单灯多显示智能铁路信号机光学系统的仿真测试与研究

2021-08-02杜跃飞贺清

铁道科学与工程学报 2021年6期

杜跃飞，贺清

(兰州交通大学自动化与电气工程学院，甘肃兰州730070)

铁路信号控制系统中，各种色灯信号机是保证列车行车安全，提高行车效率的重要组成部分，设计与开发适合我国国情的城市智能化交通信号控制系统，是21世纪我国交通工作者研究的热点[1]。信号机从1956年56型单灯信号机的出现到现在广泛应用的LED信号机已经发展了70多年。从用白炽灯从电能中产生最大效率的白光，到如何用半导体实现将电子转换为光子的高效能一直是一项长期的探索的课题[2−3]。LED具有高光效、长寿命、少污染、光色好、价格低、节能等优点，诸多优势使其在各个行业迅速发展。EDRINE等[4]将LED描述为一种新型辐射探测器，用于诊断放射学和辐射防护领域防护领域的X射线剂量测量。在轨道交通领域，LED色灯信号机主要涉及到散热、光色、光强、阵列排布、透镜设计等要素，已有部分学者对相关领域做了研究，SPAGNOLO等[5]提出使用相变材料PCM用于交通运输中LED黄色信号灯，利用PCM相变材料来满足大范围温度变化的色度要求的研究。HU等[6]利用LED的色彩调节能力，使用了将设备稳定的控制信号转换为色度坐标的模型评估基于RGB和HSB的对色混合系统。梁静等[7]针对LED现有典型色差公式的色差预测性能进行了研究评价，为颜色视觉辨别特性及色差评价方法的探索积累初始数据。VARMA等[8]提出一种新型LED阵列分配方案，用于随机LED阵列获得均匀的辐照度。MORENO等[9]研究了由多个LED组成的光源稀释对光照均匀性的影响，并推导出不同结构LED阵列的最大稀释度的解析表达式。JAFRANCESCO等[10]对Tonatiuh，SolTrace，TracePro和CRS4-2 4种光学设计工具进行了功能性和可用性比较。针对铁路信号机，本文就小功率LED式灯盘阵列进行了设计选型。通过Tracepro光学仿真软件将透镜式信号机中直丝聚焦式TX12/25型信号灯泡与小功率LED信号灯盘进行对比。依据中华人民共和国相关铁路行业标准[11−13]，应用球带系数法，对大功率LED灯珠进行数量估算，最后通过Tracepro光学仿真验证了基于大功率LED灯珠的新型单灯多显信号机的可行性。

1 光源灯盘设计

1.1 灯珠间距设计

由于LED发光近似为朗伯体分布，根据斯派罗法则的延伸，2个LED发光管之间的距离会直接影响光的叠加效应，当2个发光管间距较远，光照中心会出现明显的暗点(即波谷)，当2个发光管间距太近，容易形成单个波峰以致光源浪费。在优先满足铁路行业标准TB/T2353-2018《铁路灯光信号发光强度》的光强基础上得到较为均匀的照明，即希望2个LED叠加后形成较为平坦光照分布，需要计算沿连接2个LED中心轴的最大平坦条件，找到比较合适的波峰间距，从而获得多个LED紧密分布时的最佳相隔间距。

2个波峰间出现的最大平坦距离称为斯派罗极值σL，该值存在的条件应满足式(1)。

式中：一阶微分表示函数的斜率，二阶微分表示斜率的变化情况。斯派罗极值法原理图如图1所示，即当2个发光管波峰之间最大值σ大于σL时，会出现一段中间波谷区，若σ继续增大波谷也随之增大，直至光强分布不存在重叠部分；而当2个发光管波峰之间最大值σ逐渐减小时，2波峰中间出现中央平坦区，当σ=σL时中央平坦区达到最大；随着σ继续减小中央平坦区减小到0，整体表现为1个波峰。

图1 斯派罗法则原理Fig.1 Schematic diagram of sparrow's law

1.2 灯盘阵列设计

TB/T2353—2018《铁路灯光信号发光强度》和TB/T3242—2010《LED铁路信号机构通用技术条件》对信号机的发光强度做了明确规定，由于单个小功率LED无法满足要求，需对灯珠阵列和透镜进行设计和选型。

理想情况下的单颗LED灯珠可近似为朗伯体，光强的分布不仅受其材料及形状影响，还与发光角度有直接关系[8]。近似光强与发光角度满足式(2)关系。

式中：θ为发光角度；E0(r)为发光管在光轴方向的光照度；m取决于LED发光区域与球面密封材料的曲率中心的相对位置。通常LED的m>30，随着LED制造材料的升级，m值有所减小。

由式(2)可以得出，光照强度随着m的增大而减小。m值由θ1/2决定：

式中：θ1/2为LED的配光曲线中对应发光强度为最大值1/2时的角度。点光源照射到与光轴垂直平面时的光照强度由式(2)～(3)得到：

式中：r为LED到照射平面的距离。LED在面板平面上的位置(x,y)的辐照度分布公式(3)可以用笛卡尔坐标系(x,y,z)表示。z表示点光源到照射面的距离，则坐标系中任意一点Q(x,y,z)处的光照强度如式(5)所示。

式中：I是LED的光照强度；(x0,y0)是LED在平面坐标系的坐标。

一般情况下LED可看成点光源，随着发光管数量的增加，光照范围和强度也会明显改变。小功率单个LED无法满足信号机的光照强度要求，必须使用数十个甚至上百个并联以达到理想的效果。所以需要对灯盘阵列进行设计及选择。

通常LED的阵列分布情况有3种，包括方形阵列、三角形阵列和环形阵列，如图2所示。每次实验测试针对不同的阵列均采用的是相同型号相同数量的灯珠。

图2 阵列分布图Fig.2 Array distribution

结果表明，方形阵列在最大距离之内有较好的均匀性，三角阵列可以适当减小分布空间，利于在有限空间使用，圆环阵列相比前两者有更好的聚光效果，在排列半径内有比较好的均匀性，随着阵列中心到平面的距离增大，均匀性降低，考虑到色灯信号机应用于相距500 m以上居多，对高聚光、高指向性的需求大于均匀性需求。对比发现，圆环阵列满足铁路信号机高聚光、高指向性的要求。

圆环阵列各LED等间距均匀分布，如图3所示。根据TB/T2353—2016《铁路灯光信号发光强度》中对各颜色光强的要求，不同颜色灯珠数量可以略有不同。

图3 LED发光盘灯珠分布Fig.3 Distribution of LED emitting disc lamp beads

2 传统光源及小功率LED光盘Tra‐cepro仿真

2.1 白炽灯光学仿真

此次采用的是直丝聚焦式TX12/25型信号灯泡，其工作电压及功率为12 V/25 W，具体光学参数如表1，仿真测试采用Tracepro光学仿真软件，测试处于单灯空旷环境下，光源距测试板(1 m×1 m×30 mm)10 m。图4(a)给出的仿真结果为辐照图。

表1 直丝聚焦式TX12/25型信号灯泡参数Table 1 Parameters of straight wire focusing TX12/25 signal bulb

图像经过平滑度90度处理，采用区域坐标系辅助显示。根据图4(a)可知，TX12/25型信号灯在开放环境下10 m外遮板平均光通量维持在80 lm左右，而光照范围基本维持在光轴10°上下，发光强度可以达到1 600 cd。

2.2 小功率LED信号灯仿真

小功率LED信号机内部由数十甚至上百个小功率LED灯珠集成。以下以原中国铁路西安局集团有限公司LED灯盘为例。

测试灯盘光源额定功率为7.45 W，一共采用61颗直插式灯珠，单个灯珠发光功率0.1 W左右，单个LED二极管光通量约为6 lm。呈圆形阵列分布。通过Tracepro辐照仿真测试结果如图4(b)。

图4 辐照图Fig.4 Radiation diagram

测试结果表明，小功率LED发光盘在空旷环境下发光强度可达2 700 cd，相比传统直丝聚焦式TX12/25型信号灯，小功率LED灯盘能耗约为TX12/25型信号灯的1/3，发光强度约是其1.7倍，且小功率LED式灯盘具有可靠性高，免维修，寿命长等优良性能。更适合做信号机光源。但由于小功率LED是许多单一芯片采取外围电路集成，缺乏优良的整体协调性能，产品一致性较差。

随着大功率LED技术突破，使LED获得更高的取光率、较大的光通量，使光折损降低，同时更好地解决光的发散角度、均匀性以及与导光板的搭配等问题。大功率LED通过不同的封装结构方式，从而保持和提高产品的一致性、可靠性等整体性能，因此，信号机仅用极少数大功率LED灯珠布置在灯盘上以满足其光学性能成为可能。

3 新型LED信号机光性能研究

本次设计参考欧司朗(OSRAM)生产的中高功率SMD封装LED灯珠[14]，每颗绿色灯珠的光通量是151 lm/W，黄色灯珠光通量为98 lm/W，红色灯珠光通量为99 lm/W。

3.1 LED灯珠数量估算

下面对单个红色灯珠在功率为2 W时进行光学仿真测试(其他颜色不做缀诉)，光通量设为99 lm/W，参考OSRAM生产的OSCONIQ® P 3030。在Tracepro中生成LED的表面材质，对LED的光强分布进行模拟，经过40°平滑度处理。其单颗LED发光测试结果如图5。

图5 直角坐标光强分布图Fig.5 Light intensity distribution in rectangular coordinates

仿真模拟使用遗失光线得到相应结果。由于大功率LED灯珠封装设计导致发光范围较大，设置50°半角值，2 W有功功率。结果显示，相比小功率LED灯，单个大功率LED光强在空旷环境中可达340 cd，是现行直插式小功率LED光强的9倍，但是单颗依旧达不到行业要求，需要在加强其聚光性指向性后进行数量估算。针对大功率LED灯珠的发光角度太大问题，必须对透镜进行相应设计。通过Tracepro光学透镜设计，可将主要光线照射范围控制到中心光轴10°上下，此时中心光强可达1 900 cd，图6为加装透镜后极坐标系光强分布图。

图6 加装透镜后极坐标系光强分布Fig.6 Light intensity distribution in polar coordinate system with lens

进一步确定LED灯珠个数，须对LED信号机的总光通量进行计算。通常关于光通量的计算方法包括V-H系统法、积分球法、球带系数法。V-H系统法被广泛用于泛光照明器的计算；积分球法是将被测光源与标准光源进行比较从而求得总光通量的值，在传统光源的测量中被广泛使用；球带系数法用于估算灯具的最小总光通量，即根据灯具规定点的光强值来估算总光通量的方法。

本文采用球带系数法估算LED灯珠数量。信号机的光强度按式(6)计算：

式中：I为信号灯的光强度，cd；E为经过色修正后的光照度，lx；L为测试距离，m。

光强与光通量之间存在如下关系[15]：

如图7所示，立体角可表示为：

图7 立体角示意图Fig.7 Schematic diagram of solid angle

将式(8)代入式(7)后可得计算总光通量的公式如下：

对于轴对称光源：

如图8，将球面划分为n条大小相等的球带，各球带的发光强度值可分别表示为I1，I2，…，IN，由式(9)可推导得各球带的光通量如下：

图8 球带分割Fig.8 Ball belt segmentation

总光通量为：

由推导可知，式(12)成立的条件是各球带光强为常数：

实际情况中，I随着角度的变化而连续变化，I随角度线性变化更符合实际情况。

式(14)是优化后的球带系数法，是一种绝对测量方法，不受灯具尺寸限制，比普通球带系数法更加精准，适用于LED信号机光通量测量。

根据TB/T 3242—2010标准“LED信号机灯珠损坏数量达到30%±5%时应报警；数量超过50%±5%时应使灯丝继电器可靠落下。”综合考虑球带系数结果及冗余性选用绿色LED灯珠3颗，黄色4颗，红色3颗。

3.2 光强测试

铁道标准TB/T 2353—2018中规定了铁路灯光信号发光强度，其中高柱色灯信号机的光轴方向的光强度应不低于表2规定。

LED信号机的光强度测试结果如表2，图9为大功率红色LED光强分布测试结果，由于实际灯具不是严格对称的，因此给出不同方向上的光强分布，图9中采用了0°(蓝色)、45°(绿色)、90°(红色)、135°(天蓝色)4个角度用来表示4个法线所在切面的光强分布曲线。测试结果表明：红黄绿3色色品均符合铁路行业标准，其中红色采用3颗灯珠，一共6 W；绿色3颗共6 W；黄色由于在TB/T 2353—2018中规定光强在3 900 cd以上，满足需求的同时考虑可靠性，采用4颗灯珠，共8 W。

表2 色灯信号机光轴方向的光强度Table 2 Light intensity of light axis direction of color light signal

图9 红色LED光强分布Fig.9 Light intensity distribution of red LED

4 新式单灯位三显示信号机设计

根据上文对大功率LED灯珠的光学测试结果，提出建立单灯位多显示LED信号机的设计构想，即在同一发光盘上安装多种颜色灯珠，以三显示信号机为例，将3颗红色灯珠，3颗绿色灯珠，4颗黄色灯珠按图10所示分布。10颗灯珠(单灯所占面积3 mm×3 mm×2 mm)整体呈正九边形分布，中心位置放置黄色灯珠，各色之间均匀分布，单色呈正三角分布。通过光学测试，在同一发光盘上3颗红色灯珠光强可达3 860 cd(铁路标准2 100 cd)，3颗绿色灯珠3 818 cd(铁路标准2 800 cd)，4颗黄色灯珠4 396 cd(铁路标准3 900 cd)，均可满足铁路标准相关规定。红绿2种颜色工作时功率约为TX12/25型信号灯泡的1/4，黄色约为TX12/25型信号灯泡功率的1/3。新式信号机相比传统灯泡更加节能。