照度自动控制系统（共6篇）
照度自动控制系统 篇1
0 引 言
近来, LED应用技术和灯具设计水平的提高为自动道路光学检测系统提供了巨大的机会。由于这些基础技术的蓬勃发展, 今天的LED光学测试系统终端能够进行更高分辨率和更高精度的检测。尽管LED照明测试技术近年来有所提高, 但仍不能弥补存在的一些不足。如:只使用单个灯具进行光学测试的局限, 没有针对若干个灯具相互影响情况下的测试。这使得测试精度和数据稳定性降低, 解决办法是模拟全部的真实环境, 减小人为、设备变换造成的影响。
现在, 计算机和软件辅助设计技术不断提高, 借助于此, 通过研究一些实际的道路环境和光学测试的应用科学方法, 提出了一种基于照度自动采集的光学测试系统方案。
1 技术背景
目前道路照明产品的检测和验收主要依据CJ45-2006《城市道路照明设计标准》。现阶段路灯照度数据主要通过道路现场直接测试获得, 测试方法主要是将灯具安装在灯杆上, 在对应地面按要求标识测试点位置, 使用照度计人工逐个测试路面照度, 此种测试方式有如下不便之处:现场测试需要前期标注测试点, 因每次测试点、测试人员、测试仪器、测试方法不同, 导致所测试数据有较大偏差;现场测试需要测试很多点的照度值, 而且, 灯杆高度和灯杆间距都固定不变, 所测数据可靠性明显降低。此种测试方法不仅耗时耗力, 且准确度不高, 在光学测试系统中, 关键的变量包括精确的位置控制和快速收敛特性, 在这样的随机环境下, 进行快速精确的点对点移位, 是比较困难的问题。因此, 道路光学测试系统及其方法研究是当前灯具研发机构必须考虑的重要技术方向。
2 系统的工作原理和组成
本系统主要由主控系统和测试系统终端两部分组成。主控系统包括一个单片机系统A、键盘、软件、液晶显示屏、通信模块A, 测试系统终端由照度探测器、单片机系统B、A/D采样单元、地址编码单元、相应的通信模块B组成。主控系统主要在路灯控制端安置, 负责收集从机数据, 分析数据, 发送指令;测试系统终端则直接安装到每个测试点上, 负责现场的数据采集和传输, 执行主控系统的指令, 一台主控系统可以控制多个测试系统终端。
主控系统通过网络信号线的串行通信方式对测试系统终端进行监控, 一个通信数据包由8位数据组成, 第1、2位是主控系统标识, 第3位是命令, 第4、5位是测试系统终端地址, 第6至第8位为数据。主控系统采用广播方式发送命令数据, 测试系统终端收到通信包后进行数据分析:一是识别主控系统是否为自己的上级主控系统, 二是识别测试系统终端地址是否为自己的地址, 只有在全部确认无误后测试系统终端才执行命令和相应的操作。
测试系统终端直接监控地面照度的状态, 通过信号线接收电路接收来自主控系统的指令, 并执行相应的操作;完成对路面照度的采样处理, 并根据数据分析判断地面光照度的分布状态是否正常。如果分布状态异常, 执行相应的操作, 并把数据和警告发送给主控系统, 再通过一些正确的操作调整测试位置, 得出正确的数据输出。
2.1 照度探测器原理
照度探测器是一种感应光线强弱的传感器, 在光敏传感器中, 感应光强度不同, 照度探测器内的电压值就会有变化, 根据电压变化值与参考值的比较, 得出要输出的光学参数值。
2.2 照度探测器的结构
照度探测器中传感器内装有一个高精度光电管, 光电管内有一块由“针式二极管”组成的小平板, 当向光电管两端施加一个反向固定电压时, 任何光源的冲击都将导致其释放出电子, 结果是, 光照强度越高, 光电管的电流也就越大, 电流通过一个电阻时, 电阻两端的电压被转换成可被模数转换器接收的0～5 V电压信号, 然后把采集的数据以适当的形式保存下来。简单地说, 探头内传感器感应路灯投射在地面对应点上的光的强度, 以一定的方式被记录和处理。
3 系统的工作流程和步骤
3.1 系统测试流程图
系统测试流程如图1所示。
3.2 安装灯具
图2为灯具布局方式图, 图3为实物应用现场图, 根据不同的使用场合, 路灯灯具的配置有单侧配置, 双侧对称或不对称配置和多侧配置多种方式, 采用可升降滑轨式灯杆, 灯杆纵向有导轨, 间距可自由设定, 测试时可以依据路灯实际使用的高度和安装间距调整灯具悬挂高度和灯杆间距, 这样大大提高了测试工作效率并减轻了工程安装工作量, 可测试不同布局安装间距和高度的路面光学情况, 测试点按照上述的布局方法可分为:单侧布置、双侧交错布置、双侧对称布置、中心对称布置、横向悬索布置。
3.3 照度探测器探测开关灯
测试人员白天将所测灯具安装在灯杆上, 连接好电路, 照度探测器探测环境光强度, 当环境光强度低于设定值时, 执行开灯程序。
3.4 光学测试开始
如图4所示, 在测试现场两个路灯杆区域内标注固定测试点, 在图4标测网格的中心部位, 每个测试点对应放置一个照度探测器, 同时设定一个测试系统终端, 在标测网格内设置若干个照度探测器, 将照度探测器固定在网格交点中心, 同时在地面放置网线 (通过有线传输信号) , 通过远程传输, 终端接收每个测试点的照度测试值, 同步显示并计算平均照度、均匀性能等指标。这样不仅使工作效率大大提高, 还可确保测试的重复性和再现性, 测试探测器数量和密度越高, 测量精度越高, 这大大提高了测试准确度。而且, 该测试系统终端周边的灯杆的安装高度和灯杆间距都是可调节的, 适用于不同类型的道路, 这对道路照明设计阶段的基础光学测试有非常重要的作用, 该测试系统终端可以作为企业内部设计验证或检测机构的重要测试平台。
3.5 数据采集
光敏传感器利用光敏电阻受光线强度影响而阻值发生变化的原理向机器主机发送光线强度的模拟信号。数据采集可以设定采集周期和采集频率, 主机接收后将模拟信号转换成数字信号, 保存在存储器中。
3.6 数据运算
对主机存储器中的数据进行处理分析, 根据适用道路条件, 按如下方法计算得到路面平均亮度、路面亮度总均匀度、路面纵向亮度均匀度、路面平均照度、路面照度均匀度、阈值增量和环境比。
(1) 平均亮度Lav
平均亮度Lav是由计算点得到的亮度算术平均值。运用式 (1) 确定某一点的亮度
式中:L是维持亮度, 单位为cd/m2;∑是来自所有灯具的亮度贡献总合;I (C, γ) 是 (C, γ) 方向的光强, 单位为cd/klm;r是用 (β, ε) 角度坐标表示的入射光线的简化亮度系数;Φ是每个灯具光源的初始光通量, 单位为klm;MF是光源光通量维护系数和灯具维护系数的乘积;H是灯具在道路上的安装高度, 单位为m。
(2) 总均匀度U0
总均匀度U0是亮度最小值和平均值的比值。
(3) 纵向均匀度UL
纵向均匀度UL是沿每一条车道 (包括机动车道的硬肩) 中线纵向的最小亮度和最大亮度的比值。纵向的点数 (N) 和间距应与平均亮度计算相同, 观察位置应在计算点的同一排线上。
(4) 道路平均水平照度Ehav
平均水平照度Ehav是由计算点得到的照度的算术平均值。运用式 (2) 确定某一点的水平照度
式中:Eh是这一点的维持水平照度, 单位为lx;∑是来自所有灯具的亮度贡献总合;I (C, γ) 是 (C, γ) 方向的光强, 单位为cd/klm;ε是这点上光线的入射角度;γ是垂直光度角度;H是灯具在道路上的安装高度, 单位为m;Φ是每个灯具光源的初始光通量, 单位为klm;MF是光源光通量维护系数和灯具维护系数的乘积。
(5) 水平照度均匀度UEh
水平照度均匀度UEh是最小照度和平均照度的比值。
3.7 数据分析
对由计算机软件记录的实测数据进行分析, 系统能够有效采集测试点的照度值, 从而实现路灯的光学技术指标的模拟及实地测试。该系统能根据光线的不同情况 (即白天或黑夜) 进行照度探测器的自动开关控制, 达到测试的目的。
3.8 数据发布
主控系统包含显示屏 (触摸设计) 和测试软件, 通过485接口传输信号, 构成“自动采集的道路光学测试系统终端”, 借助这个平台, 管理人员在信息中心就可以将测试好的各种测试信息, 通过网络传递到指定地点, 通过装设好的显示终端, 以文字和图表方式显示出来。
4 技术方案的优势和特点
该方案具有以下特点:
a) 准确度高。该系统排除了手工测试带来的测量不确定性, 准确度高。
b) 效率高。该系统节省了在测量不同安装高度和不同灯杆间距时的重复安装的时间和人工, 效率大大提高。
c) 检测信息储存于档案服务器中, 使用者可以轻易获取, 或通过网络联机, 数据显示直观, 用户测试过程成为一项简单操作, 适合各种类型的道路照明光学测试。
5 结束语
综上所述, 基于照度自动采集的道路光学测试系统的试用结果表明, 系统具有实现监测和控制的功能。监测部分, 由光学照度探测器传感器接收地面光源, 经过光电转换为模拟信号, 再通过A/D电路采样转换成数字信号, 输入计算机中;控制部分, 由相应的光学软件处理, 计算机运算得出结果并输出, 再通过D/A 转换, 送到执行机构执行, 自动采集的道路光学测试系统终端实现了信息采集的统一化管理, 信息传递快捷、方便, 显示效果多样灵活, 技术方案构思合理, 测试效率高, 工作可靠, 适用于各种类型的道路照明。
总之, LED照明光源技术在近几年取得了巨大的进步, 并在相关道路照明行业广泛应用, 而自动采集的道路光学测试系统终端已经从道路光学测试系统终端的最新改进和应用技术的提高上获得了巨大的技术进步。
参考文献
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[3]孙建国, 鲍康, 韩立成, 等.基于照度自动采集的道路光学测试系统及其方法[P].中国专利:201010142523.1, 2010-03-31.
照度自动控制系统 篇2
近年来, 随着社会能源保护意识的增强, 智能照明系统的应用已成为一大研究热点。与此同时, 当代港口的角色已经从交通运输中的基础设施转变成了资源配置重要枢纽, 是运输及贸易过程中的重要环节, 我国港口技术的高速发展对港口照明系统提出了更高的要求[1]。
国内外很多企业已经开展对节能产品、节能系统的研究和开发。例如, IBM公司推出的智慧电力系统, Siemens公司开发的智能楼宇系统, Schneider Electric的能效管理平台等;很多高校也纷纷加大对智能照明系统的研究, 例如, 哈尔滨工程大学的徐勇研究设计了“基于ZigBee无线传感器网络的智能照明系统”, 复旦大学江磊的“基于高效率LED驱动器及ZigBee网络的智能照明控制系统”, 武汉理工大学周海的“智能路灯节能控制系统研究”等[2], 这些研究推动了智能照明系统及LED照明技术的发展。
港口对照明系统要求较高, 而其环境又复杂多变, 存在灰尘、雨雾、器械移动等很多影响照度的因素, 在对现场的光照度进行实时检测和控制基础上, 为达到平滑控制的效果, 引入PID算法来完成恒照度控制。
1 系统设计
系统需要实现实时自主调控, 同时将信息反馈至控制中心, 并能接收控制中心的信息, 实现人为控制[3,4]。系统框架主要分为4个部分:单片机为核心的控制部分;光强传感器的信号输入部分;LED光源的控制量输出部分;用于交互的输入输出部分。
光强传感器将实时照度信息电信号传输至单片机, 单片机根据计算结果控制PWM输出驱动电压, 从而驱动LED, 达到照明目的, 用于交互的输入输出端, 可以实时将系统工作情况经过无线传输, 发送至控制中心, 同时接收控制中心指令, 达到控制的目的。
控制系统的结构框图见图1。
2 系统硬件设计
照度检测功能的实现为恒照度的实现提供了依据, TSL2561是第2代的环境光传感器设备, 每个包含2个集成的AD转换器, 转换内部2个光电二极管的电流。转换周期完成后, 将转换结果分别传送到通道0和通道1的数据寄存器, 为确保数据的完整性, 传送数据采用双缓冲。数据传送完成后, 设备将自动开始下1个积分周期。TSL2561可直接通过I2C总线协议由主控芯片访问, TSL2561还支持中断功能, 省去程序定时查询传感器的光强度值, 提高了程序执行效率。中断功能的主要目的是检测光照强度相关的变化量, TSL2561能定义当前光照水平阈值的上限和下限, 当转换结果超过这个范围时, 产生1个中断信号。
图2为照度传感器TSL2561的工作电路图, PIN2为器件起始地址设置位, 这里置1, 其写寄存器地址为0x92, 读寄存器地址为0x93。PIN4为中断引脚, 连接到主控芯片的PA4管脚。PIN4, PIN6分别为I2C通信的数据线和时钟线。其中, R13, R14为上拉电阻, 作用是保证有正常的高电平输出, R16, R20为限流电阻, 起到保护传感器的作用。
3 PID控制器实现
3.1 PID控制器原理
PID控制器是由3种基本的控制组合而成, 作用分别是比例作用 (P) 、积分作用 (I) 和微分作用 (D) [5]。文中的恒照度算法中, 包括了照度值采集、数字PID控制器和执行模块3个部分, 其中照度值采集部分负责采集并滤波处理照度值作为PID控制器的输入值, 数字PID控制部分负责将输入值与预设定的照度标准值进行计算, 最后执行模块负责执行计算出来的结果, 具体表现为对PWM信号的控制。
在系统中, 设定采样周期T, 采样获得离散数据。目标值R (k) 与反馈值B (k) 的差值构成了控制误差量E (k) , 误差量E (k) 经过比例项Kp、积分项KiZ-1、微分项KdZ运算后求和, 从而输出控制变量[6,7]。PID控制器的输出U (k) 与输入E (k) 之间的关系式为
式中:Kp为比例增益;Td为可调微分时间常数;Ti为可调积分时间常数。
数字PID控制器框图见图3, 其传递函数为
式中:R (z) 为参考值;B (z) 为反馈值;E (z) 为误差;U (z) 为控制变量;G (z) 为被控对象 (LED灯) ;C (z) 为被控变量 (照度值) ;H (z) 为照度传感器。
根据Ziegler-Nichle第2法则, 实验可测得临界增益KPS和震荡周期TS。对于PID控制器可取经验值Kp=0.6 KPS, TI=0.5TS, Td=0.125TS。
3.2 PID软件实现
在过程控制和运动系统中, PID调节以其算法简单、可靠性高而成为技术最成熟应用最广泛的一种调节方式。即使对于非线性、时变不确定性而难以建立数学模型的对象, 采用数字PID技术也能实现智能控制, 达到满意的效果。文中的嵌入式系统PID算法及其计算程序如下, 首先是定义PID结构体:
结构体结构体中包含了计算中用到的各种变量, 然后根据式 (1) 编写PID计算程序见图4, 输入量为照度传感器的采样值, 输出为补偿照度的数字控制量, 算法程序如下。
4 系统测试
为检测PID恒照度算法在实际工作中对照度控制的情况, 在实验室环境下搭建了实验平台。
LED灯安装高度3.5m, 照明传感器放置于高为0.7m的办公桌上, 实验从晚上8点开始, 1次进行2h的采样测试。测得的PID控制下的LED照度曲线, 见图5。
图5中虚线为程序设定的照度值, 实线为实际照度值, 在每次程序指定照度值突变的情况下, 控制程序开始响应, 响应初期会出现超调现象, 但很快稳定到设定值, 同时存在一些微小波动。
测试结果表明, 文中的PID恒照度算法可以快速响应控制要求、稳定所测环境的照度, 稳态误差不大于1%, 实现了恒照度的功能。
5 结束语
笔者提出了恒照度实现的PID算法, 详细介绍了算法原理并给出了软件实现代码和系统测试, 仿真测试结果表明系统通信功能达到稳定实时的要求, PID恒照度算法能自适应外界因素的影响而及时准确的将照度调节到指定值, 其他各项功能也均稳定可靠。
摘要：针对港口LED照明智能控制系统的调光环节, 以Stm32芯片为控制器, 使用TSL2561传感器芯片对工作场所实时光照度进行采集, 通过神经网络PID算法实现在线实时参数整定, 计算后得到精确的调光参数, 使照度迅速及时调节到指定照度范围, 从而达到恒照度控制的要求。
关键词：恒照度控制,神经网络PID,智能控制
参考文献
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[6]张卫东, 袁艳, 张泰山.神经网络PID算法在光照度控制系统中的应用[J].微计算机信息, 2004 (12) :14-15.
照度自动控制系统 篇3
近年,随着立体交通、城镇高速以及汽车制造业的快速发展,道路上的汽车数量和汽车的行驶速度都在不断提高。出于对行车安全因素的考虑,对前照灯配光性能的检测越来越受到汽车电子行业的重视,国家也制定了相关的检测标准。前照灯的检测项目主要包括光照度、光轴方向以及光形检测。如何才能精确、快速、高效的得到检测结果进而为汽车的安全性能提供一定的保证已经成为相关技术行业研究的重要课题。
目前,前照灯配光性能的检测方法主要有三类,一类是人工逐点、逐区测试法。此类方法主要由操作工手动测量特定点以及特定区域。由于存在精度低与实时性差的缺点,这种方法是不可取的。另一种方法是灯具旋转法。该方法主要通过两个旋转轴的协调来实现对屏幕上每点的扫描,接着由放置在配光屏HV点处的光探测器进行数据的测量。灯具旋转法的优点是只用一只光探测器在一点上测试可以很好的消除杂散光的影响且精度很高;缺点是所需空间较大,灯具的不断旋转只能保证测试点位于不同的弧线上,并不一定在同一角度的直线上,进而需要复杂的位置校正。而且采用逐点扫描,对于整个屏幕来说所用时间相对较多、速度相对较慢。还有一种方法为全屏幕摄像测试法。这种方法是基于CCD图像传感技术,将采集到的前照灯在25 m外测量屏幕上的照度分布数据通过图像采集卡送入计算机,通过相应的图像处理技术来实现对配光性能的检测。该方法的优点是测量时间较短,能够取得完整的光强分布数据,相对灯具旋转法测量精度、实时性与自动化水平更高。但是缺点是此种方法占地面积大,且光轴与HV点的对正问题会给数据的测量精度带来一定的影响。
本文在研究全屏幕摄像测试法的基础上进行改进,在车灯前150 mm处加入透镜,同时将接收屏幕放置于透镜的焦距处。从物理光学的角度分析,由于透镜系统具有良好的聚光性以及较高的光学效率,整个系统的占地面积被大大缩小,同时也能够真实准确的反应汽车前照灯的照度分布特性。我们通过找到配光屏实际坐标系与前照灯照度分布之间对应的关系,由光学仿真软件LightTools进行整个系统建模来验证设计的正确性,实验结果表明此项改进方法在配光性能检测方面具有非常高的检测精度和检测速度,实用性较强。
1 系统结构设计
本文旨在全屏幕摄像测试法基础上进行改进来达到更好的检测效果。全屏幕摄像测试法的结构图如图1。具体改进的设计步骤如下:
方案1:我们将一个300 mm×400 mm矩形菲涅尔透镜放在前照灯前方L1=150 mm处,透镜的焦距等于600 mm。在透镜的上方放置CCD图像采集设备,在前照灯前方L2=750 mm处,也就是透镜的焦距处,放置一个800 mm×600 mm的幕布。
方案2:将上述菲涅尔透镜换成一个边缘厚度d=10 mm,中心厚度σ=96.8 mm,焦距f=600 mm,半径R1=R2=605.3 mm,弦长L=450 mm的球透镜。其中,光源距离球透镜第一个主面的距离为150 mm,幕布距离第二个主面的距离为600 mm。具体设计结构如图2所示。
系统工作原理如下:打开前照灯的控制电源,车灯产生的光线通过透镜照射进暗箱。由于150 mm的距离远小于透镜的焦距,光线由此在暗箱的屏幕上聚成一个光斑。我们通过暗箱内的CCD摄像头将所采集到的屏幕图像送入计算机进行相应的算法处理。这里采用视觉子系统的主要原因是其能够快速、实时的对屏幕上前照灯光能分布进行采样、存储以及数据处理,而且CCD像面元素的照度和时间的乘积等于曝光时间t,它可以很好的反映CCD接收到的光信号强度。在低照度下(E<100 lx),CCD的输出电压与照度有良好的线性关系。这样经系统采集卡数字化后的CCD面元信号的数字量(也就是灰度值),便可以与检测幕布上的照度值之间建立对应关系。
2 系统建模
根据光度学原理,我们可以推算得到CCD像点面元轴上点照度与屏幕上光源射入微小面积内的照度之间的对应关系。而且由于CCD输出的脉冲调制信号经过低通滤波后就变成在时间上连续的模拟视频信号,图像采集卡对其进行量化编码,最终得到数字图像。在曝光时间固定的情况下,可以得到图像灰度-屏幕照度对应关系:G=cV=c(a Hγ+b)=c[a(Eit)γ+b]。其中:G是待测点的灰度,c是输出信号电压V与图像灰度G的比例系数(c不是一个固定系数,主要由系统参数决定),b是当底片上单位面积在t时间内接收到的曝光量H=0时CCD输出的暗电压,Ei是待测点在CCD上对应的像点的点照度,a是CCD的光响应度,γ是光电转换系数。由以上关系式我们可以利用LightTools来对系统进行建模。建模主要分为光源坐标系统的建立、菲涅尔透镜和球透镜建模、接受屏建模和测试光源建模。本系统中把前照灯光源作为光线追迹的起始点,光源沿Z轴放置,照射方向沿Z轴正向,灯丝中心为坐标原点,长度单位:mm;照度单位:lx,原理图如图3和图4所示,其中透镜L(L′)的光轴位于Z轴上面,透镜面背对光源:
3 系统比对
3.1 菲涅尔透镜照度检测系仿与全屏幕检测系统仿真效果比对
为了验证本系统设计结构的有效性以及精确性,我们分别通过研究这两种透镜对前照灯照度分布的影响以及透镜的光学效率和光能损失等光学特性,由光学软件LightTools进行了整个系统的测试仿真。
试验过程包括:1)分析透镜的照度检测系统的具体照度测试情况以及光斑的变化情况;2)在相同比例的坐标点上,照度值的变化情况以及照度最大值点的位置坐标改变等。
图5∼7为菲涅尔照度检测系统、全屏幕照度检测系统与真实车灯光照系统的照度分布检测比对效果图。虽然菲涅尔透镜的光学效率较高,前照灯照射在上面的光能损失较小,但我们可以从LightTools仿真的照度效果图上很容易看出,菲涅尔透镜的设计结构对光能的分布造成了较大的影响。
各仿真模型在X轴和Y上的照度数据如图8所示。图8分别显示了全屏幕照度检测系统和菲涅尔透镜照度检测系统在LightTools上设定仿真光线为60万根时,分别在X轴和Y轴上的照度数据比对。由于透镜的聚光特性,上述仿真系统图的坐标轴是通过对应坐标一定的拉伸比得到的。假设25 m全屏幕照度测试系统照度接收屏上的坐标为X和Y,菲涅尔透镜检测系统坐标为X′和Y′。则对应的关系表达式可以表述为:X′=8.58X,Y′=7.71Y。通过在Matlab上进行的逐行高斯曲线拟合,我们可以计算得出菲涅尔透镜照度系统到全屏幕照度系统的平均反演误差达到了60.01%,这在工业上是不允许的。
3.2 球透镜照度检测系仿与菲涅尔透镜检测系统仿真效果比对
为了解决上述菲涅尔透镜对车灯光照能量分布所造成的较大影响,我们设计了球透镜照度检测系统模型,照度分布效果图如9所示。根据光学研究,我们知道球透镜也具有非常高的光学效率,由此前照灯照射在透镜上也损失较少的能量。从LightTools仿真的照度效果图9我们可以很清楚的看出,球透镜的照度仿真效果与前照灯真实的照度分布图形非常接近。与菲涅尔透镜系统的研究方法相同,首先选择球透镜照度分布图上的特定区域,将其各个坐标点上的照度值反演到25 m测试屏上相应坐标区内。在图8中X轴和Y检测系统仿真模型上,X轴和Y轴上的照度数据小如图10、如图11所示。
从图10∼11中我们可以看出,球透镜测试系统很好的再现了全屏幕的照度曲线,尤其是两个峰值的再现程度非常明显,这一点是明显优于菲涅尔透镜的。
根据上述菲涅尔透镜系统比对条件,我们假设25 m全屏幕照度测试系统照度接收屏上的坐标为X和Y,球透镜对应的坐标为X″和Y″。则球透镜对应的坐标表达式为:X″=0.175X,Y″=0.097Y。根据各坐标轴照度曲线图可知,球透镜相对于菲涅尔透镜在全屏幕照度测试改进系统中的运用有更高的精度。通过在Matlab上进行的逐行高斯曲线拟合,球透镜照度检测系统的平均反演误差只有4.75%。对于球透镜来说,无论从光斑形状还是照度分布情况上来看,都能够较好的反应25 m全屏幕照度检测系统的照度分布图。因此,球透镜作为汽车前照灯照度分布CCD检测系统的透镜系统,其照度检测效果是比较理想的。
4 系统验证
通过对球透镜照度检测系统的研究分析,我们得出该系统相对全屏幕测试系统的优越性。现在我们就来对系统的可行性进行实验验证。图12为GB 4599—94汽车前照灯配光性能国家标准光照分布图。GB4599—94标准中规定,前照灯的配光要求其近光有足够的照明和不炫目,远光具有良好的照明。图中HV为过灯具基准中心的水平线与配光屏幕的垂足。
本次系统照度检测验证主要基于对近光区域照度的测量验证,采用白炽灯前照灯作为光源。根据图2的系统改进设计,我们通过试验验证得到真实数据与测量数据之间的比对,如表1所示。
我们通过高精度照度计分点、分区域测量出待测前照灯的真实光照数值,在通过由球透镜和CCD组建的光照检测系统对前照灯近光进行照度检测。从表格数据可以看出,通过真实值与测量数据的比较,采用球透镜改进后的前照灯近光照度检测系统具有非常高的精度,平均误差不超过7.5%,完全符合GB4599—94汽车前照灯配光性能国家标准检测要求,具有很强的实用性和创新性。
5 结论
在通过对全屏幕摄像测试法的改进以及运用不同透镜对测量照度的影响分析基础上,本文利用照明光学系统仿真软件LightTools建立前照灯照度分布CCD检测系统模型。分别研究了采用菲涅尔透镜和球透镜的照度分布测试效果。作为评价标准,在认真研究汽车前照灯配光性能国家标准的基础上建立了25 m全屏幕照度分布检测系统的仿真模型。并且通过Matlab仿真软件研究了两种透镜系统照度检测结果反演到25 m全屏幕照度检测照度值的反演误差。在一定精度范围内认为菲涅尔透镜不能很好的反映国家标准中照度分布情况的测量,但球透镜的照度检测结果比较理想。根据光学理论,光在球透镜系统中传播时,一定会发生能量的损失。这些损失方式包括:光在折射面上的反射损失、穿过介质时的吸收损失以及介质透射损失。另外,球透镜在加工过程中产生的内部气泡、杂质和局部的浑浊物都将导致光的散射;球透镜表面粗糙不平还会带来光的漫反射与漫折射。但根据理论分析和计算,这些光能损失在对前照灯的照度检测不会带来较大的影响。此外,根据光学成像规律,球透镜照度检测系统还解决了占地面积过大、测量精度不够的问题。利用CCD的空间采样特性,将照射在测试屏幕上的照度图像通过图像采集卡对其进行量化,将各像元的数字量反演成各点的照度值,提高了系统的实时性,节约了人工成本。
参考文献
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照度自动控制系统 篇4
温室大棚技术是近年来逐步发展起来的一种资源节约型高效设施农业技术,它突破了传统农业种植受地域、季节、气候、自然环境等因素的限制,为农业提供了适宜生长的环境。而光照作为植物生长的三大要素之一,是农作物制造养分的必要条件,也是形成温室小气候的主导因素[1]。因此,使用光照度计对温室大棚的光照度进行测量是十分重要的。
1 系统组成
温室大棚数字光照度计系统分为3个部分(见图1),包括数据采集部分、微处理器控制部分和通信部分。采集部分采用两个S1087型硅光电池组成差动结构,经过前置放大电路和程控差分放大电路的调理,实现光照数据的采集。在微处理器的控制部分,以MSP430F149作为控制核心,将采集到的光照数据进行A/D转换,然后根据所得的采样值控制模拟多路开关,以达到量程自动切换的目的,并可将光照度信息存储和实时显示。同时,将测量的光照值与阈值比较,当光照度超过设定的阈值时,采取相应的遮阳和补光处理。通信部分的GSM模块,当光照度值不在设定范围内时实现短信报警。
2 硬件系统设计
微控制器是系统的核心,控制着整个系统各个模块的工作,所以微控制器的选择在本设计中至关重要。MSP430F149是一款16位的超低功耗单片机,具有12位的数模转换器(ADC12);拥有大容量的存储空间,包括多达60K Flash ROM和2K RAM;两通道的串行通信接口,可以满足GPS、GSM工作的需要。
2.1 电源转换电路
由于GSM模块工作电压高于单片机MSP430F149和GPS模块所需电压值3.3V,故该装置需要两路电源转换电路[2]。两路电路采用了可调整开关型降压稳压芯片LM2576、KA78R05及高效线性电源转换芯片ASM1117-3.3。其中,一路将12V的电压通过芯片LM2576转换成3.6 V电压,供给GSM模块。这里C2用作对12V输入电源滤波,因为LM2576为开关电源,需要电容和电感做储能元件,利用其进行充放电,并通过改变占空比来改变充放电时间,实现输出电压的改变。D1、L1、C5的功能是进行充放电,并依据芯片Datasheet选择参考值,R1、R2是两个分压电阻,送回Feedback端,其分压决定了Vout的大小;C3、C4电容起滤波作用。另一路先通过KA78R05把12V电压转为5 V电压,再经ASM1117降压至3.3 V电压供给主控制器及GPS模块。KA78R05是一款输出5V的低压差稳压集成芯片,最大压差为0.5V,输出精度为(5±0.12)V。C6的作用是消减电源中的噪声,C8、C9一大一小两个电容对输出+5V电压滤波,提供稳定的+5V电源。电源转换电路如图2所示。其中,V12为12V电压,VTC为GSM模块供给电压。
2.2 光电传感器探头的设计方法
差分式光照度计设计电路如图3所示。
2.2.1 信号的处理和转换
通常由光电探头获得的测量信号非常微弱,不能直接使用,需要对信号进行放大、滤波和数字化等工作。因为光电池的短路电流与光照度成正比,所以在本文设计电路时,选用电流放大器进行设计[3]。放大电路放大光电信号的同时也把输入端的噪声进行放大,而且放大器本身也存在噪声。因此,还需要进行滤波处理抑制噪声,通常有硬件滤波和软件滤波,从而减小误差,提高测量精度;经放大、滤波等处理后的信号仍是模拟信号,还需要A/D转换后,才能送入单片机处理。
2.2.2 差分式光照度测量
常用的光照度计是由1只光电池组成,通常因光照度的时间很短,不会引起光电池温度明显升高,光电池的温漂可以忽略。但是,本课题研究的用于温室大棚光照度的监测与控制,作为光电传感器的光电池需要长期暴露在阳光下,光电池自身温度的变化会严重影响它的光电特性,产生温漂。因此,温度漂移将成为测量误差的重要原因之一。
为了克服光电池的温漂,增大共模抑制比,提高测量精度,本文在光照度传感器探头的设计时采用了两只光电性能相同的光电池,组成差动结构,如图3的U4所示。其中,探头包括2个S1087光电池、滤光片、平面状余弦校正器。光电池1作为光电传感器,接受光照;光电池2作为光电池1的补偿器,处于遮光状态,但光电池1和光电池2同时安装于同一块均温槽上。当温度发生变化时,两只光电池的温度同时变化,所产生的温漂也相同。光电池的光电流经过电流/电压转换电路,输出的信号进入差分放大器进行差分放大。差分电路对由于光照产生的差模信号有很强大的放大作用,而对由于温漂产生的共模信号有很强大抑制作用。由于本设计采用了差分结构,提高了电路的抗干扰能力和共模抑制比,保证了系统的测量精度。经差分放大器放大的光照信号经过P5.5送入单片机进行数据处理,实现了光照度的自动控制。
2.2.3 程控增益差分放大电路的设计
本文光电传感器探头输出的电路电流信号,经前置放大后变成电压信号,一路是放大光照和噪声信号,另一路仅是放大噪声信号,将这两路电压信号相减就可提取需要的光照信号,因此设计了一个差分电路(减法器)。另外,被测光照变化范围较大,经前置放大后,模拟电压范围仍然较大,如果直接经A/D转换,小信号将得不到有效的放大,从而影响了整个系统的精度。因为,本文采用了这样的策略,对于小信号采用高放大倍数、对于大信号采用低放大倍数。实现方式:根据未知输入参数的范围,自动选择合适的放大倍数,以切换到合适的量程,及在前置放大电路后设置一个程控增益放大器,借助多路模拟开关,由单片机控制其通断,以获取所需的量程。程控差分放大电路主要由可编程仪表放大器、模拟多路开关和MSP430F149单片机组成。前置放大电路输出的信号经差分电路后将光照度信号放大,后送单片机进行A/D转换和处理,再通过单片机的P5口控制模拟多路开关的通断来选择放大的倍数,从而实现自动换挡和光照度的换算。V=K'E,K'=k GRFS。其中,k[4]为光电探头修正系数,G为差分放大器的放大倍数,RF为前置放大电路的反馈电阻,S为S1087的光电灵敏度。由于可见光的对应光照度范围很大,所以经S1087换成光电流范围也很大,而单片机能采集到的满量程电压为3.3V,因而设计了对应的量程挡,如表1所示。
本文选用仪表放大器[5]时考虑到的因素有:系统是单电源供电的,选用单电源供电的芯片:输入电压大;共模抑制比高;高输入阻抗;增益可变且范围大;保证0输入0输出等。在设计时综合考虑上述因素并通过多款仪表放大器的比较,最后选用AMP04来实现差分和程控放大功能。
图3中的仪用放大器AMP04可以通过改变外部电阻R的值来得到不同的增益,增益值G=100kΩ/R。输出电压Vout=(VIN+-VIN-)×G。为了提高测量精度,选择4个精密精度为0.1%的金属膜电阻,分别是100kΩ、10kΩ、1kΩ、100Ω。当P5=00H时,模拟多路开关都断开时,1脚和8脚之间只有一个100kΩ电阻,G=1;当P5=01H时,S1闭合,则1脚和8脚之间的电阻RG=10kΩ//(100kΩ+RW),若没有电位器RW,则RG<10kΩ及G>10。要使增益变小有两种方法:一种是通过不断地换电阻来使增益达到10;另外一种就是加精密电位器进行微调电阻值,使增益等于10。第1种方法比较繁琐,在实际中很少用到,所以本文采用精密电阻和电位器串联的方法,通过调节对应的电位器来保证增益为1、10、100、1 000。TS3A47是TI公司的单电源低电压的四路常开单刀单置模拟开关,本文选用了其中三路模拟开关通道1到通道3,其数字逻辑控制输入端IN1、IN2、IN3分别与单片机的P5.O、P5.1、P5.2相连,P5口对应的编码为00H、01H、02H、04H,从而来自动切换系统的量程。因为数字逻辑控制输入口是CMOS电平控制输入引脚,所以另一路闲置的模拟开关的IN4需要接地。
2.3 光照度控制电路
光照度控制电路[6]如图4所示。光照度低于设定值,P0.6输出高电平,反向后为低电平;固态继电器SSR交流触电接通,交流触电线圈得电,接通遮盖电机。温室大棚遮盖打开,提高大棚光照,反之亦然。
2.4 GPS和GSM短信息服务模块
GSM短信息模块是由新版西门子工业级TC35I模块和SIM卡组成的,在该装置中负责收发户主短信息并通过串行口与主控制器通信[7]。GPS模块采用了瑞士公司的NEO-6Q芯片,可以实现年、月、日、时、分,秒进行精确计时同时可对温室大棚进行精确定位。另外添加的温度、光照度报警电路,如图5所示。
3 系统软件设计
软件设计采用的是模块化思想,本系统采用C程序软件开发平台IAR Embedded Workbench,给程序的修改和调试带来了很大的方便。
3.1 主程序流程图
系统上电后,主要包括单片机I/O端口和各个模块的初始化,设置光照度的适宜值,调用光照度采集子程序,以及数据处理子程序,按键控制子程序和GPS子程序如图6所示。光照度下线设定为100lx,上线设定为2 000×102lx。
3.2 程控差分放大的调试
程控差分放大的调试是系统调试的关键之一,它关系到整个系统的测量精度。具体调试步骤:(1)用两路电压在0~3.3V之间连续可调的电路,一路电压V1输入到差分放大器的同相端,另一路电压V2输入到反相端。(2)通过编程,给单片机P5口输出固定的值,控制模拟多路开关,选择差分放大器的放大倍数。(3)放大的电压经P5.5进行A/D,并通过液晶1:1的显示出来。(4)调节对应的电位器,使液晶显示出来的电压=(V1-V2)×对应放大倍数。在调试过程中需要注意的是:系统工作在正电压,所以要保证V1-V2≥0,即V1≥V2。差分放大器的放大倍数G分别为1、10、100、1 000倍,记录的测试数据如表2所示。
其中,V12=V1-V2是用万用电表测出,VLCD为液晶显示的电压,G1为实际放大倍数。从表2可知,时间放大倍数G’基本符合系统的设计。但是当G=1 000时,不能保证0输入0输出,需要在软件中进行修正。修正方法:每次采样值减去在V12=0的采样值。修正之后的测量数据如表3所示,明显比修正前的相对误差小得。
3.3 实验结果分析
为了验证系统的性能,将调试好的系统安装在南京林业大学风景园林学院温室大棚中测试,在2013年8月20日9:00-18:00约每隔1h进行一次数据采集实验。实验室采集具体过程:按照系统设计连接好系统各模块,并将光照度采集探头固定在温室大棚内,然后启动电源,将温室内照度实时显示出来并定时存储。同时,每隔1h有人工测量温室大棚内的光照度作为参考,测量仪器为TES-1332A数字式照度计。经试验,可得到如表4所示的试验结果及误差分析。为了测试报警电路的性能和GSM模块的通信,人为地制造高温或者高强度光照试验结果发现报警电路正常,用户手机可以收到报警短信,证明GSM模块通信正常。
4 结论
本系统实现了对温室大棚的光照度采集和实时显示,以及自动调节功能,结合目前已经发展成熟的GSM、GPS网络通信技术,实现了温室环境的远程监控。本文利用MSP430单片机内部的ADC进行采样,简化了系统电路的设计。试验结果证明,本系统可以达到当初的设计要求,具有比较高的可靠性及稳定性。目前系统只以光照度为测控对象,而实际的温室环境是一个多参数的复杂环境,并且多个环境因子相互影响。系统在设计之前,为方便后续功能的扩展和开发,无论在硬件电路还是软件程序的设计上,都采用了模块化的设计思路。在未来的研究中,可以设计对温室温度、湿度、二氧化碳等环境因子的采集电路和相应的程序,将本系统完善成一个智能多参数环境的测控系统。
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照度自动控制系统 篇5
微光瞄具是通过采用像增强器为图像传感部件,使人能在极低照度条件下有效的获取景物图像信息的夜视装备。分辨率是微光瞄具的一项重要的性能指标。测试过程需要一个严格的低照度环境,本文利用积分球作为光源人为的模拟一个满足夜天照度的环境,简化模拟夜间环境的过程,将自然界中的夜间环境在室内条件下加以再现,并对该可调试环境进行照度分析。
1微光瞄具分辨率测试环境分析
由于微光瞄具的工作环境为夜间的低光照度,而自然界中,夜间环境产生的光称为夜天光。夜天光的主要来源是月光、星光、黄道光、大气辉光等[1]。夜天光的光谱分布在有月和无月情况下有较大不同,如下表1。有月时,月光是夜天光的主要光源,满月光的强度比星光约强100倍,此时夜天光的光谱分布取决于月光;无月时,大气辉光、直射星光和散射星光是夜天光的重要组成部分,但在0.3～1μm光谱范围内大气辉光的辐射亮度不如直射星光和散射星光的辐射亮度强,因此在0.3～1.0μm光谱范围内,直射星光和散射星光是无月夜空条件下微光夜视系统的主要光源[2]。图1为满月光和星光条件下的光谱分布。
由表1可以看出,在实验室条件下,通常需要获得大于1×10-5 lx的连续可调的照度范围,即可模拟多种夜天环境下的照度变化[3]。
2 微光瞄具分辨率测试环境模拟
2.1 微光瞄具分辨率测试原理
如图2,在规定的低照度条件下,将标准分辨力靶板置于准直镜的焦平面上,使被试微光瞄具处于工作状态,调节被试品的目镜视度,通过被试品观察靶板上的图案,测定其能被分辨的最小分辨力图案。分别测出不同对比度不同照度下被试品的系统分辨力。
2.2 低照度标准光源的选择
常见的夜天空模拟是天文馆中用的天象仪,这种设备视觉效果很好,且能精准再现夜天光,但价格极其昂贵,不适合工厂生产检验和科学院所研究使用[6]。所以在实验室条件下,可采暗室来代替夜空,用积分球作为光源来对夜天光进行照度模拟。光源采用由标准A光源[3]——溴钨灯、可变光阑、积分球、组成的可调光照度积分球,利用低光照度计监测来调整积分球在有月与无月时的照度值。积分球与光源组合可产生漫反射光,积分球内表面喷涂聚四氟已烯悬浮树脂(简称F4),它是当前国际照明委员会推荐的一种最理想的积分球漫反射材料,漫反射比约为95%～99%。图3是三种积分球涂料的反射光谱曲线,可以清楚的看出,在(250-2 500) nm光谱范围内,F4 涂料反射率不仅都高于硫酸钡(BaSO4)和氧化镁(MgO),且反射光谱平坦,非常有利于测量。
为了使投射到分辨率靶板的照度可以模拟从有月到无月变化,在积分球入射处采用可变光阑。
积分球内的溴钨灯采用溴化氢工艺,它是无色透明的气体,不吸收可见光,发光效率高,溴钨灯的光谱在可见光到近红外部分都是连续的,而夜天空光谱分布也是连续的,如图3,这就易于分析、定量计算及处理。并且由于大功率的光源的散热问题较复杂,而溴钨灯功率较小较为实用,此外溴钨灯的工作寿命长、不易损坏[4]。
3 低照度光源均匀性实验与结果分析
3.1 光源均匀性实验方案
利用了亮度可调的积分球,就可以简便的实现多种照度值的环境,所以在测试微光瞄具的分辨率时,将照度等级分为4级:1×10-1 lx,1×10-2 lx,1×10-3 lx,1×10-4 lx。在这四个照度等级下测试微光瞄具的分辨率完全可以全面和精准的体现出微光瞄具在夜天光下的参数特性。
在一个完全封闭的暗室内,保证室内无反射光源物体。提供测试所需的积分球、弱光照度计、稳流电源。弱光照度计采用的是杭州远方光电有限公司生产的PHOTO—2 000 m。测量范围为1×10-4 lx～2 lx。使用时,将光探测器用探头盖盖好,将探头的信号输出插头连接到仪器后面板上的信号输入端口上。开机,预热10～20 min。然后打开探头盖,让待测光照射在探头的受光面上,从仪器显示窗口可以读出光照度的大小。一般的说,电压变化0.1%,将导致光谱发生移动。因此为了消除或削弱电源电流、负载电阻和环境温度的变化对输出电流的影响,光源的供电采用稳流电源。
在微光瞄具分辨率测试范围内进行照度测试。测试距离为微光瞄具准直镜焦距f=8.472 m。测试区域为测试分辨率所用靶板大小,靶板采用的是漫反射分辨率靶板[5],靶板的规格如图4所示。
首先利用照度计调整积分球的光照度在O点处的光照度为1×10-1 lx,在规定距离之处按照下图范围测试另外8个边缘点(A、B、C、D、E、F、G、H)的照度值。各点位置如图3。以此类推测试其余三个照度值时其他?个点的照度值,并记录数值。
3.2 实验结果与分析
实验过程描述:测试微光瞄具的分辨率是将光源分为四个照度等级,各级照度中心点以及边缘点照度测试值如表2。
在表2中,1×10-4 lx的照度值没有严格的体现出来,这是由于实验室内地面的材料有一定程度的反射光源的情况,经过地面反射后,光源在靶板区域内的照度有相应微弱的增加,导致光照度无法下调至1×10-4 lx。考虑在实际试验中并无需在1×10-4 lx这么严格的超低照度下进行,所以只探讨其他三个照度的均匀性。根据上表所示,分析其它三个照度等级下的误差,其中w为最大值与最小值之差,Δ为边缘点最大值与中心值O点之差,平均值为
由表3可知
4 结束语
本文对微光瞄准镜的工作环境进行分析,选择了可调照度的积分球来代替夜天光,对实验室模拟夜天光环境进行照度测试,证实光源出射照度均匀、稳定,为工厂和科研院所在实验室条件下实现微光瞄准镜性能参数测试提供依据。
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照度自动控制系统 篇6
关键词：菲涅尔光学助降系统,成像式照度探测装置
1 引言
菲涅尔光学助降系统(Fresnel Lens Optical Landing System,FLOLS)是当代航母上典型的光学着舰引导系统,而菲涅尔光学助降系统的检测和校准研究对保证舰载机的着舰安全起着至关重要的作用[1]。菲涅尔透镜光学助降系统作为基本的目视助降设备,最显著的优点就是在空中提供了光学下滑道,所谓的光学下滑道是指菲涅尔透镜光学助降系统发出的相对海平面保持一定倾斜角的5层光波束[2],让着舰变得相对安全。所以研究菲涅尔光学助降系统的检测和校准对于舰载机安全着舰有着重要的意义。
2 菲涅尔光学助降系统检测装置技术指标
菲涅尔灯发光强度检测系统要求可远距离对大口径、大发光角度的菲涅尔灯进行发光强度的探测,得到光强的空间分布,并且具有测量速度高和消除背景光干扰的特点。具体技术指标[3]:光强测量范围:0~5000cd,测量分辨率:4cd,杂光衰减率:80%,口径:>0.5m,水平角度测量范围:>20°,垂直角度测量范围:>20°。根据技术指标研究下述测量方案。
3 菲涅尔灯发光强度测量方案
3.1 总体测量方案
菲涅尔灯的发光强度检测方法很多,多数检测系统中都采用了大口径的反射镜,使检测系统设备承重,空间需求大,而且反射镜的面形误差、安装精度对系统的检测精度影响非常大。而选用旋转灯具的方式以便于进行光强检测。
如图1所示,菲涅尔灯安装在二维转动平台之上,实现二维转动。照度探测系统由三个部分组成:(1)分光成像模块,主要包含成像透镜与分光棱镜,分别将菲涅尔灯成像并分光用于照度探测与图像采集;(2)图像采集模块,包括彩色CCD与显示器,用于显示菲涅尔灯的像,并瞄准对中,使探测系统正对菲涅尔灯;(3)照度探测模块,包括照度探头、信号放大、A/D转换和计算机,照度探头采集到菲涅尔灯发出的光,依次通过信号放大、模数转换,最后传送给计算机,并由计算机进行数据处理和相关光度参数的计算分析。
3.2 成像式照度探测方案分析
为了使菲涅尔灯发光强度测量达到一定的精度,以及分布曲线测量准确性达到一定的高度,需要测量的相对距离越远越好。光强度的测量通常是通过照度测量实现的[4],菲涅尔灯发光强度与测量距离的关系为:I=E·l2,发光强度I正比于距离l的平方和照度E,可见距离l越远,照度E越小,对照度探测的精度要求也越高。而成像式照度探测就能满足上述要求,如图2所示。
成像式照度探测具有以下几个优点:提高到达照度探头的光通量(SA/SB倍,SA为成像透镜的通光面积,SB为照度探头的光敏面面积)。由于测量距离较远,用照度计直接测量时,达到照度探头的光线少,光电流小,在照度探头灵敏度一定的情况下,测量得到的照度精度较低,从而无法保证菲涅尔灯的发光强度精度。提高检测系统对杂散光的抗干扰能力。由于杂散光是使用分布光度计测量中影响测试精度最重要的因素之一,在环境较差,特别是在室外工作时,环境光的干扰是难以避免的。采用成像式照度探测结构,只有视场中的物(即菲涅尔灯)发出的光才能到达照度探头,而对于杂散光,如果对光学系统内表面做了发黑处理或者加工消杂光螺纹,这些杂散光都被镜管吸收,不再反射,可以有效避免杂散光的干扰。系统简化,便于使用。进行光强检测时,还需要对菲涅尔灯进行瞄准,如果测量和对焦共用一个光学系统,则可以使系统简化;采用CCD相机进行瞄准时,CCD相机的中心和照度探头的中心都在光轴上,使对准准确可靠,不用随距离变化修正瞄准轴,使用方便。
4 成像式照度探测装置设计
4.1 光学设计
成像式照度探测系统中包含两个接收元件,分别是CCD和照度探头。CCD的尺寸选择不能过大也不能过小,尺寸太大时在显示器上看到的菲涅尔灯相对较小,不利于瞄准对中,尺寸过小也不好,不利于视场中灯具的搜索。选用1/2″(6.4mm×4.8mm)的CCD,光斑大小约占CCD的1/14,在使用时,能在视场范围内较好地搜索菲涅尔灯所在位置以及对准。同样对于照度探头尺寸的选择不能过大也不能过小。如果过大,进入到照度探头的杂散光增多,造成测量误差;如果过小,菲涅尔灯发出的光不能完全被照度探头接收。综合考虑本检测系统的成像放大倍率以及光源的尺寸,选择尺寸2.7mm×2.7mm的照度探头。照度探头光通量接收面、显示器以及菲涅尔灯的像对应的位置关系如图3所示。
检测仪器工作距离为10~400m,如果使用同一种焦距的成像透镜,那么在远距离测量时,光斑非常小。由于探测器接收面上,各个位置的响应度存在差异,光斑过小时测量误差大。基于上述分析,采用三种不同焦距的透镜,焦距分别为:40mm、160mm、300mm,测量距离分别为:近场光度标定和目标搜索50~200m、100~400m。如果采用过多焦距数值的镜头,使用不便,成本增加,经优化采用上述三种焦距的镜头较为合理。
对于焦距为40mm的透镜,相对孔径D/f′=7/20,孔径D=14mm,对于物距s=13.3m,尺寸为DL×DL=500×500的菲涅尔灯在CCD和探测器上成像示意图如图3所示,当透镜为理想透镜时,像斑边长满足DL/s=DL′/f
即CCD与照度探头上的光斑边长
DL′=DL·f′/s=1.5mm
对于500mm×500mm的菲涅尔灯,使用焦距f′=160mm的镜头,测量距离s为50~200m时,CCD与照度探头上的光斑边长DL′=DL·f′/s=1.6~0.4mm
同理使用焦距f′=300mm的镜头,测量距离s为100~400m时,CCD与照度探头上的光斑边长
DL′=DL·f′/s=1.5~0.375mm
综合上述分析,照度测量由f160和f300镜头完成,f40镜头主要进行近距离光度标定,以及远距离测量时用于菲涅尔灯搜索和对准。因为使用长焦镜头进行光强检测时,由于测量距离很远,检测仪器的角度方向略微调整都会产生很大的位移,在显示器上不易找到目标,此时换用短焦镜头可以扩大显示器的显示视场并初步对中,然后换用长焦镜头进行细微的对中。
由于测量的菲涅尔灯具有多种颜色[5],因此采用的消色差双胶合透镜,双胶合透镜可以使菲涅尔灯发出的不同颜色的光在像面上的球差最小,保证成像质量。设计的三种不同焦距的消色差双胶合透镜参数如表1所示。
4.2 结构设计
照度探测系统的结构如图4所示,镜筒与管座之间采用梯形螺纹连接。一方面由于整个探测系统包含三种不同焦距的透镜,常需要相互替换,梯形螺纹螺距大,能够实现快速装卸;另一方面,由于要通过显示器来对菲涅尔灯瞄准对中,需要菲涅尔灯在CCD上成像清晰,梯形螺纹还能够实现调焦的功能。将镜头、管座的连接和调焦机构合二为一,简化了结构。照度探测系统中要求光学系统的光轴正对菲涅尔灯的光度中心,手动角位台和旋转台就是用于调节光轴指向的。
为了保证照度探测中的角度精度,要求菲涅尔灯的光度中心与探测系统的光轴同高,因此使用高度可调的三角架来支撑检测装置,不仅能够固定检测装置,而且还能调整探测系统光轴的高度。照度探测中使用了分光棱镜,转接模块主要用于安装分光棱镜,同时连接了CCD和照度计,分别用于成像显示和照度探测。
5 成像式照度探测装置试验
成像式照度探测,配备三种焦距的成像镜头,有四种测量档位状态。试验中使用大动态点光源用作成像式照度探测装置的辐射源,其具有辐射发光强度高,发光强度可调和色温不变等特点,具有水平、俯仰调节机构,由视频图像对准被测光源,光电采集探头进行照度探测,经数模转换后由串口输出测量结果。
5.1 发光强度测量动态范围试验
成像照度计的发光强度动态范围试验结果如表2。
由成像照度探测各档的最大读数Dm得出发光强度测量的动态范围Dm∶1。由表2可以看出,成像照度计各档发光强度测量的动态范围均为3209∶1,大于要求的测量动态范围5000cd∶4cd=1250∶1。
5.2 照度和发光强度分辨率试验
设各档的照度量程Em及最大度数Dm,由式(1)计算各档的照度分辨率:
设定测量距离l,可由式(2)计算发光强度的测量分辨率:
各档的照度分辨率△E及不同测量距离下发光强度的量程Im和发光强度测量分辨率△I如表3。
由表3可以看出,成像照度计的发光强度量程和分辨率不仅与档位有关,也与测量距离密切相关。对于不同的测量距离,应选择合适的档位进行测量。当被测目标较远时应选择较为灵敏的档位,如×1档以提高分辨率;当被测目标较近时应选择较高档位,如×1000档,以扩大测量范围。
5.3 照度测量重复性试验
由五次标定数据统计出成像照度计同一读数对应的照度重复性曲线如图5所示。
由图5可以看出,成像照度计读数在0~2500范围内,标准照度E与成像照度计读数D间基本线性。若仅使用0~2500之间的线性区域,其测量动态范围也可达2500∶1,为要求测量动态范围5000cd∶4cd=1250∶1的2倍,足以满足要求。在成像照度计读数D为0~2500的近似线性区间内(约占全量程的80%),照度E测量的平均重复性由式(3)得出,为0.14lux。
其中,Ei为各次标准照度计读数。
5.4 杂光衰减率
主要试验成像照度计中遮光罩及镜筒的消杂光能力,分析环境杂散光对测量精度的影响。成像照度计读数E1=13,非成像照度计读数E2=1965,得到的杂光衰减率为:,优于要求的杂光衰减率80%。
6 结论
根据提出的基于成像式照度探测法的菲涅尔灯发光强度测量方案,研制了成像式照度探测装置。通过试验,结果表明,成像式照度测量发光强度的测量范围及分辨率与测量距离有关,随着测量距离的增大,测量范围增大,同时测量分辨率降低;反之,随着测量距离的减小,测量范围减小,同时测量分辨率提高。要求的测量动态范围(测量范围上限∶测量分辨率)为1250∶1,成像式照度探测装置测量动态范围为3209∶1,其中线性区测量动态范围为2500∶1,优于相关技术指标要求;线性区范围内,光照度测量的重复性为0.14lux;杂光衰减率大于99%,均满足菲涅尔光学助降系统检测装置技术指标的要求。
参考文献
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