恶劣天气条件下LED透雾性的研究

恶劣天气条件下LED透雾性的研究

1. 引言

　　可见光在下雪、下雨和有雾时的透过能力下降，因此，这样的恶劣天气对交通安全造成了很大威胁。可见光在雪花、雨滴和雾滴中传播时，由于散射和吸收等作用，使其可见性受到很大影响。一些研究机构曾做过相关研究，并给出了一些可见光在这些严峻天气条件下传播的特性和结论。

　　对于可见光在雾的环境中传播，Bobsy Arief KURNIAWAN^[1]测量了在不同雾浓度和雾滴大小条件下，人眼对LED亮度的响应。他采用了红黄蓝绿四种颜色光，以及他们每两种颜色之间的颜色，构成了十二种颜色光进行实验，并得出了红黄光和红蓝光穿过雾时亮度最高。同时，蓝光在浓雾中的可见性最差。而在下雨和下雪的环境中，研究大多集中在对黄光和白光的选择上。人们通常认为黄光比白光好，因为在相同亮度下黄光带来的眩光没有白光严重。这个常识性的认识被John D. Bullough’s的研究证实了。他得出了在相同光强下，黄光比白光受到反向散射的影响小，因而眩光小的结论^[2,3]。

　　作为对可见光在恶劣天气条件下传播特性的初步研究，本文所述实验主要关注可见光在雾中的传播情况。与Bobsy Arief KURNIAWAN的实验不同，本实验采用了四种单色LED作为光源，这就避免了Bobsy的方法中可能出现的同色异谱现象。实验采用加湿器产生雾，测量四种单色LED在不同雾浓度下的照度衰减。雾的浓度由一个白色LED在相应浓度下的照度衰减值来描述。通过照度衰减曲线得到了具有最佳透雾能力的单色可见光。本实验从量化的角度分析了单色可见光对雾的穿透特性。实验结论对道路照明设备的选择具有一定的指导意义。

2.实验方法

　　2.1实验装置

Fig. 1 System setup of the experiment in side view

如图1所示，1为光源，四只单色LED均为1W；2为雾气箱，长30cm，宽37cm，高32cm，内表面涂黑；3为加湿器，通过22个档位产生不同度的雾；4为连通管，将加湿器产生的雾通入雾气箱；5为探头，正对着光源；6为照度计，用来采集照度值。

　　2.2 实验条件

　　为防止外界光对实验结果产生影响，整个实验在暗室中进行。同时，实验室的门窗均紧闭，以防止外界气流对实验的干扰。实验室保持恒温25℃。

　　该实验最为重要的部分是在实验室中对雾进行模拟。由于实验对雾的要求是具有均匀性、稳定性，并且能够较方便地调节浓度，因此该实验不能雾天在室外进行，必须在实验室人工造雾。实验采用加湿器喷出的雾状水气来模拟自然界中的雾。大多数雾滴取样法获得的自然界中存在的雾，其粒子直径的范围是4~10μm。而采用离心式加湿器可打出直径为5μm[4]的细雾，恰在天然雾粒子大小的范围之内。另外，采用离心式加湿器可避免蒸汽式加湿器打出的高温水雾可能对照度计探头产生的影响。

　　通过光谱仪采集得到实验所用四种单色LED的特征参量峰值波长和半波宽，依次为：红色LED（λp=625nm，FWHM=50nm）、黄色LED（λp=594nm，FWHM=13nm）、绿色LED（λp=514nm，FWHM=45nm）、蓝色LED（λp=459nm，FWHM=22nm）。实验在不同雾浓度下测量各单色LED的透过照度。

　　2.3 实验过程

　　本实验通过加湿器的六个档位（0档、10档、12档、14档、16档和18档）产生不同浓度的雾，雾浓度随着档位的上升而上升。

　　首先，在无雾的条件下点亮红色LED，通过照度计测得此时的照度值作为初始照度。在某一特定档位下，开启加湿器两分钟。关闭加湿器10秒后，雾在透雾箱内已基本均匀分布，测得此时的照度值作为红色LED在此浓度下的透过照度。透过照度与初始照度的比值即为透过率。等待一段时间，当透雾箱内的雾气散去后，改变加湿器档位并重复上述实验。每种颜色的LED都重复上述过程。取三次实验的平均值作为最后结果。

　　2.4 雾浓度的表征

　　本实验中，雾的浓度通过一个白色LED（λp=492nm, Tc=6000K）在相应档位雾浓度下的透过率来定义。也就是说，白色LED的透过率数值表征了对应雾环境的浓度值。白色LED的透过率采用了与其他四种单色LED透过率相同的方法获得。在0档（无雾）、10档、12档、14档、16档和18档的白光透过率如表1所示。

　　表 1 不同档位下白光LED的透过率

　　Table.1 Transmission factor of white LED under different levels

相应地，雾在0档（无雾）、10档、12档、14档、16档和18档的浓度可描述为100%，75.9%，51.2%，22.8%，10.1%，5.9%。

3. 实验结果

　　　得到了在100%，75.9%，51.2%，22.8%，10.1%，5.9%雾浓度下，四种单色LED的透过率。取三次重复实验的平均值，如表2所示。

　　表 2 四种单色LED在不同雾浓度下透过率

　　Table.2 Means of transmission factors of four monochrome LEDs

　　基于表2，可以得到随着雾浓度变化，四种单色LED透过率变化的曲线。如图2。

图 2 不同雾浓度下单色光透过率曲线

Fig.2 Curves of fog transmission factors through different fog densities

图2中，横坐标为用白色LED的透过率表示的雾浓度，纵坐标为四种单色LED的透过率。从图2可以得出，随着雾浓度的上升，四种单色LED的透过率逐渐下降。在任意浓度下，黄色LED的透过率最大，其次是红色LED。蓝色和绿色LED的透过率较低。

4.结论与讨论

　　本实验测量了四种单色LED在不同雾浓度下的穿透情况，得出了随着雾浓度的上升，单色LED的透雾性能也下降，但下降程度不尽相同。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。

　　此结论进一步验证了之前的相关研究结果，即黄光成分具有较好的透雾性。同时，本实验得出具有较差透雾性的可见光成分是蓝光和绿光，这个结论与Bobsy Arief KURNIAWAN的结论稍有不同。造成结论不同的原因之一可能是由于两个实验所用蓝光的光谱不同。

　　在雾的环境中，可见光透过率的下降是对比降低的结果。人们能够看到事物，并不是基于事物本身的绝对亮度，而是基于事物与周围环境的对比。雾的存在降低了这种对比的程度，而雾的浓度越高，这种对比的程度就越低。因此，人们在雾中就不那么容易看清楚周围事物。

　　本实验仅是对可见光在恶劣天气条件下透过情况的初步研究。尽管通过加湿器造出的雾，在成分和雾滴大小以及空间分布上与自然中的雾不尽相同，但仍能一定程度上反映出单色光在大量水汽凝结环境中的透过情况，如下雨或湿度很大的环境。进一步的研究将集中在下雪和下雨的条件下，以期研究结论对道路照明设备的选择起到一定的指导意义，从而提高恶劣天气条件下道路交通安全。