研究：惡劣天氣條件下LED的透霧性

　　1. 引言

　　可見光在下雪、下雨和有霧時(shí)的透過能力下降，因此，這樣的惡劣天氣對(duì)交通安全造成了很大威脅?？梢姽庠谘┗?、雨滴和霧滴中傳播時(shí)，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(jī)構(gòu)曾做過相關(guān)研究，并給出了一些可見光在這些嚴(yán)峻天氣條件下傳播的特性和結(jié)論。

　　對(duì)于可見光在霧的環(huán)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(duì)LED亮度的響應(yīng)。他采用了紅黃藍(lán)綠四種顏色光，以及他們每兩種顏色之間的顏色，構(gòu)成了十二種顏色光進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并得出了紅黃光和紅藍(lán)光穿過霧時(shí)亮度最高。同時(shí)，藍(lán)光在濃霧中的可見性最差。而在下雨和下雪的環(huán)境中，研究大多集中在對(duì)黃光和白光的選擇上。人們通常認(rèn)為黃光比白光好，因?yàn)樵谙嗤炼认曼S光帶來的眩光沒有白光嚴(yán)重。這個(gè)常識(shí)性的認(rèn)識(shí)被John D. Bullough’s的研究證實(shí)了。他得出了在相同光強(qiáng)下，黃光比白光受到反向散射的影響小，因而眩光小的結(jié)論^[2,3]。

　　作為對(duì)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(shí)驗(yàn)主要關(guān)注可見光在霧中的傳播情況。與Bobsy Arief KURNIAWAN的實(shí)驗(yàn)不同，本實(shí)驗(yàn)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(xiàn)的同色異譜現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)采用加濕器產(chǎn)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(gè)白色LED在相應(yīng)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(shí)驗(yàn)從量化的角度分析了單色可見光對(duì)霧的穿透特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)論對(duì)道路照明設(shè)備的選擇具有一定的指導(dǎo)意義。

2.實(shí)驗(yàn)方法

　　2.1實(shí)驗(yàn)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(nèi)表面涂黑；3為加濕器，通過22個(gè)檔位產(chǎn)生不同度的霧；4為連通管，將加濕器產(chǎn)生的霧通入霧氣箱；5為探頭，正對(duì)著光源；6為照度計(jì)，用來采集照度值。

　　2.2 實(shí)驗(yàn)條件

　　為防止外界光對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，整個(gè)實(shí)驗(yàn)在暗室中進(jìn)行。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室的門窗均緊閉，以防止外界氣流對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾。實(shí)驗(yàn)室保持恒溫25℃。

　　該實(shí)驗(yàn)最為重要的部分是在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)霧進(jìn)行模擬。由于實(shí)驗(yàn)對(duì)霧的要求是具有均勻性、穩(wěn)定性，并且能夠較方便地調(diào)節(jié)濃度，因此該實(shí)驗(yàn)不能霧天在室外進(jìn)行，必須在實(shí)驗(yàn)室人工造霧。實(shí)驗(yàn)采用加濕器噴出的霧狀水氣來模擬自然界中的霧。大多數(shù)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(xì)霧，恰在天然霧粒子大小的范圍之內(nèi)。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(duì)照度計(jì)探頭產(chǎn)生的影響。

　　通過光譜儀采集得到實(shí)驗(yàn)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，F(xiàn)WHM=50nm）、黃色LED（λp=594nm，F(xiàn)WHM=13nm）、綠色LED（λp=514nm，F(xiàn)WHM=45nm）、藍(lán)色LED（λp=459nm，F(xiàn)WHM=22nm）。實(shí)驗(yàn)在不同霧濃度下測量各單色LED的透過照度。

　　2.3 實(shí)驗(yàn)過程

　　本實(shí)驗(yàn)通過加濕器的六個(gè)檔位（0檔、10檔、12檔、14檔、16檔和18檔）產(chǎn)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(diǎn)亮紅色LED，通過照度計(jì)測得此時(shí)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(guān)閉加濕器10秒后，霧在透霧箱內(nèi)已基本均勻分布，測得此時(shí)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(shí)間，當(dāng)透霧箱內(nèi)的霧氣散去后，改變加濕器檔位并重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。每種顏色的LED都重復(fù)上述過程。取三次實(shí)驗(yàn)的平均值作為最后結(jié)果。

　　2.4 霧濃度的表征

　　本實(shí)驗(yàn)中，霧的濃度通過一個(gè)白色LED（λp=492nm, Tc=6000K）在相應(yīng)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(shù)值表征了對(duì)應(yīng)霧環(huán)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(yīng)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(fù)實(shí)驗(yàn)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(biāo)為用白色LED的透過率表示的霧濃度，縱坐標(biāo)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(lán)色和綠色LED的透過率較低。

4.結(jié)論與討論

　　本實(shí)驗(yàn)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(lán)光。

　　此結(jié)論進(jìn)一步驗(yàn)證了之前的相關(guān)研究結(jié)果，即黃光成分具有較好的透霧性。同時(shí)，本實(shí)驗(yàn)得出具有較差透霧性的可見光成分是藍(lán)光和綠光，這個(gè)結(jié)論與Bobsy Arief KURNIAWAN的結(jié)論稍有不同。造成結(jié)論不同的原因之一可能是由于兩個(gè)實(shí)驗(yàn)所用藍(lán)光的光譜不同。

　　在霧的環(huán)境中，可見光透過率的下降是對(duì)比降低的結(jié)果。人們能夠看到事物，并不是基于事物本身的絕對(duì)亮度，而是基于事物與周圍環(huán)境的對(duì)比。霧的存在降低了這種對(duì)比的程度，而霧的濃度越高，這種對(duì)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(shí)驗(yàn)僅是對(duì)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(jié)環(huán)境中的透過情況，如下雨或濕度很大的環(huán)境。進(jìn)一步的研究將集中在下雪和下雨的條件下，以期研究結(jié)論對(duì)道路照明設(shè)備的選擇起到一定的指導(dǎo)意義，從而提高惡劣天氣條件下道路交通安全。