雨天路面反射特性的測試系統

王 剛，李文宜，劉木清，沈海平

(復旦大學電光源研究所，先進照明技術教育部工程研究中心，上海 200433)

引言

道路照明質量與路面材料和氣候條件息息相關，我國國土面積比較廣闊，各地路面材料不盡相同，且氣候多樣，因此準確地根據不同氣候條件、不同路面材料，選擇合適的照明燈具進行有針對性的照明設計至關重要。一般設計人員對于道路照明的注意力大都集中在燈具配光性能及其安裝上，對路面材料和天氣條件的重視程度不夠，因而所實現的道路照明可能與設計結果存在較大差異。

國內外對于路面材料尤其是雨天路面材料的反射特性的研究非常少。目前的路面反射特性數據大多源于20世紀60、70年代歐洲科學家所作的研究工作，國際照明委員會(CIE)根據這些工作建立了具有代表性的標準路面反射表——CIE路面分類系統[1]，并得到了各國的認可。20世紀70年代，丹麥科學家Sorensen對潮濕路面的反射特性開展了研究工作，其研究結果被CIE采納并編入CIE 47—1979沿用至今[2-5]。然而歐洲當時所采用的路面材料與我國現在廣泛使用的道路材料是不一樣的，因此有必要專門針對中國的道路材料的標準路面反射率數據開展的研究，我們此前在干路面材料的反射特性方面開展了研究工作并取得了一些數據[6]。

本文在之前干路面反射特性研究工作的基礎上，對我國(主要是上海地區)雨天條件下的路面材料反射特性進行研究。

1 路面反射特性描述方法

路面一般都是粗糙的表面，其對于光的反射有鏡面反射，但大部分是漫反射。一般采用雙向反射分布函數(BRDF)[7-9]來描述這種混合反射特性：

BRDF=q(α,β,γ)

(1)

q(α,β,γ)稱為亮度系數，是物體表面亮度與其所受照度之比，α是從水平觀察的角度，β是入射面與垂直面之間的夾角，γ是垂直向下的入射角，如圖1所示[1]。

圖1 道路照明亮度計算模型Fig.1 Geometry for luminance calculation in road lighting

在圖1中，P是觀察點，其亮度LP可以通過計算亮度系數q(α,β,γ)和水平照度EH計算而得：

(2)

式中I(c,γ)是路燈的發光強度分布函數，h是路燈垂直高度。從式(2)可以發現，對于道路照明計算，如果引用系數r(α,β,γ)：

r(α,β,γ)=q(α,β,γ)·cos3(γ)

(3)

則路面亮度可直接用式(4)進行方便計算：

(4)

一般在機動車駕駛中，汽車駕駛員注意的區域在前方60～160 m處，如圖2所示。一般駕駛員眼位的平均高度大致為1.5 m，此時α的角度范圍應為0.5°～1.5°之間，在這個范圍內亮度系數的變化一般可以忽略，因此一般取1°作為標準觀察角度進行測試和計算[10-11]。因此，r僅是β、γ的函數，測試時只需對這兩個角度進行掃描即可。

圖2 駕駛員觀察視野Fig.2 Drivers’ field of view

在CIE路面分類系統中，采用Q0、S1這兩個特征參數來進行路面分類：

(5)

(6)

(7)

2 測試系統及方法

2.1 測試系統

正是由于路面亮度測量的觀察角度只有1°，因此如果采用有限面積的圓形路面作為測試目標，其被光源照射后，在觀察者看來便成了一條狹長的亮條，對于一般的描點式亮度計(只有一個感光元件)，如果將視場角設置得比亮條寬度大，則亮度測試結果會偏低，如果設得小，則難以對準，且需要進行多次測量才能得到目標的平均亮度。

因此我們將成像亮度計引入到測試系統中，成像亮度計具有面陣排布的多個感光元件，可以同時感知整個視場區域內的亮度分布場，采用圖像處理的方法，就可以將測試目標從整個視場中區分出來，并直接得到其平均亮度。因此，采用成像式的亮度測量方法使我們的路面材料測試系統在準確度上較傳統設備有了較大的提高。

所搭建的雨天路面反射特性測試系統的實物圖和結構示意圖如圖3和圖4所示，圖4中1代表成像亮度計，2代表計算機，3代表機械轉臺，4代表光源，5代表待測路面樣品，6代表光闌。光源是采用鹵鎢燈制成的準直光源，模擬路燈在某個方向上形成的光強，通過轉臂實現γ角度掃描。成像亮度計模擬駕駛員在1°角度上觀察路面樣品，不同方位角的掃描由機械轉臺旋轉路面樣品實現。機械轉臺通過RS232、成像亮度計通過USB與計算機連接，從而使得亮度計和光源的角度掃描與數據獲取和處理同步。成像亮度計和待測路面樣品之間架設了黑色光闌，以減少雜散光對亮度測量的干擾。

正式測試前，首先依次打開測試儀器：光源(調節光源使其輸出最大值，預熱20 min，使其達到穩定輸出)、計算機、成像亮度計、機械轉臺。并需要對系統進行調試，用水平儀將成像亮度計的光軸角度調為向下1°，路面樣品為水平放置，誤差都是±0.06°；成像亮度計對路面進行成像，調整焦距使路面受照部分清晰成像，確保亮度計的視場中心與待測路面樣品的中心重合；在計算機上選擇成像亮度計軟件CA-S20W，進行參數設置；由于路面亮度在整個測試過程中變化較大，因此成像亮度計的曝光時間設置為自動；根據成像亮度計所成像的亮度條紋，用鼠標圈定大致被測區域；計算機上選擇機械轉臺控制軟件進行角度校正，觀察在γ在2°范圍內數據的變化，若相差較大，則說明樣品所放位置不在最佳高度上，可通過機械轉臺盤下的旋轉鈕進行高度調節，或是因為樣品各個表面不在同一水平面，可在樣品底部放置墊片進行微調。

按照CIE推薦的路面簡化亮度系數表的標準格式，在C角度上需要對0°、2°、5°、10°、15°、20°…180°等20個角度進行掃描測試，而γ角度上則為0°、14.036°、26.565°、36.87°、45°、51.34°…85.24°等共計29個角度，整張簡化亮度系數表為580個數據點，這些測試角度在軟件中預先設置好。轉臺和光源轉臂的旋轉角度范圍覆蓋了這些角度，轉臺在水平位置上可以正時針及順時針旋轉180°，而光源轉臂在垂直方向可左右旋轉90°。

2.2 測試方法

路面樣品采用模擬淋雨器進行淋濕，按照CIE推薦的標準濕路面條件將模擬淋雨器的流量設置為5 mm/h。通過預實驗我們得知：由于水汽蒸發，路面樣品在整個測試過程中的濕度進而其反射特性會產生較大變化，在25°室溫、50%濕度條件下，所測樣品在自然蒸發狀態下，其反射特性達到穩定所需的時間大致為2 h。因此我們對濕路面定義了三種不同的潮濕程度：①完全淋濕后0 min；②完全淋濕后30 min；③完全淋濕后60 min。完全淋濕后2 h可認為接近于干路面。

用本測試系統不間斷完成整個580個數據點的掃描測試大概需要2 h，因此無法對樣品進行一次性不間斷測試。我們改進了測試方法，對于一種潮濕程度，首先固定某個C角度，對γ角度進行掃描測試，當一組(C1，γ)測量結束后，重新進行淋濕并等待，然后按照順序對下一組(C2，γ)進行掃描測試，直至所有C角度全部完成測試。但這樣必定大大增加測試時間，我們在同一個C角度對幾塊(3～5塊)樣品開展錯位測試，在一塊樣品進行γ掃描的時候其他樣品進行淋濕等待，從而大大提高了測量效率。同一批次的樣品所有C角度都完成測試后，將數據進行整理拼接即可得到完整的簡化亮度系數表。

為了減少外界光的影響，我們的測試裝置放置在全黑的暗室中。室溫和濕度分別控制在25 ℃和50%。

3 測試結果

我國國內目前普遍使用的瀝青路面材料為AC和SMA，水泥混凝土不在本文研究范圍，因此我們選擇這兩種材料分別制作了新舊各5塊一共20塊樣品作為實驗測試對象。

由于數量較多，我們這里只給出了一塊樣品(AC-N-1，新路面樣品，完全淋濕后0 min測試)的測試數據作為參考，如圖5和圖6所示。由于數據的動態范圍較大，為了更好地顯示，我們將C角度劃分為兩組分別作圖，并進行了一定比例縮放。

圖6 簡化亮度系數分布圖(AC-N-1，C=75°～180°)Fig.6 Simplified luminance coefficient distribution(AC-N-1，C=75°～180°)

從圖5和圖6可以看出，曲線大多比較平滑且按一定規律排布，峰值出現在C=0°、γ較大的位置，說明其鏡面反射較強。與CIE標準W4表中的數據進行對比后發現兩者分布趨勢大體一致。

該樣本在三種濕度條件和干路面條件下的特征參數見表1匯總，可以看出，隨著濕度的降低，平均反射率水平是降低的，鏡面程度也是降低的，這與路面反射特性規律相符。

表1 AC-N-1在三種濕度條件和干路面條件下的特征參數

4 結束語

我們搭建了一套雨天路面反射特性的測試系統，提出了一套相應的測試方法，從而使本實驗室同時具備了干、濕路面反射特性的測試能力。我們據此完成了20塊樣本的測試工作，測量結果表明該系統和方法能夠滿足高效率、高精度的要求，且具有較好的穩定性。

[1] CIE144—2001.Road surface and road marking reflection characteristics. CIE CB, 2001.

[2] CIE 47—1949. Road lighting for Wet Conditions. CIE CB, 1949.

[3] SORENSEN K. Road Surface Reflection Data. The Danish Illuminating Engineering Laboratory, Lyngby, 1975.

[4] SORENSEN K, NIELSEN B. Road surfaces in traffic lighting. Lysteknisk Laboratorium, Lyngby, 1974.

[5] SORENSEN K, ORBRO P, RASMUSSEN B. A Review of the Suitability of the Average Luminance Coefficient Q0for Road Surfaces and Road Markings - and Proposal for aDifferent Parameter. Light & Optics, 1990, Note No 8.

[6] FAN S L, LIU M Q, SHEN H P. Uncertainty analysis of a pavement reflectance measurement system based on a gonio-photometer. Chinese Optics Letters, 2014, 12(5): 051201.

[7] YANG Y F, WU Z S, CAO Y H. Optical constants deduction and scattering BRDF computation of alloy aluminum surface in near infrared waveband. J Acta Optica Sinica, 32.

[8] WARD J. Measuring and modeling anisotropic reflection. J. ACM SIGGRAPH Computer Graphics, 1992,26121: 265-272.

[9] SHEN Y J, ZHANG Z M, TSAI B K. Bidirectional reflectance distribution function of rough silicon wafers. J International Journal of Thermophysics, 2001,22(4): 1311-1326.

[10] KHAN M H, SENADHEERA S, GRANSBERG D D, et al. Influence of pavement surface characteristics on nighttime visibility of objects. Trans Res Record: J Transport Res Board, 1999, 1692:39-48.

[11] KING L E, FINCH D M. A laboratory method for obtaining pavement reflectance data. Highway Research Record 216, National Research Council, Washington DC, 1968.