基于CCD傳感器的車載式路燈光譜檢測系統

秦大為， 陳尚智， 朱佳南， 陶 俊

(1.鹽城師范學院實驗中心，江蘇 鹽城 224002；2.鹽城師范學院物電學院，江蘇 鹽城 224002)

引言

在道路照明行業中，一般有兩種測量系統用來描述光源顏色的特性：“色溫”用來表示燈光本身的色外觀，“顯色指數(CRI)”是光源對物體顏色呈現的程度，這兩個參數對評測和說明光源都極其重要。路燈色溫[1]一般在1500K～7000K之間，色溫越高，光源的顏色越偏向于冷色調，給人以清冷的感覺，色溫越低，越偏向于暖色調，給人以溫暖的感覺，道路照明設計時，色溫是一項重要指標。顯色指數[2]是指被測光源照明物體的心理物理色與參比光源照明同一色樣的心理物理色符合程度的度量，也就是物體顏色的還原程度，其數值越接近100，顯色性越好，如果道路照明設計的顯色指數過低，則會影響人對物體的判斷，容易導致交通事故的發生。因此，道路照明光源光譜檢測意義重大。

目前道路照明行業檢測標準可以引用國標GB5700[3]中的方法：現場的色溫和顯色指數測量應采用光譜輻射計，每個場地測量點的數量不應少于9個測量點，然后求其算數平均值作為該被測現場的色溫和顯色指數。

目前的測量方法及儀器存在以下缺點：測量工作量大，光譜儀采集速度慢，效率低，完成一次測量需要數小時，測量時間過長還會影響交通、威脅檢測人員的人身安全；采用手持式儀器測量，檢測人員讀數時衣服的反射光會極大的影響測量結果的準確性；目前市場上所銷售的手持式色溫計由于主要用于室內測量，沒有考慮到室外環境光的影響，在室外測量時，則需要采集天空作為本底，以降低環境光的影響。

為此本文在常規的道路照明的色溫、顯色指數測量方法以及原有手持式光譜分析儀的基礎上進行改進，實現了兩大突破：提高測量速度由靜態測量改進為動態連續測量；降低環境光影響由傳統的室內測量改進為室外測量。研制出適用于室外道路光譜檢測的系統，實現了高效率、高精度測量。

1 系統總體架構

光源發出的光通過余弦修正及濾光片后被衍射光柵進行分光處理，CCD傳感器接受單色光，進行光電轉換，得到需要的信號后進行進一步放大處理，模數轉換，最終在電腦軟件上顯示出來，如圖1所示。

圖1 系統總體框架Fig.1 System frame

如圖2所示為該系統主機、電腦及一只光譜分析模塊傳感器。

圖2 系統整體實物圖Fig.2 System physical

光譜分析儀通過磁力吸盤放置于小汽車頂上，這樣可以最大程度的降低周圍物體反射光的干擾，如圖3所示。

圖3 光譜檢測系統傳感器安裝位置Fig.3 Fixing position of CCD

使用通信電纜連接系統主機和汽車內的計算機，測量人員只需要坐在車內操作軟件，便可快速準確地測出所需測量的數據，如圖4所示。

圖4 操作現場演示Fig.4 Operating Scene

本系統是目前市場上唯一的一種可以進行色度學、光度學各項指標動態測量的檢測系統，不但光譜偏差量控制在正負0.5nm之內，檢測數據穩定度也控制在萬分之四的水準，準度與精度兼具且可以在各種作業環境下進行檢測，達到防水、防塵、防震要求。該檢測系統目前已投入生產使用，在室外檢測行業有較好的發展前景。

2 系統硬件

在CCD傳感器探頭前裝有λ余弦修正片。由于傳感器探頭垂直向上，但路燈燈具設計時就有一定的仰角，這就導致光無法垂直入射到傳感器探頭上，添加余弦修正片可以消除入射光與采光面不垂直時的所產生的誤差。

下頁表4的數據顯示:62%的學生能夠將聽到的故事復述下來;55%的學生能寫出所聽材料的摘要;僅有47%的學生可以根據所聽語料前半部分推斷出結尾;根據教材提供的語料,高達73%的學生能夠參與到預設問題討論中;59%的學生根據所聽到的語料準備演講,81%的學生能夠適應POA聽說教學模式提倡的小組合作學習;根據語料和不同的聽說任務,79%的學生能夠選擇合適的學習策略。

傳感器探頭上裝有濾色玻璃。濾色玻璃可以使光譜響應曲線接近人眼的視覺敏感曲線。

CCD傳感器探頭是以模擬人眼的光譜響應為基本原理，其所測量到的量，即為色度坐標圖上所代表的顏色，與人眼觀察該光源時所感受到的顏色相近。被測對象的光信息通過光學系統，在CCD的光敏面元上形成光學圖像，CCD器件把光敏元上的光信息轉換成與光強成比例的電荷量。用一定頻率的時鐘脈沖對CCD進行驅動，在CCD輸出端得到被測對象的視頻信號。視頻信號中每一個離散電壓信號的大小對應著該光敏元所接收的光強強弱，而信號輸出的時序則對應CCD光敏元位置的順序。通過后續處理線路對CCD輸出的視頻信號進行二值化或者量化處理后，將被測目標從背景中分離出來，為進一步的數據處理和分析做準備。

光譜檢測系統傳感器主要由余弦修正片、凹面平均衍射光柵[4]和科學級CCD構成。測量原理是分光法，分光法是用光譜儀將被測光分成一定波段分布的單色光，光譜儀的光電傳感器將單色光按波長依次轉換為電信號，并與已知光譜功率分布的標準光源相比較，從而得到待測光源的相對光譜功率分布，然后再通過計算得出色溫、顯色指數等其他色度學指標。本系統中的快速掃描可見分光檢測器(380nm～780nm)，采用凹面光柵作為檢測元件，構成多通道并行工作，同時檢測有光柵分光，再入射到陣列式接收器上的全部波長的光信號，得到吸收值(A)、保留時間(tR)和波長(l)函數的三度空間層析光譜圖。

為了大幅提高CCD的測量精度，提出了一種全新的CCD使用方法。該方法是將像素間距為H的CCD器件的像素行沿與被測邊緣垂直方向成一定角度α來進行擺放。此時，單線陣CCD的最大測量誤差減小為H×cosα，N個線陣CCD等距錯排并以α角度斜放，最大測量誤差將減小為(Hcosα)/N，當列間距為h的面陣CCD沿被測對象軸向斜放時，最大測量誤差減小為h×sinα。分別采用單CCD和雙CCD，對直徑為5.000mm，8.000mm和12.000mm的三個標準桿件的直徑進行了測量。經多次對比研究表明，雙CCD斜放，可獲得更高的測量精度。該方法可從理論上徹底打破CCD像素間距的限制[5]。

3 系統軟件

車載式道路照明自動檢測系統[6]軟件是在Microsoft Visual Basic 集成開發環境中編寫，在Windows xp 操作系統中運行。

圖5所示為車載式道路照明自動檢測系統的主界面圖，該界面設計簡潔明了，針對檢測，舍棄繁瑣的操作步驟，得到一目了然的檢測結果。

圖5 軟件主界面Fig.5 Software mainpage

圖6 色度學指標詳細測量界面Fig.6 Chromaticity parameters testing page

圖6所示為色度學指標測量界面，該界面可詳細測量燈具的各項色度學參數。

該軟件可實現定點測量以及連續測量。光譜軟件中各種路燈光源的色溫指數、顯色指數、光譜波長、色品坐標等近10項路燈光源色度學指標。

系統主要技術參數：

① 波長的測量范圍：380nm～760nm；

② 波長準確度：±0.5nm；

③ 色品坐標準確度：±0.0005；

④ 色溫的測量范圍：1500K～25000K，分辨率：1K；

⑤ 顯色指數的測量范圍：0～100；

⑥ 雜散光：<0.3%；

⑦ 光度通道線性：±0.3%；

⑧ 光譜分析模塊積分時間：10ms～10000ms。

4 結論

利用該系統可精確測量高壓鈉燈、金鹵燈、LED燈、節能燈等各種路燈光源的色溫指數、顯色指數、光譜波長、色品坐標等近10項路燈光源色度學方面的主要技術參數，為路燈光源色度學指標的現場測量提供了科學可靠的技術支持。

經校準及現場使用驗證，本系統操作方便、測量速度快、測量精度高、數據傳輸可靠，完全能夠滿足室外照明參數的現場測量要求。

[1] 莊金迅.光源的色溫及其在照明設計中的應用[J].燈與照明，2007(3).

[2] 劉義成.光源的顯色性與顯色指數[J].電子器件，2000(1).

[3] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T5700—2008照明測量方法[S].北京：中國標準出版社，2009.

[4] 孔鵬，巴音賀希格，李文昊，等.雙光柵平場全息凹面光柵光譜儀的優化設計[J]. 光學學報，2011(02).

[5] 程萬勝，趙杰，蔡鶴皋.CCD像素響應非均勻的校正方法[J]. 光學精密工程，2008 (02).

[6] 錢偉，秦大為，曹剛. 車載式道路照明檢測系統[J].燈與照明，2010(03).