杜躍飛，賀清

(蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州730070)

鐵路信號(hào)控制系統(tǒng)中，各種色燈信號(hào)機(jī)是保證列車(chē)行車(chē)安全，提高行車(chē)效率的重要組成部分，設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)適合我國(guó)國(guó)情的城市智能化交通信號(hào)控制系統(tǒng)，是21世紀(jì)我國(guó)交通工作者研究的熱點(diǎn)[1]。信號(hào)機(jī)從1956年56型單燈信號(hào)機(jī)的出現(xiàn)到現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的LED信號(hào)機(jī)已經(jīng)發(fā)展了70多年。從用白熾燈從電能中產(chǎn)生最大效率的白光，到如何用半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)將電子轉(zhuǎn)換為光子的高效能一直是一項(xiàng)長(zhǎng)期的探索的課題[2?3]。LED具有高光效、長(zhǎng)壽命、少污染、光色好、價(jià)格低、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，諸多優(yōu)勢(shì)使其在各個(gè)行業(yè)迅速發(fā)展。EDRINE等[4]將LED描述為一種新型輻射探測(cè)器，用于診斷放射學(xué)和輻射防護(hù)領(lǐng)域防護(hù)領(lǐng)域的X射線劑量測(cè)量。在軌道交通領(lǐng)域，LED色燈信號(hào)機(jī)主要涉及到散熱、光色、光強(qiáng)、陣列排布、透鏡設(shè)計(jì)等要素，已有部分學(xué)者對(duì)相關(guān)領(lǐng)域做了研究，SPAGNOLO等[5]提出使用相變材料PCM用于交通運(yùn)輸中LED黃色信號(hào)燈，利用PCM相變材料來(lái)滿足大范圍溫度變化的色度要求的研究。HU等[6]利用LED的色彩調(diào)節(jié)能力，使用了將設(shè)備穩(wěn)定的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為色度坐標(biāo)的模型評(píng)估基于RGB和HSB的對(duì)色混合系統(tǒng)。梁靜等[7]針對(duì)LED現(xiàn)有典型色差公式的色差預(yù)測(cè)性能進(jìn)行了研究評(píng)價(jià)，為顏色視覺(jué)辨別特性及色差評(píng)價(jià)方法的探索積累初始數(shù)據(jù)。VARMA等[8]提出一種新型LED陣列分配方案，用于隨機(jī)LED陣列獲得均勻的輻照度。MORENO等[9]研究了由多個(gè)LED組成的光源稀釋對(duì)光照均勻性的影響，并推導(dǎo)出不同結(jié)構(gòu)LED陣列的最大稀釋度的解 析 表 達(dá) 式。JAFRANCESCO等[10]對(duì)Tonatiuh，SolTrace，TracePro和CRS4-2 4種光學(xué)設(shè)計(jì)工具進(jìn)行了功能性和可用性比較。針對(duì)鐵路信號(hào)機(jī)，本文就小功率LED式燈盤(pán)陣列進(jìn)行了設(shè)計(jì)選型。通過(guò)Tracepro光學(xué)仿真軟件將透鏡式信號(hào)機(jī)中直絲聚焦式TX12/25型信號(hào)燈泡與小功率LED信號(hào)燈盤(pán)進(jìn)行對(duì)比。依據(jù)中華人民共和國(guó)相關(guān)鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[11?13]，應(yīng)用球帶系數(shù)法，對(duì)大功率LED燈珠進(jìn)行數(shù)量估算，最后通過(guò)Tracepro光學(xué)仿真驗(yàn)證了基于大功率LED燈珠的新型單燈多顯信號(hào)機(jī)的可行性。

1 光源燈盤(pán)設(shè)計(jì)

1.1 燈珠間距設(shè)計(jì)

由于LED發(fā)光近似為朗伯體分布，根據(jù)斯派羅法則的延伸，2個(gè)LED發(fā)光管之間的距離會(huì)直接影響光的疊加效應(yīng)，當(dāng)2個(gè)發(fā)光管間距較遠(yuǎn)，光照中心會(huì)出現(xiàn)明顯的暗點(diǎn)(即波谷)，當(dāng)2個(gè)發(fā)光管間距太近，容易形成單個(gè)波峰以致光源浪費(fèi)。在優(yōu)先滿足鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T2353-2018《鐵路燈光信號(hào)發(fā)光強(qiáng)度》的光強(qiáng)基礎(chǔ)上得到較為均勻的照明，即希望2個(gè)LED疊加后形成較為平坦光照分布，需要計(jì)算沿連接2個(gè)LED中心軸的最大平坦條件，找到比較合適的波峰間距，從而獲得多個(gè)LED緊密分布時(shí)的最佳相隔間距。

2個(gè)波峰間出現(xiàn)的最大平坦距離稱(chēng)為斯派羅極值σL，該值存在的條件應(yīng)滿足式(1)。

式中：一階微分表示函數(shù)的斜率，二階微分表示斜率的變化情況。斯派羅極值法原理圖如圖1所示，即當(dāng)2個(gè)發(fā)光管波峰之間最大值σ大于σL時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一段中間波谷區(qū)，若σ繼續(xù)增大波谷也隨之增大，直至光強(qiáng)分布不存在重疊部分；而當(dāng)2個(gè)發(fā)光管波峰之間最大值σ逐漸減小時(shí)，2波峰中間出現(xiàn)中央平坦區(qū)，當(dāng)σ=σL時(shí)中央平坦區(qū)達(dá)到最大；隨著σ繼續(xù)減小中央平坦區(qū)減小到0，整體表現(xiàn)為1個(gè)波峰。

圖1 斯派羅法則原理Fig.1 Schematic diagram of sparrow's law

1.2 燈盤(pán)陣列設(shè)計(jì)

TB/T2353—2018《鐵路燈光信號(hào)發(fā)光強(qiáng)度》和TB/T3242—2010《LED鐵路信號(hào)機(jī)構(gòu)通用技術(shù)條件》對(duì)信號(hào)機(jī)的發(fā)光強(qiáng)度做了明確規(guī)定，由于單個(gè)小功率LED無(wú)法滿足要求，需對(duì)燈珠陣列和透鏡進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型。

理想情況下的單顆LED燈珠可近似為朗伯體，光強(qiáng)的分布不僅受其材料及形狀影響，還與發(fā)光角度有直接關(guān)系[8]。近似光強(qiáng)與發(fā)光角度滿足式(2)關(guān)系。

式中：θ為發(fā)光角度；E0(r)為發(fā)光管在光軸方向的光照度；m取決于LED發(fā)光區(qū)域與球面密封材料的曲率中心的相對(duì)位置。通常LED的m>30，隨著LED制造材料的升級(jí)，m值有所減小。

由式(2)可以得出，光照強(qiáng)度隨著m的增大而減小。m值由θ1/2決定：

式中：θ1/2為L(zhǎng)ED的配光曲線中對(duì)應(yīng)發(fā)光強(qiáng)度為最大值1/2時(shí)的角度。點(diǎn)光源照射到與光軸垂直平面時(shí)的光照強(qiáng)度由式(2)～(3)得到：

式中：r為L(zhǎng)ED到照射平面的距離。LED在面板平面上的位置(x,y)的輻照度分布公式(3)可以用笛卡爾坐標(biāo)系(x,y,z)表示。z表示點(diǎn)光源到照射面的距離，則坐標(biāo)系中任意一點(diǎn)Q(x,y,z)處的光照強(qiáng)度如式(5)所示。

式中：I是LED的光照強(qiáng)度；(x0,y0)是LED在平面坐標(biāo)系的坐標(biāo)。

一般情況下LED可看成點(diǎn)光源，隨著發(fā)光管數(shù)量的增加，光照范圍和強(qiáng)度也會(huì)明顯改變。小功率單個(gè)LED無(wú)法滿足信號(hào)機(jī)的光照強(qiáng)度要求，必須使用數(shù)十個(gè)甚至上百個(gè)并聯(lián)以達(dá)到理想的效果。所以需要對(duì)燈盤(pán)陣列進(jìn)行設(shè)計(jì)及選擇。

通常LED的陣列分布情況有3種，包括方形陣列、三角形陣列和環(huán)形陣列，如圖2所示。每次實(shí)驗(yàn)測(cè)試針對(duì)不同的陣列均采用的是相同型號(hào)相同數(shù)量的燈珠。

圖2 陣列分布圖Fig.2 Array distribution

結(jié)果表明，方形陣列在最大距離之內(nèi)有較好的均勻性，三角陣列可以適當(dāng)減小分布空間，利于在有限空間使用，圓環(huán)陣列相比前兩者有更好的聚光效果，在排列半徑內(nèi)有比較好的均勻性，隨著陣列中心到平面的距離增大，均勻性降低，考慮到色燈信號(hào)機(jī)應(yīng)用于相距500 m以上居多，對(duì)高聚光、高指向性的需求大于均勻性需求。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，圓環(huán)陣列滿足鐵路信號(hào)機(jī)高聚光、高指向性的要求。

圓環(huán)陣列各LED等間距均勻分布，如圖3所示。根據(jù)TB/T2353—2016《鐵路燈光信號(hào)發(fā)光強(qiáng)度》中對(duì)各顏色光強(qiáng)的要求，不同顏色燈珠數(shù)量可以略有不同。

圖3 LED發(fā)光盤(pán)燈珠分布Fig.3 Distribution of LED emitting disc lamp beads

2 傳統(tǒng)光源及小功率LED光盤(pán)Tra‐cepro仿真

2.1 白熾燈光學(xué)仿真

此次采用的是直絲聚焦式TX12/25型信號(hào)燈泡，其工作電壓及功率為12 V/25 W，具體光學(xué)參數(shù)如表1，仿真測(cè)試采用Tracepro光學(xué)仿真軟件，測(cè)試處于單燈空曠環(huán)境下，光源距測(cè)試板(1 m×1 m×30 mm)10 m。圖4(a)給出的仿真結(jié)果為輻照?qǐng)D。

表1 直絲聚焦式TX12/25型信號(hào)燈泡參數(shù)Table 1 Parameters of straight wire focusing TX12/25 signal bulb

圖像經(jīng)過(guò)平滑度90度處理，采用區(qū)域坐標(biāo)系輔助顯示。根據(jù)圖4(a)可知，TX12/25型信號(hào)燈在開(kāi)放環(huán)境下10 m外遮板平均光通量維持在80 lm左右，而光照范圍基本維持在光軸10°上下，發(fā)光強(qiáng)度可以達(dá)到1 600 cd。

2.2 小功率LED信號(hào)燈仿真

小功率LED信號(hào)機(jī)內(nèi)部由數(shù)十甚至上百個(gè)小功率LED燈珠集成。以下以原中國(guó)鐵路西安局集團(tuán)有限公司LED燈盤(pán)為例。

測(cè)試燈盤(pán)光源額定功率為7.45 W，一共采用61顆直插式燈珠，單個(gè)燈珠發(fā)光功率0.1 W左右，單個(gè)LED二極管光通量約為6 lm。呈圓形陣列分布。通過(guò)Tracepro輻照仿真測(cè)試結(jié)果如圖4(b)。

圖4 輻照?qǐng)DFig.4 Radiation diagram

測(cè)試結(jié)果表明，小功率LED發(fā)光盤(pán)在空曠環(huán)境下發(fā)光強(qiáng)度可達(dá)2 700 cd，相比傳統(tǒng)直絲聚焦式TX12/25型信號(hào)燈，小功率LED燈盤(pán)能耗約為T(mén)X12/25型信號(hào)燈的1/3，發(fā)光強(qiáng)度約是其1.7倍，且小功率LED式燈盤(pán)具有可靠性高，免維修，壽命長(zhǎng)等優(yōu)良性能。更適合做信號(hào)機(jī)光源。但由于小功率LED是許多單一芯片采取外圍電路集成，缺乏優(yōu)良的整體協(xié)調(diào)性能，產(chǎn)品一致性較差。

隨著大功率LED技術(shù)突破，使LED獲得更高的取光率、較大的光通量，使光折損降低，同時(shí)更好地解決光的發(fā)散角度、均勻性以及與導(dǎo)光板的搭配等問(wèn)題。大功率LED通過(guò)不同的封裝結(jié)構(gòu)方式，從而保持和提高產(chǎn)品的一致性、可靠性等整體性能，因此，信號(hào)機(jī)僅用極少數(shù)大功率LED燈珠布置在燈盤(pán)上以滿足其光學(xué)性能成為可能。

3 新型LED信號(hào)機(jī)光性能研究

本次設(shè)計(jì)參考?xì)W司朗(OSRAM)生產(chǎn)的中高功率SMD封裝LED燈珠[14]，每顆綠色燈珠的光通量是151 lm/W，黃色燈珠光通量為98 lm/W，紅色燈珠光通量為99 lm/W。

3.1 LED燈珠數(shù)量估算

下面對(duì)單個(gè)紅色燈珠在功率為2 W時(shí)進(jìn)行光學(xué)仿真測(cè)試(其他顏色不做綴訴)，光通量設(shè)為99 lm/W，參考OSRAM生產(chǎn)的OSCONIQ? P 3030。在Tracepro中生成LED的表面材質(zhì)，對(duì)LED的光強(qiáng)分布進(jìn)行模擬，經(jīng)過(guò)40°平滑度處理。其單顆LED發(fā)光測(cè)試結(jié)果如圖5。

圖5 直角坐標(biāo)光強(qiáng)分布圖Fig.5 Light intensity distribution in rectangular coordinates

仿真模擬使用遺失光線得到相應(yīng)結(jié)果。由于大功率LED燈珠封裝設(shè)計(jì)導(dǎo)致發(fā)光范圍較大，設(shè)置50°半角值，2 W有功功率。結(jié)果顯示，相比小功率LED燈，單個(gè)大功率LED光強(qiáng)在空曠環(huán)境中可達(dá)340 cd，是現(xiàn)行直插式小功率LED光強(qiáng)的9倍，但是單顆依舊達(dá)不到行業(yè)要求，需要在加強(qiáng)其聚光性指向性后進(jìn)行數(shù)量估算。針對(duì)大功率LED燈珠的發(fā)光角度太大問(wèn)題，必須對(duì)透鏡進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)。通過(guò)Tracepro光學(xué)透鏡設(shè)計(jì)，可將主要光線照射范圍控制到中心光軸10°上下，此時(shí)中心光強(qiáng)可達(dá)1 900 cd，圖6為加裝透鏡后極坐標(biāo)系光強(qiáng)分布圖。

圖6 加裝透鏡后極坐標(biāo)系光強(qiáng)分布Fig.6 Light intensity distribution in polar coordinate system with lens

進(jìn)一步確定LED燈珠個(gè)數(shù)，須對(duì)LED信號(hào)機(jī)的總光通量進(jìn)行計(jì)算。通常關(guān)于光通量的計(jì)算方法包括V-H系統(tǒng)法、積分球法、球帶系數(shù)法。V-H系統(tǒng)法被廣泛用于泛光照明器的計(jì)算；積分球法是將被測(cè)光源與標(biāo)準(zhǔn)光源進(jìn)行比較從而求得總光通量的值，在傳統(tǒng)光源的測(cè)量中被廣泛使用；球帶系數(shù)法用于估算燈具的最小總光通量，即根據(jù)燈具規(guī)定點(diǎn)的光強(qiáng)值來(lái)估算總光通量的方法。

本文采用球帶系數(shù)法估算LED燈珠數(shù)量。信號(hào)機(jī)的光強(qiáng)度按式(6)計(jì)算：

式中：I為信號(hào)燈的光強(qiáng)度，cd；E為經(jīng)過(guò)色修正后的光照度，lx；L為測(cè)試距離，m。

光強(qiáng)與光通量之間存在如下關(guān)系[15]：

如圖7所示，立體角可表示為：

圖7 立體角示意圖Fig.7 Schematic diagram of solid angle

將式(8)代入式(7)后可得計(jì)算總光通量的公式如下：

對(duì)于軸對(duì)稱(chēng)光源：

如圖8，將球面劃分為n條大小相等的球帶，各球帶的發(fā)光強(qiáng)度值可分別表示為I1，I2，…，IN，由式(9)可推導(dǎo)得各球帶的光通量如下：

圖8 球帶分割Fig.8 Ball belt segmentation

總光通量為：

由推導(dǎo)可知，式(12)成立的條件是各球帶光強(qiáng)為常數(shù)：

實(shí)際情況中，I隨著角度的變化而連續(xù)變化，I隨角度線性變化更符合實(shí)際情況。

式(14)是優(yōu)化后的球帶系數(shù)法，是一種絕對(duì)測(cè)量方法，不受燈具尺寸限制，比普通球帶系數(shù)法更加精準(zhǔn)，適用于LED信號(hào)機(jī)光通量測(cè)量。

根據(jù)TB/T 3242—2010標(biāo)準(zhǔn)“LED信號(hào)機(jī)燈珠損壞數(shù)量達(dá)到30%±5%時(shí)應(yīng)報(bào)警；數(shù)量超過(guò)50%±5%時(shí)應(yīng)使燈絲繼電器可靠落下?！本C合考慮球帶系數(shù)結(jié)果及冗余性選用綠色LED燈珠3顆，黃色4顆，紅色3顆。

3.2 光強(qiáng)測(cè)試

鐵道標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2353—2018中規(guī)定了鐵路燈光信號(hào)發(fā)光強(qiáng)度，其中高柱色燈信號(hào)機(jī)的光軸方向的光強(qiáng)度應(yīng)不低于表2規(guī)定。

LED信號(hào)機(jī)的光強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表2，圖9為大功率紅色LED光強(qiáng)分布測(cè)試結(jié)果，由于實(shí)際燈具不是嚴(yán)格對(duì)稱(chēng)的，因此給出不同方向上的光強(qiáng)分布，圖9中采用了0°(藍(lán)色)、45°(綠色)、90°(紅色)、135°(天藍(lán)色)4個(gè)角度用來(lái)表示4個(gè)法線所在切面的光強(qiáng)分布曲線。測(cè)試結(jié)果表明：紅黃綠3色色品均符合鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其中紅色采用3顆燈珠，一共6 W；綠色3顆共6 W；黃色由于在TB/T 2353—2018中規(guī)定光強(qiáng)在3 900 cd以上，滿足需求的同時(shí)考慮可靠性，采用4顆燈珠，共8 W。

表2 色燈信號(hào)機(jī)光軸方向的光強(qiáng)度Table 2 Light intensity of light axis direction of color light signal

圖9 紅色LED光強(qiáng)分布Fig.9 Light intensity distribution of red LED

4 新式單燈位三顯示信號(hào)機(jī)設(shè)計(jì)

根據(jù)上文對(duì)大功率LED燈珠的光學(xué)測(cè)試結(jié)果，提出建立單燈位多顯示LED信號(hào)機(jī)的設(shè)計(jì)構(gòu)想，即在同一發(fā)光盤(pán)上安裝多種顏色燈珠，以三顯示信號(hào)機(jī)為例，將3顆紅色燈珠，3顆綠色燈珠，4顆黃色燈珠按圖10所示分布。10顆燈珠(單燈所占面積3 mm×3 mm×2 mm)整體呈正九邊形分布，中心位置放置黃色燈珠，各色之間均勻分布，單色呈正三角分布。通過(guò)光學(xué)測(cè)試，在同一發(fā)光盤(pán)上3顆紅色燈珠光強(qiáng)可達(dá)3 860 cd(鐵路標(biāo)準(zhǔn)2 100 cd)，3顆綠色燈珠3 818 cd(鐵路標(biāo)準(zhǔn)2 800 cd)，4顆黃色燈珠4 396 cd(鐵路標(biāo)準(zhǔn)3 900 cd)，均可滿足鐵路標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定。紅綠2種顏色工作時(shí)功率約為T(mén)X12/25型信號(hào)燈泡的1/4，黃色約為T(mén)X12/25型信號(hào)燈泡功率的1/3。新式信號(hào)機(jī)相比傳統(tǒng)燈泡更加節(jié)能。

圖10 新型信號(hào)機(jī)燈珠分布圖Fig.10 New signal bead distribution diagram

要注意的是需同時(shí)設(shè)計(jì)與光盤(pán)燈珠陣列對(duì)應(yīng)的無(wú)色聚焦透鏡，智能點(diǎn)燈單元完成顯示不同色光的控制，這些內(nèi)容本文沒(méi)有涉及。

由于我國(guó)鐵路信號(hào)機(jī)種類(lèi)繁多，在對(duì)月白色、藍(lán)色、紫色等大功率燈珠進(jìn)行以光學(xué)測(cè)試后，若滿足鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，該設(shè)計(jì)可適用于列車(chē)進(jìn)、出站信號(hào)機(jī)、區(qū)間信號(hào)機(jī)、調(diào)車(chē)信號(hào)機(jī)、駝峰信號(hào)機(jī)等，有利于降低建設(shè)成本，減輕站間限界限制等。

5 結(jié)論

1)針對(duì)鐵路信號(hào)機(jī)發(fā)光特性，提出利用光源配光曲線和斯派羅極值來(lái)確定燈珠間距及燈盤(pán)陣列排布的方法。利用Tracepro對(duì)不同的信號(hào)機(jī)光學(xué)仿真測(cè)試對(duì)比論證了采用大功率LED燈珠做光源的可行性。

2)根據(jù)大功率LED光學(xué)測(cè)試結(jié)果及球帶系數(shù)法確定燈盤(pán)各色燈珠數(shù)量，實(shí)現(xiàn)單燈位多顯示鐵路信號(hào)機(jī)的設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明，新式信號(hào)機(jī)能夠滿足鐵路信號(hào)機(jī)光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。

3)本文所做工作僅是起步，后續(xù)在LED色衰、大霧等特殊情況下存在變色問(wèn)題、智能信號(hào)機(jī)點(diǎn)燈電路設(shè)計(jì)以解決線路之間的電容效應(yīng)、聚焦透鏡設(shè)計(jì)等方面還需更進(jìn)一步研究。