基于正交设计的强光射灯对夜天空影响的试验研究[1]

　　随着科技的高速发展，照明新技术的日臻完善， 特种灯具如激光灯、城市之光、远程探照灯、空中玫瑰应运而生，并不断在城市照明中得到应用。它们具有射程远、发光强度高、视觉冲击强等共同特点，常被安置在大厦、广场、酒楼，景山、公园标志性建筑物及体育馆的顶部，是引起城市夜间光污染程度最强的灯具之一。这些灯具发出的光不仅对城市天空亮度影响严重，而且对天空中的飞鸟、城市中的居民等都会带来非常强烈的干扰[ 5-6]。因此，在目前低碳化照明备受关注的情况下，如何科学、合理的进行探照灯的布置与使用具有重要意义，本研究基于正交试验的方法，利用人工天空模型进行了关于探照灯的出射角度、光源亮度、出射光束截面积对天顶亮度影响的试验分析，分析其灯具各设置因素对天空亮度影响的显著性。

　　1 基于正交设计的强光射灯对夜天空影响的试验

　　1. 1 城市强光射灯特点

　　探照灯属于强光射灯的一种，已广泛应用于对重要物体引起注意、标志方位、对音乐会和舞台节目产生激动反应和对移动画面及电视制作创造出特殊的照明效果等方面。照射距离长，照明范围集中是它独有的特性。

　　利用反射镜的光学性质设计出的探照灯广泛用于军事、交通、城市照明等领域。根据探照灯的用途主要有: 高空探照灯、强光探照灯、强力探照灯和应急探照灯。高空探照灯主要用于城市照明。

　　1. 2 试验方法

　　由于城市各种杂散光比较多，很难分析探照灯的设置和性能对天空发亮的影响规律，因此本研究利用直径3m 的人工天空来模拟探照灯向天空照射的情况，试验布置和测试点分布见图1。仪器包括:两个强力探照灯( 分别为10W 和15W，因实验空间有限，为便于对比，光源高度调光范围控制在5 000～ 15000cd /m2 ，由强弱档调光，有效射程300 ～ 500米)、黑色覆盖薄膜、固定支架、量角器等。黑色覆盖薄膜的目的是降低内部漫反射进而模拟夜天空。测量仪器主要为: BM-7 彩色亮度计和照度计。通过改变出射角度、光束截面积、光源亮度等参数，揭示夜天空亮度分布情况和主要影响因素。出射角度是指灯具地平线之间的夹角; 光束截面积是指灯具出光口的面积; 光源亮度是指光源的输出亮度。测试点是按照网格法进行布置，每个网格边长为5cm。正交试验设计方法是一种解决多因子对比试验问题的重要数学方法， 主要使用正交表进行整体设计、综合比较、统计分析[9-11]。由试验设计可知探照灯对夜天空发亮影响的因素诸多，通过正交设计方法利用统计分析对试验结果进行综合处理，选出最优因子和水平。

　　1. 3 影响天空发亮的各因素及水平号的确定

　　正交试验首先要确定影响因素及各因素的水平值。探照灯对天空发亮的影响因素主要有两方面，其一为探照灯的安装形式，其二为探照灯的性能参数。探照灯的出射角度、出射光束截面积( 出光口面积)、光源亮度确定是影响天空发亮的主要因素。因此，本章通过正交试验的方法确定探照灯的布置方式和性能对天空发亮影响的规律。

　　因素是指直接影响试验结果而需要进行考察的不同原因。本试验选取出射角度( 用A 表示)、光源亮度( 用B 表示)、出射光束截面积之和( 用C表示) 三个因素。试验的考察指标为模拟夜天空的天顶亮度和水平照度。

　　1. 3. 1 影响因素变化水平的确定

　　该试验是一个三因素三水平试验， (1) 出射角度，用A 表示。三个变化水平分别为40°、60°、80°。(2) 光源亮度，用B 表示，三个变化水平分别为15W 弱光、10W 强光和15W 强光，亮度为7794cd / m2、9738 cd / m2、14532 cd / m2。(3) 光束截面积，用C 表示， 三个变化水平分别为28cm2、18cm2、10cm2。

　　为了消除系统误差和人为因素的干扰，在确定各因素的水平号时，采用随机抽样法确定出各因素的水平号。

　　将上述影响因素和水平总结如表1。本试验最终目的是通过对试验测试结果的分析，并根据相应的指标得出探照灯对天空发亮的影响的主要因素。　

　　2 SPSS 进行正交试验设计与分析

　　2. 1 安排正交试验设计

　　本试验采用SPSS 进行正交试验设计数据处理，可以使本研究从传统繁琐复杂的数据处理工作中解脱出来。根据SPSS 数据编程产生9 个组合( 即9 次试验) ，将组合进行整理，采取随机抽签的方法确定因素的排序，并根据排序进行表头设计和安排实施试验。各因素与水平相互匹配表见表2。

　　2. 2 试验设计与结果

　　根据正交表2 进行表头设计和安排实施试验。试验方式及结果见表3。该试验是一个三因素三水平试验，正交表L9(34 ) 满足试验要求，由表2 可以看出:

　　表3实验结果

　　(1) 因素数+ 要考虑的交互作用+ 空白项< 正交表列数;

　　(2) 因素的水平数= 正交表水平数;

　　(3) 在每一行、每一列中，1、2、3 正好各出现一项。

　　此方案在保证各因素与各水平间均匀搭配的基础上仅制造和试验9 次就能达到试验目的。如果采用全面试验需33 次。而这9 次试验，既能代表33次试验的最优结果，又可以大大减少试验次数、试验时间和费用。可见在多因素多水平试验中正交设计的重要性。一般来说各因素取三个水平即可看出其变化规律。其中的空白因素可用来计算、分析试验误差。

　　2. 3 SPSS 输出正交试验结果及分析

　　将理化指标测定结果输入SPSS 系统进行分析、对输出的结果进行评价，SPSS 软件通过单变量方差分析可以处理各种不同设计，包括随机区组设计、析因设计。在输出结果中每一个响应有2 个表，即方差分析表( Tests of Between-Subjects Effects)、估计边缘均数表( Estimated Marginal Means) 和轮廓图( Profile Plots)。