基于CCD传感器的车载式路灯光谱检测系统

2014-04-08秦大为陈尚智朱佳南

照明工程学报 2014年5期

秦大为，陈尚智，朱佳南，陶俊

(1.盐城师范学院实验中心，江苏盐城 224002；2.盐城师范学院物电学院，江苏盐城 224002)

引言

在道路照明行业中，一般有两种测量系统用来描述光源颜色的特性：“色温”用来表示灯光本身的色外观，“显色指数(CRI)”是光源对物体颜色呈现的程度，这两个参数对评测和说明光源都极其重要。路灯色温[1]一般在1500K～7000K之间，色温越高，光源的颜色越偏向于冷色调，给人以清冷的感觉，色温越低，越偏向于暖色调，给人以温暖的感觉，道路照明设计时，色温是一项重要指标。显色指数[2]是指被测光源照明物体的心理物理色与参比光源照明同一色样的心理物理色符合程度的度量，也就是物体颜色的还原程度，其数值越接近100，显色性越好，如果道路照明设计的显色指数过低，则会影响人对物体的判断，容易导致交通事故的发生。因此，道路照明光源光谱检测意义重大。

目前道路照明行业检测标准可以引用国标GB5700[3]中的方法：现场的色温和显色指数测量应采用光谱辐射计，每个场地测量点的数量不应少于9个测量点，然后求其算数平均值作为该被测现场的色温和显色指数。

目前的测量方法及仪器存在以下缺点：测量工作量大，光谱仪采集速度慢，效率低，完成一次测量需要数小时，测量时间过长还会影响交通、威胁检测人员的人身安全；采用手持式仪器测量，检测人员读数时衣服的反射光会极大的影响测量结果的准确性；目前市场上所销售的手持式色温计由于主要用于室内测量，没有考虑到室外环境光的影响，在室外测量时，则需要采集天空作为本底，以降低环境光的影响。

为此本文在常规的道路照明的色温、显色指数测量方法以及原有手持式光谱分析仪的基础上进行改进，实现了两大突破：提高测量速度由静态测量改进为动态连续测量；降低环境光影响由传统的室内测量改进为室外测量。研制出适用于室外道路光谱检测的系统，实现了高效率、高精度测量。

1 系统总体架构

光源发出的光通过余弦修正及滤光片后被衍射光栅进行分光处理，CCD传感器接受单色光，进行光电转换，得到需要的信号后进行进一步放大处理，模数转换，最终在电脑软件上显示出来，如图1所示。

图1 系统总体框架Fig.1 System frame

如图2所示为该系统主机、电脑及一只光谱分析模块传感器。

图2 系统整体实物图Fig.2 System physical

光谱分析仪通过磁力吸盘放置于小汽车顶上，这样可以最大程度的降低周围物体反射光的干扰，如图3所示。

图3 光谱检测系统传感器安装位置Fig.3 Fixing position of CCD

使用通信电缆连接系统主机和汽车内的计算机，测量人员只需要坐在车内操作软件，便可快速准确地测出所需测量的数据，如图4所示。

图4 操作现场演示Fig.4 Operating Scene

本系统是目前市场上唯一的一种可以进行色度学、光度学各项指标动态测量的检测系统，不但光谱偏差量控制在正负0.5nm之内，检测数据稳定度也控制在万分之四的水准，准度与精度兼具且可以在各种作业环境下进行检测，达到防水、防尘、防震要求。该检测系统目前已投入生产使用，在室外检测行业有较好的发展前景。

2 系统硬件

在CCD传感器探头前装有λ余弦修正片。由于传感器探头垂直向上，但路灯灯具设计时就有一定的仰角，这就导致光无法垂直入射到传感器探头上，添加余弦修正片可以消除入射光与采光面不垂直时的所产生的误差。

下页表4的数据显示:62%的学生能够将听到的故事复述下来;55%的学生能写出所听材料的摘要;仅有47%的学生可以根据所听语料前半部分推断出结尾;根据教材提供的语料,高达73%的学生能够参与到预设问题讨论中;59%的学生根据所听到的语料准备演讲,81%的学生能够适应POA听说教学模式提倡的小组合作学习;根据语料和不同的听说任务,79%的学生能够选择合适的学习策略。

传感器探头上装有滤色玻璃。滤色玻璃可以使光谱响应曲线接近人眼的视觉敏感曲线。

CCD传感器探头是以模拟人眼的光谱响应为基本原理，其所测量到的量，即为色度坐标图上所代表的颜色，与人眼观察该光源时所感受到的颜色相近。被测对象的光信息通过光学系统，在CCD的光敏面元上形成光学图像，CCD器件把光敏元上的光信息转换成与光强成比例的电荷量。用一定频率的时钟脉冲对CCD进行驱动，在CCD输出端得到被测对象的视频信号。视频信号中每一个离散电压信号的大小对应着该光敏元所接收的光强强弱，而信号输出的时序则对应CCD光敏元位置的顺序。通过后续处理线路对CCD输出的视频信号进行二值化或者量化处理后，将被测目标从背景中分离出来，为进一步的数据处理和分析做准备。

光谱检测系统传感器主要由余弦修正片、凹面平均衍射光栅[4]和科学级CCD构成。测量原理是分光法，分光法是用光谱仪将被测光分成一定波段分布的单色光，光谱仪的光电传感器将单色光按波长依次转换为电信号，并与已知光谱功率分布的标准光源相比较，从而得到待测光源的相对光谱功率分布，然后再通过计算得出色温、显色指数等其他色度学指标。本系统中的快速扫描可见分光检测器(380nm～780nm)，采用凹面光栅作为检测元件，构成多通道并行工作，同时检测有光栅分光，再入射到阵列式接收器上的全部波长的光信号，得到吸收值(A)、保留时间(tR)和波长(l)函数的三度空间层析光谱图。

为了大幅提高CCD的测量精度，提出了一种全新的CCD使用方法。该方法是将像素间距为H的CCD器件的像素行沿与被测边缘垂直方向成一定角度α来进行摆放。此时，单线阵CCD的最大测量误差减小为H×cosα，N个线阵CCD等距错排并以α角度斜放，最大测量误差将减小为(Hcosα)/N，当列间距为h的面阵CCD沿被测对象轴向斜放时，最大测量误差减小为h×sinα。分别采用单CCD和双CCD，对直径为5.000mm，8.000mm和12.000mm的三个标准杆件的直径进行了测量。经多次对比研究表明，双CCD斜放，可获得更高的测量精度。该方法可从理论上彻底打破CCD像素间距的限制[5]。