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基于R-Table的LED道路照明配光研究与设计

1 引言

机动车辆驾驶员主要关注前方60~160米区域的路况,夜间行驶时,道路照明之目的是为驾驶员创造一个明亮且均匀的路面视觉环境,从而达到降低夜间事故率之功效。自CIE No.12.21977年出版以来,道路照明的亮度标准就在欧美各国被采纳和广泛推广,并作为道路设计的主要标准,我国在CJJ45-1991标准中也引入了亮度标准,并在CJJ45-2006标准中强化了亮度均匀性要求。但随着诸多非照明专业人士转入LED道路照明行业,许多从业者对路面亮度和照度的差异性了解不够,导致亮度标准在我国被逐渐弱化,并有可能被照度标准取代的倾向。要在我国推广亮度标准,首要任务则是研究不同路面材质的反射性能,摸清简化亮度系数表(即R-Table)对道路照明灯具配光的影响,分析基于照度标准设计的道路灯具配光所带来的问题。

 

2.不透明材质反射性能表征方法

材料的反射性能与光线的入射角、观察方向、入射光的光谱分布函数、入射点的位置相关。Nicodemus等人提出采用双向反射分布函数(BRDF, Bidirectional Reflectance Distribution )来描述材质的反射性能 [1],用公式(1)表示,图1给出了公式中各几何量的意义。BRDF的数据一般可以根据实验数据测试得出,也可以从许多数学上的PhongBlinn-Phong等理论模型中近似地计算出。对于均匀漫反射模型而言,由于材质的反射与入射角、反射角无关,而且各方向上的亮度相等,其数学模型很简单,可以根据公式来计算亮度大小(即)。例如,水泥的反射率ρ约为30%,则可计算出水泥路面照度是亮度的10倍左右;沥青的反射率ρ约为20%,则可计算出沥青路面照度是亮度的15倍左右。但实际上,只有少数材料的反射性能符合均匀漫反射,例如用于粉刷墙面的涂料,其墙面平整,且涂料中的石膏粉颗粒的尺寸很小而且粗细均匀。对于路面材质而言,其材料的组成成分复杂,粗细不匀,有些材质还有反光材料添加剂,因此,其反射性能与标准均匀漫反射差距很大。如图2示意所示,尽管图2-A2-B两种材质的反射率相同,但在某一特定的观察方向上的亮度差距却很大。

2. 复合反射与均匀漫反射的区别

    (1)

1. BRDF参数示意图

 

 

 

 

 


BRDF数据一般用于三维仿真软件的效果图渲染,或基于辐射度计算的光学模拟软件反射光计算,这些软件都需要比较精确的光谱分布函数计算,对逼真性、色彩和精度要求都较高。但对于道路照明来说,由于路面色彩单一、整体亮度较低、以及路面的反射性能受气候、磨损程度、积灰厚度、路面不均匀沉降等诸多因素的影响,因此,在路面亮度计算时,对路面的色度以及路面亮度的精确度要求不高,从而,表征道路照明路面反射性能的方法通常是采用立体,BRDF简化了许多,如公式(2)所示,图3示意了各几何参数之间的关系。公式(2)忽略了光谱分布函数的影响,所以在测试路面反射性能时,通常采用标准光源或自然光作为测试光源。公式(2)中的β即为公式(1)中的的补角,这样简化的目的是忽略材料的各项异性的影响。

    2

3. 观察员在α方向上的亮度系数立体

在道路照明中,机动车辆驾驶员的观察角度通常为0.5~1.5°,而且在该范围内,值变化很小,通常取观察角度α等于1°。计算点的照度可以直接从道路灯具的光强分布函数和几何位置关系中推导出来,因此,通常采用公式(3)描述路面材质在机动车驾驶员观察方向上的反射性能,图4示意了各个几何参数之间的关系。CIE 144-2001则采用的形式表示路面的反射性能,并在数值上放大10,000倍后以 R-Table格式列出,称为简化亮度系数表,表1举例说明了C2路面的简化亮度系数表R-Table。图5示意了R-Table表所覆盖的平面区域,靠近观察员方向为12MH(灯杆高度),远离观察员方向则为5MH

     (3)

   1. CIE 144-2001公布的 R3路面简化亮度系数表

Tan ε

β(Degrees

0

2

5

10

15

20

25

30

35

40

45

60

75

90

105

120

135

150

165

180

0.00

294

294

294

294

294

294

294

294

294

294

294

294

294

294

294

294

294

294

294

294

0.25

326

326

321

321

317

312

308

308

303

298

294

280

271

262

258

253

249

244

240

240

0.50

344

344

339

339

326

317

308

298

289

276

262

235

217

204

199

199

199

199

194

194

0.75

357

353

353

339

321

303

285

267

244

222

204

176

158

149

149

149

145

136

136

140

1.00

362

362

352

326

276

249

226

204

181

158

140

118

104

100

100

100

100

100

100

100

1.25

357

357

348

298

244

208

176

154

136

118

104

83

73

70

71

74

77

77

77

78

1.50

353

348

326

267

217

176

145

117

100

86

78

72

60

57

58

60

60

60

61

62

1.75

339

335

303

231

172

127

104

89

79

70

62

51

45

44

45

46

45

45

46

47

2.00

326

321

280

190

136

100

82

71

62

54

48

39

34

34

34

35

36

36

37

38

2.50

289

280

222

127

86

65

54

44

38

34

25

23

22

23

24

24

24

24

24

25

3.00

253

235

163

85

53

38

31

25

23

20

18

15

15

14

15

15

16

16

17

17

3.50

217

194

122

60

35

25

22

19

16

15

13

9.9

9

9

9.9

11

11

12

12

13

4.00

190

163

90

43

26

20

16

14

12

9.9

9

7.4

7

7.1

7.5

8.3

8.7

9

9

9.9

4.50

163

136

73

31

20

15

12

9.9

9

8.3

7.7

5.4

4.8

4.9

5.4

6.1

7

7.7

8.3

8.5

5.00

145

109

60

24

16

12

9

8.2

7.7

6.8

6.1

4.3

3.2

3.3

3.7

4.3

5.2

6.5

6.9

7.1

5.50

127

94

47

18

14

9.9

7.7

6.9

6.1

5.7

 

6.00

113

77

36

15

11

9

8

6.5

5.1

 

6.50

104

68

30

11

8.3

6.4

5.1

4.3

 

7.00

95

60

24

8.5

6.5

5.2

4.3

3.4

 

7.50

87

53

21

7.1

5.3

4.4

3.6

 

8.00

83

47

17

6.1

4.4

3.6

3.1

 

8.50

78

42

15

5.2

3.7

3.1

2.6

 

9.00

73

38

12

4.3

3.2

2.4

 

9.50

69

34

9.9

3.8

3.5

2.2

 

10.00

65

32

9

3.3

2.4

2

 

10.50

62

29

8

3

2.1

1.9

 

11.00

59

26

7.1

2.6

1.9

5. R-table覆盖的平面区域

1.8

 

11.50

56

24

6.3

2.4

1.8

 

12.00

53

22

5.6

2.1

1.8

 

4. 与亮度及灯具的光强分布间的关系示意图

 

 

 

 

 

 

 

 

3 道路照明中的照度与亮度的区别

在道路照明中,由于路面不是朗伯型漫反射材质,则某考察点P的亮度与灯具间的相对位置和观察员的位置紧密相关。图6为某款单一灯具在路面上产生的等照度曲线,其安装高度为10米,图7~10为该灯具在R1~R4路面上形成的亮度曲线,观察员位置为CIE规定的60米位置,高度1.5米。比较图6和图7~10发现,照度的最大值出现在路灯的正下方区域,而亮度的最大值则随着路面的镜面反射系数S1的大小而不同程度地往观察员方向偏移(其中)

 

 

 

 

 

 

 

6. 某类型的单一路灯在路面上形成的等照度曲线

8. 某类型的单一路灯在R2路面上形成的等亮度曲线

9. 某类型的单一路灯在R3路面上形成的等亮度曲线

10. 某类型的单一路灯在R4路面上形成的等亮度曲线

7. 某类型的单一路灯在R1路面上形成的等亮度曲线

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


为便于研究方便,可以借鉴灯具配光曲线的表示方法,把各种路面的R-Table中数据,分别采用直角坐标和极坐标绘制成曲线。利用其几何关系,即R-Table中的β角度等同于配光曲线的C半平面角度,γ角度等同于配光曲线中的γ角度(如不考虑灯具安装仰角)。图11~12是根据R3R-Table表中的数据绘制,其中图中的V代表β=0-180°时的R数据值分布情况,H等于β=90°时对应的R-Table中的数值。图13CIE 144-2001中公布的R系列的四种R-Table列在同一直角坐标系中,以比较各路面的差异性。对比图13中的R1~R4曲线,可以很好的解释为什么图7~10的亮度曲线向观察员移动的现象。

11.  R3R-Table的极坐标表示法

13.  R系列的四种R-Tableβ=0-180对比

12. R3R-Table的直角坐标表示法

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


4 基于R-Table的配光设计

14. 计算区域内的亮度由L1~L6灯具决定

从上一节的分析知,要得到均匀的路面亮度,必须针对不同路面的R-Table设计灯具的配光曲线,随着半导体白光固态照明技术的迅猛发展,LED光源的颗粒化和方向性强的特点,给道路配光设计带来很大的灵活性,可以针对不同的应用场景设计出优化的配光曲线,14示意了计算点P的亮度由靠近观察员方向5MH以内的灯具和远离观察员方向12MH以内的灯具决定,当布灯间距在3MH~4MH之间时,计算区域内的亮度由图中L1~L6决定。图15为考察区域内的C0-180平面内的亮度大小受各灯具影响情况,图中按照10米灯杆高度,40米间距设置,如灯杆间距适当缩小,则灯具L1L4~L6的亮度曲线将向中间靠拢,评估区域内的亮度大小受L1L4L5L6灯具的影响更大。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

15. 6盏灯具在C0-C180平面内形成的亮度曲线

 

 

 

 

 

 

 

 


从图15知,当实行严格截光措施时,可以忽略L1, L4, L5, L6灯具的影响,此时,评估区域内的亮度仅受L2L3灯具的影响,仅考虑两盏灯具的亮度叠加来设计灯具的配光相对简单一点。但要完全实行截光却很困难,而且,实现严格截光措施的道路灯具牺牲了道路照明的诱导性,也同样降低了驾驶员行车的安全性。所以仅考虑L2L3灯具设计的配光与实际有一定误差,根据笔者经验,其影响一般在15%以内。在照明工程应用时,灯杆间距是随时变化的,如灯杆间距适当缩小,则出现灯具正下方亮度的过大的情况。

其具体的求解各方向光强值大小的方法很多,读者可参考作者的其他文稿,并可以根据经验去总结设计技巧,为节约篇幅,本文不再赘述其详尽的计算过程。

 

5 结束语

追求优质LED道路灯具配光性能在业界已达成共识,但由于我国在道路标准与路面亮度系数方面的基础性研究工作不足或欠缺,从业者对亮度标准了解甚少,导致评测LED道路灯具配光性能是否优劣的意见不一。同时,由于路面的反射特征受天气、磨损程度、积灰厚度、工程翻新等诸多因素的影响,这给亮度标准的实施带来难处,但如果不采纳亮度标准,可能使得业界无法从驾驶员角度考虑,而单方面的以照度均匀性作为评价指标,其后果更严重。所以,尽管采用亮度标准设计的道路照明与实际存在一定的差距,但至少可以保证道路照明设计与光学系统研发可以从驾驶员视觉角度出发,不再出现非常严重的斑马效应。

 

[1] CIE 144-2001. Road surface and road marking reflection characteristics[S]

[2] Nicodemus F, Richmond J, Hsia J. Geometrical considerations and nomenclature for reflectance. National Bureau of Standards.1977, Washington, U.S.

[3] 邹吉平, 王建. LED道路照明灯具配光设计的误区分析——矩形配光无法满足道路照明. (第十二届中国科协年会第十三分会论文集): 刘木青, 刘世平, 吴一禹. LED照明技术及其应用设计论坛. 福州, 2010(11): 104~109

[4] 邹吉平,顾景文,李丽. 遗传算法在道路照明工程设计中的应用. (第十五届全国工程设计计算机应用学术会议论文集): 王伟, 陈岱林, 王静等. 工程设计与计算机技术. 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 2010. 101~105

 

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