基于C-NCAP的室内整车灯光性能评价

赵 准,栗晋杰，高世龙

(中汽研汽车检验中心(天津)有限公司，天津 300000)

引言

近年来，车辆道路照明性能对行车安全的影响受到了业内和消费者的广泛关注，2021版C-NCAP(中国新车评价规程)[1]已于2020年8月25日正式发布，该评价规程已于2022年1月正式实施，2021版C-NCAP相较之前版本的一项重要的变化就是加入了关于车辆照明安全评价的相关内容，这在全球的NCAP评价体系内尚属首次，从而在行业内吸引了大量的关注度。2021版C-NCAP规程附录D-《整车灯光性能试验方法》中明确要求需要对汽车前照灯远光和近光功能在整车状态下分别进行光学测量。为满足测试条件，且考虑消除天气、环境、道路条件对测试的影响，需要设计一套能够在室内试验室条件下进行整车级照明性能测试的测试系统。

C-NCAP管理规程及CIE 188和CIE S 021[2,3]中对整车灯光性能的测试方法均有详细描述，首先需要分别测量远近光功能的光分布，然后根据灯具在车辆上的安装参数(一般指安装间距、安装高度等)将其分别叠加后通过计算机软件程序计算出路面的照度分布，之后根据路面的照度分布可以得出前照灯的照明光分布范围及指定区域内的眩光值，并最终通过数学统计方法对其进行星级评价。

1 试验室方案布局

传统意义上来讲，获取车辆远近光空间分布的方法有两种：a)将光度计安装于固定位置，沿方位和俯仰两个方向旋转车辆，并通过光度计测得空间光分布；b)通过移动光度计来实现所有测试点的光分布测量。方法a)的测试原理即等同于现有的灯具零部件级的暗室测试方法，但如果使用整车作为测试对象，则在使用方法a)的情况下会改变车辆的俯仰状态，从而导致车辆底盘悬挂状态的改变，而车辆悬挂状态的改变对车辆明暗截止线的影响尤为突出，从而影响了最终测试数据的准确性。而在方法b)中，当光度计与测试对象距离设置为25 m时，在测试对象固定的情况下，光度计的左右移动范围将达到近百米左右，为了满足上述测试规定及远场条件，需要一个巨大的建筑才可以实现相关测试。

为解决上述问题，本文采用将上述两种方法相结合的方案，即车辆围绕方位角旋转，而光度计沿垂直方向上下移动，这样车辆的旋转不会改变车辆的俯仰状态，因此不会影响车辆的悬挂状态及前照灯的倾斜角度，而且光度计只沿垂直方向移动，也大大缩减了试验室所需的场地宽度。

如图1所示，主要的测量设备为带有移动光度计探头的Ⅲ类分布光度计，该光度计可以沿着垂直方向进行移动[4]。在测试中记录车辆旋转的方位角D以及光度计探头沿垂直方向移动距离S，最后将测得的照度分布转化为广泛应用的CIE (A，α)球坐标。

图1 带移动照度探头的Ⅲ类测角光度计Fig.1 Class III goniophotometer with moving illuminance probe

如图2所示的整车灯光试验室的方案布局，实现车辆方位旋转的设备为一个高精度的车辆转台，转台设计承重为3.5 t，旋转角度精度能够达到0.01°。成像亮度测量设备/成像式亮度计(ILMD)则安装于车辆上方，并位于车辆纵向对称中心平面上，用来测量车辆前方 25 m 屏幕上的亮度分布。移动光度计则安装于屏幕右侧的垂直轨道上，垂直移动范围为±3.5 m，能够完全满足测试所需的角度范围。

图2 整车灯光试验室方案布局图Fig.2 Layout plan of vehicle lighting laboratory

2 车辆参数确认

与传统的零部件灯具测试原理有所不同，车辆转台的中心并不与前照灯基准中心相重合。因此项目组在研发阶段的早期，进行了每个前照灯在测量之前是否必须以坐标系原点为中心的讨论，但研究发现这将需要一个极为复杂的车辆转台及车辆姿态对准系统，在理论上比较难以实现并且实用性较差。经项目组讨论，最终采用了通过确定转台上车辆的位置并根据旋转角度及光度计移动距离来修正光度计读数的方案。

车辆参数的确认是通过尖端带有触觉探头的7轴铰接式机械臂来完成的，如图3所示。该机械臂的工作半径为5 m，车辆参数的确认基于待测车辆的轮毂中心位置进行，通过专门的程序精确测量车轮位置、角度以及前照灯光学中心的相对位置从而完成车辆灯具安装参数、基准中心的最终确认。

图3 车辆参数校准用机械臂Fig.3 Robotic arm for vehicle parameter calibration

图4显示了一个典型的车辆及前照灯安装参数位置测量报告，其中包含所有必要的数据，用以确定车辆位置、转台中心点位置以及照明功能的基准中心位置。通过机械臂测得的相对位置参数，经计算后即可得到修正后的前照灯发光强度。

图4 车辆及前照灯安装参数位置测量报告图示Fig.4 Diagram of vehicle and headlamp installation parameter position measurement report

3 光度计测量

传统光度计具有出色的动态范围、光谱适应性和高线性度等优点，C-NCAP 照明安全测试中仅使用传统光度计测量关键的眩光区域。

如图5所示，被测前照灯随转台圆形轨迹移动(小圆圈)，光度计的圆柱坐标系(大圆柱)跟随前照灯共同移动。

图5 Ⅲ类测光角度计偏心测试几何模型Fig.5 Class III photometric goniometer eccentricity test geometric model

根据几何坐标(D，S)，我们可以将其转换为(φ，θ)和(A，α)，反之亦然。在应用式(1)进行计算时，由于前照灯基准中心并不位于转台中心，即转台旋转中心与前照灯基准中心并不重合，而是存在一个偏心的关系，因此需要计算每个数据点前照灯和光度计之间的实际距离，通过数据纠正获取正确的光分布数据。

(1)

式中：E为在距离d处测得的照度；

I为发光强度；

φ,θ为方位角和俯仰角。

由于在整车测试时，车辆的姿态、前照灯的安装位置等因素均会与零部件级测试有一定的差异，为了评估该算法的准确性，对整车级前照灯性能测试结果与零部件级前照灯性能测试结果进行比对是必要且有意义的。

项目组在传统零部件配光测试转台和整车灯光性能评价试验室分别对具有较明显光分布特征的前照灯样品进行了比对测试，由于测试在整车灯光试验室的研发阶段进行，向下角度有限制，因此光分布不会覆盖低至-7D的全角度范围，而是从-1.6D开始。如图6所示，图(a)为传统零部件配光测试转台测试结果，图(b)为整车灯光试验室测试结果。比对结果表明，除了较小的水平安装偏移外，所有的光型结构，如明暗截止线、光学特征点和光强的变化都是完全相同的，这也验证了整车前照灯静态评价测试方法的科学性和准确性。

图6 零部件测试与整车前照灯测试结果比对Fig.6 Comparison of component test and vehicle headlight test results

4 成像式亮度计(ILMD)测量

在测量眩光区域外的光分布时，采用成像式亮度计进行测量，成像式亮度计与光度计相结合进行测量的方法由于其测试效率、测试结果的准确性高等优点近年来得到了更多的认可[5,6]。成像式亮度计测试的原理是根据屏幕的反射特性，将成像式亮度计记录的亮度图像转换为照度，最终根据照度值计算发光强度的光分布。

L(z,y)→E(z,y)→I(φ,θ)

(2)

式中：L(z,y)为亮度分布；

E(z,y)为照度分布；

I(z,y) 为光强分布。

同理，在通过成像式亮度计进行测量时，由于前照灯的中心并不处于转台中心，需要计算前照灯光学中心与转台中心的相对位置，并对所得到的测试结果进行修正。

如图7所示，圆形轨迹为车辆旋转时前照灯的运动轨迹，物体系统中的发光强度在球体上以坎德拉定义，但在平面屏幕上显示为照度分布。因为车辆旋转角度D以及前照灯与屏幕的距离是已知的，所以屏幕上的每个点可以对应坐标系中的一个角度，通过计算可以将测量的亮度值转化为相应的发光强度。

图7 成像式亮度计偏心测试几何模型Fig.7 ILMD eccentricity test geometric model

图8说明了前照灯安装位置对测试屏幕上捕获的光分布立体角的影响。两幅图显示了同一前照灯的测量结果，第一次将前照灯安装于车辆左侧，第二次安装于车辆右侧。由于前照灯安装位置不同，第一次的光分布图像在 V-V 线右侧覆盖了更大的区域，而第二次的光分布在V-V 线左侧包含了更大的立体角。然而屏幕上获得的光分布角度相对于车辆坐标系是固定的，与安装位置无关，这也证明了坐标系之间的转换是正确的。

图8 基于测量屏幕亮度的光分布左右前照灯结果对比Fig.8 Comparison of left and right headlamp results based on light distribution measured on screen brightness

C-NCAP规程中要求的测量角度范围为水平方向 60L 到 60R，垂直方向 7D 到 6U。在测量时，需要在不同的旋转角度下通过成像式亮度计记录多幅光分布图像，最后将多个光分布图像进行合并和拼接后得到一个覆盖所需测量角度范围的光分布图像，这需要专门的数据处理软件来完成，本文不再详述。此外，由于光度计的光谱适应性较好以及受杂散光影响较小，所以光度计的测量不确定度较小，在测试中可以通过光度计对一个或多个点进行测量读数，以校正成像式亮度计的测量值，从而保证测试结果的准确性[7]。

5 可追溯性、测量不确定度和精度

5.1 可追溯性和不确定度准则

整车灯光试验室测试数据的可追溯性基于传统的几何和光度校准程序，并遵循ISO/IEC 17025的各项规定[8]。测量不确定度则根据CIE TC2-67文件《道路车辆道路照明、光信号和反光装置的光度测定》中的条款确定[6]。

5.2 几何精度

整车灯光试验室的所有测量都旨在预测和评估道路照明质量，如照明距离和照明宽度等。因此对测试过程中的几何精度要求较高，对基准平面即车辆的转盘平面要求尤其高。除此之外照度计和成像式亮度计位置、屏幕几何位置以及所有距离和测角仪角度精度均使用高精度经纬仪确定，测量距离的精度小于1 mm，角度的确定精度小于0.002°。

另外，如第2节所述，转台上的待测车辆参数的确认是基于铰接式测量机械臂来完成的，其测量精度同样小于1 mm。

5.3 光度测试精度

而使用成像式亮度计和屏幕组合获取光分布测试方法的校准则取决于屏幕的反射特性，该反射特性可以使用现有L类光度计的进行校准而确定。需要注意的是,屏幕的反射特性受灰尘、温湿度、通风条件等影响较大，因此整车灯光试验室的环境条件要求相对较高，试验室内需要设置恒温恒湿条件，且需保持较为干净的试验测试环境。

此外，对于测试车辆照明功能的每次测试，都可使用照度计用以检查或校准其光分布。

5.4 数据后处理精度

如上文所述，整车灯光试验测试获得的原始数据实际上就是前照灯近光和远光功能的光分布数据，为了进行车辆道路照明性能(如照明距离、照明宽度)的评估，还需要对获取的光分布进行处理从而获取最终的道路光分布和测试指标数据，这些数据的处理过程涉及一些空间几何模型的转换和数据插值计算方法的选择，不同的运算模型或计算软件可能导致最终的评价结果存在一定的差异。数据后处理的精度影响了最终的评分结果，因此需要对该处理过程进行规范和统一，目前该项研究仍在进行过程中，初步研究显示，不同软件或计算方法的数据精度差异较小，项目组将另外撰写论文进行详细分析，本文不再详述。

6 总结与展望

本文论述了基于C-NCAP的整车灯光性能评价试验室的方案设计及测试原理，试验方案符合C-NCAP的测试要求。在受控条件下的室内试验室中测量车辆前照灯照明性能具有重复性好、不受道路以及环境影响等优点，此外由于测试方案选用了25 m的测试距离，可以更好地将整车级前照灯性能测试结果与零部件级的测试结果进行比较和关联。

虽然当前的整车灯光试验室是针对静态光分布进行测试，但在未来的试验室扩展中可能会通过使用快速光度计或者相机快速读出模式等技术手段增加动态光分布测试功能，从更多角度和状态实现车辆照明的测试，助力灯具行业的发展和技术进步。