一种基于光谱分析的电光源频闪分析方法

摘要

本发明公开了一种基于光谱分析的电光源频闪分析方法，包括：选择被测灯具，采集光谱分布数据；计算光谱闪烁比，将光谱闪烁比与光谱仪信噪比比较，并初步判断是否有频闪，若不满足条件，则继续分析；计算不少于50组光谱分布对应的相对光通量；拟合相对光通量R(t)的函数表达式，并计算闪烁频率f与视觉闪烁百分数，根据闪烁频率f与视觉闪烁百分数判断灯具频闪情况，输出灯具闪烁频率与视觉闪烁百分数，分析结束。该方法仅需利用光学研究分析最基本、最普及的设备光谱仪即可进行电光源频闪定量分析，相关计算参数与过程物理意义明确。

说明书

技术领域

本发明涉及健康照明领域，尤其涉及基于光谱分析的电光源频闪分析方法。

背景技术

电光源的频闪是指电光源发出的光随时间呈快速、重复的变化，使得光源跳动和不稳定，造成光源光通量波动的现象。产生电光源频闪原因主要为：光源供电频率低、电压波动大、光源发光原理等因素引起。当前研究表明，电光源频闪的危害主要为：错觉引发工伤事故；诱发光敏人员癫痫病、偏头痛、恶心等；伤害青少年的眼镜，造成近视。

随着人们对光健康的重视，当前很多消费者在选购电光源时，会利用手机在拍照或摄像状态下，对准目标电光源，通过观察屏幕上是否出现条纹或明暗不同的闪烁现象，判断所测电光源是否存在频闪现象。该方法仅可粗略的定性判断，无法精确定量研究电光源频闪现象。IEEE等权威机构常通过测量电光源照度随时间变化，计算闪烁指数、频闪深度、调制深度、波动深度等，定量研究电光源频闪现象。但该方法需要利用光源频闪测试仪、数字示波器等，设备相对较为昂贵，且普及程度较低。

因此，提供一种采用光谱仪高频采集一定时间内被测电光源的瞬态光谱分布数据，由光谱分布的峰值闪烁初步判断电光源的频闪情况；再利用明视觉光谱光效率函数V(λ)，通过Matlab拟合计算人眼观察到的相对光强闪烁情况及频率，细致分析电光源频闪情况，可有效避免使用光源频闪测试仪等昂贵专业设备，具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为了实现利用普通光谱仪，基于光谱分析定量分析电光源频闪现象，提出了首先通过瞬态光谱分布数据计算光谱闪烁比初步判断被测电光源有无频闪；再根据结合明视觉光谱光效率函数，通过采用不小于8阶傅里叶级数拟合，计算闪烁频率及视觉闪烁百分数定量分析电光源频闪；最终由对应阈值判断电光源有无频闪。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种基于光谱分析的电光源频闪分析方法，包括下述步骤：

步骤1，选择被测灯具，采集光谱分布P(λ)数据；

步骤2，计算光谱闪烁比SFP，将光谱闪烁比SFP与光谱仪信噪比SNR比较，并初步判断是否有频闪，若SFP≤3×SNR，则灯具无频闪；分析结束；若SFP＞3×SNR，则继续分析；

步骤3，计算不少于50组光谱分布P(λ)对应的相对光通量R(t)：

通过OriginPro软件，利用Asym2Sig函数对CIE(国际照明委员会)给出的明视觉光谱光效率函数V(λ)进行拟合；利用Excel软件，根据明视觉光谱光效率函数V(λ)拟合表达式，计算与光谱分布P(λ)相同扫描步长的函数值，并计算不少于50组P(λ)×V(λ)；利用OriginPro软件的Integrate功能，计算不少于50个相对光通量R(t)；

步骤4，拟合相对光通量R(t)的函数表达式，并计算闪烁频率f与视觉闪烁百分数VFP；

步骤5，根据闪烁频率f与视觉闪烁百分数VFP判断灯具频闪情况：

如果f≥400Hz，或者VFP≤1％，则灯具无频闪，分析结束；

如果f＜400Hz，或者VFP＞1％，则灯具有频闪，输出灯具闪烁频率f与视觉闪烁百分数VFP，分析结束。

对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：

进一步，所述步骤1)中，采集光谱分布P(λ)数据，通过下述步骤得到：

1a)选择需要研究的灯具，在220V、50Hz市电下使其正常工作；

1b)在暗室中利用高频光谱仪，积分时间不大于1ms，采集被测灯具不小于50ms内380-780nm可见光波段光谱分布P(λ)数据，得到不少于50组光谱分布P(λ)数据。

进一步，所述步骤2)中，计算光谱闪烁比SFP通过下述步骤得到：

2a)利用OriginPro、Matlab和Excel软件在一幅图中绘制不少于50组光谱分布P(λ)；

2b)找到不少于50组光谱分布P(λ)中的最大峰值P(λ)_max，以及不少于50组光谱分布P(λ)中的最小峰值P(λ)_min；

2c)利用式(1)计算该灯具的光谱闪烁比SFP。

进一步，所述步骤4)按如下过程进行：

4a)利用Matlab软件中的cftool工具箱，采用不小于8阶傅里叶级数拟合相对光通量R(t)的函数表达式；

4b)根据相对光通量R(t)的函数表达式，利用OriginPro软件绘图，由振荡周期对应时间t₁与t₂，计算闪烁频率f＝1/(t₂-t₁)；

4c)由相对光通量R(t)的函数图像，找到相对光通量R(t)的最大值R(t)_max与最小值R(t)_min，计算视觉闪烁百分数VFP。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

该分析方法首先通过不少于50组光谱分布P(λ)可快速直观的观察电光源频闪情况，计算光谱闪烁比SFP可简单的初步判断电光源频闪情况。拟合明视觉光谱光效率函数V(λ)、计算相对光通量R(t)及其函数表达式，并计算闪烁频率f与视觉闪烁百分数VFP，可有效避免电光源频闪定量分析必须利用光源频闪测试仪、数字示波器等设备。该方法仅需利用光学研究分析最基本、最普及的设备光谱仪即可进行电光源频闪定量分析，相关计算参数与过程物理意义明确。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为基于光谱分析的电光源频闪研究方法流程图；

图2为白炽灯380-780nm波段50组光谱分布P(λ)图；

图3为白炽灯50个R(t)及其傅里叶级数拟合图；

图4为LED灯丝灯380-780nm波段50组光谱分布P(λ)及其局部放大图；

图5为LED灯丝灯50个R(t)及其傅里叶级数拟合图；

图6为碘钨灯380-780nm波段50组光谱分布P(λ)及其局部放大图；

图7为碘钨灯50个R(t)及其傅里叶级数拟合图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例1：

本实施例为利用本发明分析20W白炽灯在220V、50Hz市电下正常工作过程中的频闪，具体步骤如下：参见图1、图2、图3。

步骤1，选择被测灯具，采集光谱分布P(λ)数据：

1a)选择20W白炽灯为被测灯具，在220V、50Hz市电下让其正常工作；

1b)在暗室中利用美国海洋光学公司的Ocean Optics UBS2000+型光谱仪，积分时间1ms，采集白炽灯50ms内380-780nm可见光波段光谱分布P(λ)数据，即50组光谱分布P(λ)数据。

步骤2，计算光谱闪烁比SFP，并初步判断是否有频闪：

2a)利用OriginPro、Matlab、Excel等软件在一幅图中绘制50组光谱分布P(λ)；

2b)找到50组光谱分布P(λ)中的最大峰值P(λ)_max，以及50组光谱分布P(λ)中的最小峰值P(λ)_min，数值分别为50356、30073；

2c)利用式(6)计算该灯具的光谱闪烁比SFP＝50.44％。

2d)美国海洋光学公司的Ocean Optics UBS2000+型光谱仪信噪比SNR＝0.4％，SFP＞3×SNR，继续进行分析。

步骤3，计算50组光谱分布P(λ)对应的相对光通量R(t)：

3a)通过OriginPro软件，利用Asym2Sig函数对CIE(国际照明委员会)1924年给出的明视觉光谱光效率函数V(λ)进行拟合，拟合结果为式(7)，相关系数R²＝0.99903

3b)利用Excel软件，根据明视觉光谱光效率函数V(λ)拟合表达式，计算与光谱分布P(λ)相同扫描步长0.37nm的函数值，并计算50组P(λ)×V(λ)。

3c)利用OriginPro软件的Integrate功能，计算白炽灯的50个相对光通量R(t)，计算公式见式(8)

步骤4，拟合白炽灯的50个相对光通量R(t)随时间的变化函数表达式，并计算闪烁频率f与视觉闪烁百分数VFP：

4a)利用Matlab软件中的cftool工具箱，采用8阶傅里叶级数拟合白炽灯的50个相对光通量R(t)的函数表达式，拟合结果见式(9)，相关系数R²＝0.8993，均方根误差RMSE＝4.038×10³

4b)根据相对光通量R(t)的函数表达式，利用OriginPro软件绘白炽灯相对光通量R(t)的傅里叶级数拟合图像，由白炽灯傅里叶级数拟合确定一个周期内对应t₂与t₁，t₂＝32.4ms、t₁＝19.5ms，计算白炽灯闪烁频率f＝1/(t₂-t₁)＝77.52Hz。

4c)由白炽灯相对光通量R(t)的函数图像，找到振幅最大值R(t)_max与最小值R(t)_min，R(t)_max＝4558034、R(t)_min＝1616767。计算视觉闪烁百分数VFP＝95.27％，计算公式见式(10)

步骤5，根据闪烁频率f与视觉闪烁百分数VFP判断白炽灯频闪情况：

因为，VFP＝95.27％＞1％，故灯具有频闪，输出白炽灯闪烁频率f＝77.52Hz，视觉闪烁百分数VFP＝95.27％，分析结束。

实施例2：

本实施例为利用本发明分析20W LED灯丝灯在220V、50Hz市电下正常工作过程中的频闪，具体步骤如下：参见图1、图4、图5。

步骤1，选择被测灯具，采集光谱分布P(λ)数据：

1a)选择全球某知名企业20W LED灯丝灯为被测灯具，在220V、50Hz市电下让其正常工作；

1b)在暗室中利用上海复享光学股份有限公司的FX2000光纤光谱仪，积分时间1ms，采集LED灯丝灯50ms内380-780nm可见光波段光谱分布P(λ)数据，即50组光谱分布P(λ)数据。

步骤2，计算光谱闪烁比SFP，并初步判断是否有频闪：

2a)利用OriginPro、Matlab、Excel等软件在一幅图中绘制50组光谱分布P(λ)；

2b)LED灯丝灯光谱分布局部放大，找到50组光谱分布P(λ)中的最大峰值P(λ)_max，以及50组光谱分布P(λ)中的最小峰值P(λ)_min，数值分别为55463、54295；

2c)利用式(11)计算该灯具的光谱闪烁比SFP＝2.13％。

2d)上海复享光学股份有限公司的FX2000光纤光谱仪信噪比SNR＝0.25％，SFP＞3×SNR，继续进行分析。

步骤3，计算50组光谱分布P(λ)对应的相对光通量R(t)：

3a)通过OriginPro软件，利用Asym2Sig函数对CIE(国际照明委员会)1924年给出的明视觉光谱光效率函数V(λ)进行拟合，拟合结果为式(12)，相关系数R²＝0.99903

3b)利用Excel软件，根据明视觉光谱光效率函数V(λ)拟合表达式，计算与光谱分布P(λ)相同扫描步长0.31nm的函数值，并计算50组P(λ)×V(λ)。

3c)利用OriginPro软件的Integrate功能，计算LED灯丝灯的50个相对光通量R(t)，计算公式见式(13)

步骤4，拟合LED灯丝灯的50个相对光通量R(t)的函数表达式，并计算闪烁频率f与视觉闪烁百分数VFP：

4a)利用Matlab软件中的cftool工具箱，采用8阶傅里叶级数拟合LED灯丝灯的50个相对光通量R(t)的函数表达式，拟合结果见式(14)，相关系数R²＝0.8623，均方根误差RMSE＝439.8

4b)根据LED灯丝灯R(t)的函数表达式(14)，利用OriginPro软件绘LED灯丝灯相对光通量R(t)的傅里叶级数拟合图像，由LED灯丝灯傅里叶级数拟合确定一个周期内对应t₂与t₁，t₂＝23.2ms、t₁＝38.1ms，计算LED灯丝灯闪烁频率f＝1/(t₂-t₁)＝67.11Hz。

4c)由LED灯丝灯相对光通量R(t)的函数图像，找到振幅最大值R(t)_max与最小值R(t)_min，R(t)_max＝4119260、R(t)_min＝4098905。计算视觉闪烁百分数VFP＝0.50％，计算公式见式(15)

步骤5，根据闪烁频率f与视觉闪烁百分数VFP判断LED灯丝灯频闪情况：

因为，VFP＝0.50％<1％，故该LED灯丝灯无频闪，分析结束。

实施例3：

本实施例为利用本发明分析20W碘钨灯在220V、50Hz市电下正常工作过程中的频闪，具体步骤如下：参见图1、图6、图7。

步骤1，选择被测灯具，采集光谱分布P(λ)数据：

1a)选择全国某大型企业20W碘钨灯为被测灯具，在220V、50Hz市电下让其正常工作；

1b)在暗室中利用美国海洋光学公司的Ocean Optics UBS2000+型光谱仪，积分时间1ms，采集碘钨灯50ms内380-780nm可见光波段光谱分布P(λ)数据，即50组光谱分布P(λ)数据。

步骤2，计算光谱闪烁比SFP，并初步判断是否有频闪：

2a)利用OriginPro、Matlab、Excel等软件在一幅图中绘制50组光谱分布P(λ)；

2b)碘钨灯光谱分布局部放大，找到50组光谱分布P(λ)中的最大峰值P(λ)_max，以及50组光谱分布P(λ)中的最小峰值P(λ)_min，数值分别为55056、52992；

2c)利用式(16)计算碘钨灯的光谱闪烁比SFP＝3.82％。

2d)美国海洋光学公司的Ocean Optics UBS2000+型光谱仪信噪比SNR＝0.4％，SFP＞3×SNR，需要继续进行分析。

步骤3，计算碘钨灯50组光谱分布P(λ)对应的相对光通量R(t)：

3a)通过OriginPro软件，利用Asym2Sig函数对CIE(国际照明委员会)1924年给出的明视觉光谱光效率函数V(λ)进行拟合，拟合结果为式(17)，相关系数R²＝0.99903

3b)利用Excel软件，根据明视觉光谱光效率函数V(λ)拟合表达式，计算与光谱分布P(λ)相同扫描步长0.37nm的函数值，并计算50组P(λ)×V(λ)。

3c)利用OriginPro软件的Integrate功能，计算碘钨灯的50个相对光通量R(t)，计算公式见式(18)

步骤4，拟合碘钨灯的50个相对光通量R(t)的函数表达式，并计算闪烁频率f与视觉闪烁百分数VFP：

4a)利用Matlab软件中的cftool工具箱，采用8阶傅里叶级数拟合碘钨灯的50个相对光通量R(t)的函数表达式，拟合结果见式(19)，相关系数R²＝0.8724，均方根误差RMSE＝2431。

4b)根据碘钨灯相对光通量R(t)的函数表达式(19)，利用OriginPro软件绘碘钨灯相对光通量R(t)的傅里叶级数拟合图像，由碘钨灯傅里叶级数拟合确定一个周期内对应t₂与t₁，t₂＝32.4ms、t₁＝27.2ms，计算碘钨灯闪烁频率f＝1/(t₂-t₁)＝192.31Hz。

4c)由碘钨灯相对光通量R(t)的函数图像，找到振幅最大值R(t)_max与最小值R(t)_min，R(t)_max＝4600707、R(t)_min＝4426747。计算视觉闪烁百分数VFP＝3.85％，计算公式见式(15)

步骤5，根据闪烁频率f与视觉闪烁百分数VFP判断LED灯丝灯频闪情况：

因为，f＝192.31<400Hz，且VFP＝3.85％＞1％，故该碘钨灯有频闪，输出该碘钨灯闪烁频率f＝192.31，视觉闪烁百分数VFP＝3.85％。分析结束。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。