中间视觉亮度条件下常用光源透雾性研究[1]

　　1 引言

　　雾天天气时，可见光在雾气中传播，由于散射和吸收等作用，使其能见度降低，不利于道路交通安全。随着科技的发展，道路照明光源的种类越来越多，由于其发光原理的不同，各种光源的光谱差异很大，而雾对不同波长光的吸收不同，因此很有必要研究不同光源的透雾性。

　　2008 年，中国计量科学研究院吕正等人对雾灯穿透能力最佳波长进行了研究，比较了相同传播距离下，光信号在薄雾、中雾、浓雾中的传播情况， 发现LED 在用作雾灯时的最佳波长为578nm。由于在实际道路照明中，绝大多数光源都是复色光，所以研究复色光的透雾性更具有实用价值。2009 年，ZAINI、MFb 用主观评价的方法，在不同雾浓度下，对不同单色光源让人眼观测并打分，得出橙黄光透雾性最佳。由于用人眼直接去观测受主观因素影响较大，实验结果不具有客观性。2011 年，关雪峰选择红、黄、绿和蓝四种单色LED 作为测试光源，测量不同雾浓度下的照度值，得出四种单色光在任意浓度下，黄光的透雾性能最好，其次是红光，透雾性最差的是绿光和蓝光，但彼此间的差别不大。由于这些结果均是基于明视觉的，没有考虑中间视觉，而且雾天天气常常出现在清晨和晚上，此时的道路照明大多属于中间视觉范畴，若仍用明视觉视见函数去计算可能存在一定的偏差。所以本实验引入中间视觉来研究可见光的透雾性，更准确的反映了人眼的实际情况，为道路交通安全提供保障。在道路照明中，由于散射光相对于直射光携带的信息量小，这些散射光虽然能被人眼接收到，但人眼不能根据这些散射光判断出物体的位置，所以本实验研究光源直射部分的透雾性。

　　本实验研究在明视觉与中间视觉下，钨丝灯、LED、金卤灯和高压钠灯的透雾性。在暗箱内测量四种光源不同雾浓度下的光谱，比较四种光源明视觉透雾性; 采用CIE2010 年最新的推荐模型MES2，研究四种光源透雾性随亮度变化的关系并与其明视觉透雾性做比较。

　　2 实验

　　2. 1 实验目的

　　以钨丝灯、LED、金卤灯和高压钠灯为实验对象，比较四种光源在明视觉下的透过率并研究透过率与亮度的关系。

　　2. 2 实验对象

　　不同雾浓度下钨丝灯、LED、金卤灯和高压钠灯的光谱。

　　2. 3 实验条件

　　本实验需要在不同雾浓度下测量四种光源的光谱，对雾的要求是: 均匀性、稳定性以及较大的浓度范围。本实验采用人工造雾的方法，整个实验在自制的暗箱内进行，以避免外界光源对实验产生影响，暗箱关闭后，其内照度在10 - 3 lx 以下。保持室温为20℃，并关闭门窗，防止外界气流对实验产生影响。本实验研究光源直射部分的透雾性，因此在暗箱内设置3 块黑色挡板并在暗箱四周粘上黑布，尽可能的吸收杂散光; 在同一水平线的暗箱壁和挡板上开一小孔，使只有直射小孔的光才能被光度头接收到，整个实验装置如图1 所示。

　　2. 4 实验步骤

　　( 1) 点亮LED 并调整LED 位置使光度头位于光斑中心区域，记录下LED 的位置; 点亮钨丝灯并调整钨丝灯位置，同样使光度头位于光斑中心区域，固定钨丝灯的位置。

　　( 2) 等待30 分钟让光源稳定后，分别测量LED 与钨丝灯的初始光谱。

　　( 3) 开启加湿器15 分钟后关闭，等待5 分钟让雾扩散均匀后开始测量。第一次测量钨丝灯，第二次测量LED，第三次再测量钨丝灯依此类推一共测量120 次，两次测量时间间隔10s，并使LED 的摆放位置与初始记录值相同。

　　( 4) 打开暗箱，待雾散尽后擦去暗箱内水气。

　　( 5) 重复步骤( 1) ～ ( 4) 10 次。然后分别用金卤灯与高压钠灯代替钨丝灯重复步骤( 1) ～ ( 5) 测量不同雾浓度下的光谱。

　　3 实验结果及分析

　　步骤( 2) 测得的四种光源的光谱如图2 所示，可见四种光源光谱相差较大，钨丝灯蓝光部分较少红光部分较多，LED 灯由蓝、绿两个波峰组成，红光部分很少，高压钠灯黄光较多同时高压钠灯和金卤灯波峰均较多。

　　以光度头接收到的部分光通量透过率η 作为透雾性能的评价指标:

　　其中K1为起雾时最大光谱光视效率，K2为未起雾时最大光谱光视效率，S1( λ) 为起雾时光源绝对光谱功率分布，S2( λ) 为未起雾时光源绝对光谱功率分布，V1( λ) 为起雾时光谱光效率函数，V2( λ) 为未起雾时光谱光效率函数。

　　根据测得的光谱，使用公式( 1 ) 分别计算LED 与钨丝灯不同雾浓度下的透过率，取其中透过率在10%到70%范围内的数据点，使用matlab 进行拟合，采用三阶拟合:

　　分别拟合出LED、钨丝灯的透过率随时间的函数关系，拟合过程中排除大于2 倍标准差的数据点。研究表明确定系数R2 均大于0. 99。然后令LED 的透过率为10%、5%、20%、25%…70%，求出钨丝灯的透过率。把10 次实验钨丝灯的透过率全部求出后，排除其中的最大值与最小值，取剩余8 次的平均值作为钨丝灯的透过率。金卤灯与高压钠灯透过率的计算方法与钨丝灯相同。全部计算完成后如图3 所示。