定光的最大工作功率為136W，有效光強超過18000cd。

新型燈器還可以根據(jù)使用環(huán)境設置360°、270°、以及180°發(fā)光。

2.6閃光電流與蓄電池

新型燈器在最大工作功率下，放電峰值電流（閃光瞬間）為30A。對于現(xiàn)有航標蓄電池配備，屬于正常工作放電范圍，不會對電池造成任何損傷。

2.7LED驅動、燈質和亮度控制器、以及遙控遙測接口

新型燈器在光源電子驅動部分采用了功率自適應驅動技術，使光源工作在最佳電壓和電流，最大限度的提高光源的發(fā)光效率。

LED燈質和亮度控制器由ATmega88單片機來實現(xiàn)。ATmega88是基于AVR增強型RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時，ATmega88的數(shù)據(jù)吞吐率高達1 MIPS/ MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。

燈質和亮度控制器可實現(xiàn)IALA規(guī)定的256種燈質的設定，并可以實現(xiàn)17級燈器亮度的調節(jié)控制。控制器預留有RS232接口，接口符合廣東海事局航標導航處制定的《燈器與遙測遙控終端的接口標準》。可以和遙測遙控終端連接，實現(xiàn)對航標標燈器的燈質狀態(tài)、工作電流電壓參數(shù)、以及燈器亮度等的遠程監(jiān)測、調整控制、以及故障報警。也可以與GPS同步時鐘連接實現(xiàn)燈質同步。

2.8結構

新型燈器的結構采用燈驅分離式設計，即燈體和電子驅動部分為防水電纜分離式連接。電子部分集成在一個不銹鋼防水盒里，光源固定在燈座上。電子部分的防水盒和燈座通過緊固螺絲固定，通過防水電纜接頭進行兩者之間的電氣連接。

新型燈器的光源采用散熱片和燈座二次散熱方式，確保LED光源的工作溫度低于60°C，保證光源的衰減小于1%（每年）。

新型燈器為全防護結構設計，防護等級大于IP66，可以適合各種野外環(huán)境安裝，無需類似燈籠等建（構）筑物，大大的降低了安裝運營成本。

2.9新型燈器結構特點如下：

①把所有電子部件集成在電子防水盒里，在使用遙測遙控功能時，只需打開電子防水盒蓋子即可安裝短信卡。極大的方便了燈器在使用前的設置和測試。同時在設置和測試時，可以連接備用測試光源，無需連接整燈。

②在燈器安裝時，電子防水盒和光源燈座可以分別攜帶和安裝。減輕了安裝過程的負重。

③方便了日常維護。

④新型燈器在能源供給方面可以配置交直流轉換器，在有市電的地方更方便能源供應。

3.實驗及測試數(shù)據(jù)

3.1燈光射程測試

測試方法：按照JT/T 738-2008“燈光光強測試和燈光射程計算”中所規(guī)定的測試方法測試。

測試設備：照度計、米尺

測試電壓：12V

測試燈質：定光

測試燈色：白色

3.2燈光均勻度測試

測試方法：

①按照JT/T 738-2008“燈光光強測試和燈光射程計算”中所規(guī)定的測試方法測試。

②首先正對燈條測試，然后將燈器原地轉動23°，測試兩燈條之間的發(fā)射光強。

測試設備：照度計、米尺。

測試燈色：白色

3.3防水試驗

測試方法：按照IP66規(guī)定測試

在燈器工作狀態(tài)下用高壓水槍對燈器進行噴水5分鐘，燈器工作一切正常。3.4實際應用情況

本燈器目前安裝在甲子燈塔上試運行。

①甲子到田尾角的直線距離約有16海里以上，晚上從田尾角山頂上朝甲子燈塔方向觀察，可明顯觀測到甲子燈塔的燈光（閃光）。

②利用船舶進行燈光拉距測試。二〇一三年七月二十八日，利用作業(yè)船舶對該燈器進行燈光拉距測試。從當天晚上七點四十分開始進行觀測，測試的結果令人滿意。燈光的最遠射程達到二十海里。觀測點的經緯度為：22°54′564N，116°28′851E

③利用“航標遙測遙控終端”進行測試，滿足了“廣東海事局航標導航處制定的《燈器與遙測遙控終端的接口標準》”的要求。

4.結論

新型燈驅分離式航標燈器采用新穎的獨特設計。經試驗證明，與國外同類產品相比，具有以下特點：

①采用大功率LED光源提高整燈單位發(fā)光光強；

②單點菲涅爾透鏡光學處理，可根據(jù)實際情況增減發(fā)光點陣，滿足射程要求；

③全防水密封透鏡結構避免燈器霧化和透鏡老化；

④根據(jù)射程要求可改變燈器亮度保持燈器工作在最佳節(jié)能狀態(tài)；

⑤根據(jù)實際應用要求可對燈器水平發(fā)光范圍進行設置，達到節(jié)能效果；

⑥燈驅分離方便信息化管理和日常維護；

⑦燈器防護等級滿足野外惡劣環(huán)境簡易安裝，節(jié)約燈器保護的建筑成本；

⑧燈質GPS同步；

⑨連接遙測遙控終端實現(xiàn)燈器遠程管理。

結合實際應用情況，該燈器可以在海區(qū)推廣使用。