基于阈值增量的标准动态眩光源设计方法

2022-05-12乔卫东王嘉明

计量学报 2022年3期

乔卫东, 张恒, 王嘉明, 李奕

(1.西安理工大学机械与精密仪器工程学院,陕西西安 710048；2.陕西省计量科学研究院光学计量测试中心,陕西西安 710065)

1 引言

长时间遭受眩光会损伤人的视力，影响人们的身体健康安全[1,2]。眩光是指由于亮度的分布不适当、范围太大，或存在极端亮度对比，引起不舒适感或分辨物体细节能力减弱的一种视觉条件[3]。目前国内外众多学者致力于眩光的研究，Huang K等[4,5]基于察觉对比度法对隧道照明眩光展开研究；詹自翔等[6]论述了驾驶界面设计与照明之间的匹配关系，结合高速列车驾驶界面照明的特点，提出了一种基于统一眩光值(unified glare rating，UGR)眩光评估公式和小光源UGR修正公式的高速列车驾驶界面照明眩光评估模型；Yang Y等[7,8]研究了LED光源的均匀性和光谱功率分布对眩光的影响，提出了两种新的模型mUGRSPD和QUGRSPD，并用其主观实验结果验证了这两种模型的适用性，结果表明:mUGRSPD模型和QUGRSPD模型与主观评价存有较高的相关性；Andrew M.等[9]通过几何模型与实例分析研究了反射太阳光形成的眩光对高速公路拥堵现象的影响。Tashiro T[10]等研究了3种背景亮度下的LED不适眩光，且提出了一种新的mUGRAyama模型，用“有效眩光亮度(leff)”来取代眩光源的平均亮度。

在眩光测量仪的校准方面，相关研究人员设计了一款室内照明统一眩光值(UGR)校准装置，可对统一眩光值(UGR)量值进行校准，并可溯源至国家光亮度和几何参数计量基准[11～13]。但是室外道路照明场景和隧道照明场景中的眩光仍采用阈值增量(threshold increment，TI)进行评价，其测量装置的校准问题有待解决，因此设计一款基于阈值增量的标准动态眩光源不仅方便校准眩光测量装置，保证测量精度，还可以统一眩光测量标准，维护市场稳定。

2 室外道路照明场景的眩光评价指标

TI是国际照明委员会(International Commission on illumination，CIE)和中华人民共和国住房和城乡建设部推荐使用的户外道路照明眩光评价指标[14,15]。TI 指当出现眩光源时，为了达到相同良好的视看条件，物体与背景之间对比度需要提高的百分比，其计算方法公式[16,17]为

(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个灯具产生的初始等效光幕亮度,cd/m2；n是灯具数量。

3 标准动态眩光源的设计方案

为了保证背景亮度的均匀性，基于阈值增量的标准动态眩光源的结构必须满足在有限的实验室空间内保证眩光源背景亮度统一的要求[18,19]，而且在户外道路照明场景中，驾驶员视野中的景物存在明显的近大远小的现象，最终汇聚于视野消失点[20,21]，因此需要更好的模拟户外道路照明的真实场景，基于阈值增量的标准动态眩光源设计为左右轴对称结构，主要由眩光源主面板和左、右两块挡板组成，其设计结构不仅需要满足TI的测量要求，而且眩光源的布局规划和发光面积必须符合人眼视觉特性。

3.1 眩光源的结构设计

眩光测量仪校准系统结构如图1所示。根据CIE 140：2019-Road Lighting Calculations[17]确定测量TI时的水平视角θTI1和垂直视角θTI2。眩光源主面板的长为L1，高为L2。眩光源主面板由4块尺寸相同(l1×l2)的矩形面板组合而成。根据测量TI时的垂直视角和眩光源主面板的尺寸确定测量点与眩光源主面板之间的距离,测量点在眩光源主面板上的投影点与眩光源主面板的中心点重合。

图1 眩光测量仪校准系统结构示意图

已知测量TI时的垂直视角θTI2，眩光源主面板的半高度l2,则实验室中测量点与眩光源主面板之间的距离R′为

(3)

由测量TI时实验室中测量点与眩光源主面板之间的距离、眩光源主面板的尺寸、测量TI时的水平视角，可以确定左、右两块挡板的大小以及与眩光源主面板之间的夹角。

设眩光源主面板左挡板的最短长度为L3,左挡板与眩光源主面板之间的夹角为θL,则

L3=(R′·tan(θTI1/2)-l1)·cos(θTI1/2)

(4)

θL=π-(θTI1/2)

(5)

同理,眩光源主面板右挡板的长为L3,高为L2。

眩光源主面板和左、右挡板表面全部均匀喷涂高反射率的漫反射材料(硫酸钡涂层)，提高眩光源主面板及其左右挡板均匀性的同时保证其亮度水平。

3.2 眩光源的布局

图2是现实路灯照明场景。提取图2中的关键因素后得到的道路照明三维场景模拟图如图3所示,其中的S1、S2和S3分别表示现实环境中路灯1、2、3在视线方向的投影面积；H1、H2、H3分别为路灯1、2、3 对应的投影面S1、S2和S3的左上顶点与现实道路照明场景中测量点X之间的垂直高度差；D1、D2分别为路灯1与路灯2、路灯2与路灯3之间的间距；T为测量点X到路灯1、2、3连线的距离,垂足为Q；d为垂足Q至路灯1之间的距离,R为现实路灯照明场景中测量点与路灯在视线方向上的投影面积之间的距离。

图2 现实路灯照明场景

图3 道路照明三维场景模拟图

图4 标准动态眩光源主面板示意图

P为古斯(Guth)位置指数，当现实路灯照明场景中测量点与路灯在视线方向上的投影面积之间的距离R、现实路灯照明场景中测量点到路灯连线的水平距离T、现实路灯照明场景中测量点与路灯之间的垂直高度H确定时，T/R和H/R随之确定，则P唯一。

在符合人类视觉特性的前提下,为了得到标准动态眩光源中各个眩光源的坐标,需要保持标准动态眩光源中每个灯具的P′均与现实路灯照明环境三维场景中对应灯具的P相等,则根据现实路灯照明场景中测量点与各个路灯之间的位置关系,可知：

n=1,2,3，…,k

(6)

n=1,2,3,…,k

(7)

3.3 眩光源的发光面积

ω为现实环境中对应路灯的立体角,当现实路灯照明场景中，测量点与路灯在视线方向上的投影面积S之间的距离R、测量点到路灯连线的距离T、测量点与路灯之间的垂直高度H和路灯在视线方向上的投影面积S确定时,ω唯一。

保持基于阈值增量的标准动态眩光源装置中，每个眩光源的立体角ω′均与ω相等,不仅可以得到每个眩光源的面积,而且能够使其符合人类的视觉特性。根据现实路灯照明场景中测量点与各个路灯之间的位置关系得到：

n=1,2,3,…,k

(8)

4 标准动态眩光源仿真系统

汽车处于高速运行状态时，驾驶员视野内的景物处于连续变化状态，因此驾驶员感受到的环境亮度也在持续变化。为了模拟这种动态的环境亮度，基于人眼的视觉惰性特点，眩光源亮度变化的最低频率不应<24 Hz[22,23]。

根据城市道路照明设计标准(CJJ 45-2015)的规定[15]，城市道路的非道路照明设施对汽车驾驶员产生的眩光TI不应>15%。为了匹配多种道路照明情况，提高标准动态眩光源的适用范围，设计的标准动态眩光源的TI覆盖范围应该在15%的基础之上进行适当的拓宽。

为验证基于TI的标准动态眩光源设计方案的可行性，利用虚拟仪器(LabView)搭建的基于TI的标准动态眩光源光源仿真系统主界面如图5所示。

图5 标准动态眩光源仿真系统主界面

基于TI的标准动态眩光源仿真系统设置有两种校准模式：校准模式1适用于不同场景中，同一眩光值的模拟，即在最高输出频率为24Hz的情况下，每秒最多输出24个相同的TI值，但是产生每个TI值的光源亮度组合不同；校准模式2适用于不同场景中，不同眩光值的模拟，即在最高输出频率为24 Hz的情况下，每秒最多输出24个不相同的TI值，产生每个TI值的光源亮度组合也不同。

基于TI的标准动态眩光源主面板上共有6个光源，每个光源设置有600 cd/m2、750 cd/m2、1 000 cd/m2、2 000 cd/m24个亮度等级，选取TI在 4.0%～16.0%范围内的光源亮度组合并将其输出，表1为基于TI的标准动态眩光源仿真系统输出的部分数据。

表1 标准动态眩光源仿真系统输出的部分数据

图6为基于TI的标准动态眩光源仿真系统输出数据的折线图。

图6 标准动态眩光源仿真系统输出数据的折线图

当瞬变显示环境标准动态眩光源仿真系统按照校准模式1工作时，其模拟的是不同场景中的同一眩光值(此处预设的TI=10)，仿真结果如图7所示。

图7 标准动态眩光源仿真系统校准模式1的结果

调整该仿真系统，使其工作在校准模式2时，其模拟的是不同场景中的不同眩光值(此处预设的TI范围为4.0%～16.0%)，仿真结果如图8所示。

图8 标准动态眩光源仿真系统校准模式2的结果

通过以上仿真可知，瞬变显示环境标准动态眩光源的设计符合人眼视觉特性。在两种校准模式下，瞬变显示环境标准动态眩光源的最高输出频率均不小于人眼分辨频率，而且其产生的眩光覆盖范围广，满足各种眩光测量仪的计量校准需求。

5 标准动态眩光源测试实验

5.1 可覆盖眩光范围检测实验

测试系统在光学暗室中搭建,眩光源主面板为3.0 m×2.6 m,左右挡板为1.7 m×2.6 m,挡板与主面版之间的夹角为120°。眩光源主面板和左右挡板的表面都均匀喷涂了硫酸钡漫反射材料,主面板上安装了6个亮度范围为500 cd/m2～3 000 cd/m2的均匀矩形光源作为模拟眩光源,背景亮度范围为5 cd/m2～20 cd/m2,两组均匀投光灯提供。计算TI标准值需要准确测量眩光源和背光源的亮度值和几何位置参数。使用高精度的光谱辐射亮度计配合三维几何调整机构精准测量其亮度分布和位置信息,亮度值和几何量值均可溯源至国家计量基准。采用KONICA MINOLTACS-2000分光辐射亮度计采集各个眩光源的亮度信息,通过NET05全站型电子速测仪获取测量点与各个眩光源之间的位置以及角度信息。

为了测试本系统的可覆盖眩光范围,校准模式采用校准模式2,在背景亮度为8 cd/m2时采集的部分数据如表2所示。

表2 采集的部分标准动态眩光源数据

动态眩光实时变化情况如图9所示。

从图9中可以看出，瞬变显示环境标准动态眩光源产生的最大眩光TI值为26.7%，最小值为8.0%，覆盖了户外路灯照明环境中的绝大部分眩光值，符合眩光测量仪的校准要求。

图9 标准动态眩光源校准模式2结果

5.2 动态性能检测实验

动态性能检测该系统采用LFA-3000-V200光源频闪测量仪检测眩光源的闪烁频率,光照度随时间变化的波形如图10所示,每个台阶代表实验空间中一个照度等级,每个照度等级对应一个TI值,因此图10(a)中表示该实验空间中每秒变化5个TI值,其照度刷新频率为5 Hz；同理,图10(b)和图10(c)中分别表示该实验空间中每秒变化10个和24个TI值,其照度刷新频率分别为10 Hz和24 Hz。