電光源在霧氣中的視覺可見度實驗研究

關雪峰 趙海天

(1.香港華藝設計顧問 (深圳)有限公司，廣東深圳 518000;2.深圳大學建筑與城市規劃學院，廣東深圳 518000)

1 引言

1.1 霧濃度測定方法

目前氣象局所通行的測量霧濃度的方法主要通過相對濕度和能見度來測定。相對濕度用來區分霧和霾，一般相對濕度小于80%時，導致能見度惡化是霾造成的;相對濕度大于90%時，導致能見度惡化是霧造成的;相對濕度介于80～90%之間時，導致能見度惡化是霾和霧的混合物共同造成，但其主要成分是霾。能見度用來判斷霧的濃度，共分為5個等級。用氣象光學視程表示如表1所示。

測定霧能見度方法:

1)人眼識別

在氣象站四周不同方向、不同距離上選擇若干固定的能見度目標物，如圖1所示。根據人眼判斷是否能看見目標物，并根據距離判斷霧的濃度。值得注意的是，由于1公里是區別輕霧跟霧的分界點，而輕霧跟霧是最常見的天氣現象，所以在1km處應設置多個目標物，以供判斷［1］。

表1 霧能見度評價等級［1］Table 1 Evaluation grade of Fog Visibility

人眼識別能見度方法盡管由于操作簡單而廣為采用，但以傳統的方法來判定霧的濃度只分為五個等級，不夠精細，不足以滿足實際情況;而且人眼的辨識存在較大的誤差與不確定性;人眼識別能見度的操作過程相對繁瑣，工作量大，不能在短時間內重復實驗。

圖1 能見度目標物分布圖［1］Fig.1 Distribution map of visibility targets

2)能見度儀

目前使用較多的有兩種能見度儀:透射能見度儀和散射能見度儀。透射能見度儀采用測量發射器和接收器之間水平空氣柱的平均消光 (透射)系數而算出能見度。散射能見度儀是測量散射系數從而估算出氣象光學視程的儀器。

但以目前測試的結果來看，能見度儀存在不穩定的現象。儀器采用前向紅外散射原理，發射器與接收器之間距離較短，只能測量局部空氣的潔凈度，再去推算整個大氣。一旦空氣潔凈度受到影響，測得的數據就無法代表整個地區的空氣狀況，所以使用能見度儀誤差有時候很大 (浮動可能到7～8km)，而且易受干擾。

人工測量是多方位的透視測量，所以目前霧能見度測量是在人工觀測的基礎上，利用能見度儀進行輔助觀測。

1.2 氣象能見度與目標物可見度的區別

氣象學在判斷能見度時，采用白天與夜間兩套能見度觀測系統［1］。白天能見度觀測時，選擇的目標物、視覺環境以及評價目標物是否看清的標準都與明視覺下評價目標物可見度的條件基本一致。但夜晚亮度降低，眼睛對亮度對比度的感覺變得遲鈍，因而對比閾值變的很大，這就使得夜間能見距縮短［4］。而氣象學夜間能見度觀測是以孤立的，不帶顏色，沒有燈罩的白色點光源作為目標物 (除白熾燈外，碘鎢燈、汞燈等均不適宜)且目標燈的燈光強度需固定不變;在無條件利用目標燈進行觀測的情況下，只能根據天黑前能見度的實況和變化趨勢，結合當時氣象資料，以及實踐經驗加以判定;夜間能見度觀測環境大多數處在山頂、平原等空曠地帶，屬于暗視覺環境;由于環境昏暗，夜間能見度的標準是能清楚看到目標燈的發光點即可，對于目標物的形體、輪廓則無法知曉［1］。這與道路照明 (中間視覺)環境評價目標物可見度的條件截然不同，沒有實際的指導意義。因此本實驗的重點是研究不同霧濃度條件下目標物的視覺可見度。

2 實驗裝置與準備

2.1 實驗目的

在模擬的穩定霧場環境中，建立一個評價霧濃度等級的新方法，并以此探尋不同視覺條件下霧濃度對視力清晰度的影響。

2.2 實驗條件

(1)光學實驗室;

(2)佳能500D單反相機:像素1200萬，三角架;

(3)黑底鏤空的國家標準對數視力表;

(4)DGW—2000高精度全自動交流穩壓器;

(5)TDGC2—2KVA接觸式單向調壓器:范圍0～250V;

(6)內表面涂黑的霧氣箱:330cm×310cm×300cm;

(7)美的A類加濕器:可將水霧化成1～5μm的超微粒子;

(8)XYI-Ⅲ照度計:動態范圍 0.1～100klx，儀器精度±4%;

(9)光源:白熾燈、高壓鈉燈、金鹵燈、LED燈、日光燈。

2.3 均勻霧場的模擬

該實驗最為重要的部分是在實驗室中對霧進行模擬。由于實驗對霧的要求是均勻、穩定，而且能夠方便地調節濃度，因此該實驗不能在室外進行，必須在實驗室人工造霧。在自然界霧形成或消散時期，其粒子半徑小于1μm，在比較穩定、維持時間較長的地面霧中，其粒子半徑要大一些，但不超過10μm［2］;大多數霧滴取樣法獲得的自然界中存在的霧，其粒子直徑的范圍是4～10μm［3］，因此實驗采用超聲波加濕器噴出的霧狀水氣來模擬自然界中的霧。超聲波加濕器可打出直徑為5μm的細霧［4］，恰好在天然霧粒子的大小范圍之內，而且此加濕器采用風動裝置將水霧擴散到空氣中，易于得到均勻穩定的霧場，同時又可避免蒸汽式加濕器打出的高溫水霧對照度計探頭產生的影響。

2.4 目標物的確定

本實驗是研究不同霧濃度條件下目標物的可見度，不希望引入其他變量 (背景亮度、對比度等)。因此需要將背景設為不透光的黑色紙板，目標物采取雕刻鏤空形式。目標物的選擇如圖2所示。通過實驗得知，將漢字、數字、英文字母作為目標物，結果不理想，雖然數字和英文字母種類有限，選取的時候可以全部涵蓋，但有些數字和英文字母由于形體限制，雕刻的時候內部缺失，導致無法完整、確切識別。由于筆畫的差異，不同漢字的識別程度也不同，況且漢字的種類繁多，很難找到具有代表性的一組。而且它們無法和視力、視覺等聯系起來。而將視力表作為目標物則不一樣:它能正確地表達視力和視力的增減幅度［5］;可以對所測視力結果進行比較和統計學處理［6］，這對于所測數據進行回歸分析是十分必要的。并且視力表的幅面、格式、視力測量的方式都有統一的國家規范標準，保證了實驗的可靠性。而且在日常生活中，眼睛的視力評價、駕駛員的視力考試都是通過“視力表”來檢驗的。

圖2 不同種類目標物Fig.2 Different kinds of targets

由可見度公式V=C C0可以看出:可見度取決于對比度C(C=(Lt－Lb)Lb)和臨界對比度C0。而臨界對比度C0(C0=1 β1－αb，其中α和β是與視角、背景亮度及對比度等有關的常數［7］。)并不是固定不變的，它與物體的視角和背景亮度的大小有關。在背景亮度和視角保持不變的情況下，可見度與目標物亮度成一一對應的關系，是穩定的視覺過程。因此將背景作為不透光的黑色紙板是合理的。

3 實驗方案 (圖3)

圖3 實驗方案示意圖Fig.3 Schematic diagram of experimental scheme

3.1 實驗誤差校正

此實驗誤差主要來自目標顯示誤差。目標顯示誤差是由目標物亮度和其周圍臨界的背景亮度的分布均勻性決定的。為了技術上便于計算，在小視角情況下通常假設背景亮度是緊鄰目標物上下邊界的中點的亮度平均值［8］。因此在實驗準備階段需要對目標背景亮度分布均勻性進行校對實驗:選取目標物四周共5個圓形鏤空區域作為照度計探頭位置(如圖4所示)。利用TDGC2—2KVA接觸式單向調壓器，分別選擇100V、125V、150V、175V、200V、225V六個檔位對目標進行照度測量，待照度計讀數穩定后，記錄相應的數據。為了計算照度測量誤差的大小，采用樣本標準差S來衡量［9］:

式中 Ei——第i次照度測量值;

E——照度測量的平均值。

圖4 照度計探頭位置Fig.4 Illuminance meter dectector'position

表2 不同電壓下不同測點的照度變化Table 2 Different measuring illumination change under different voltages

從表2可以看出，標準差值很小，因此變動性很小，平均數的代表性很大。屏幕的照度分布比較均勻，達到實驗要求。

3.2 霧濃度的確定

在測定霧濃度對視覺可見度影響之前需要建立一個客觀、全面的霧濃度計量方法，這也是整個實驗的基礎。本實驗以照度計作為測量工具，以白熾燈作為標準光源，以加濕器不同檔位下的照度透射率T來定義霧的濃度百分比:

光的透射率由以下公式定義:

式中 T——光的透射率 (%);

E'——有霧氣條件下的照度值 (lx)。

E0——無霧氣條件下的照度值 (lx)，也稱為初始照度值。

霧濃度百分值比表達式為:

也就是說，白熾燈的照度透射率數值反向的表征了對應霧環境下的濃度百分比值。

3.3 實驗步驟

該實驗是在不同視覺 (中間視覺和明視覺)環境下進行的，以垂直于光源的目標物表面的照度作為衡量視覺的評判標準。由于我國現行的《城市道路照明設計標準》CJJ45—2006中規定［10］:快速路和主干路的照明水平為20 30lx，次干路的照明水平為10 15lx，支路的照明水平為8 10lx(“ ”的左側為低檔值，右側為高檔值)。因此分別選取10lx、20lx、30lx、40lx、50lx、60lx作為中間視覺和明視覺環境下無霧狀態的初始照度值，實驗儀器位置擺放如圖5所示。首先將白熾燈固定，在無霧狀態下調節白熾燈的亮度，使其照度值為10lx，此時的透射率T=100%，霧的濃度值P=0%。接著利用加濕器對霧氣箱 (尺寸:33cm×31cm×30cm)噴霧。待箱中霧氣充滿，照度計數值降到最低點且保持穩定后，逐次關閉加濕器，使照度計數值均勻上升，以初始照度值的百分之五遞增記錄，每一次記錄的同時，都要對目標物進行拍照并讓觀察者對目標物——視力表進行評價 (如同駕駛員進行視力檢查的方法)，記錄看到的等級范圍——視力表中的第幾行。共記錄20次，相應的霧的濃度P也被分成20等級 (此方法是以白熾燈在霧氣條件下的透射率來定義霧的濃度，其等級劃分可以是0～100%任意數值，較之目前氣象局對霧濃度等級劃分更為細致與多樣)。重復以上操作，直至六種不同視覺環境測完為止。利用公式 (2)和 (3)算出不同視覺環境下的透射率與霧濃度的百分比值。需特殊說明的是:此實驗是在霧氣長度為30cm條件下進行的，對于不同的霧氣長度，其透射率也不一樣。相機是手動拍攝模式，所有拍攝的相片參數都是固定不變的，這樣可以保證拍出來的照片是在同一水平下，彼此之間的相對值是準確的。相機參數見表3。

圖5 實驗設備示意圖Fig.5 Schematic diagram of experimental installation

表3 相機參數Table 3 Parameter of camera

4 實驗數據與結果分析

實驗是在不同視覺環境下測試霧濃度對視力清晰度的影響，對測量得出的數據和判斷后的視力等級進行回歸分析，其數值、趨勢等呈現在圖6～12中。

圖6 初始照度為10lx視覺環境下霧濃度與視力等級對比Fig.6 Fog concentration and visual rating comparison under 10lx initial illuminance visual environment

圖7 初始照度為20lx視覺環境下霧濃度與視力等級對比Fig.7 Fog concentration and visual rating comparison under 20lx initial illuminance visual environment

圖8 初始照度為30lx視覺環境下霧濃度與視力等級對比Fig.8 Fog concentration and visual rating comparison under 30lx initial illuminance visual environment

從圖6～12可知，無論是在何種視覺環境下，當霧濃度P達到90%，視力等級均為0，即看不清目標物;在中間視覺環境下，視力清晰度都是隨著P的增加而降低:開始的時候視力清晰度緩慢下降，但隨著P繼續增大，清晰度下降幅度逐漸加快，最后視力等級為0。相應地函數回歸曲線的曲率也從0開始逐漸趨于無窮大;但在明視覺環境下，視力清晰度隨P的增加，先小幅提升，再逐漸下降。產生此現象原因是由于目標物過亮，背景過暗 (即亮度對比度過大)，局部眩光造成的。

圖9 初始照度為40lx視覺環境下霧濃度與視力等級對比Fig.9 Fog concentration and visual rating comparison under 40lx initial illuminance visual environment

圖10 初始照度為50lx視覺環境下霧濃度與視力等級對比Fig.10 Fog concentration and visual rating comparison under 50lx initial illuminance visual environment

圖11 初始照度為60lx視覺環境下霧濃度與視力等級對比Fig.11 Fog concentration and visual rating comparison under 60lx initial illuminance visual environment

由圖12可知，在P相同狀態下，隨著照度水平的降低，視力清晰等級隨之降低。當無霧狀態目標物表面照度值大于30lx時，不同視覺環境視力清晰等級曲線呈穩定狀態 (即當P＜50%，視力清晰等級小幅下降;當P≥50%，視力清晰等級迅速下降);當目標物表面照度值小于30lx時，不同視覺環境的視力清晰等級曲線隨著初始照度值的降低而越發不穩定。初始照度為10lx視覺環境下，當P＜20%，視力清晰等級小幅下降;當P≥20%，視力清晰等級迅速下降;而初始照度為20lx視覺環境下，當P＜45%，視力清晰等級小幅下降;當P≥45%，視力清晰等級迅速下降。

圖12 不同視覺環境下霧濃度與視力等級對比Fig.12 Fog concentration and visual rating comparison under different visual environment

5 實驗結論

(1)無論是在何種亮度視覺環境下，視力清晰等級隨著霧濃度的增加而降低，當霧濃度大于90%時，清晰度均為零。

(2)隨著環境亮度水平的下降，霧濃度與視力清晰度的變化也越發不穩定。當環境亮度處于中間視覺條件時，視力清晰等級曲線驟然下降。

在霧氣環境中，可見光透射率的下降可以看作是對比度降低的結果。霧的存在降低了這種對比的程度，霧的濃度越高，對比度就越低。因此，人們在霧中就不那么容易看清楚周圍事物。由于我國現行《城市道路照明設計標準》CJJ45—2006中規定的快速路和主干路的照度低檔值為20lx，高檔值為30lx。因此，對于大霧天氣的道路照明，建議在不過多消耗電力能源的情況下，應取高檔值或更高的數值。

本實驗僅是對不同光源在惡劣天氣條件下透過情況的初步研究。盡管通過加濕器造出的霧，在成分和霧滴大小以及空間分布上與自然中的霧不盡相同，且創造穩定而均勻霧場的儀器和方法還有待于改進，但仍能一定程度上反映出光線在大量水汽凝結環境中的透過情況，以及對視覺可見度的變化規律。期待研究結論對道路照明 (中間視覺)設備的選擇和照明規范標準起到一定的指導意義，從而提高惡劣天氣條件下道路交通安全。

［1］中國氣象局.地面氣象觀測規范［M］.北京:氣象出版社，2003.

［2］盛裴軒，毛節泰，李建國，等.大氣物理學［M］.北京:北京大學出版社，2003:454，302.

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