一种照明灯光靶系统

技术领域

本发明涉及照明技术领域，具体涉及一种照明灯光靶系统。

背景技术

照明灯光靶是一种定点照明设备，供飞机上的飞行员在夜间进行目视观测靶标。对于面积较大的靶场，普通的照明灯光靶设备投射距离较短，投射的照明区域较小，无法保证飞行员对靶标的观测效果。当靶标位置需要调整时，普通的照明灯光靶并不具备自动瞄准功能，其照明区域无法根据靶标放置的位置而进行远程控制调整，照明区域位置调整的过程操作复杂、费时费力。

发明内容

为了解决普通的照明灯光靶存在的投射距离较短、投射照明区域较小、不能远程控制调整照明区域、靶标瞄准过程操作复杂、费时费力的问题，本发明提供了一种长距离、亮度可调、可远程控制自动瞄准的照明灯光靶系统，具有投射距离远、照明区域大、操作简便等优点。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种照明灯光靶系统，包括远程控制计算机和安装在塔台上的照明系统；

所述照明系统包括控制器和四个照明组件，每一个所述照明组件包括保护仓和设置在所述保护仓内部的照明灯头、二维云台、温湿度传感器和除湿器，所述照明灯头安装在所述二维云台上，所述二维云台、所述温湿度传感器和所述除湿器固定在所述保护仓的内壁上；

所述照明灯头包括高压短弧氙灯光源、反射面为抛物面的准直反射镜、透明保护片、外壳和散热风扇，所述准直反射镜位于所述外壳的内部，所述高压短弧氙灯光源位于所述准直反射镜的中轴线上并且位于抛物面的焦点或其附近，所述透明保护片安装在所述外壳上靠近所述准直反射镜开口侧的一端，所述外壳的另一端安装所述散热风扇，并且所述外壳的底部设有出风口；

所述保护仓包括仓体和用于封闭所述仓体的电动仓门，所述电动仓门由安装在所述仓体侧面的步进电机带动开合，并且所述步进电机的轴系结构内部设有开门霍尔传感器，所述仓体的前方设有关门霍尔传感器；

所述远程控制计算机通过一对光纤收发器和交换机连接，所述交换机通过网线与各个二维云台的控制与驱动模块连接，所述交换机通过网线与串口服务器连接，所述串口服务器通过交叉串口线与所述控制器连接，所述串口服务器还通过信号线分别与各个所述除湿器和所述温湿度传感器连接，所述控制器通过信号线分别与各个照明灯头的继电器、各个步进电机的电机驱动器以及各个保护仓上安装的霍尔传感器连接；

所述远程控制计算机安装有基于VS2013软件平台、以C++为编写语言开发的控制软件，所述控制软件的显示界面包括地图显示及选择区、云台选择及状态反馈区、云台运动模式控制区、照明与开关门控制区、云台状态监测区、箱内状态监测区；

所述云台选择及状态反馈区包括四个二维云台各自对应的云台勾选框、门状态指示灯、低照度灯状态指示灯和高照度灯状态指示灯；当所述地图显示及选择区接收到照明区域位置坐标信息或者所述云台运动模式控制区接收到云台运动指令时，所述远程控制计算机向所述云台选择及状态反馈区中所勾选的二维云台发送运动控制命令，使对应的二维云台带动其上的照明灯头运动；所述云台状态监测区包括云台状态查询按钮以及各个二维云台对应的云台温度显示区、水平角度显示区、垂直角度显示区，当云台状态查询按钮被触发时，所述远程控制计算机向所述云台选择及状态反馈区中所勾选的二维云台发送云台查询控制命令，对应的二维云台实时返回云台温度、水平角度和垂直角度数据至所述远程控制计算机并在所述云台状态监测区中的相应位置显示；

所述箱内状态监测区包括保护仓状态查询按钮和各个保护仓对应的箱内湿度显示区、箱内温度显示区和除湿状态指示灯，当保护仓状态查询按钮被触发时，所述远程控制计算机实时采集各个温湿度传感器的数据并在所述箱内状态监测区中的相应位置显示；

所述照明与开关门控制区包括低照度照明按钮、高照度照明按钮、照明关按钮、门开启按钮、门关闭按钮和门停止按钮，当所述低照度照明按钮或者所述高照度照明按钮被触发后，所述远程控制计算机向所述云台选择及状态反馈区中所勾选的二维云台对应的继电器发送照明控制命令，控制对应的照明灯头进行低照度或者高照度照明，当照明关按钮被触发后，对应的继电器控制照明灯头断电关闭；当门开启按钮、门关闭按钮或者门停止按钮被触发后，所述远程控制计算机向所述云台选择及状态反馈区中所勾选的二维云台对应的电机驱动器发送门控制命令并实时采集相应的开门霍尔传感器或者关门霍尔传感器的数据，电机驱动器根据所述门控制命令和霍尔传感器数据驱动相应的步进电机进行正转、反转或者停止转动，完成电动仓门的开启、关闭或者即时停止。

本发明的有益效果是：

（1）本发明提供了一种长距离、亮度可调、可远程控制自动瞄准的照明灯光靶系统，在靶场内（陆面或水面上），该系统投射的照明区域直径可达40m，投射距离可达300m以上，并且照明系统的照明区域可根据靶标放置的位置而进行远程控制调整，也可通过远程控制调节照明灯头的照度大小实现照明亮度的调节，同时具有成本低、操作简单的优点，操作人员仅需在远程控制计算机的控制软件显示界面上进行操作，即可完成对目标区域的自动瞄准与照明；

（2）为了防止照明灯头被弹片或者其他物体击中，每一个照明灯头都在其外部配备了保护仓，并且保护仓设置有电动仓门，有效地保证照明灯光头的安全的同时，可远程控制电动仓门的开启与关闭，提高效率和便捷性；

（3）照明灯光靶通常安装在室外靶场，阴雨天气会损耗照明灯光靶的使用寿命，因此，每一个保护仓内部配备了除湿器，自动调节仓内的湿度，保证保护仓内部器件与线路的安全使用，并且通过远程控制计算机可以实时查询各个保护仓内的温湿度数据以及控制除湿器的开启与关闭，安全性更高，操作更加便捷。

附图说明

图1为本发明其中一个实施例提供的照明灯光靶系统中四个照明组件的结构示意图；

图2为照明组件的内部结构示意图；

图3为照明灯头的透视结构示意图；

图4为照明灯头的底面透视结构示意图；

图5为高压短弧氙灯光源与准直反射镜的位置关系示意图；

图6为准直后高压短弧氙灯光源出射光束的光路示意图；

图7为本发明实施例提供的照明灯光靶系统的原理图；

图8为控制软件的显示界面示意图；

图9为靶场俯视示意图；

图10为靶场侧视示意图；

附图标记说明：1、照明组件；2、底座；3、保护仓；4、照明灯头；4-1、高压短弧氙灯光源；4-2、准直反射镜；4-3、透明保护片；4-4、外壳；4-5、散热风扇；4-6、出风口；4-7、入风口；5、二维云台；6、除湿器；7、步进电机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

在其中一个实施例中，本发明提供一种长距离、亮度可调、可远程控制自动瞄准的照明灯光靶系统，该系统包括远程控制计算机和安装在塔台上的照明系统，其中远程控制计算机用于控制照明灯头的开启个数和亮度以及二维云台的转动角度和俯仰角度等。

具体地，如图1和图2所示，照明系统包括控制器和四个照明组件1，四个照明组件1分上下两层，每层有2个照明组件1，下层的照明组件1与底座2连接固定，底座2与塔台连接固定。4个照明组件1按照正视系统四象限进行编号，分别为1号、2号、3号和4号。四个照明组件1也可以采用其他形式组合安装在一起，此处不做限定。

每一个照明组件1包括保护仓3和设置在保护仓3内部的照明灯头4、二维云台5、温湿度传感器和除湿器6，其中照明灯头4固定安装在二维云台5上，二维云台5带动照明灯头4转动，对不同区域照明；二维云台5、温湿度传感器和除湿器6固定在保护仓3的内壁上。二维云台5的转动角度范围为：水平方向为 -60°~ +60°，垂直方向为 -30°~ +30°。温湿度传感器采集保护仓3内的温度和湿度数据并传送至远程控制计算机。可选地，控制器和其中一个照明组件内的温湿度传感器集成在该照明组件保护仓内的一个电控箱里。

如图3和图4所示，照明灯头4包括：高压短弧氙灯光源4-1、准直反射镜4-2、透明保护片4-3、外壳4-4和散热风扇4-5；其中准直反射镜4-2位于外壳4-4的内部，并且准直反射镜4-2的反射面为抛物面，高压短弧氙灯光源4-1设置在准直反射镜4-2的中轴线上，并且光源位于抛物面的焦点或者焦点的附近，高压短弧氙灯光源4-1发出的光由准直反射镜4-2反射后经过透明保护片4-3出射，通过调节光源在焦点附近的位置可以改变出射光的发散角；透明保护片4-3安装在外壳4-4上靠近准直反射镜4-2开口侧的一端，光源4-1和准直反射镜4-2位于透明保护片4-3和外壳4-4组成的空间内，外壳4-4的另一端安装散热风扇4-5，用于降低光源4-1和准直镜反射镜4-2的温度，外壳4-4的底部设有出风口4-6，风扇4-5开启时，外部空气从外壳的入风口4-7进入，经过准直反射镜4-2和光源4-1后，通过出风口4-6出风，从而对内部高压短弧氙灯光源4-1和准直反射镜4-2进行风冷降温。为了保证照明灯头4前方有灰尘或雨水吹入时不会进入照明灯头4，外壳4-4上的入风口4-7和出风口4-6均位于外壳4-4的底部。可选地，入风口4-7尺寸及面积为80mm×250mm=200000mm

照明灯头4采用与太阳光谱较为接近的高压短弧氙灯作为光源，符合人眼观察适应性，更容易发现目标，同时氙灯更容易实现高亮度输出。本实施例中的高压短弧氙灯最大功率为5000W，可在不同功率下工作，不同功率下亮度不同、发热量不同，为了同时保证安全性和照明亮度，照明灯光靶设定两种照明模式：

（1）低照度照明模式：灯泡3000W功率，灯泡和保护仓的升温速度较慢，适合在环境温度较高的时候（如夏季夜晚）选择，确保安全性；

（2）高照度照明模式：灯泡5000W满功率运行，此时灯泡和保护仓升温速度较快，工作1小时左右切换至低照度照明模式。

由于氙灯结构为一种在抛物面石英泡壳内充有0.019～0.0266MPa高压氙气、极间距离小于10mm，其发光位置位于阴极与阳极之间且为发散的体光源，为使出射光的发散角较小、光能尽可能集中在所需要的区域内要对氙灯发出的发散光束进行准直。

本实施例采用反射面为高精度抛物面的准直反射镜4-2对其进行准直。氙灯主要发光位置为阴极与阳极之间的小于10mm的范围，为使准直反射镜4-2对氙灯发出光束具有准直作用，将氙灯阴极与阳极之间位置放置于抛物面焦点位置，如图5所示，此时氙灯所发出的光能够从抛物面出口处以一定角度出射，如图6所示。通过调节氙灯与抛物面反射镜之间的间距可以调整出射光的发散角。可选地，本实施例中的高压短弧氙灯光源4-1的发光弧长为8mm，灯弧宽度为6mm，最大功率为5000W。为保证能量利用率最大化，准直反射镜4-2的焦距为70mm，出口直径为400mm。经LightTools分析，准直反射镜对氙灯的能量利用率大于30lm/W，即一盏氙灯出射总光通量为大于150000lm。

为尽量减轻照明灯头4的重量，减小云台的力矩输出以及塔台的负载，外壳4-4采用铝合金材料制作，并且表面设计加强筋，在保证低重量的同时保证壳体整体的强度。

透明保护片4-3采用石英石材料加工制作，保证光能能够最大程度的透过保护片。透明保护片4-3的厚度为5mm，能够保证足够的强度，透明保护片4-3通过铝合金压圈安装于外壳4-4上。

用于安装照明灯头4的二维云台5，可以采用现有的重型云台实现，例如采用四川汇源光通信有限公司的型号为HY-HW17-01A型的重型云台，其承载能力为80kg，照明灯头4重量为23kg，由于灯头质心较高，所以载重留出充分余量。根据云台使用条件，该重型云台采用传统的方位轴和俯仰轴组合的结构形式，其体积、重量和指向精度等综合性能较好，可以通过伺服系统控制云台的绕方位轴和俯仰轴转动，实现方位-60°~+60°，俯仰-30°~30°指向范围内的连续区域照明。

二维云台5主要由方位轴系、俯仰轴系组成。照明灯头4安装在二维云台5的连接支架上，连接支架可以沿俯仰轴轴线转动，实现-30°~30°转动范围，俯仰轴系设有电限位，限位于±30°范围内，保证运转的安全性，不会与其他结构干涉。俯仰轴系整体安装在方位轴系上，实现-60°~+60°范围内连续运转，方位轴系同样设有电限位，限位于±60°之内，保证设备运转在合理范围内，避免照明灯头电源线的绕线、超范围运转等造成设备损坏。二维云台5通过网络接口进行通讯，通讯接口和电源接口位于二维云台底座后部，二维云台底座固定，避免通讯线缆和电源线缆的频繁移动。

保护仓3包括仓体和用于封闭仓体的电动仓门，电动仓门采用前开门，在仓体的侧面安装有步进电机7，步进电机7带动仓门开合，并且电动仓门的开门位置和关门位置均通过霍尔传感器进行感应，其中开门霍尔传感器设置在步进电机7的轴系结构内部，关门霍尔传感器设置在仓体的前方。

可选地，保护仓3由不锈钢板和框架焊接而成，具有防沙尘、防潮湿、防雷电、防太阳辐射的功能，为内部各部件提供保护，同时保护仓3的内部和外部的表面均喷涂有白漆，以防止腐蚀生锈。

进一步地，保护仓3设有遮雨沿、排水孔以及手动解锁的后门，电动仓门在工作时开启，待机时关闭，后门在需要进行维修保养时手动开启。

保护仓3用于对照明灯头4、云台5和电箱进行保护，前后各有一扇门，前门通过电机控制在工作时开启，待机时关闭，后面手动开启，用于维修电箱时开启。

保护仓3上方设计有遮雨沿，一定程度上减少落到仓内的雨水。

内部设置有排水孔，在雨天开门工作时可将落入仓内的雨水排出，不会造成积水，线缆用防水波纹管进行保护。

如图7所示，远程控制计算机通过一对光纤收发器和交换机连接，交换机通过网线与各个二维云台的控制与驱动模块连接，交换机通过网线与串口服务器连接，串口服务器通过交叉串口线与控制器连接，串口服务器还通过信号线分别与各个除湿器和温湿度传感器连接，控制器通过信号线分别与各个照明灯头的继电器、各个步进电机的电机驱动器以及各个保护仓上安装的霍尔传感器连接。其中，光纤收发器的型号为上海烽火FHGTC-G518W型，交换机的型号为TP-LINK公司的SF1008型，串口服务器的型号为上海卓兰ZLAN5843A型，除湿器采用上海远征SYZ-CS-60II型除湿机，二维云台的供电电压为DC24V±10％，光纤收发器的供电电压为DC5V±10％，交换机的供电电压为DC24V±10％，除湿机的供电电压为AC220V（±10%），额定功率为60W。

远程控制计算机安装有基于Microsoft Visual Studio 2013（简称VS 2013）软件平台、以C++为编写语言开发的控制软件，通过该控制软件的人机交互界面，可以对保护仓的开启关闭、二维云台的转动角度及俯仰角度、照明灯头的开启关闭以及工作模式、在虚拟地图上选择照明区域以及操控二维云台运动等等。

如图8所示，控制软件的显示界面包括地图显示及选择区、云台选择及状态反馈区、云台运动模式控制区、照明与开关门控制区、云台状态监测区、箱内状态监测区。

云台选择及状态反馈区包括四个二维云台各自对应的云台勾选框、门状态指示灯、低照度灯状态指示灯和高照度灯状态指示灯；当地图显示及选择区接收到照明区域位置坐标信息或者云台运动模式控制区接收到云台运动指令时，远程控制计算机向云台选择及状态反馈区中所勾选的二维云台发送运动控制命令，使对应的二维云台带动其上的照明灯头运动；云台状态监测区包括云台状态查询按钮以及各个二维云台对应的云台温度显示区、水平角度显示区、垂直角度显示区，当云台状态查询按钮被触发时，远程控制计算机向云台选择及状态反馈区中所勾选的二维云台发送云台查询控制命令，对应的二维云台实时返回云台温度、水平角度和垂直角度数据至远程控制计算机并在云台状态监测区中的相应位置显示。

云台选择及状态反馈区及云台状态监测区的主要作用为：

1）控制二维云台按照设定的转速向、按照指定的方向转动，进而使灯光聚焦至指定位置；

2）控制二维云台转动到设定的水平角度和垂直角度；

3）存储、读取设定的水平角度和垂直角度；

4）实时获取各个二维云台的水平角度、垂直角度与二维云台内部温度。其中二维云台的工作温度为-25℃~+65℃。

控制软件对二维云台的控制，共有两种运动模式，即向设定的水平角度和垂直角度转动（运动模式1）与向按照指定的方向转动（运动模式2）。因此，云台运动模式控制区按照两种运动模式对所勾选的二维云台进行控制，其中第一种运动模式是云台运动指令为输入水平角度与垂直角度，并且执行按钮被触发，二维云台转动到设定的水平角度和垂直角度（对应于运动模式1）；第二种运动模式是云台运动指令为任意一个方向按钮被触发，二维云台开始沿被触发的方向按钮所对应的方向运动，松开该方向按钮后，二维云台停止运动（对应于运动模式2）。

二维云台控制与驱动操作步骤如下：

1）在云台选择及状态反馈区勾选需执行动作的二维云台；

2）在云台运动模式控制区选择运动模式：

运动模式1：输入水平角度与垂直角度，点击执行按钮，二维云台转动到设定的水平角度和垂直角度；在该运动模式下，云台运动模式控制区还包括云台回零按钮、云台急停按钮，预位置1、预位置2、预位置3及其对应的写、读功能按钮；

运动模式2：按下方向按钮（左按钮、左上按钮、左下按钮、右按钮、右上按钮、右下按钮、上按钮、下按钮），二维云台开始沿该方向运动；松开方向按钮，二维云台停止运动；在该运动模式下，云台运动模式控制区还包括停止按钮；

3）云台执行动作期间，必须点击云台状态查询按钮对云台的状态进行实时检测，不得点击“查询完毕”按钮；

4）出现紧急状况时，立刻点击控制软件显示界面上的总机急停按钮，关闭照明系统的电源。

远程控制计算机与二维云台之间采用标准的 Pelco-D 协议，协议总长度都是7个字节，协议内容如表1与表2所示。

表1 二维云台接收的指令协仪

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表2 二维云台发送的指令协议

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地图显示及选择区调用预先存储的靶场的地图信息，在地图上实时显示照明灯光靶系统所在的位置以及照明区域所在的位置，在地图上通过点选可以调整照明区域的位置；地图显示及选择区还包括坐标输入与显示框，用于对照明区域的位置进行实时显示与修改。

如图9所示，当在地图显示及选择区的虚拟地图上点击目标照明区域后，获取该位置即靶标的坐标(X

α=arctan ((X

其中，(X

如图10所示，二维云台俯仰方向的目标角度为：

β=arctan(Z

其中，Z

远程控制计算机将水平方向的目标角度、俯仰方向的目标角度通过光纤收发器、光纤以及交换机、网线发送至二维云台，二维云台带动照明灯头瞄准目标照明区域，控制器控制照明灯头开启，照明灯光靶即可完成对目标区域的自动瞄准与照明。

箱内状态监测区包括保护仓状态查询按钮和各个保护仓对应的箱内湿度显示区、箱内温度显示区和除湿状态指示灯，当保护仓状态查询按钮被触发时，远程控制计算机实时采集各个温湿度传感器的数据并在箱内状态监测区中的相应位置显示。除湿机内部控制器对除湿机各个功能进行控制，远程控制计算机仅对除湿机进行状态监测。

箱内状态监测区的主要作用为：

1）监测保护仓内的温度与湿度；

2）当保护仓内湿度较大时，启动除湿机，降低仓内湿度。

箱内状态监测区的操作方法如下：

1）系统上电后，在云台选择及状态反馈区勾选对应的除湿机；

2）点击保护仓状态查询按钮，即可对除湿机的状态和箱内环境进行监测；如果除湿状态显示为故障，则需立刻断电、检查。

远程控制计算机与串口服务器之间采用了标准的UDP通信，串口服务器与除湿机之间采用485串口通信，波特率为9600bps。远程控制计算机向除湿机发送的查询指令长度为7个字节，协议内容如表3所示，除湿机向远程控制计算机回复的报文长度为17个字节，协议内容如表4所示。

表3 除湿机状态查询指令协议

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表4 除湿机状态查询回复协议

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照明与开关门控制区包括低照度照明按钮、高照度照明按钮、照明关按钮、门开启按钮、门关闭按钮和门停止按钮，当低照度照明按钮或者高照度照明按钮被触发后，远程控制计算机向云台选择及状态反馈区中所勾选的二维云台对应的继电器发送照明控制命令，控制对应的照明灯头进行低照度或者高照度照明，当照明关按钮被触发后，对应的继电器控制照明灯头断电关闭；当门开启按钮、门关闭按钮或者门停止按钮被触发后，远程控制计算机向云台选择及状态反馈区中所勾选的二维云台对应的电机驱动器发送门控制命令并实时采集相应的开门霍尔传感器或者关门霍尔传感器的数据，电机驱动器根据门控制命令和霍尔传感器数据驱动相应的步进电机进行正转、反转或者停止转动，完成电动仓门的开启、关闭或者即时停止。

照明与开关门控制区的主要作用为：

1）控制电动仓门的开启、闭合；

2）读取电动仓门的开、关状态；

3）控制各个继电器的开、关，进而实现控制照明灯头的开关，并提供低照度、高照度两种照明模式，其中低照度模式下，单个照明灯头的功率为3000W；高照度模式下，单个照明灯头的功率为5000W。

电动仓门的开关以及照明灯头的开关、照度模式选择的操作步骤如下：

1）在云台选择及状态反馈区勾选需执行动作的电动仓门；

2）确认二维云台处于原点位置后，点击“门开启”按钮；若出现紧急状况，点击“门停止”按钮；

3）点击“低照度照明”按钮或者“高照度照明”按钮，使照明灯头在低照度或高照度照明要求下工作；

4）点击“照明关”按钮，关闭照明灯头；

5）点击“门关闭”按钮，关闭电动仓门。

串口服务器与控制器之间采用232串口通信，波特率为11200bps。远程控制计算机向控制器发送的查询指令长度为12个字节，协议内容如表5、表6所示，控制器向远程控制计算机回复的报文长度为12个字节，协议内容如表7所示。

表5 控制器接收指令协议

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表6 参数定义

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表7 控制器回复指令协议

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为满足不同距离下光斑直径能够大于40m，可以在照明灯头安装用于调整光源位置的手动调整结构，通过调整高压短弧氙灯光源和准直反射镜之间的距离，使照明灯头的发散角可在0.5°~8°范围内可调。

接下来对本发明照明灯光靶系统的照明效果进行了试验验证，试验中将照明灯头发散角调整至8°，照明灯头的功率为5000W，塔台高度为22m，灯光靶高度为2.6m，分别对距离200m和300m远的位置进行照明，从照明效果来看，本发明的照明灯光靶系统的照明区域直径能够达到40m，投射距离能够达到300m，光斑亮度也能够满足实际使用要求。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。