霧環(huán)境下道路照明“白墻效應(yīng)”的模擬實驗

徐博林，李瑋晟，陳神飛，楊松柏，衡 濤，趙海天

(深圳大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，廣東 深圳 518060)

引言

在濃霧天氣下，當駕駛員試圖通過打開機動車遠光燈時，燈光在濃霧中形成強烈的散射與反射，導(dǎo)致眼前一片雪白，即產(chǎn)生阻礙駕駛員視覺的“白墻效應(yīng)”。惡劣天氣下，機動車駕駛規(guī)定要求：機動車在夜間沒有路燈、照明不良或者遇有霧、雨、雪、沙塵、冰雹等低能見度情況下行駛時，應(yīng)當開啟前照燈、示廓燈和后位燈，但同方向行駛的后車與前車近距離行駛時，不得使用遠光燈。

濃霧天氣下“白墻效應(yīng)”嚴重影響駕駛員視覺環(huán)境，而對于白墻效應(yīng)的產(chǎn)生條件及狀態(tài)，國外研究中僅在Wout van Bommel的《Road Lighting》[1]中提到其影響，而對于其產(chǎn)生的具體條件、霧的種類、濃度與照明光源以及照明方式的關(guān)系并未深入研究，國內(nèi)也僅在報道中出現(xiàn)，并未有任何相關(guān)文獻及理論研究。

可見光在霧中的穿透性研究中，大量的實驗研究標明：霧燈穿透能力最佳波長為578 nm；對于白光LED，色溫越低，透霧能力越強；不同顏色LED，黃光優(yōu)于白光[2-4]。文獻[5]中實驗開展了霧天氣下人眼視覺可見度研究，人眼視力水平隨霧能力增加呈線性遞減。而在實際機動車行駛過程中，除關(guān)注光源穿透性之外，還應(yīng)關(guān)注光源對駕駛員視覺環(huán)境的影響。

本文所述實驗采用超聲波霧化加濕器產(chǎn)生霧，模擬封閉的大霧環(huán)境，霧的濃度由一個LED光源在相應(yīng)濃度下的照度衰減值來描述。探索在白天和夜晚狀態(tài)，不同光源不同濃度下目標物識別能力變化狀況，通過對目標物亮度和背景亮度對比度來描述，研究“白墻效應(yīng)”，對于指導(dǎo)現(xiàn)有道路照明與機動車照明具有一定的參考意義。

1 實驗方法

1)實驗裝置。實驗按照1∶50模擬100 m長、3.75 m寬3車道，2.5 m寬應(yīng)急車道的高速公路。實驗裝置為密閉環(huán)境，內(nèi)表面為可更換不反光內(nèi)襯；模擬制造霧環(huán)境的霧化加濕器，頂部設(shè)置抽風(fēng)排霧口；照度計正對射燈，采集射燈照度值；頂部為24 W白光LED面板燈,用于模擬白天和夜晚場景。實驗裝置如圖1所示。

圖1 實驗裝置圖Fig.1 Experimental device

2)實驗條件。該實驗中，實驗用霧發(fā)生器采用300 W超聲波霧化加濕器，濕度范圍可控制在10%～98%，其粒子直徑為3～5 μm，自然界霧粒子直徑為3～100 μm，可模擬自然界中的霧；在實驗箱內(nèi)充滿霧，抽風(fēng)口控制霧濃度，射燈照度值確定霧濃度；目標物為灰色3D打印PLA材質(zhì)直徑為3.5 cm郎道爾標準視環(huán)，距離光源照射中心1.5 m。

所使用光源為：LED射燈8 W,色溫 3 100 K，顯色指數(shù)為81 (以下簡稱暖白光)；LED射燈8 W,色溫 6 500 K，顯色指數(shù)89(以下簡稱冷白光)。

調(diào)整兩種光源功率使得光源在1.5 m處的照度均為10 000 lx。

亮度采集使用LMK亮度成像儀，照片記錄采用NIKON-D700。

3)實驗過程。實驗在全黑暗室內(nèi)進行，白天場景內(nèi)襯更換為白色絨布，夜晚場景更換為黑色絨布。實驗框架如圖2所示。首先，確定實驗基本參數(shù)，在無霧頂板燈關(guān)閉狀態(tài)下打開射燈記錄照度值，作為基礎(chǔ)照度E0。打開超聲波霧化加濕器，待裝置內(nèi)充滿霧，射燈照度穩(wěn)定不再下降，關(guān)閉加濕器。打開抽風(fēng)機到肉眼可見目標物，停止排霧待照度計讀數(shù)穩(wěn)定記錄照度記為E1，以100 lx為梯度，依次記為E2、檔位E3、檔位E4……至霧基本消失。

圖2 實驗框架Fig.2 Experimental framework

白天不開燈數(shù)據(jù)采樣過程：

打開射燈，充霧并調(diào)整霧穩(wěn)定時照度計讀數(shù)為E1，關(guān)閉射燈，打開頂板燈，使用亮度成像儀拍照記錄；

關(guān)閉頂板燈，打開射燈，排霧并調(diào)整霧穩(wěn)定時照度計讀數(shù)為E2，關(guān)閉射燈，打開頂板燈，使用亮度成像儀拍照記錄；

關(guān)閉頂板燈，打開射燈，排霧并調(diào)整霧穩(wěn)定時照度計讀數(shù)為E3，關(guān)閉射燈，打開頂板燈，使用亮度成像儀拍照記錄；

……

至霧基本消失。

同理依次完成白天暖白光數(shù)據(jù)→白天冷白光數(shù)據(jù)→夜晚暖白光數(shù)據(jù)→夜晚冷白光數(shù)據(jù)采樣。

4)霧濃度的表征。本實驗中，無霧狀態(tài)下，射燈基礎(chǔ)照度為2 650 lx,記為E0,目標物可初見時，射燈照度為2 100 lx即為E1，在En照度時分別記錄對應(yīng)濃度下亮度數(shù)據(jù)；相對霧的濃度N計算公式：N=(E0-En)/100；N為0時表示無霧，N值越大，霧濃度越高。

5)目標物的識別性表征。實驗得到四種霧濃度下亮度數(shù)據(jù)，為降低人造霧濃度不均勻帶來誤差，取郎道爾視環(huán)上三個點亮度求平均值L1，取背景上四個點亮度求平均值L2,如圖3所示，郎道爾視環(huán)的識別性用亮度差ΔL表征，計算公式為ΔL=︱L1-L2︱。

圖3 郎道爾環(huán)取點位置Fig.3 Point position on the ring

2 實驗結(jié)果

1)白天狀況下。由表1可得到不同濃度霧下，白天狀況下不同光源照射下目標物的識別能力變化曲線，如圖4所示。圖5為白天狀況下，不同霧濃度時的白墻效應(yīng)形態(tài)照片。

表1白天狀況下亮度對比(ΔL)數(shù)據(jù)

Table 1 Luminance contrast data in daytimecd·m-2

橫坐標表示霧的濃度，縱坐標為亮度差圖4 白天狀況下，不同光源照射下目標物的識別能力變化曲線Fig.4 Recognition ability of target under different light sources in the daytime

圖5 白天狀況下，不同霧濃度時的白墻效應(yīng)形態(tài)Fig.5 White wall phenomenonin under various concentration of fog in the daytime

2)夜晚狀況下。實驗計算得到夜晚狀況下亮度對比度數(shù)據(jù)，如表2所示。由表2可得到不同濃度霧下,夜晚狀況下不同光源照射下目標物的識別能力變化曲線，如圖6所示。圖7為夜晚狀況下，不同霧濃度時的白墻效應(yīng)形態(tài)照片。

表2夜晚狀況下亮度對比(ΔL)數(shù)據(jù)

Table2Luminancecontrastdataatnightcd·m-2

橫坐標表示霧的濃度，縱坐標為亮度差圖6 夜晚狀況下，不同光源照射下目標物的識別能力變化曲線Fig.6 Recognition ability of target under different light sources at night

圖7 夜晚狀況下，不同霧濃度時的白墻效應(yīng)形態(tài)Fig.7 White wall phenomenonin under various concentration of fog at night

3 實驗討論

本實驗不僅能夠驗證之前實驗暖白光在霧天對于提升目標物的識別性優(yōu)于冷白光，而且進一步探索了冷、暖白光環(huán)境與無光源環(huán)境下目標物的識別性關(guān)系，“白墻效應(yīng)”產(chǎn)生的條件與霧濃度的關(guān)系——僅在霧濃度較高時才會產(chǎn)生“白墻效應(yīng)”。光線在大氣層中的理論散射模型通常可以分為兩個部分：單位體積大氣成分的單次散射和整個大氣層的多重散射。

如圖8所示，單次散射下一束平行光線I0照射到單位體積 dv粒子上的散射示意圖。利用 Stokes 矢量入射光I0可以描述為I0={I0,Q0,U0,V0}，那么距離R處的散射光強度為

(1)

其中，Ksca為散射系數(shù)，P為四行四列的相位矩陣。

圖8 大氣粒子散射示意圖Fig.8 A schematic diagram of atmospheric particle scattering

當霧濃度較低時,散射能力較弱，因而打開光源時，依然有大量的反射光強進入視線，實現(xiàn)增強物體識別性；當霧濃度高時，散射能力較強，打開車燈會形成光幕即所謂的“白墻”，降低人眼對物體識別性。

4 結(jié)束語

本實驗測量了白天狀況兩種色溫光源與無光源在不同濃度下，目標物的識別性，隨著霧的濃度升高，物體的識別性下降，在霧濃度較低時，打開光源，有助于提升目標物的識別性；但當霧的濃度較高時，開燈反而會降低目標物的識別性，即產(chǎn)生所謂的“白墻效應(yīng)”；夜晚在沒有路燈的狀況下，機動車不打開光源是無法觀測到目標物，因此實驗中只討論打開光源的情況，同濃度下，暖白光下目標物的識別性優(yōu)于冷白光；在霧濃度較低時，應(yīng)打開光源提升視野環(huán)境內(nèi)目標物可見度；濃度較高時，應(yīng)關(guān)閉實驗中所采用的光源或選擇能夠提升目標物可見度的光源。

本實驗?zāi)壳吧袩o法定量測試實驗中模擬霧的濃度與現(xiàn)實中霧的濃度對應(yīng)關(guān)系，需要進一步完善實驗，指導(dǎo)機動車在不同霧濃度下使用前照燈。