（测试计量技术及仪器专业论文）机动车灯色度检测系统研究.pdf

摘要 车灯在机动车安全保障体系中处于十分重要的地位，车灯检测系统则是保障 车灯质量达到要求的必要条件。目前，我国很多灯具检测部门的检测设备效率较 低，精度不高，需要改进。本课题针对这一需求，设计了色度检测系统，实现对 车灯色度参数的快速、准确测量。 论文对车灯色度检测的理论基础及实现方法进行了深入研究，对现有光源色 度测量方法进行了比较分析。在此基础上提出车灯色度检测系统整体解决方案。 设计、调整系统光路。选择高灵敏度c c d 芯片作为光电探测器，配合驱动电路， 信号采集电路组成系统硬件部分，实现可见光光谱的一次性全光谱读取。光谱信 号经u s b 接口传入色度分析软件系统进行分析。 软件系统基于v i s u a lc + + n e t 平台开发，针对本系统的具体应用情况，设计 了双向均值滤波算法对光谱数据进行消噪和平滑，分段阈值中心法确定波峰位 置。研究并实现了色品坐标计算方法和波长定标、光谱标定算法。系统中集成了 数据库模块，利用s q ls e r v e r2 0 0 0 提供的强大功能对数据进行组织存储，方便 测试结果的查阅和共享。通过v i s u a lc + + 与e x c e l 的接口，将e x c e l 的部分功能 整合进系统，增强了统计分析及图表生成能力。将软件设计为色度检测主模块和 转台控制从模块大大提高了系统灵活性，而将部分模块做成动态链接库的形式则 提高了系统的可重用性和扩展性。 系统可实现光谱数据的实时采集显示和计算处理。具备自动切换采样点、自 动调整积分时间功能。用户界面友好，操作简便。由实验结果可知系统色品坐标 测量误差和重复性不大于0 0 0 0 5 ，达到了预期设计目标。 最后，论文对造成测量误差的因素进行了分析，指出了在现有基础上进一步 提高系统性能的改进方向。 关键词：车灯色度c c d 检测系统双向均值滤波分段阈值中心法 a b s t r a c t t h ea u t o m o b i l el a m pp l a ya n i m p o r t a n tp a r t i nt h es a f e g u a r ds y s t e mo f a u t o m o b i l e s ，a n dt h em e a s u r es y s t e mo fa u t o m o b i l el a m pi s t h es e c u r i t yg u a r dt o g u r a n t e eq u a l i f i e da u t o m o b i l el a m p sq u a l i t i e s i no u rc o u n t r y ，m a n ym e a s u r ef a c i l i t i e s i nl a m p sa n dl a n t e r n sm e a s u r ed e p a r t m e n t su r g e n t l yn e e di m p r o v e m e n tb e c a u s eo f t h e i rl o we f f i c i e n c i e sa n dp o o rp r e c i s i o n s s ot h ed e s i g n i n ga n da p p l i c a t i o no f m e a s u r e s y s t e mo f a u t o m o b i l el a m ph a saq u i e ts t r o n gp r a c t i c a lm e a n i n g t h ep a p e rf i r s t l yd i dai n d e p t hs t u d yo nt h e o r e t i c a lb a s i sa n da c c o m p l i s h i n g m e t h o do fc o l o rm e a s u r es y s t e mo fa u t o m o b i l el a m p ，c o m p a r e dc u r r e n ts p e c t r a l m e a s u r e m e n tm e t h o d sw eo f t e nu s e d ，a n a l y z e dt h ea f f e c t i o n so fc i r c u i t ，s o f t w a r ea n d o p t i c a ls y s t e mt ot h eo v e r a l lp e r f o r m a n c e ，a d ju s t e dt h eo p t i c a ls y s t e mc o n s t i t u t e db y f i b e ro p t i cp r o b e ，c o l l i m a t i n gm i r r o r ，r e p l i c ao fp l a n ed i f f r a c t i o ng r a t i n g ，h i g h l y s e n s i t i v ec c dd e v i c e ，a n dc o n s t r u c t e dt h eh a r d w a r ep a r to ft h ew h o l em e a s u r es y s t e m t o g e t h e rw i t hc c d d r i v e rc i r c u i ta n dd a t aa c q u i s i t i o nc i r c u i t w r o t ec o l o rm e a s u r es o f t w a r e s y s t e m b a s e do nv i s u a lc + + n e t p l a t f o r m ； d e s i g n e dt w o d i m e n s i o n a lm e a nf i l t e ra l g o r i t h mt om a k es i g n a ln o i s er e d u c t i o n a i m e da tt h ew h o l ea p p li c a t i o ns i t u a t i o no ft h es y s t e m ；d e s i g n e ds u b t h r e s h o l dc e n t r e a c tt ol o o kf o rt h ep o s i t i o no fp e a kv a l u e ，d e m a r c a t e dt h es y s t e m u s et h ep o w e r f u l d a t a b a s eo f f e r e db ys q ls e r v e r2 0 0 0t os t o r ed a t a ，m a d et h el o o ku pa n ds h a r i n go f t e s tr e s u l t sc o n v e n i e n t p u t e x c e l sp a r tf u n c t i o ni n t ot h es y s t e mt h r o u g ht h e p o r t o fv i s u a lc + + a n de x c e l s t r e n g t h e n e dt h es y s t e m ss t a t i s t i c a la n a l y s i sa n dc h a r t g e n e r a t i o na b i l i t i e s m a d ep a r tm o d u l e si n t od y n a m i c - l i n kl i b r a r yi m p r o v e d t h e s y s t e m sr e u s a b i l i t ya n de x t e n s i b i l i t y f i n a l l y ，d e s i g n e de x p e r i m e n ta n dp r o v e dt h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m ， a n d p r o v i d e dp e r f o r m a n c ep a r a m e t e ro ft h es y s t e m i t c a nb es e e nf r o mt h e e x p e r i m e n tt h a tt h es y s t e mc o l o ra c c u r a c ya n dr e p e a t a b i l i t yi sl e s st h a n0 0 0 0 5 a c h i e v e dt h ed e s i r e d p o i n t e dt h ei m p r o v i n g g o a l a n a l y z e dr e a s o n sw h i c ha f f e c ts y s t e ma c c u r a c ya n d d i r e c t i o na f t e r w a r d s k e yw o r d s ：a u t o m o b i l el a m p ，c h r o m a ，c c d ，m e a s u r es y s t e m ， b i d i r e c t i o n a lm e a nf i l t e r , s e g m e n t a t i o nt h r e s h o l dc e n t r a lm e t h o d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗苤茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：仅茹氏 签字日期： z 啪髻年s 月6 曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 祆茹氏新虢五爱莠 签字日期：妒矛年岁月2 占e t签字日期：加善年j ，月工彳f i 第一章绪论 1 1 课题的背景和目的 第一章绪论 目前，我国机动车保有量已超过1 5 亿辆，是全世界机动车保有量增长最快 的国家，并且这一数字仍呈快速上升的趋势。随之而来的频繁发生的交通事故成 为威胁人民生命财产安全的极大隐患。2 0 0 7 年，全国共发生道路交通事故3 2 7 2 0 9 起，造成8 16 4 9 人死亡、3 8 0 4 4 2 人受伤，直接财产损失1 2 亿元。导致交通事故 的原因有很多，而由机动车自身安全问题引起的交通事故占有很大比重。因此， 保障机动车的安全是一个不容忽视的问题。机动车的安全性分为三大部分：主动 安全性、被动安全性和防火安全性。所谓主动安全性，是指机动车设计者在机动 车的配置中，采取一系列技术措施，以预防和减少安全事故的发生，其中包括机 动车夜间照明、各种指示信号、驾驶员视野、制动以及轮胎等。所谓被动安全性， 是指在机动车中采取一系列技术措施，使得安全事故一旦发生时，可最大限度地 防止或减少对人员造成的伤害。其中包括车身结构、安全玻璃、座椅等。防火安 全性是预防机动车火灾发生和发生火灾后防止蔓延扩大的性能。显而易见，提高 机动车的主动安全性才是从根源上解决问题的方法。汽车灯具担负着照明和指示 信号两种功能，能够对驾驶员的视觉和心理产生直接的影响，是主动安全性的重 要组成部分。因此，国家标准规定了照度、色度等各方面的参数以实现对车灯 质量的严格把关1 2 j 。 自从18 世纪机动车诞生开始，车灯就伴随着机动车不断的发展。经过一百 多年的演变，各种新式灯具层出不穷，如高强度放电灯、光纤前照灯等新型灯具 也被纳入了车灯的大家庭之中，这也对车灯检测提出了更高的要求。世界各国都 对机动车灯具制定了严格的测试标准，我国也颁布了相应的国家标准，对车灯的 光型、色度值等做出了严格的要求，同时对相应的检测系统也提出了要求【】。 但是在目前的检测技术上，我国与发达国家还存在一定的技术差距。因此，使中 国的车灯检测技术尽快与国际接轨显得越来越重要。这对于打击在车灯生产中的 假冒伪劣以及加强灯光检测和计量仲裁的准确性、规范性和公正性都具有重要的 意义。 本课题就是在这种社会需要和技术条件相对具备的大背景下，针对我国许多 机动车检验部门灯具检测系统较为落后，需要改进的现状，在国家摩托车质量监 督检验中心原有车灯检测系统的基础上，研制了一种新型车灯色度测试系统。该 第一章绪论 系统改进了原有系统速度较慢、操作复杂等问题，实现了车灯色度参数的快速、 准确测量。 1 2 车灯色度参数检测要求 按照国家标准的要求，不论照明灯、信号灯还是回复反射器其光色和色度特 性都必须符合g b 4 7 8 5 标准的规定。因此，在各种形式的灯具质量检测中都有色 度检测项目。 既然色度参数是衡量车灯质量的一个重要指标，那么这一参数又应该如何表 述呢? 科学家在混色试验中 发现，所有颜色的光都可以 由某三种单色光按单一的比 例混合而成。这三种单色光 中的任何一种都不能由其余 两种混合产生。这三种单色 光称为三原色。三原色可有 多种选择，1 9 3 1 年国际照明 委员会( c i e ) ( c o m m i s s i o ni n t e r n a t i o n a ld e l e c l a i r a g e ) 规定红光( r e d ) 、绿 光( g r e e n ) 和蓝光( b l u e ) 为三原色，称为r g b 系统。 用x 、y 和z 分别代表各单色 光的百分比，称为色度坐标， 图1 1 1 9 3 l x y z 色品图 显然x + y + z = 1 。可见，x 和y 两个参数就可以确定一种颜色。在c i e l 9 3 1 色度 图( 图1 1 ) 中，舌形面积内任何一点都代表一种颜色，同样，任何一种颜色都 在舌形面积内有一个对应点。因此色度特性的测试就归结为测量色品坐标x 和y 的值【5 j 。计算出待测灯具的色品坐标值以后，就可相应计算出该灯具的相关色温 等参数。 国家标准中同时对检测系统的精度提出了要求，规定采用刺激值直读法测量 时误差缸、少应在0 0 0 5 的范围内，采用光谱辐射测色法时误差血、少应在 0 0 0 3 的范围内。 因为车灯有白色、红色、琥珀色等不同颜色，所以针对不同颜色的灯具也有 不同的色度标准范围。即不同颜色灯具的色品坐标应落在不同的合格范围 第一章绪论 内。国家标准规定，不同颜色灯具的色度特性应符合表1 1 的要求1 6 - 8 】。 表1 1 灯具色度特性标准 光色色度标准 趋黄极限：y 郢3 3 5 红色 趋紫极限：z o 31 0 趋黄极限：x 9 5 0 0 趋绿极限：y 郢1 5 0 + o 6 4 0 x 白色 趋绿极限：x 郢4 4 0 趋紫极限：y o 0 5 0 + o 7 5 x 趋红极限：y 0 3 8 2 趋黄极限：y 郢4 2 9 琥珀色 趋红极限：y o 3 9 8 趋白极限：z o 0 0 7 趋红极限：y 邳1 3 8 + o 5 8 0 x 趋绿极限：y 一x + o 9 6 6 趋光谱轨迹极限：y 一x + 0 9 9 2 1 3 车灯色度检测国内外发展动态 从车灯色度检测手段发展的过程来看，国外车灯色度检测大概可分为如下几 个阶段： ( 1 ) 第一阶段( 人工定性检测) 在机动车诞生后的相当长一段时间内，国际上对机动车灯具的检测并无精 确、严密的检测标准，这个阶段主要是通过视觉并结合经验来进行无量具定性检 测，或者只能借助少量通用简单仪表进行粗略诊断。 ( 2 ) 第二阶段( 单机手控检测) 到了2 0 世纪4 0 年代后期，在一些工业发达的国家出现了专门生产光谱测色 仪器的厂商，他们生产出了用于车灯色度检测的仪器系统。这些仪器是以机械结 构为主，只能实现人工单机手控操作，测试精度并不太高。但毕竟将长时期的人 工定性检测进化为了利用仪器设备的定量检测，所以从第一阶段到第二阶段是一 次质的飞跃，象征着真正意义上的车灯色度检测技术诞生了。 ( 3 ) 第三阶段( 单机自动检测) 第一章绪论 2 0 世纪6 0 年代后期，随着科学技术的进步，国外的色度检测技术也得到了 飞速的发展。将应用电子、光学、理化与机械相结合的多原理一体化技术，与单 板机、单片机、微型计算机一起整合，实现了车灯色度检测技术的单机自动化。 2 0 世纪7 0 年代，又研制成功了能够自动控制检测过程、自动采集并处理数据、 自动打印检测结果的检测设备。 ( 4 ) 第四阶段( 单机智能检测) 在实现单机自动化以后，随着电子计算机应用技术的进一步发展，国外进而 投入了车灯色度检测设备的智能化研究，并首先实现了单机智能化。 ( 5 ) 第五阶段( 全线联网检测) 从2 0 世纪8 0 年代，随着计算机技术在车灯检测领域中的应用进一步向深度 和广度发展，国外出现了集检测操作、数据采集和打印、存储、显示等先进功能 于一体的系统软件，使由具备单机自动化或单机智能化功能的检测设备组成的车 灯检测线实现了全线联网检测。这样，不仅可以避免人为因素造成的操作与判断 错误，提高检测结果的准确性和公正性，而且可以把被检车灯的技术参数储存在 检测系统数据库中作为档案资料备查或供有关部门参考。 车灯色度检测系统是在光谱测色仪的基础上加入车灯检测所需判定标准、标 准光源及灯具固定装置组成的，因此车灯色度检测系统是伴随着光谱测色仪的发 展而不断改进的。光谱测色仪器的每一次变革都给车灯色度检测系统带来新的发 展机遇。由于只有机动车检测部门和一些灯具厂商才需要配备车灯色度检测系 统，因此它的市场需求量并不是很大，生产厂商很少大批量生产车灯色度检测系 统，而是在现有光谱测色仪器的基础上进行二次开发。 国外生产光谱测色仪器的厂家起步早，技术较为先进。当前国外生产光谱测 色仪器的厂家及产品主要有： ( 1 ) 美国p h o t or e s e a r c h 公司。成立于1 9 4 1 年，是一家专门致力于光度、 色度、辐射度测量仪器研究生产的世界著名公司。 图1 2 为该公司生产的p r 6 8 0 型光谱色度计。它是目前唯一的集光谱式与 滤光片式测量方法于一体的光谱色度计。它的光谱波长测量范围为3 8 0 n m 7 8 0 n m ，最高灵敏度为0 0 0 3 c d m 2 ，光谱准确度为士l n m ，测色准确度为士o 0 0 1 5 ， 测量时间为6 m s 一2 4 s 。图1 3 是该公司生产的p r 8 8 0 型低照度色度仪，可进行 非接触滤光片式弱光光度色度辐射度测量，自带内校准光源，保证长时间仪器 测量准确度，自动转换色度亮度光衰减转轮，测色准确度为士0 0 0 1 5 ，a d 转换 精度为1 4 b i t s ，灵敏度可达1 0 - s c d m 2 。图1 4 是该公司的p r 7 0 5 型色度仪，光 谱范围3 8 0 n m 10 6 8 n m ，最小可测光斑为0 0 2 m m ，并有多视角选择，测色准确 度为：x + 0 0 0 15 ，y + 0 0 0 1 ，光谱准确度士2 n m 。图1 5 是该公司的p r 5 2 5 型触摸 第一章绪论 屏式的手持色度仪，p r 5 2 5 采用锂电池供电，可对脉冲光源同步准确测定脉 冲光源，可连接多达1 5 个光度或色度探头，以实现对多目标点同时测量，u s b 界面可进行电脑远程控制，a d 转换精度为2 0 b i t s ，测光范围为o0 5 4 0 0 ，0 0 0 1 u x ， 测色准确度为00 0 1 5 。 图】一2p r - 6 8 0 型光谱乜度计图1 3p r - 8 8 0 型光谱色度计 簟 阿 f i l 置 图1 - 4p r - 7 0 5 型光谱色度计图1 - 5p r - 5 2 5 型光谱色度计 ( 2 ) 德国l o v i b o n d ( 罗威邦) 公司成立于1 8 9 5 年，他们开发生产了从 t i n t o m e t e r 目测色度仪、全自动色度仪到在线色度控制器系列并形成了通用国 际l o v i b o n d 标准。其主要产品有： ”新一代实时在线色度分析仪t a 4 ，如图1 - 6 所示，它可以做到在整个可 见光光谱内测量，并进行实时响应。波长为3 8 0 r i m 7 8 0 n m ，光谱带宽为i n m 。 实时分析可以无延迟的获得结果。 2 ) p f x l 9 5 自动色度仪系列，如图1 7 所示涵盖p t c o ，a o c s ，g a r d n e r ， s a y b o l t ta s t m ，e b c 等多种色度标准并可显示c i e 值和光谱数据。可全面 对各种产品进行色度测定分析与管理。仪器操作简单，几秒钟即可获得稳定可靠 的数据。可与电脑进行连接，可轻松实现通过电脑进行各种操作和数据分析。 ( 3 ) 荷兰a v a n t e s b v 公司是世界上光纤光谱仪的权威制造商产品包括微 型光谱仪、光谱灯、光谱仪应用软件、光纤及探头、各种附件等，同时针对多种 第一章绪论 l l 图i 6t a 4 在线实时监控色度投图1 7p f x l 9 5 自动色度仪 常见应用推出不同的应用系统。其主要产品有： 1 ) a v a s p e c 3 6 4 8 光纤光谱仪如图1 8 所示。该光谱仪主要特点为： a v a s p e c - 3 6 4 8 光纤光谱仪基于a v a b e n c h 一7 5 光学平台，采用对称式非交叉光路设 计，带有3 6 4 8 像素c c d 探测器阵列。光谱仪包括光纤接头( 标准s m a 接口， 也可以选择其它类型的接口) 、准直镜、聚焦镜和衍射光栅。提供1 5 种不同色散 系数和闪耀波长的光栅供用户选择，测量波长范围2 0 0 1 1 0 0 n m 。a v a s p e c 3 6 4 8 型光纤光谱仪带一个1 6 位a d 转换卡和u s b 20 高速接口。a v a s p e c 3 6 4 8 型光 谱仪适合于高分辨率的应用领域，但不适合于对速度或时序有要求的场合。此款 光谱仪可以添加蓝牙通信以及在板卡上存储光谱的s d r a m 卡的功能。分辨率： 00 2 5 - 2 0 n m ，杂散光 01 ，探柳i 器：t o s h i b at c d l 3 0 4c c d ，3 6 4 8 像素，信噪 比：3 5 0 ：1 a d 转换器：】6 b i t ，采样速度：3 7 毫秒，每次扫描h l 。 2 ) a v a s p e c - 2 0 4 8 t e c 半导体致冷光纤光谱仪如图i 9 所示。该光谱仪主要特 点为：光谱仪中的c c d 探测器被置于半导体致冷嚣上，可以使c c d 的温度降低 3 0 。c 左右因此可以使动态范围至少提高1 0 倍，并且可以使暗噪声减小2 3 倍。 上述特性使a v a s p e c - 2 0 4 8 t e c 光谱仅可以应用在弱信号场合，如荧光和拉曼探 测等积分时阔通常超过5 秒的场合。 专畦 图t - 8a v a s n e c 3 6 4 8 光纤光谱仪圈1 - 9a v a s p e c - 2 0 4 8 t e c 半导体冷光纤光瞎仪 第一章绪论 ( 4 ) 海洋光学公司所涉及到的技术和产品线包括光谱仪、化学传感嚣、度 量仪器、光纤、薄膜及光学元件。该公司可提供的光谱学技术如下：u v - v i s n i r 光谱学、在线光谱学、分光光度学、色彩光谱学、拉曼光谱学、荧光光谱学、光 纤化学感应、光谱建模、光谱图像。该公司主要产品有： i ) h r 4 0 0 0 高分辨率光谱仪，如图】1 0 所示。该光谱仪主要特点为：它采用了 t o s h i b a 的3 6 4 8 像元的线阵c c d ，光学分 辨率可达00 2 n m ( f w h m ) 。h r 4 0 0 0 光谱 范围为2 0 0 11 0 0 a m 。电子快门可以防止饱 和，积分时间由用户在软件中设置，类似 于照相机的快门速度，用户可以通过软件 设置最短为3 8 m s 的积分时间，可以测量 如激光脉冲之类的瞬态事件。 圈i - 1 0h r 4 0 0 0 高分辨率光谱仪 2 ) 宽带c g 系列光谱仪。该光谱仪主要特点为：每个c g 系列光谱仪都有 一个5 微米入射狭缝，获得专利的h c 1 复合光栅和消除高阶衍射滤光片，提供 了2 0 0 1 1 0 0 a m 宽波长范围和极好的光学分辨率1 1 2 - 1 3 i h r 4 0 0 0 c o 带3 6 4 8 像素线 阵列c c d 探测器，不仅提供良好的波长范围2 0 0 1 1 0 0 n m ，在这个波段内也具有 极高的灵敏度。 国内方面：由于各国采用的车灯色度检测标准不同，因此无法全套引进国外 的车灯色度检测系统，上世纪9 0 以前，我国的车灯色度检测系统主要是进口国 外厂商生产的色度测量仪器，再对其进行改造，以使其能够符合我国车灯色度检 测的要求。但是，国外的色度测量仪器本身价格昂贵，再加上进行二次开发所需 要的费用，导致我国车灯色度检测系统成本偏高。进入新世纪以来，我国陆续出 现了完全自主研发的车灯色度检测系统。 2 0 0 0 年至2 0 0 3 年，北京师范大学天文系光电探测研究室研制了机动车灯测 光 源 图】- il 北师士c 2 0 0 1 奎灯鱼压检测系统原理框型 第一章绪论 试系统该系统采用c c d 作为光电探测器，工作波段为4 0 0 7 6 0 n m ，色度 精度为4 - 0 0 0 8 ，上位机软件采用v i s u a lb a s i c 开发。其原理框图如图i - 1 l 所示； 2 0 0 2 年至2 0 0 3 年，吉林大学应用物理系也开展了车灯色度检测系统的研制工 作。其设计车灯色度检测系统结构框图如图1 1 2 所示，光电探测器同样为c c d ， 其精度为缸蔓0 0 0 8 ，母9 0 0 8 ，重复性为缸郢0 0 8 ，却郢0 0 8 。 圈l - 1 2 吉林大学车灯色度检测原理框图 杭州鼎盛科技仪器有限公司是我 国目前生产车灯色度检测系统较为专 业的厂商，其生产的机动车灯具色度分 析系统采用光电倍增管为光电探测器， 主要技术参数为波长范围： 3 8 0 - 7 8 0 n m ，波长准确度：0 2 n m ，波 长重复精度：0l m n ，色品坐标误差 壁o 0 0 0 2 ( 标准a 光源) ，色温精度 垡3 k ( 标准a 光源) ，系统如图1 1 3 所示。 穗 图1 - l3 鼎盛公司生产色度检测系统 天津港东科技公司也生产过w g s 1 型色度分析系统。由于它采用的是电机 控制光栅转动，光电倍增管接收，所以在速度和精度方面受到很大的限制。 由以上介绍可见，目前我国车灯检测系统主要分为两种类型：一种精度较高， 但采用光电倍增管接收管，需要使用电机带动光栅转动以实现全光谱测量，速度 较慢。另一种采用c c d 作为光电探测器，可实现一次性全光谱扫描，但精度较 低。最近几年来，随着科技水平的不断发展，c c d 器件生产技术和计算机技术 第一章绪论 的不断进步，使得研制种高速度、高精度的车灯色度检测系统成为可能，但是 最近几年我国并无相关单位进行这方面的研究工作，所有这些为本课题的提出准 备了充足的条件。 1 4 本课题研究内容 以上介绍了课题的背景及研究目的，指出了车灯色度参数的检测要求，并对 色度检测仪器的国内外发展现状进行了阐述分析。本课题主要进行了以下几方面 的研究： ( 1 ) 对车灯色度检测系统进行理论研究与分析，总结该系统应测参数、测 试方法和步骤。 ( 2 ) 设计调整系统光路，对各光学元件对系统性能的影响进行分析并选择 元件参数。选择光电探测器、搭建系统电路，实现硬件部分的连接和合理布局。 ( 3 ) 完成软件系统的编制工作。该软件可实现光谱数据的实时采集与显示， 色品坐标计算，测试结构记录和存储，报表的生成及打印根据测试情况自动调整 积分时间，自动寻峰。 ( 4 ) 设计了双向均值滤波算法对光谱数据进行消噪和平滑，分段阈值中心 法确定波峰位置，研究并实现了色品坐标计算方法和波长定标、光谱标定算法。 ( 4 ) 完成了仪器的波长定标和光谱响应定标。定标后，通过实验，测试了 该系统的精度和可靠性。 ( 5 ) 对引起系统测量误差的因素进行了分析。 第二章车灯色度测量原理及系统概述 第二章车灯色度测量原理及系统概述 2 1 光源颜色测量的色度学基础 光源的颜色测量也即光源色度参数的测量。要进行光源颜色测量系统的设 计，必须首先了解颜色测量所涉及到的色度学知识。下面将对色度检测系统基于 的基本理论进行介绍。 2 1 1 表色系统 物体颜色的定量度量是很复杂的，它涉及到观察者的视觉生理、视觉心理以 及照明条件、观察条件等多方面的问题。目前国际上存在的表色系统分为两大 类。一类是以彩色的三个特性为依据，即按色调、明度和饱和度来分类；另一类 是以三原色说为依据，即任一给定的颜色可以用三种原色按一定比例混合而成。 三色分类系统是以光的等色实验结果为依据、由三刺激值表示的体系。目前使用 最广泛的是c i e 表色系统，这是一种三原色表色系统7 】。 研究证明，光谱的全部颜色可用红、绿、蓝三种光谱波长的光按不同比例混 合而成。将不同比例的上述三种原色相加混合成一种颜色，用颜色方程可表达为 【c 】兰玎r 】+ g g 】+ b b ( 2 - 1 ) 其中：【c 某一特定颜色，即被匹配的颜色； 【c 、【g 】、【b 】红、绿、蓝三原色； 厂、g 、b 红、绿、蓝三原色的比例系数，以表示相对刺激量： 一表示匹配关系，即在视觉上颜色相同，而不是指能量或光谱成 分相同。三原色系数相加等于l ，即 ，+ g + b = 1( 2 - 2 ) 1 9 3 1 年，c i e 制定了一个色度图，用于客观地标定颜色。就人眼的视觉反应 而言，各种颜色单从其波长不同来互相区分是不完全的，还应该同时采用色调、 明度和饱和度等量。色调是物体颜色在”质”方面的特征【1 8 】。饱和度决定于反射光 中所混入白色的数量，物体颜色中纯光谱色的含量越多，则其饱和度越高。明度 决定于光的强度，亦可理解为光引起视觉刺激的程度，是物体颜色在”量“方面的 特征。色调和饱和度合称为”色品”。视觉中不同波长所引起的不同色调感觉可用 红、蓝、绿三原色按不同比例调配而得。国际照明学会规定把它们之间的百分比 第二章车灯色度测量原理及系统概述 分别用x 、y 、z 三者来表示。由于是百分比，三者相加必等于1 ，故色品实际 只要用x 和y 两个值来表示即可。将光谱色中各段波长所引起的颜色感觉在删平 面上做成图标时，即得色度图。因为白色的感觉可用等量的红、绿、蓝三色混合 而得，所以图中越接近中心的部分，表示越接近于白色，即饱和度越低；而在边 缘线部分则饱和度最高：因此色度图中一定位置相当于物体颜色的一定色调和一 定饱和度。 图2 - 1 中，马鞍形的曲线表示光谱色，称为光谱轨迹。通过d 点的曲线称为 黑体轨迹，表示黑体温度和色度的关系。 图2 lc i e l 9 3 1 色品图 每种颜色在c i e 色品图上都有一对应点，但对于视觉而言，每种颜色在色品 图上实际是一个范围。这个范围内，颜色坐标位置的变化在视觉上是等效的，人 眼感觉不出颜色的变化，此范围称为颜色的宽容量。研究表明，在色品图上，不 同位置的颜色的宽容量不同，蓝色部分宽容量最小，绿色部分宽容量最大。即在 蓝色部分人眼对颜色的辨别力很强，而在绿色部分辨别力较低。 第二章车灯色度测量原理及系统概述 2 1 2 光源的颜色特性 l x = x ( x + y + z ) y = y ( x + y + z )( 2 - 3 ) iz = z ( x + y + z ) 2 2 色度测量的几种方法 色度测量可采用三种方法：目视法、刺激值直读法和光谱辐射测色法。 ( 1 ) 目视法 目视法是色度测量的基本方法。它是用目视比较被测物体颜色与标准物颜色 的差别。因为物体颜色与照明光源有关，所以为正确判断颜色，应采用标准光源 照明。这种方法是用人眼来定性测量，测量结果会受人的因素的影响。因此，标 准中提出：若用目视法测量有争议，应采用色度测量仪器进行测量。 ( 2 ) 刺激值直读法 刺激值直读测量法是在所测光的波长范围内进行一次积分测量。具体做法 是：将有色玻璃覆盖在光电接收器上，把接收器的光谱灵敏度s ( a ) 修正成国际 照明委员会推荐的标准色度观察者的光谱三刺激值：五) 、灭名) 、z ( 彳) 的形状， 第二章车灯色度测量原理及系统概述 如图2 2 所示。用这样的三个光电接收器接收光刺激时，用一次积分即可测出被 测物的三刺激值ky 、z 。 为： 删 楚 买1 o 1 1 1 厂、z! 、 j ，( a ) 厂 、 j厂a | 卜 一拔心 4 0 05 0 06 0 0 7 0 0 波长( n 1 1 1 ) 图2 2 c i e19 31 标准色度观察者光谱三刺激值 设光学系统三个探测器的输出值相应为r 、g 、b ，则测量色源的三刺激值 x = k 凡r ，= k 尺伊( 五) ；( 兄) 以 】，= g = p ( 五) 少( 五) 以 ( 2 4 ) z = k b b = k 占p ( 五) 三( 兄) 以 这种测量方法的光学系统示意图如图2 - 3 所示。 物镜 光阑 图2 - 3 刺激值直读法光学系统示意图 第二章车灯色度测量原理及系统概述 如果探测器经过修正后的相对光谱灵敏度精确地符合光谱三刺激值曲线 “卫) 曩卫) d 名) ，那么只要知道两个比例常数五r 、毛，就能由仪器输出值得 到三剌激值工，r ，z 。但是实际上，不可茸皂做到使探测器的相对光谱灵敏度完 全符合光谱三刺激值的理论曲线。因此，色度计输出值冉、g 占与三刺激值z ， r 。z 之间的转换就不是完全固定的常数关系。色度计输出值的转换常数五随 色源的相对光谱功率分布而改变。色源若具有连续宽带而平滑的光谱功率分布， 如钨丝白炽灯及其照明下的般反射色，置的变化就较小，色源若具有线光谱 辐射，如汞灯、氙灯等，置的变化就很大，特别是强的亮谱线正好在探测器相 对光谱灵敏度与光谱三刺激值不一致的光谱区时，茸的变化就更大1 2 l l 。由此可 见，这种测量方法能准确地测出两个具有类似的光谱功率分布的色源之间的差 别，但不能准确地测出色源本身的三刺激值和色品坐标。 ( 3 ) 光谱辐射测色法 光谱辐射涮色法是铡量出待测灯具的相对光谱功率分布，用计算方法求出色 品坐标。我田田家标准规定测量车灯色度时可使用刺激值直读法和光谱辐射测色 法两种方法，当对铡试的准确度要求较高时，应使用光谱辐射测色法。因此，课 鏖中使用光谱