惡劣天氣條件下LED透霧性的研究

1. 引言

　　可見光在下雪、下雨和有霧時的透過能力下降，因此，這樣的惡劣天氣對交通安全造成了很大威脅。可見光在雪花、雨滴和霧滴中傳播時，由于散射和吸收等作用，使其可見性受到很大影響。一些研究機構曾做過相關研究，并給出了一些可見光在這些嚴峻天氣條件下傳播的特性和結論。

　　對于可見光在霧的環境中傳播，Bobsy Arief KURNIAWAN^[1]測量了在不同霧濃度和霧滴大小條件下，人眼對LED亮度的響應。他采用了紅黃藍綠四種顏色光，以及他們每兩種顏色之間的顏色，構成了十二種顏色光進行實驗，并得出了紅黃光和紅藍光穿過霧時亮度最高。同時，藍光在濃霧中的可見性最差。而在下雨和下雪的環境中，研究大多集中在對黃光和白光的選擇上。人們通常認為黃光比白光好，因為在相同亮度下黃光帶來的眩光沒有白光嚴重。這個常識性的認識被John D. Bullough’s的研究證實了。他得出了在相同光強下，黃光比白光受到反向散射的影響小，因而眩光小的結論^[2,3]。

　　作為對可見光在惡劣天氣條件下傳播特性的初步研究，本文所述實驗主要關注可見光在霧中的傳播情況。與Bobsy Arief KURNIAWAN的實驗不同，本實驗采用了四種單色LED作為光源，這就避免了Bobsy的方法中可能出現的同色異譜現象。實驗采用加濕器產生霧，測量四種單色LED在不同霧濃度下的照度衰減。霧的濃度由一個白色LED在相應濃度下的照度衰減值來描述。通過照度衰減曲線得到了具有最佳透霧能力的單色可見光。本實驗從量化的角度分析了單色可見光對霧的穿透特性。實驗結論對道路照明設備的選擇具有一定的指導意義。

2.實驗方法

　　2.1實驗裝置

Fig. 1 System setup of the experiment in side view

如圖1所示，1為光源，四只單色LED均為1W；2為霧氣箱，長30cm，寬37cm，高32cm，內表面涂黑；3為加濕器，通過22個檔位產生不同度的霧；4為連通管，將加濕器產生的霧通入霧氣箱；5為探頭，正對著光源；6為照度計，用來采集照度值。

　　2.2 實驗條件

　　為防止外界光對實驗結果產生影響，整個實驗在暗室中進行。同時，實驗室的門窗均緊閉，以防止外界氣流對實驗的干擾。實驗室保持恒溫25℃。

　　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具有均勻性、穩定性，并且能夠較方便地調節濃度，因此該實驗不能霧天在室外進行，必須在實驗室人工造霧。實驗采用加濕器噴出的霧狀水氣來模擬自然界中的霧。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。而采用離心式加濕器可打出直徑為5μm[4]的細霧，恰在天然霧粒子大小的范圍之內。另外，采用離心式加濕器可避免蒸汽式加濕器打出的高溫水霧可能對照度計探頭產生的影響。

　　通過光譜儀采集得到實驗所用四種單色LED的特征參量峰值波長和半波寬，依次為：紅色LED（λp=625nm，FWHM=50nm）、黃色LED（λp=594nm，FWHM=13nm）、綠色LED（λp=514nm，FWHM=45nm）、藍色LED（λp=459nm，FWHM=22nm）。實驗在不同霧濃度下測量各單色LED的透過照度。

　　2.3 實驗過程

　　本實驗通過加濕器的六個檔位（0檔、10檔、12檔、14檔、16檔和18檔）產生不同濃度的霧，霧濃度隨著檔位的上升而上升。

　　首先，在無霧的條件下點亮紅色LED，通過照度計測得此時的照度值作為初始照度。在某一特定檔位下，開啟加濕器兩分鐘。關閉加濕器10秒后，霧在透霧箱內已基本均勻分布，測得此時的照度值作為紅色LED在此濃度下的透過照度。透過照度與初始照度的比值即為透過率。等待一段時間，當透霧箱內的霧氣散去后，改變加濕器檔位并重復上述實驗。每種顏色的LED都重復上述過程。取三次實驗的平均值作為最后結果。

　　2.4 霧濃度的表征

　　本實驗中，霧的濃度通過一個白色LED（λp=492nm, Tc=6000K）在相應檔位霧濃度下的透過率來定義。也就是說，白色LED的透過率數值表征了對應霧環境的濃度值。白色LED的透過率采用了與其他四種單色LED透過率相同的方法獲得。在0檔（無霧）、10檔、12檔、14檔、16檔和18檔的白光透過率如表1所示。

　　表 1 不同檔位下白光LED的透過率

　　Table.1 Transmission factor of white LED under different levels

相應地，霧在0檔（無霧）、10檔、12檔、14檔、16檔和18檔的濃度可描述為100%，75.9%，51.2%，22.8%，10.1%，5.9%。

3. 實驗結果

　　　得到了在100%，75.9%，51.2%，22.8%，10.1%，5.9%霧濃度下，四種單色LED的透過率。取三次重復實驗的平均值，如表2所示。

　　表 2 四種單色LED在不同霧濃度下透過率

　　Table.2 Means of transmission factors of four monochrome LEDs

　　基于表2，可以得到隨著霧濃度變化，四種單色LED透過率變化的曲線。如圖2。

圖 2 不同霧濃度下單色光透過率曲線

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

圖2中，橫坐標為用白色LED的透過率表示的霧濃度，縱坐標為四種單色LED的透過率。從圖2可以得出，隨著霧濃度的上升，四種單色LED的透過率逐漸下降。在任意濃度下，黃色LED的透過率最大，其次是紅色LED。藍色和綠色LED的透過率較低。

4.結論與討論

　　本實驗測量了四種單色LED在不同霧濃度下的穿透情況，得出了隨著霧濃度的上升，單色LED的透霧性能也下降，但下降程度不盡相同。四種單色光在任意濃度下，黃光的透霧性能最好，其次是紅光。透霧性最差的是綠光和藍光。

　　此結論進一步驗證了之前的相關研究結果，即黃光成分具有較好的透霧性。同時，本實驗得出具有較差透霧性的可見光成分是藍光和綠光，這個結論與Bobsy Arief KURNIAWAN的結論稍有不同。造成結論不同的原因之一可能是由于兩個實驗所用藍光的光譜不同。

　　在霧的環境中，可見光透過率的下降是對比降低的結果。人們能夠看到事物，并不是基于事物本身的絕對亮度，而是基于事物與周圍環境的對比。霧的存在降低了這種對比的程度，而霧的濃度越高，這種對比的程度就越低。因此，人們在霧中就不那么容易看清楚周圍事物。

　　本實驗僅是對可見光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，但仍能一定程度上反映出單色光在大量水汽凝結環境中的透過情況，如下雨或濕度很大的環境。進一步的研究將集中在下雪和下雨的條件下，以期研究結論對道路照明設備的選擇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。