孙小鹏;王凌燕
【期刊名称】《中国海事》
【年(卷),期】2019(000)006
【总页数】3页(P21-23)
【作 者】孙小鹏;王凌燕
【正文语种】中 文
孙小鹏，北海航海保障中心烟台航标处处长，1998年毕业于大连海事大学航政管理专业，本科，先后在烟台航标处、天津航测科技中心和北海航海保障中心机关从事航标管理、航标技术研究和综合业务管理等工作。先后参加烟台辖区多项航标建设和配布工程，组织或参与多
项航标技术研究和科技项目研发工作，其中“航标智能灯器与运行信息管理系统”项目获得山东省科技进步一等奖，“航标智能控制器”等项目分别获得中国航海学会和山东省科技奖励。
随着现代水运事业的迅速发展，不同吃水深度的航船越来越多。当船舶进出港口时，就要进入长短、宽窄不同的航道，所以航道安全显得越来越重要，对导标灯器的要求也越来越高。因此，基于现有的航标灯器技术，结合更加高效、便捷的新技术手段，进一步增强导标运行的安全性和稳定性，提高导标的助航效果，是航标管理部门急需解决的问题。
现有的导标采用的多是小功率LED，为了保证射程往往需要大量LED组合成阵列，造成了导标本身体积较大，给维护人员更换和维修导标带来困难，加上小功率LED光衰严重，不符合可持续发展和节能减排的要求，也降低了助航效果。近年来，大功率LED发展迅速，且技术成熟，具有节能、环保和光衰小等优良特性，通过与光学透镜的组合为替代现有导标光源奠定了基础。该文主要介绍采用大功率LED和TIR透镜组合的导标灯器光学系统的研制。
一、设计指标
导标灯器作为传统目视导航灯器，视觉助航是其非常关键的功能性要求。光学系统设计是导标灯器视觉导助航设计的核心部分，需要实现满足射程需求、保证光学系统寿命和降低能耗等目标。其具体设计指标如下：
（1）灯质符合IALA的相关要求；（2）符合GB12708-1991航标灯光信号颜标准的规定；（3）透镜满足《JTT761-2009航标灯通用技术条件》，密封矩阵航标灯垂直发散角≥4°，水平发散角≥8°；（4）灯器射程≥17海里（T=O.74，S=2秒）。
二、导标灯光源选型
LED作为新一代绿光源，具有节能、环保和光转换效率高等特点，尤其是大功率LED寿命长、平均无故障工作时间长，且其特点决定了可以对单个光源进行精确的光控制，在航标灯等照明领域具有广阔的应用前景。因此选用大功率LED光源作为灯器光源，是时代之趋，技术所需。
经过查阅现有市场主流大功率LED光源特性及实地考察，大体确认Philips公司的LUXEON MZ系列产品和Cree公司的XLampXP-E2系列产品比较合适。经过测试对比得到，相同的
测试距离，两者的半峰角都能满足水平方向≥8°，竖直方向≥4°的要求。最大光强差别较大，CREE XP-E2的光强优势明显，而LUXEON MZ由于LED光源面积过大，不太适合本项目中的小角度应用，所以LED光源定型为CREE XP-E2。
信号器
XPE2系列温符合《JTT761-2009航标灯通用技术条件》的要求；典型光通量为124lm@85℃@350mA；正常工作电流1 000mA，最大功率3W，最大输出372lm；典型电压值1.9-3.4V；典型视角115°；L80＞42300hrs@85℃；1 000小时光衰小于0.5%（350mA @85℃）。
三、导标灯光学透镜设计
为了减少功耗，透镜设计中尽量提高光线利用率，因此设计TIR透镜。TIR（Total Internal Reflection）透镜也称全内反射透镜。全内反射是一种光学现象，当光线从较高折射率的介质进入到较低折射率的介质时，如果入射角大于某一临界角θc（光线远离法线）时，折射光线将会消失，所有的入射光线将被反射而不进入低折射率的介质。
（一）光学系统初始结构设计
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水暖炉根据TIR透镜设计方法，确定透镜的初始结构，因此首先进行光路设计。
点光源XLamp XP-E2的发散角为115°，从点光源发出的光线，经过透镜侧面部分的光线，需要经过透镜侧壁反射到竖直和水平方向所需的发散角内，光路设计如图1所示。
图1 相对光谱功率分布
LED通过TIR透镜的一个切面如图2所示，取透镜中心为Y轴，径向为X轴，为简化问题，将LED简化为原点处的点光源。
测量温度表
图2 TIR透镜反射曲面定义
光学设计目标是为了满足发散角，即水平发散角8°，竖直发散角4°（标准点光源的情况下），可以计算出：
（a）Pn点所在切线方程：
并且我们可以认为临近点Pn+1也在该切线上。
（b）Pn+1点所在光线方程：
（c）约束条件：
由全反射临界角决定极限斜率
由于直接求解不易，不妨假设取极限情况：a→0。时，求得可以全反射，这对于常用的PMMA和PC材料可以实现；a→0。时，代入可得：当 时，曲面可以发生全反射，这显然是成立的；令
该函数在单调递减。因此，在同样的折射率n下，若曲面对于初始入射角为的光线能够发生全反射，则对于 a ′ = θ - ∆ θ （θ 与 ∆ θ 均大于0）的光线必定也能发生全反射。
由方程（1）、（2）我们可以推算出一系列的点坐标，将所得到的结果进行曲线拟合，我们就可以得到曲线方程。
雨水弃流井由于曲线方程最多为6阶方程，高于6阶方程，曲线方程将无解，我们在实际计算中使用龙格库塔法来求解曲线。
使用以上结果，我们得到TIR透镜模型如图3所示：
图3 透镜结构图
（二） 照度分布图
图4为通过TIR透镜的导标灯的照度分布图。从照度分布图上可以看出，光线通过透镜，可以在平面接收器上得到矩形亮度区域，水平方向明显比垂直方向长，且中间部分比周边区域亮度高。其角度可通过测试得到详细数据。
图4 照度分布图（1m，平面接收器）
（三）配光曲线图
图5 配光曲线图
从图中可以看出，水平方向发散角约为±4°，竖直方向发散角约为±2°，满足设计要求。
（四） 灯器射程计算
光源通过透镜的最大比值约为2.3E+004cd/klm，即23cd/lm。而最终选定的XPE2 Q5型光源，在温度为25℃，电流为350mA时，光源光强为124lm。则此条件下光强为
这是每个光源的最大光强，不能满足射程要求，因此将光源进行组合使用。将光学系统初始设计为4x4的光源阵列，现需要验证光学系统能否达到预定射程。
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