CN101313208B - 确定表面的反射特性方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及确定特定表面的光反射特性的方法，通过对多个比较表面测量依照CIE标准推荐的r表；用“便携式”测量设备对相同的多个比较表面测量所选的入射光角(γ)和反射光角(90°-α)和(β)的光反射参数；用所述“便携式”设备在所述特定表面的多个测量点上就地测量所述角(γ)、(α)和(β)的所述参数；选择性地考虑亮度系数Q0的重标度因数，将特定表面的所述参数的角分布与所述比较表面的所述参数的角分布进行比较，以便选择显示最佳分布拟合的比较表面；并用所述的选择性重标度因数将与所述所选的比较表面相对应的“r表”分配给所述特定表面。

Description

确定表面的反射特性方法和设备
技术领域
本发明涉及用于确定(同测定、找出、“测量”)诸如路面的给定表面的反射特性的方法，其中考虑到从此推导出照明系统/装置的理想照度和亮度性能。 
本发明更特别地旨在推导未知表面的一系列代表性参数，例如被统称为“r表”或“表r”的那些，特别是由在限定的光入射和光反射角度下就地测量路面/道路覆盖层的变换亮度参数得到的所述路面光反射或反射系数的表征。 
背景技术
路面反射特性的确定是计算道路照明装置的特征和亮度水平的重要方面。在这方面特别参考了来自国际照明技术委员会-CIE的出版物“道路照明中亮度和照度的计算和测量(Calculation andMeasurement of Luminance and Illuminance in road lighting)”(CIE出版物N°30-2(TC-4.6)1982)。 
为了设计照明装置并在亮度方面进行最优化，照明工程师必须能够预测路面处的亮度水平。为此必须考虑几个参数：发射光的强度分布，其通常是众所周知的并由照明设备制造商定义；灯具的光通量、结构的几何形状(路宽、装置高度等等)和路面特性。 
亮度计算常常借助于软件执行，更普遍的是通过使用例如CIE所定义的r表特征的理论路面特征来执行。 
照明装置的计算常常以数目非常有限的参考表面的特征为基础(例如CIE所定义的标准级R1、R2、R3和R4)。 
此类使用有限数目的参考表面来表征所有可想象路面清楚地表明希望对该方法进行改进。 
本发明的构想者是这个领域的领先者，并用相当精密复杂的角反射测量计进行了多次路面特性的测量。这种仪器能够在1°的观测角 (α＝1°，即汽车驾驶员的专用视角)和其他观测角(α高达90°)下测量路面的性质，更适合于测量例如洞壁的特征。为了执行此类测量，有必要从路面提取样品(横截面积为100mm2～200mm2)，以便随后在安装了角反射测量计的实验室中对其进行测量。 
然后可以将由此获得的表示给定观测角下(对于道路照明应用为1°)路面性质的“r表”特征引入适当的软件程序(本身为本领域的技术人员所熟知)以便能够以良好的精确度预测照明装置的亮度。道路样品的提取干扰交通、费时而且成本高，因此通常取不超过2～3个样品进行分析。 
但是，本质问题仍然是几个(2～3)样品是否可以真实地表征公路的整个表面(已知此类公路从不是非常均匀的)。答案无疑是“否”。因此，计算的亮度将不会真实地表征实际情况。 
改善这种情况的解决方案可能包括提取并分析更多样品，以均值为基础进行计算，但已证明这是非常昂贵的。 
发明内容
解决上述问题是本发明的目的。 
为此，本发明采取使用“便携式”(移动方便/可运输)设备(“便携式角反射测量计”)的方法。用此类便携式设备获得的结果在精确度方面不如用实验室型角反射测量计获得的那些，但是由于更容易进行多次测量，所以其综合结果仍然更具有代表性。 
本发明进一步的目的是开发一种方法，其中通过与现有/已知表面(此后称为“比较表面”)的r表相比较，来确定/测定/推导待测特定表面(此后称为特定表面)的r表，而不是用实验室型角反射测量计实际测量r表。 
本发明的另一个目的是开发避免在1°的角度下(实际上在除繁琐的实验室条件之外的情况中无法进行)进行测量的测量法。 
为了实现这些目标，本发明提供通过从对比较表面测量的多个“折减亮度系数表”(“r表”)中选择适合于表征所述特定表面的表，来确定特定表面的光反射特性的方法，该方法包括 
用依照CIE标准推荐的测量设备对多个比较表面的样品测 量其r表的参数， 
用“便携式”测量设备对多个比较表面的那些相同样品测量入射光角(γ)和反射光角(90°-α)和(β)的所选组合的所选光反射参数， 
用所述“便携式”设备在所述特定表面的多个测量点就地测量所述的入射光角(γ)和反射光角(90°-α)和(β)的所选组合的所述所选光反射参数， 
选择性地考虑亮度系数Q0的重标度因数，通过数学和/或图像分析将特定表面的所述所选参数的角分布与所述比较表面的所述所选参数的角分布进行比较，以便选择显示出最佳分布拟合的比较表面，和 
使用所述的选择性重标度因数，向所述特定表面分配与所述的所选比较表面相对应的“r表”的光反射特性。 
在这种情况下应注意到，用于测量路面光反射特性的便携式装置的原理本身在本领域中众所周知，其当然不是本文照此要求此类便携式设备原理的权利的对象。 
国际专利公开WO 2004/095007由此公开一种用于测量和记录路面反射系数的可移动设备。该设备包括数据记录系统、多个向路面发射的光源、多个光反射检测器和亮度数据记录系统。该设备能在运动车辆上用来测量和记录关键亮度参数、并确定对规定的道路光标准的符合性。 
另一方面，美国专利5,640,244公开一种用于确定表面特性的光扫描器，包括将光指向所述表面区域、在所述区域周围相互间隔的至少三个光源；和多个反射式光传感器，其位于所述的表面区域上，并且在沿光源轴线方向与所述表面垂直的平面的任一侧且与该平面隔开。扫描器被设计用于测量非织造网的纤维取向。 
WO 2004/095007和US 5,640,244中公开的方法没有暗示将获得数据与标准表进行比较以便选择最接近的相应表并获得该方法的最佳精确度，这些现有技术方法也没有提供用于计算照明装置要求的适当数据。 
FR 2 618 543公开一种用于测量表面反射特性的便携式设备。该 设备包括两个光源和多个反射式光传感器。 
1984年CIE/PIARC的联合技术报告(BOMMEL等人的“路面和照明(Road Surfaces and Lighting)”)公开了依照CIE标准推荐的便携式反射计以在0.5～1.5度范围内变化的观测角在路面亮度的实验室和/或就地测量中的使用。可以将获得的数据与标准反射表相比较以便选择最接近的相应表。据说可以通过增加参考测量(标准反射表)的数目来增加该方法的精确度。 
依照本发明被选择性地应用于如CIE所推荐的r表方法(参见如上所述的公开CIE N°30-2-TC-4.6)中提及的平均亮度系数Q0的重标度因数的概念将以下列方式理解： 
根据CIE N°30-2，如果两个路面具有同类型的光反射特性，但一个比另一个暗，那么它们可能有相同的“r表”，只是乘以不同的系数Q0，该系数实际上为明度系数。 
依照本发明的优选特征，该方法包括对每个测量的样品/每个测量点执行至少60次测量，以便确定所述所选参数的所述角分布，包括至少2个所选角(γ)、至少5个所选角(α)和至少2个所选角(β)。 
最优选地，该方法包括对4个所选角(γ)、9个所选角(α)和5个所选角(β)的180次测量。 
在本发明的优选实施方案中，该方法包括对所选的基本为0°、30°、50°和70°的角(γ)、所选的基本为5°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°和80°的角(α)和所选的基本为0°、10°、20°、30°和150°的角(β)执行所述的180次测量。 
依照本发明的进一步优选特征，如更上面所述，特定表面的所述所选参数的角分布与所述比较表面的所述所选参数的角分布的数学比较分析包括“最小二乘”分析法，因为其本身以比较测量点的分布/曲线而闻名。 
依照本发明更进一步的优选特征，如上所述，“测量的光反射参数”是测量的亮度(L)除以测量的照度(E)(称为相对反射参数L/E)，而所述角分布的所述比较分析分别比较作为角(γ)、角(α)和角(β)的函数的L/E的分布。 
然而，如上所述，本发明的目的并不是要求用于测量光反射参数的便携式设备原理本身的权利，本发明实际上确实涉及用于测量光反射参数的便携式设备，其包括多个向待测表面的相同区域发射的光源；多个反射光传感器，位于所述区域上并且在沿所述光源轴线方向、与所述表面垂直的平面的任何一侧且与该平面隔开，供在依照本发明的方法中使用。 
因此本发明具体涉及这样的便携式测量设备，其包括： 
-以不同角(γ)指向待测表面的所述区域的至少三个光源，带有用于准直反射光的支撑管的至少两组亮度校准光伏电池，而一组中的每个电池用其准直支撑管以不同角(α)指向待测表面的所述区域，而所述的至少两组电池均以角(β)位于与所述待测表面垂直的不同平面中， 
-每个光源至少一个附加光伏电池，用于其自校准。 
在依照本发明的便携式测量设备的优选实施方案中，该设备包括位于与所述待测表面垂直的一个平面中的四个光源，每个光源分别以基本上为0°、30°、50°和70°的角(γ)定向，提供有用来照亮待测表面的相同圆形区域的光学系统，直径在5～15cm之间，优选在100～125mm之间，照度水平在5000lux以上，优选在15000lux以上。 
由此定义的设备可以最优选地包含五组电池，每组均垂直于所述待测表面并分别以相对于包含所述光源的所述平面基本为0°、10°、20°、30°和150°的角(β)定向，并且其中每组均包含九个分别以相对于与所述待测表面垂直的平面基本为5°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°和80°的角(α)定向的电池。 
依照本发明的方法作为道路和/或道路构筑用照明装置的计算方法的一部分特别有用，其包括所述道路/道路构筑的实验和/或理论照明特征，并因此具体涉及任何计算方法、选择性地使用特定软件，其中所使用的道路/道路构筑的实验和/或理论照明特征包含通过依照本发明的方法或借助于依照本发明的设备获得的光反射特性。 
本发明最后还涉及经设计用于实现依照本发明的方法和/或操作/ 辅助依照本发明的设备的任何软件。 
本发明还因此特别涉及路面光反射特性的任何软件辅助比较分析，从而生成照明装置计算所需的参数，其中特定表面的光反射特性通过从对比较表面测量的多个“折减系数表”(“r表”)中选择适合于表征所述特定表面的表来确定，其包括 
用依照CIE标准推荐的测量设备对多个比较表面的样品测量其r表的参数， 
用“便携式”测量设备对多个比较表面的那些相同样品测量入射光的角(γ)和反射光的角(90°-α)和(β)的所选组合的所选光反射参数， 
用所述“便携式设备”在所述特定表面的多个测量点就地测量入射光角(γ)和反射光角(90°-α)和(β)所述所选组合的所述所选光反射参数， 
选择性地考虑亮度系数Q0的重标度因数，通过数学和/或图像分析将特定表面的所述所选参数的角分布与所述比较表面的所述所选参数的角分布进行比较，以便选择显示出最佳分布拟合的比较表面，和 
使用所述的选择性重标度因数，向所述特定表面分配与所述的所选比较表面相对应的“r表”的光反射特性。 
附图说明
本发明的进一步特征和细节将根据本发明实践方面的以下公开和附图来理解，其中： 
图1概述依照本发明的方法的原理； 
图2和3是依照本发明的便携式测量设备从两个不同角度看的示意图示； 
图4和5图解依照本发明的设备和方法的功能； 
图6图解根据通过“最小二乘法”获得的其比较分析，在各个角度(β)，对于角度(γ)，以角度(α)为函数的相对反射参数L/E(如 所选的光反射参数)的角分布图表。 
具体实施方式
图1-4所示设备(标示为附图标记1)包括： 
-四个光源(50W)，标示为附图标记2a、2b、2c和2d，装有适配透镜系统，分别以0°、30°、50°和70°四个入射角度放置，以便以非常高的均匀度照亮地平面上的圆形区域3(直径为113mm)。无论哪个光源均照亮相同区域。照度水平高于15000lux。45个光伏光电池4，分布在五个组5中，每组9个电池，均装有小管6(准直管)和任意方向的“天窗”，供测量反射光使用。这些带有管6的光伏光电池经过亮度校准。 
-光电池分布在五个不同平面(称为β平面)上的五个组5a、5b、5c、5d和5e中，角度分别为0°、10°、20°、30°和150°。 
-四个其它光电池7，以便通过测量每个灯具发射的光量和允许评估(通过正确校准)被照亮区域3上的照度来保证系统的自动校准。 
测量程序如下： 
1.打开0°入射角的第一个灯具(灯具2a)(其它三个光源全部关闭)。 
2.三秒钟之后，位于观测臂上的45个光电池测量路面反射的光量。 
3.同时，位于光源旁边的电池测量该光源发射的光量；通过系统的校准，然后可以计算被照亮区域的照度。 
4.然后可以计算比值L/E(给定观测中的亮度除以被测量区域上的照度)。 
5.第一灯具2a关闭。 
6.第二灯具2b打开 
7.等等......灯具2b、2c和2d同样循环。 
如果被测量路面过亮(比道路中通常看到最亮路面类型更亮)，则可能超过光电池最高水平。然后可以根据需要降低光源的光强度， 以便将测量的反射值保持在可接受范围内(这一特征称为“变暗”特征)。 
所有值均由膝上型计算机用数据采集卡和特定软件收集。 
系统由集成电池供电并因此完全独立。 
所示测量设备的尺寸为：1020×420×520mm。 
所示设备经设计用来提供不要求预热的系统。 
比较分析测量方法的原理可做如下解释(同样参照图1)： 
就地测量路面特征之后，将收集的数据(道路上不同测量结果的平均值)与数据库中保存的测量结果(用移动系统实现)(尽可能多地)进行比较。通过比较这些数据，然后可以通过使用“最小二乘法”确定数据库中存在的表现出与所研究路面最接近的反射特性的路面。 
一旦确定此路面类型，就可以将可能的重标度因素考虑在内，通过适当的明度系数Q0，将相应的r表(如用实验室型角反射测量计测量的)用于计算软件以便预测亮度和均匀度水平。 
当然，该方法的精确度将主要取决于数据库的大小。根据相当长的一段时间内测量道路样品的经验，可以依赖非常大的r表数据库(测量道路样品超过500)。 
专用软件(同样参照图6)轻易而迅速地实现这些比较。它按照取决于相关性质量的优先顺序给出数据库中最接近的几个路面的选择。 

Claims (11)

1.一种用于通过从多个对比较表面测量的折减亮度系数表中选择适合于表征特定表面的表，来确定所述特定表面的光反射特性的方法，特征在于所述方法包括：
用依照CIE标准推荐的测量设备对多个比较表面的样品测量其折减亮度系数表的参数，
用便携式测量设备对多个比较表面的所述样品测量入射光角γ和反射光角90°-α和β的所选组合的所选光反射参数，
用所述便携式设备在所述特定表面的多个测量点就地测量入射光角γ和反射光角90°-α和β的所述所选组合的所述所选光反射参数，而避免以反射光的1°的观测角测量，
选择性地考虑亮度系数Q0的重标度因数，通过数学和/或图像分析将所述特定表面的所述所选参数的角分布与所述比较表面的所述所选参数的角分布进行比较，以便选择显示出最佳分布拟合的比较表面，和
使用选择性的所述重标度因数，向所述特定表面分配与所述所选比较表面相对应的折减亮度系数表的光反射特性。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于对每个测量的样品/每个测量点进行至少60次测量，以便确定所述所选参数的所述角分布，包括入射光的至少2个所选角γ、和反射光的至少5个所选角α和至少2个所选角β。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于对入射光的4个所选角γ、和反射光的9个所选角α和5个所选角β进行180次测量。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述180次测量包括所选的基本为0°、30°50°和70°的角γ、所选的相对于测量表面基本为5°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°和80°的角α和所选的基本为0°、10°、20°、30°和150°的角β。
5.根据权利要求1-4中的任何一项所述的方法，其特征在于所述特定表面的所述所选参数的角分布与所述比较表面的所述所选参数的角分布的数学比较分析包括最小二乘分析法。
6.根据权利要求1-4中的任何一项所述的方法，其特征在于所测量的光反射参数是测量的亮度L除以测量的照度E，而所述角分布的比较分析分别比较作为角γ、角α和角β的函数的L/E的分布。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所测量的光反射参数是测量的亮度L除以测量的照度E，而所述角分布的比较分析分别比较作为角γ、角α和角β的函数的L/E的分布。
8.一种适合于根据权利要求1-7中任何一项所述方法的用于测量光反射参数的便携式设备，其包括：
向待测表面的相同区域(3)发射的、位于与待测表面垂直的一个平面中的四个光源(2a、2b、2c、2d)，所述光源以不同角度γ指向所述待测表面的所述区域；
带有用于准直反射光的支撑管的至少两组亮度校准光伏电池，作为位于所述区域的上方并在沿所述光源的轴线方向、与所述待测表面垂直的平面的任何一侧且与该平面隔开的反射式光传感器(4)，而一组中的每个电池用其准直支撑管以不同角α指向所述待测表面的所述区域，而所述至少两组电池均以角β位于与所述待测表面垂直的不同平面中，
每个光源至少一个附加光伏电池(7)，用于其自校准。
9.根据权利要求8所述的便携式设备，特征在于每个光源分别以基本为0°、30°、50°和70°的角γ定向，并且提供有用于照亮所述待测表面的相同圆形区域的光学系统，圆形直径在5～15cm之间，照度水平在5000lux以上。
10.根据权利要求8所述的便携式设备，特征在于每个光源分别以基本为0°、30°、50°和70°的角γ定向，并且提供有用于照亮所述待测表面的相同圆形区域的光学系统，圆形直径在100～125mm之间，照度水平在15000lux以上。
11.根据权利要求8所述的便携式设备，特征在于其包括五组电池，每组均在与所述待测表面垂直的平面中并分别以相对于所述光源位于其中的所述平面基本为0°、10°、20°、30°和150°的角β定向，其中每组包括分别以相对于所述待测表面基本为5°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°和80°的角α定向的九个电池。
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