相關色溫偏差對反光膜逆反射測量的影響

王露婉， 薛瑛琪， 冷正威， 蘇文英

(1.交通運輸部公路科學研究院， 北京 101103；2.國家道路與橋梁工程檢測設備計量站， 北京 101103)

逆反射性能是影響道路交通安全設施夜間可視性的重要屬性。道路交通安全設施的逆反射測量可采用逆反射測量標準裝置、便攜式逆反射測量儀或車載式逆反射測量儀等實現，測量裝備主要由照明光源、接收器、角度系統、光學系統等組成，其中照明光源是決定測量結果準確性和一致性的重要因素，一般使用標準A光源。GB/T 20146—2006《色度學用CIE標準照明體》規定了標準A光源的光譜分布要求，規定相關色溫為2 856 K，但沒有規定相關色溫的偏差限值。JT/T 690—2007《逆反射體光度性能測試方法》規定在暗室中使用絕對法進行逆反射測量時采用的光源應為標準A光源，其相關色溫為2 856 K±20 K。GB/T 26377—2010 《逆反射測量儀》規定便攜式逆反射測量儀的光源相關色溫為2 856 K±50 K。JJF 1796—2020《逆反射標準器校準規范》規定標準A光源的相關色溫為2 856 K±50 K。為探究相關色溫差異對逆反射測量的影響，李奕等研制逆反射亮度系數校準裝置并對測量誤差影響因素進行分析，指出光源光譜成分等是逆反射測量誤差的來源；楊勇等研究氙燈(相關色溫8 855 K)、鹵素燈(相關色溫3 056 K)、LED光源(相關色溫4 868 K、6 924 K)對標志逆反射系數的影響，指出單色反光膜逆反射系數受入射光源差異影響較大；徐何辰等研究光譜分布差異對光度色度的影響，指出白色逆反射器受照射光源光譜分布差異的影響可忽略。上述研究表明光譜和相關色溫差異較大的光源對單色材料逆反射測量的影響較大、對白色材料的影響較小。已有研究關注的是不同光源對逆反射測量結果的影響及不同顏色逆反射體的逆反射性能和不同光源間的關聯性。由于不同光源的相關色溫差異較大，鹵素燈相關色溫比氙燈低5 799 K，光譜分布也大不相同，不同光源相關色溫變化和同一光源相關色溫變化不能一概而論。已有研究沒有分析同一光源相關色溫偏差對逆反射測量結果的影響，實用的研究成果也較少，影響了對交通安全設施逆反射性能的準確評價。深入分析同一光源相關色溫偏差引入的不確定度對評價逆反射測量準確性具有較大的意義，能促進儀器設備科學化管理維護，優化對交通安全設施的檢測養護應用。為此，本文通過相關色溫偏差試驗研究同一光源相關色溫偏差對反光膜逆反射測量結果的影響。

1 相關色溫偏差試驗

選取白、黃、紅、綠、藍5種顏色的三類反光膜，采用直接照度法測量其逆反射系數，步驟如下：

(1) 調整逆反射測量標準裝置的電流值，使系統的光源相關色溫為2 856 K。

(2) 依次設置觀測角/入射角分別為0.2°/-4°、0.2°/15°、0.2°/30°、0.5°/-4°、0.5°/15°、0.5°/30°、1°/-4°、1°/15°、1°/30°，測量被測對象，將測量結果作為參考值。

(3) 調整電流值，使同一光源照射在被測對象表面的光斑的相關色溫為2 550～3 050 K，步進值約50 K，分別測量不同反光膜的逆反射系數。

2 試驗結果

不同相關色溫下，白色、黃色、紅色、綠色、藍色三類反光膜的逆反射系數測量結果見表1～5。

表1 不同相關色溫下白色三類反光膜的逆反射系數

表2 不同相關色溫下黃色三類反光膜的逆反射系數

表3 不同相關色溫下紅色三類反光膜的逆反射系數

表4 不同相關色溫下綠色三類反光膜的逆反射系數

表5 不同相關色溫下藍色三類反光膜的逆反射系數

3 數據分析

以標準A光源的相關色溫2 856 K作為試驗標準工況，將相關色溫為2 856 K時的逆反射系數作為標準值,計算不同相關色溫下逆反射系數的示值相對誤差。圖1為白色三類反光膜逆反射系數的測量誤差。由表1、圖1可知：白色三類反光膜的逆反射系數隨著相關色溫的升高總體呈減小趨勢。相關色溫為2 600～2 700 時白色三類反光膜逆反射系數的偏差變化較小，在2 856 K附近逆反射系數隨相關色溫變化的幅度較大。相關色溫為2 812 K時，示值誤差絕對值最大為3.75%，最小為1.06%；相關色溫為2 900 K時，示值誤差絕對值最大為2.11%，最小為0.50%。

圖1 白色三類反光膜逆反射系數的測量誤差

圖2為黃色三類反光膜逆反射系數的測量誤差。由表2、圖2可知：黃色三類反光膜的逆反射系數隨著相關色溫的升高總體呈減小趨勢，且相對誤差減小。相關色溫為2 812～2 875 K時，黃色三類反光膜逆反射系數的偏差總體較小，偏差的變化總體較小；在2 756 K、2 587 K附近逆反射系數隨相關色溫的變化幅度較大。相關色溫為2 756 K時，示值誤差絕對值最大為7.23%，最小為0.44%；相關色溫為2 587 K時，示值誤差絕對值最大為7.23%，最小為4.18%。

圖2 黃色三類反光膜逆反射系數的測量誤差

圖3為紅色三類反光膜逆反射系數的測量誤差。由表3、圖3可知：紅色三類反光膜的逆反射系數隨著相關色溫的升高總體呈減小趨勢，且相對誤差減小。相關色溫為2 836～2 875 K時，紅色三類反光膜逆反射系數的偏差總體較小，偏差的變化總體較小。在2 604 K附近逆反射系數隨相關色溫的變化幅度較大，示值誤差絕對值最大為13.03%，最小為9.67%；相關色溫小于2 653 K時，示值誤差普遍大于6.0%。

圖3 紅色三類反光膜逆反射系數的測量誤差

圖4為綠色三類反光膜逆反射系數的測量誤差。由表4、圖4可知：綠色三類反光膜的逆反射系數隨著相關色溫的升高總體呈增大趨勢，且相對誤差增大。相關色溫為2 836～2 875 K時，綠色三類反光膜逆反射系數的偏差總體較小，偏差的變化總體較小。在相關色溫為2 653 K附近逆反射系數隨相關色溫的變化幅度較大，示值誤差絕對值最大為6.46%，最小為0.48%。

圖4 綠色三類反光膜逆反射系數的測量誤差

圖5為藍色三類反光膜逆反射系數的測量誤差。由表5、圖5可知：藍色三類反光膜的逆反射系數隨著相關色溫的升高總體呈增大趨勢，且相對誤差增大。相關色溫為2 812～2 875 K時，藍色三類反光膜逆反射系數的偏差總體較小。在相關色溫為2 600 K附近逆反射系數隨相關色溫的變化幅度較大，示值誤差絕對值最大為9.26%，最小為2.89%。

圖5 藍色三類反光膜逆反射系數的測量誤差

不同顏色反光膜在不同相關色溫下的逆反射系數平均值見表6，標準差見表7，偏差系數見表8。

由表6～8可知：1) 白色、黃色反光膜的逆反射系數平均值大于紅色、綠色和藍色反光膜。2) 反光膜逆反射系數標準差最大值為4.42 cd/(lx·m2)，最小為0.07 cd/(lx·m2)；白色、黃色反光膜的標準差較大。僅通過標準差無法準確分辨相關色溫的影響。3) 對同一顏色反光膜逆反射系數的偏差系數求和，得白色反光膜的偏差系數之和為11.27%，黃色為20.24%，紅色為39.48%，綠色為17.26%，藍色為32.84%，以偏差系數衡量，逆反射測量結果受相關色溫影響的排序為紅色>藍色>黃色>綠色>白色。總體上看，白色反光膜的偏差系數在1.00%左右，最大不超過2.00%，與文獻[5]的結論相符；紅色、藍色、綠色、黃色反光膜的偏差系數為1.46%～4.88%，不同程度受到相關色溫變化的影響，與文獻[6]的結論相符。

表6 不同顏色反光膜的逆反射系數平均值

表7 不同顏色反光膜的逆反射系數標準差

表8 不同反光膜的逆反射系數偏差系數

4 不確定度分析

在對逆反射系數測量結果進行不確定度評定時，相關色溫引入的不確定度分量常用非統計分析的方法進行B類評定。方法如下：根據有關信息或經驗判斷被測量對象的可能值區間，假設被測量值的概率分布，根據概率分布和要求的概率p確定包含因子k，則B類不確定度可由下式得到：

u=α/k

式中：α為被測量對象可能值區間的半寬度。

5 結論

(1) 相關色溫變化對不同顏色三類反光膜逆反射測量結果的影響不同。相關色溫偏離時，白色、黃色、紅色三類反光膜的逆反射系數總體減小，綠色、藍色反光膜總體增加。紅色反光膜測量結果的偏差系數總體大于4%，約為白色反光膜測量結果偏差系數的4倍。

(2) 白色三類反光膜在相關色溫偏離較大范圍和較小范圍內受影響的規律相反。總體上看，在相關色溫為2 500～3 100 K的較大區間內，白色三類反光膜的逆反射測量結果受相關色溫偏離的影響較小；在2 856 K±50 K的較小區間內，白色三類反光膜的逆反射測量結果受相關色溫偏離的影響較大。

(3) 有色反光膜逆反射測量結果隨相關色溫變化的趨勢反映了光源光譜分布變化趨勢。相關色溫升高時，波長較小的分量增加，波長較大的分量減少，故黃色和紅色反光膜的逆反射測量結果降低，藍色和綠色反光膜的逆反射測量結果升高。

(4) 相關色溫變化對逆反射測量的影響總體較顯著。相關色溫偏離的半寬度為50 K時，各色反光膜的逆反射系數示值誤差不大于4.5%，不確定度分量最大為1.732 cd/(lx·m2)。因此，對測量結果精度要求較高時，應保證相關色溫穩定在2 856 K處。