喬衛(wèi)東, 張 恒, 王嘉明, 李 奕

(1.西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院,陜西 西安 710048；2.陜西省計量科學(xué)研究院 光學(xué)計量測試中心,陜西 西安 710065)

1 引 言

長時間遭受眩光會損傷人的視力，影響人們的身體健康安全[1,2]。眩光是指由于亮度的分布不適當(dāng)、范圍太大，或存在極端亮度對比，引起不舒適感或分辨物體細(xì)節(jié)能力減弱的一種視覺條件[3]。目前國內(nèi)外眾多學(xué)者致力于眩光的研究，Huang K等[4,5]基于察覺對比度法對隧道照明眩光展開研究；詹自翔等[6]論述了駕駛界面設(shè)計與照明之間的匹配關(guān)系，結(jié)合高速列車駕駛界面照明的特點，提出了一種基于統(tǒng)一眩光值(unified glare rating，UGR)眩光評估公式和小光源UGR修正公式的高速列車駕駛界面照明眩光評估模型；Yang Y等[7,8]研究了LED光源的均勻性和光譜功率分布對眩光的影響，提出了兩種新的模型mUGRSPD和QUGRSPD，并用其主觀實驗結(jié)果驗證了這兩種模型的適用性，結(jié)果表明:mUGRSPD模型和QUGRSPD模型與主觀評價存有較高的相關(guān)性；Andrew M.等[9]通過幾何模型與實例分析研究了反射太陽光形成的眩光對高速公路擁堵現(xiàn)象的影響。Tashiro T[10]等研究了3種背景亮度下的LED不適眩光，且提出了一種新的mUGRAyama模型，用“有效眩光亮度(leff)”來取代眩光源的平均亮度。

在眩光測量儀的校準(zhǔn)方面，相關(guān)研究人員設(shè)計了一款室內(nèi)照明統(tǒng)一眩光值(UGR)校準(zhǔn)裝置，可對統(tǒng)一眩光值(UGR)量值進(jìn)行校準(zhǔn)，并可溯源至國家光亮度和幾何參數(shù)計量基準(zhǔn)[11～13]。但是室外道路照明場景和隧道照明場景中的眩光仍采用閾值增量(threshold increment，TI)進(jìn)行評價，其測量裝置的校準(zhǔn)問題有待解決，因此設(shè)計一款基于閾值增量的標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)眩光源不僅方便校準(zhǔn)眩光測量裝置，保證測量精度，還可以統(tǒng)一眩光測量標(biāo)準(zhǔn)，維護(hù)市場穩(wěn)定。

2 室外道路照明場景的眩光評價指標(biāo)

TI是國際照明委員會(International Commission on illumination，CIE)和中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部推薦使用的戶外道路照明眩光評價指標(biāo)[14,15]。TI 指當(dāng)出現(xiàn)眩光源時，為了達(dá)到相同良好的視看條件，物體與背景之間對比度需要提高的百分比，其計算方法公式[16,17]為

(1)

其中，

(2)

式中：Lv是初始等效光幕亮度,cd/m2；Lav是路面的平均初始亮度,cd/m2；Lv,k是第k個燈具產(chǎn)生的初始等效光幕亮度,cd/m2；n是燈具數(shù)量。

3 標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)眩光源的設(shè)計方案

為了保證背景亮度的均勻性，基于閾值增量的標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)眩光源的結(jié)構(gòu)必須滿足在有限的實驗室空間內(nèi)保證眩光源背景亮度統(tǒng)一的要求[18,19]，而且在戶外道路照明場景中，駕駛員視野中的景物存在明顯的近大遠(yuǎn)小的現(xiàn)象，最終匯聚于視野消失點[20,21]，因此需要更好的模擬戶外道路照明的真實場景，基于閾值增量的標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)眩光源設(shè)計為左右軸對稱結(jié)構(gòu)，主要由眩光源主面板和左、右兩塊擋板組成，其設(shè)計結(jié)構(gòu)不僅需要滿足TI的測量要求，而且眩光源的布局規(guī)劃和發(fā)光面積必須符合人眼視覺特性。

3.1 眩光源的結(jié)構(gòu)設(shè)計

眩光測量儀校準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)CIE 140：2019-Road Lighting Calculations[17]確定測量TI時的水平視角θTI1和垂直視角θTI2。眩光源主面板的長為L1，高為L2。眩光源主面板由4塊尺寸相同(l1×l2)的矩形面板組合而成。根據(jù)測量TI時的垂直視角和眩光源主面板的尺寸確定測量點與眩光源主面板之間的距離,測量點在眩光源主面板上的投影點與眩光源主面板的中心點重合。

圖1 眩光測量儀校準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

已知測量TI時的垂直視角θTI2，眩光源主面板的半高度l2,則實驗室中測量點與眩光源主面板之間的距離R′為

(3)

由測量TI時實驗室中測量點與眩光源主面板之間的距離、眩光源主面板的尺寸、測量TI時的水平視角，可以確定左、右兩塊擋板的大小以及與眩光源主面板之間的夾角。

設(shè)眩光源主面板左擋板的最短長度為L3,左擋板與眩光源主面板之間的夾角為θL,則

L3=(R′·tan(θTI1/2)-l1)·cos(θTI1/2)

(4)

θL=π-(θTI1/2)

(5)

同理,眩光源主面板右擋板的長為L3,高為L2。

眩光源主面板和左、右擋板表面全部均勻噴涂高反射率的漫反射材料(硫酸鋇涂層)，提高眩光源主面板及其左右擋板均勻性的同時保證其亮度水平。

3.2 眩光源的布局

圖2是現(xiàn)實路燈照明場景。提取圖2中的關(guān)鍵因素后得到的道路照明三維場景模擬圖如圖3所示,其中的S1、S2和S3分別表示現(xiàn)實環(huán)境中路燈1、2、3在視線方向的投影面積；H1、H2、H3分別為路燈1、2、3 對應(yīng)的投影面S1、S2和S3的左上頂點與現(xiàn)實道路照明場景中測量點X之間的垂直高度差；D1、D2分別為路燈1與路燈2、路燈2與路燈3之間的間距；T為測量點X到路燈1、2、3連線的距離,垂足為Q；d為垂足Q至路燈1之間的距離,R為現(xiàn)實路燈照明場景中測量點與路燈在視線方向上的投影面積之間的距離。

圖2 現(xiàn)實路燈照明場景

圖3 道路照明三維場景模擬圖

圖4 標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)眩光源主面板示意圖

P為古斯(Guth)位置指數(shù)，當(dāng)現(xiàn)實路燈照明場景中測量點與路燈在視線方向上的投影面積之間的距離R、現(xiàn)實路燈照明場景中測量點到路燈連線的水平距離T、現(xiàn)實路燈照明場景中測量點與路燈之間的垂直高度H確定時，T/R和H/R隨之確定，則P唯一。

在符合人類視覺特性的前提下,為了得到標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)眩光源中各個眩光源的坐標(biāo),需要保持標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)眩光源中每個燈具的P′均與現(xiàn)實路燈照明環(huán)境三維場景中對應(yīng)燈具的P相等,則根據(jù)現(xiàn)實路燈照明場景中測量點與各個路燈之間的位置關(guān)系,可知：

n=1,2,3，…,k

(6)

n=1,2,3,…,k

(7)

3.3 眩光源的發(fā)光面積

ω為現(xiàn)實環(huán)境中對應(yīng)路燈的立體角,當(dāng)現(xiàn)實路燈照明場景中，測量點與路燈在視線方向上的投影面積S之間的距離R、測量點到路燈連線的距離T、測量點與路燈之間的垂直高度H和路燈在視線方向上的投影面積S確定時,ω唯一。

保持基于閾值增量的標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)眩光源裝置中，每個眩光源的立體角ω′均與ω相等,不僅可以得到每個眩光源的面積,而且能夠使其符合人類的視覺特性。根據(jù)現(xiàn)實路燈照明場景中測量點與各個路燈之間的位置關(guān)系得到：

n=1,2,3,…,k

(8)

4 標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)眩光源仿真系統(tǒng)

汽車處于高速運行狀態(tài)時，駕駛員視野內(nèi)的景物處于連續(xù)變化狀態(tài)，因此駕駛員感受到的環(huán)境亮度也在持續(xù)變化。為了模擬這種動態(tài)的環(huán)境亮度，基于人眼的視覺惰性特點，眩光源亮度變化的最低頻率不應(yīng)<24 Hz[22,23]。

根據(jù)城市道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(CJJ 45-2015)的規(guī)定[15]，城市道路的非道路照明設(shè)施對汽車駕駛員產(chǎn)生的眩光TI不應(yīng)>15%。為了匹配多種道路照明情況，提高標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)眩光源的適用范圍，設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)眩光源的TI覆蓋范圍應(yīng)該在15%的基礎(chǔ)之上進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐貙挕?/p>

為驗證基于TI的標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)眩光源設(shè)計方案的可行性，利用虛擬儀器(LabView)搭建的基于TI的標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)眩光源光源仿真系統(tǒng)主界面如圖5所示。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)眩光源仿真系統(tǒng)主界面

基于TI的標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)眩光源仿真系統(tǒng)設(shè)置有兩種校準(zhǔn)模式：校準(zhǔn)模式1適用于不同場景中，同一眩光值的模擬，即在最高輸出頻率為24Hz的情況下，每秒最多輸出24個相同的TI值，但是產(chǎn)生每個TI值的光源亮度組合不同；校準(zhǔn)模式2適用于不同場景中，不同眩光值的模擬，即在最高輸出頻率為24 Hz的情況下，每秒最多輸出24個不相同的TI值，產(chǎn)生每個TI值的光源亮度組合也不同。

基于TI的標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)眩光源主面板上共有6個光源，每個光源設(shè)置有600 cd/m2、750 cd/m2、1 000 cd/m2、2 000 cd/m24個亮度等級，選取TI在 4.0%～16.0%范圍內(nèi)的光源亮度組合并將其輸出，表1為基于TI的標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)眩光源仿真系統(tǒng)輸出的部分?jǐn)?shù)據(jù)。

表1 標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)眩光源仿真系統(tǒng)輸出的部分?jǐn)?shù)據(jù)

圖6為基于TI的標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)眩光源仿真系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)的折線圖。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)眩光源仿真系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)的折線圖

當(dāng)瞬變顯示環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)眩光源仿真系統(tǒng)按照校準(zhǔn)模式1工作時，其模擬的是不同場景中的同一眩光值(此處預(yù)設(shè)的TI=10)，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)眩光源仿真系統(tǒng)校準(zhǔn)模式1的結(jié)果

調(diào)整該仿真系統(tǒng)，使其工作在校準(zhǔn)模式2時，其模擬的是不同場景中的不同眩光值(此處預(yù)設(shè)的TI范圍為4.0%～16.0%)，仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)眩光源仿真系統(tǒng)校準(zhǔn)模式2的結(jié)果

通過以上仿真可知，瞬變顯示環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)眩光源的設(shè)計符合人眼視覺特性。在兩種校準(zhǔn)模式下，瞬變顯示環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)眩光源的最高輸出頻率均不小于人眼分辨頻率，而且其產(chǎn)生的眩光覆蓋范圍廣，滿足各種眩光測量儀的計量校準(zhǔn)需求。

5 標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)眩光源測試實驗

5.1 可覆蓋眩光范圍檢測實驗

測試系統(tǒng)在光學(xué)暗室中搭建,眩光源主面板為3.0 m×2.6 m,左右擋板為1.7 m×2.6 m,擋板與主面版之間的夾角為120°。眩光源主面板和左右擋板的表面都均勻噴涂了硫酸鋇漫反射材料,主面板上安裝了6個亮度范圍為500 cd/m2～3 000 cd/m2的均勻矩形光源作為模擬眩光源,背景亮度范圍為5 cd/m2～20 cd/m2,兩組均勻投光燈提供。計算TI標(biāo)準(zhǔn)值需要準(zhǔn)確測量眩光源和背光源的亮度值和幾何位置參數(shù)。使用高精度的光譜輻射亮度計配合三維幾何調(diào)整機(jī)構(gòu)精準(zhǔn)測量其亮度分布和位置信息,亮度值和幾何量值均可溯源至國家計量基準(zhǔn)。采用KONICA MINOLTACS-2000分光輻射亮度計采集各個眩光源的亮度信息,通過NET05全站型電子速測儀獲取測量點與各個眩光源之間的位置以及角度信息。

為了測試本系統(tǒng)的可覆蓋眩光范圍,校準(zhǔn)模式采用校準(zhǔn)模式2,在背景亮度為8 cd/m2時采集的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表2所示。

表2 采集的部分標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)眩光源數(shù)據(jù)

動態(tài)眩光實時變化情況如圖9所示。

從圖9中可以看出，瞬變顯示環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)眩光源產(chǎn)生的最大眩光TI值為26.7%，最小值為8.0%，覆蓋了戶外路燈照明環(huán)境中的絕大部分眩光值，符合眩光測量儀的校準(zhǔn)要求。

圖9 標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)眩光源校準(zhǔn)模式2結(jié)果

5.2 動態(tài)性能檢測實驗

動態(tài)性能檢測該系統(tǒng)采用LFA-3000-V200光源頻閃測量儀檢測眩光源的閃爍頻率,光照度隨時間變化的波形如圖10所示,每個臺階代表實驗空間中一個照度等級,每個照度等級對應(yīng)一個TI值,因此圖10(a)中表示該實驗空間中每秒變化5個TI值,其照度刷新頻率為5 Hz；同理,圖10(b)和圖10(c)中分別表示該實驗空間中每秒變化10個和24個TI值,其照度刷新頻率分別為10 Hz和24 Hz。

圖10 亮度波形圖

5.3 不確定度評定

根據(jù)文獻(xiàn)[16]CIE 88：2014《Guide for the lighting of road tunnels.and underpasses》第6.13節(jié)規(guī)定，當(dāng)背景亮度>5 cd/m2時，分析閾值增量計算公式，建立不確定度評定數(shù)學(xué)模型如下：

(9)

通過大量實驗，最終確定的不確定度分量以及相關(guān)信息如表3所示。表中，u(xi)為輸入量標(biāo)準(zhǔn)不確定度；ui為標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量，ui=|ci|u(xi)。

表3 不確定度分量以及相關(guān)信息

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

Urel=1.3% (k=2)

6 結(jié) 論

(1)系統(tǒng)在基于人眼視覺特性的情況下,能夠模擬人眼感受到的動、靜態(tài)眩光,為動、靜態(tài)眩光理論的研究以及測量技術(shù)提供了關(guān)鍵技術(shù)支持。

(2)從人眼視覺特性出發(fā),提出了基于TI的標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)眩光源設(shè)計方法。該眩光源解決了目前眩光測量裝置面臨的測量標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的問題,實現(xiàn)了動、靜態(tài)眩光測量儀的精確校準(zhǔn)與高效檢測。

(3)實驗測量及誤差分析表明：該眩光源可模擬的動、靜態(tài)眩光范圍為8.0%～26.7% ,覆蓋了戶外路燈照明環(huán)境中的絕大部分眩光值,而且其閃爍頻率可調(diào)節(jié),模擬眩光的擴(kuò)展不確定度為1.3%,滿足實際校準(zhǔn)需求。