中间视觉亮度条件下常用光源透雾性研究

徐何辰 饶 丰 薛文涛 谈 茜

(1.江苏科技大学，江苏镇江 212003;2.江苏检验检疫车辆灯具实验室，江苏丹阳 212300)

1 引言

雾天天气时，可见光在雾气中传播，由于散射和吸收等作用，使其能见度降低，不利于道路交通安全［1］。随着科技的发展，道路照明光源的种类越来越多，由于其发光原理的不同，各种光源的光谱差异很大，而雾对不同波长光的吸收不同，因此很有必要研究不同光源的透雾性［2］。

2008年，中国计量科学研究院吕正等人对雾灯穿透能力最佳波长进行了研究，比较了相同传播距离下，光信号在薄雾、中雾、浓雾中的传播情况，发现LED在用作雾灯时的最佳波长为578nm［3］。由于在实际道路照明中，绝大多数光源都是复色光，所以研究复色光的透雾性更具有实用价值。2009年，ZAINI、MFb用主观评价的方法，在不同雾浓度下，对不同单色光源让人眼观测并打分，得出橙黄光透雾性最佳［4］。由于用人眼直接去观测受主观因素影响较大，实验结果不具有客观性。2011年，关雪峰选择红、黄、绿和蓝四种单色 LED作为测试光源，测量不同雾浓度下的照度值，得出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，但彼此间的差别不大［5］。由于这些结果均是基于明视觉的，没有考虑中间视觉，而且雾天天气常常出现在清晨和晚上，此时的道路照明大多属于中间视觉范畴［6］，若仍用明视觉视见函数去计算可能存在一定的偏差。所以本实验引入中间视觉来研究可见光的透雾性，更准确的反映了人眼的实际情况，为道路交通安全提供保障。在道路照明中，由于散射光相对于直射光携带的信息量小，这些散射光虽然能被人眼接收到，但人眼不能根据这些散射光判断出物体的位置，所以本实验研究光源直射部分的透雾性。

本实验研究在明视觉与中间视觉下，钨丝灯、LED、金卤灯和高压钠灯的透雾性。在暗箱内测量四种光源不同雾浓度下的光谱，比较四种光源明视觉透雾性;采用 CIE2010年最新的推荐模型MES2［7］，研究四种光源透雾性随亮度变化的关系并与其明视觉透雾性做比较。

图1 实验装置俯视图

2 实验

2.1 实验目的

以钨丝灯、LED、金卤灯和高压钠灯为实验对象，比较四种光源在明视觉下的透过率并研究透过率与亮度的关系。

2.2 实验对象

不同雾浓度下钨丝灯、LED、金卤灯和高压钠灯的光谱。

2.3 实验条件

本实验需要在不同雾浓度下测量四种光源的光谱，对雾的要求是:均匀性、稳定性以及较大的浓度范围。本实验采用人工造雾的方法，整个实验在自制的暗箱内进行，以避免外界光源对实验产生影响，暗箱关闭后，其内照度在10－3lx以下。保持室温为20℃，并关闭门窗，防止外界气流对实验产生影响。本实验研究光源直射部分的透雾性，因此在暗箱内设置3块黑色挡板并在暗箱四周粘上黑布，尽可能的吸收杂散光;在同一水平线的暗箱壁和挡板上开一小孔，使只有直射小孔的光才能被光度头接收到，整个实验装置如图1所示。

2.4 实验步骤

(1)点亮LED并调整LED位置使光度头位于光斑中心区域，记录下LED的位置;点亮钨丝灯并调整钨丝灯位置，同样使光度头位于光斑中心区域，固定钨丝灯的位置。

(2)等待30分钟让光源稳定后，分别测量LED与钨丝灯的初始光谱。

(3)开启加湿器15分钟后关闭，等待5分钟让雾扩散均匀后开始测量。第一次测量钨丝灯，第二次测量LED，第三次再测量钨丝灯依此类推一共测量120次，两次测量时间间隔10s，并使LED的摆放位置与初始记录值相同。

(4)打开暗箱，待雾散尽后擦去暗箱内水气。

(5)重复步骤 (1)～ (4)10次。

然后分别用金卤灯与高压钠灯代替钨丝灯重复步骤 (1)～(5)测量不同雾浓度下的光谱。

3 实验结果及分析

步骤 (2)测得的四种光源的光谱如图2所示，可见四种光源光谱相差较大，钨丝灯蓝光部分较少红光部分较多，LED灯由蓝、绿两个波峰组成，红光部分很少，高压钠灯黄光较多同时高压钠灯和金卤灯波峰均较多。

图2 四种光源相对光谱

以光度头接收到的部分光通量透过率η作为透雾性能的评价指标:

其中K1为起雾时最大光谱光视效率，K2为未起雾时最大光谱光视效率，S1(λ)为起雾时光源绝对光谱功率分布，S2(λ)为未起雾时光源绝对光谱功率分布，V1(λ)为起雾时光谱光效率函数，V2(λ)为未起雾时光谱光效率函数。

根据测得的光谱，使用公式 (1)分别计算LED与钨丝灯不同雾浓度下的透过率，取其中透过率在10%到70%范围内的数据点，使用matlab进行拟合，采用三阶拟合:

分别拟合出LED、钨丝灯的透过率随时间的函数关系，拟合过程中排除大于2倍标准差的数据点。研究表明确定系数R2均大于0.99。然后令LED的透过率为10%、5%、20%、25%…70%，求出钨丝灯的透过率。把10次实验钨丝灯的透过率全部求出后，排除其中的最大值与最小值，取剩余8次的平均值作为钨丝灯的透过率。金卤灯与高压钠灯透过率的计算方法与钨丝灯相同。全部计算完成后如图3所示。

图3 明视觉下四种光源透雾性比较

由图3可知:钨丝灯的透雾性最佳;LED的透雾性最差;ηLED＜50%时，金卤灯的透过率优于高压钠灯;ηLED＞50%时，高压钠灯的透过率优于金卤灯。这是因为雾对不同波长的光吸收不同。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［5］。钨丝灯光谱的蓝光和绿光所占的比例最少，红光和黄光所占的比例最大，所以其透雾性最好。相反LED光谱中蓝光、绿光占了大部分，只有小部分的黄光和红光，所以其透雾性最差。由于在雾浓度＜45%时η绿＞η蓝;雾浓度＞45%时 η绿＜η蓝［5］。高压钠灯光谱中绿光所占的比例大于蓝光，金卤灯光谱中蓝光所占的比例大于绿光。所以，在雾较浓时 η金卤灯＞η高压钠灯;在雾较稀时 η金卤灯＜η高压钠灯。

分别取四种光源不同雾浓度下的光谱，采用MES2模型，选取亮度0.005～2cd/m2，计算出中间视觉透过率，四种光源中间视觉透过率如图4所示。

图4 中间视觉下四种光源透雾性比较

由图4可知:在雾较浓时，四种光源η中间视觉＞η明视觉; 随着雾浓度的下降，η中间视觉/η明视觉的比值变化趋势一致，都是先减小后增大但最大偏差不超过5%，且最大偏差随着亮度的增大而减小。这是因为中间视觉下人眼光谱光视效率函数相对于明间视觉往短波方向移动，随着雾浓度的下降蓝光和绿光的透过率相对于红光和黄光先减小再增大，所以中间视觉透过率与明视觉透过率的比值随着雾浓度的降低先减小后增大。在明视觉下，人眼中的视锥细胞起主导作用，在中间视觉下，人眼中的视锥与视杆细胞共同起作用。随着亮度的增大，视锥细胞的作用越来越重要［8］，所以中间视觉透过率越来越接近明视觉透过率。

4 结论

本实验对四种常用光源在明视觉下的透雾情况进行了比较并结合道路实际情况，分析了四种光源在中间视觉与明视觉下透雾性的差异。通过研究发现明视觉下钨丝灯的透雾性最佳;LED的透雾性最差;ηLED＜50%时，金卤灯的透雾性优于高压钠灯;ηLED＞50%时，高压钠灯的透雾性优于金卤灯。中间视觉下随着雾浓度的下降，四种光源 η中间视觉/η明视觉的比值变化趋势一致，都是先减小后增大但最大偏差不超过5%。该研究对提高实际雾天驾驶安全，设计与检测道路照明灯具有重要意义。

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［1］张惊雷，高斌.基于大气散射模型和曲波变换的交通图像增强研究 ［J］.河北工业大学学报，2011，40(2):62～66.

［2］Kurniawan，B A，Nakashima，Y，Takamatsu，M，et al.Visual Perception of Color LED in Dense Fog［J］.Light＆ Vis.Env.，2007，31(3):34～36.

［3］吕正，徐涛.雾灯穿透能力最佳波长的实验确定［J］.应用光学，2008，29(4):530～532，547.

［4］ZAINI，M F b，Kurniawan，B A，Nakashima，Y，et al.Perceived Brightness and Saturation of Color LED Light in Dense Fog at Night Time ［J］.Light ＆ Vis.Env.，2009，31(2).

［5］关雪峰.中间视觉条件下电光源在介质中的视觉可见度与穿透力实验研究 ［D］［硕士论文］.深圳大学，2011.

［6］陈仲林，胡英奎.中间视觉时的光视效能最大值研究［J］.重庆建筑大学学报，2008，30(4):15～18.

［7］饶丰，葛志诚，朱金连等.基于Matlab的中间视觉模型的构建［J］.照明工程学报，2011(5):18.

［8］Bommel W v，周太明 (译)，林燕丹 (译).光源的光谱与低照明水平——中间视觉的基础 ［J］.照明工程学报，2009(4):1～4.