基于成像亮度計的路面亮度測試方法研究

　1引言

　　隨著LED路燈的推廣普及，大量的新裝LED路燈的路面需要進(jìn)行路面性能測試。根據(jù)現(xiàn)行道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)CJJ45-2006，衡量路面照明質(zhì)量性能指標(biāo)包括路面平均亮度、路面亮度總均勻度、路面亮度縱向均勻度、路面平均照度、路面照度均勻度、路面維持平均亮度（照度）、眩光閥值增量最大值、環(huán)境比等。由于測試方法的復(fù)雜性，大多數(shù)LED路燈路面性能測試以照度指標(biāo)為主要內(nèi)容，亮度性能測試的研究較少，按照標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測試對LED路燈來進(jìn)行路面亮度測試的就更少。

　　路面亮度是評價路面照明質(zhì)量的重要參數(shù)之一，CJJ45-2006標(biāo)準(zhǔn)中路面亮度測試按照國際照明委員會(簡稱CIE)有關(guān)規(guī)定在路面上預(yù)先設(shè)定的點上測得各點亮度的值，并以此為基礎(chǔ)計算路面平均亮度、路面亮度總均勻度、路面亮度縱向均勻度。由于亮度測試過程中對測試的環(huán)境要求比較高，路面行駛的車輛會對LED路燈的路面亮度測試造成較大的影響，因此測試需要封路進(jìn)行，由于CIE要求路面的測試點布置較多,達(dá)到30點

　　每測試段，因此測試一段4車道的路面，需要測試時間近1小時，因此，進(jìn)行路面亮度測試會對道路正常交通造成較大的阻礙。

　　為解決路面亮度測試面臨的問題，東莞質(zhì)檢中心按照CIE的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，建設(shè)了戶外LED路燈測試場，通過測試場的建設(shè)達(dá)到了LED路燈的路面照明質(zhì)量測試的“統(tǒng)一測試環(huán)境，統(tǒng)一測試設(shè)備，統(tǒng)一測試方法”的三個統(tǒng)一。

　　本文通過與柯尼卡美能達(dá)合作，研究如何基于成像亮度計進(jìn)行路面亮度相關(guān)性能的測試，并給出了試驗測試結(jié)果。本文的研究為LED路燈的路面亮度測試提出了新的思路，為LED路燈的照明質(zhì)量測試的標(biāo)準(zhǔn)研究提供了試驗數(shù)據(jù)。

　　2 路面亮度測試方法概述

　　2.1 CIE路面亮度測試方法

   根據(jù)CIE140道路照明計算方法的規(guī)定，道路亮度測試的布點方式如圖1所示：

 
    圖1. 路面亮度測試的布點位置

　　其中，S為兩盞路燈的間距，N為布點的排數(shù)，D為測試點之間的距離，布點的測試位置編號為1-30，詳見圖1，測試者的位置如圖2所示。

 
圖2. 路面亮度測試的觀察者位置

　　其中，Wt 為路寬，測試點距離被測路段的距離為60米，如圖3所示：

 
圖3. 路面亮度測試觀察者距離測試路段的距離

　　3． 路面亮度測試研究

　　本文在東莞質(zhì)檢中心路燈戶外測試場按照CIE140規(guī)定的測試方法，分別用點式亮度計和成像亮度計對路面亮度相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行測試，測試環(huán)境如圖5所示，測試在晚上20點進(jìn)行，背景照度<0.12 Lx。
 

圖4.路燈戶外測試場
　　3.1點式亮度計測試

　　在實驗中，我們按CIE140道路照明計算方法，用點式分光輻射亮度計CS-2000A( 在0.1度測量角設(shè)置下，保證精度的最低測量亮度為0.05cd/m2，遠(yuǎn)低于路面最低亮度0.5 cd/m2）測量60米外的亮度分布，儀器被設(shè)置于1.5米的高度，用標(biāo)準(zhǔn)鏡頭，選擇0.1度測量角進(jìn)行測量，測量速度設(shè)置為Fast。

　　本文在路燈戶外測試現(xiàn)場布置兩盞LED路燈，間距30米，燈桿高度為12米，測試單車道的亮度相關(guān)指標(biāo)。

　　我們按照CIE140道路照明計算方法，在距離儀器60米外的路面，取30米長的單車道為評估區(qū)域，按縱軸方向每隔3米布一個點，共設(shè)3條縱軸，評估區(qū)域里共30個樣點。在測量時，以CS-2000A按橫向從左到右，由近至遠(yuǎn)，呈Z字形順序瞄點。如圖5所示：

 
圖5. 樣點分布方法及瞄點順序

　　我們通過點式亮度計的目鏡觀察，需把測量區(qū)域完全覆蓋所觀察的樣點，則讀出數(shù)據(jù)為該樣點的平均亮度值。用分光輻射亮度計CS-2000A讀取了30個樣點的亮度值后，我們可以對這些樣點所在的區(qū)域進(jìn)行亮度指標(biāo)的評估。

　　但需注意的是，點與點間的位置，此時并沒有列入我們的取點范圍，在間隔的區(qū)域并沒有相應(yīng)的亮度數(shù)據(jù)。客觀的環(huán)境因素（如瀝青分布的均勻度和路面積水等），都有可能對路面不同點的反射亮度造成影響，所以測得樣點的亮度數(shù)據(jù)適合做亮度均勻性的分析。

　　分光輻射亮度計CS-2000A測得30個點的亮度值如表1所示：

表1：按照CIE140布點測試的亮度

　　從表1的測試結(jié)果，可計算得出路面的亮度平均值為1.11cd/m2，路面亮度均勻度為0.74，路面亮度縱向均勻度0.59。

　　3.2 成像亮度計測試

　　本文實驗中，我們用柯尼卡美能達(dá)的二維色彩亮度計CA-2000(保證精度的最低測量亮度為0.1cd/m2，遠(yuǎn)低于路面最低亮度0.5 cd/m2）測量路面。CA-2000百萬像素CCD，高分辨率顯示的特點，可幫助操作人員清晰地拍下路面圖片，通過圖片可以觀察到路面每個像素點的亮度參數(shù)。
 

圖6. 用二維色彩亮度計CA-2000測路面場景

　　二維色彩分析儀亮度計CA-2000的設(shè)置為：配長焦鏡頭，設(shè)置980×980分辨率，搭配三腳支架，置于同樣的高度和位置進(jìn)行測量。（其它相關(guān)設(shè)置不做詳細(xì)介紹）

　　用CA-2000對60米外的路面進(jìn)行3次測量，在軟件中分析選擇區(qū)域的亮度變化。通過軟件選取需要了解的區(qū)域，并由軟件直接得出該區(qū)域的亮度平均值、最大值、最小值。

 
圖7：測試指定區(qū)域內(nèi)的亮度參數(shù)

　　在同等條件下，我們?nèi)?次的測量數(shù)據(jù)分析，然后以亮度的最小值和平均值計算出選擇區(qū)域的亮度均勻性。結(jié)果分析如表2所示：

表2： 使用成像亮度計測試結(jié)果

　　根據(jù)成像亮度計CA-2000的測量結(jié)果，3次測量選擇區(qū)域的亮度縱向均勻度數(shù)據(jù)一致性很好，從測試結(jié)果可以計算得出使用成像亮度計測試的路面的亮度平均值位為1.21cd/m2，路面亮度均勻度為0.48。

　　為測試路面的縱向均勻度，在測試路面的成像效果圖上，按照標(biāo)準(zhǔn)要求取指規(guī)定路段的測試路中間的縱向亮度最小值比最大值，測試效果如圖8所示：

 
　　圖8：測試指定區(qū)域內(nèi)的縱向均勻度

　　如圖9所示，正方形框選區(qū)域為指定測量區(qū)域，我們通過偽彩色顯示圖進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,可以更直觀的看出該區(qū)域的亮度分布,：深藍(lán)色是亮度較低的區(qū)域,淺藍(lán)色是亮度較高的區(qū)域,綠色則是該區(qū)域最高亮度的區(qū)域。.

 
    圖9：指定區(qū)域的偽彩色顯示圖

　　三次測試的路面亮度縱向均勻度測試結(jié)果如表3所示：

　　表3 路面亮度縱向均勻度測試結(jié)果

　　4. 測試結(jié)果分析

　　在亮度測試的點式亮度測試的基礎(chǔ)上與成像亮度計的性能對比研究。從上述測試同一幅路面，使用點式亮度計測試和成像亮度計的亮度參數(shù)比較結(jié)果如表4所示：

　　
　　表4 點式亮度計和成像亮度計測試結(jié)果對比
 

　　從表4可以看出，使用成像亮度計測試的路面平均亮度值比使用點式亮度計測試的平均亮度值低8.26%。這主要是測試方法的差異造成，成像亮度計測試的采樣區(qū)域是整個測試路面，而點式亮度計的測試是在路面上等距布點測試得到，測試的采樣點相對較少，無法以較高的精度反應(yīng)整個路面的平均亮度值。從測試的方法上的差異可以看出，使用成像亮度計測試的結(jié)果理論上更準(zhǔn)確。

　　從表4可以看出，使用成像亮度計測試的路面亮度均勻度比使用點式亮度計測試的亮度均勻度值低35.1%。這也是由于測試方法的差異造成的，點式亮度計的取點很有規(guī)律，所有測試點均是在一條直線上，所以在使用點式亮度計的測試中，沒有測試到路面上亮度最小和最大的點，造成了使用點式亮度計的測試結(jié)果明顯高出使用成像亮度計的測試結(jié)果。

　　從表4可以看出，使用成像亮度計測試的路面亮度縱向均勻度與使用點式亮度計測試的亮度縱向均勻度完全一致，測試結(jié)果都是0.59。只是因為在測試縱向亮度均勻度的時候，也是在成像亮度計的一條縱向亮度直線上取點，與點式亮度計的縱向布點方式非常接近。

　　從上述測試結(jié)果分析可以看出，隨著光學(xué)儀器的分辨率提高，使用成像亮度計的測試結(jié)果已經(jīng)完全能夠達(dá)到點式亮度計的測試精度，而且由于測試的速度快，測試區(qū)域可調(diào)，使得使用成像亮度計測試的路面亮度參數(shù)更加準(zhǔn)確、快捷。

 
　　5．結(jié)論及展望

　　本文研究了路面亮度的測試方法。實驗結(jié)果表明使用成像亮度計可以更加方便快捷的測試路面亮度的相關(guān)參數(shù)，而且測試的結(jié)果從理論角度更加準(zhǔn)確。在GB/T 5700-2008的5.2.2和5.2.3節(jié)的測試儀器要求中指出：

　　“在道路照明測量中只要求測平均亮度式，可采用積分亮度計；除測量平均亮度外，還要求得出亮度總均勻度和亮度縱向均勻度時，宜采用帶望遠(yuǎn)鏡頭的光亮度計，其在垂直方向的視角應(yīng)小于或等于2’,在水平方向的視角應(yīng)為2’～20’。”  “照明測量用亮度計的性能應(yīng)滿足以下條件：

　　a) 相對示值誤差絕對值：≤±5%（0.02）；

　　b) V(λ)匹配誤差絕對值：≤5.5% ；

　　c) 穩(wěn)定度絕對值：≤1.5% ；
 
　　d) 換擋誤差絕對值：≤±1.0% ；

　　e) 非線性誤差絕對值：≤±1.0% ；”

　　上述的對亮度計的要求，成像亮度計均能滿足。從測試結(jié)果可以看出，如果使用成像亮度計作為測試路面亮度的儀器，相應(yīng)的路面亮度的參數(shù)值要有所調(diào)整，尤其是路面的亮度總均勻度參數(shù)。綜上所述，本文通過使用不同的亮度計進(jìn)行路面亮度參數(shù)的測試方法研究，為路面亮度測試標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)提供了新的思路。