CN113670853B - 一种雾霾天气下的路面反射系数检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种雾霾天气下的路面反射系数检测装置及方法。所述装置包括控制器、雾环境模块和检测模块；所述的雾环境模块包括气溶胶发生装置、气溶胶混合装置、气溶胶喷射装置、进气罩、激光粒度分析仪、均流板、面板风机；所述的检测模块包括光学暗室、以及设于光学暗室内的样品承载部分、照度提供部分和亮度检测部分；所述的照度提供部分和亮度检测部分分别设于样品承载部分两侧；所述样品承载部分放有待检测的路面样品；所述的照度提供部分可提供水平方向0～360°以及竖直方向0～90°的检测角度；所述的亮度检测部分用于检测不同角度下的路面亮度。本发明可对雾气粒径、组分及均匀性进行准确模拟，并有效解决了现有路面亮度反射系数检测角度较少的问题。

Description

一种雾霾天气下的路面反射系数检测装置及方法
技术领域
本发明涉及路面亮度反射系数的检测技术，具体涉及一种雾霾天气下的路面反射系数检测装置及方法。
技术背景
路面亮度反射系数是路面反射能力的重要表征，对路面亮度的准确计算具有十分重要的意义。对于干燥路面，可采用平均亮度系数Q0与镜面因子S1作为评价路面反射性能的主要技术指标。根据CIE(国际照明委员会)定义，Q0是通过对驾驶人前方60～160m范围内(α＝1°)路面各点亮度与照度比的积分得到，S1是指在相同观测方向(α＝1°)下，两种特定入射角度(tanγ＝2和tanγ＝0)的光束所产生的亮度比。
天气条件对路面反射特性的影响较大。当近地面的空气冷却到一定程度时，空气中的水汽会冷却凝结成细微的水滴悬浮于空中，形成雾。随着我国工业化水平的提升，空气污染进一步加剧，雾霾已成为现代人类社会中不容忽视的问题；雾霾天气条件下，入射光在从光源传播到人眼的过程中，入射光和反射光均会被大气中悬浮着的颗粒物折射或散射，影响观察到的路面亮度，增大人眼对路面状况及障碍物的辨识难度，影响行车安全。对雾霾天气下的路面反射特性，行业内尚未有对应的检测手段，使得雾霾天气下的路面照明效果难以预计。
常用的雾霾天气模拟方法为人工造雾。然而现有技术手段较多通过加湿器产生雾气，对雾气浓度和均匀性的控制不佳，且路面反射系数的检测中的光源准直性差，传统TIR透镜的边缘全反射会造成光斑的照度不均匀，存在反射系数检测误差较大等技术缺陷。
申请号：CN201922069213.0公开的一种盐雾气溶胶喷雾系统可以营造不同体积的雾环境，但其无法保障雾气的均匀性，且封闭性较强，不易控制雾气浓度的变化。申请号：CN201911292138.2公开的多层海雾环境模拟方法仅将雾气简单分层，无法模拟雾气的流动性，且难以控制雾气粒径。此外，申请号：CN201310361662.7公开的一种路面铺装材料亮度系数分布测量装置，该装置仅能对干燥路面样品的反射系数进行检测，无法获得雾霾天气下的路面反射系数，路面反射系数的检测需要对不同角度入射光下的路面亮度进行检测，除被检测角度入射光以外的光线均属于杂散光。其使用的光源准直性较差，所检测到的路面反射系数结果误差较大。
发明内容
雾霾是由分散于大气中的固体和液体微粒所构成的大气气溶胶体系。可见光在其中传播的衰减机理主要为折射、散射和吸收。其中，反射和散射强度主要受雾气粒径、浓度和均匀性的影响，而路面反射系数的检测精度受光源发出光线的准直性影响较大。因此，对雾气粒径、组分及均匀性进行准确模拟，同时使用准直光源是保证路面反射系数检测结果可靠的重要前提。
为获得雾霾天气下的路面反射特性，本发明提供一种能够模拟不同雾气浓度和粒径的路面反射系数检测方法及装置，以解决背景技术中提到的问题。
本发明的技术方案如下所述：
一种雾霾天气下的路面反射系数检测装置，包括控制器、雾环境模块和检测模块；所述的雾环境模块包括气溶胶发生装置、气溶胶混合装置、气溶胶喷射装置、进气罩、激光粒度分析仪、均流板、面板风机；所述的检测模块包括光学暗室、以及设于光学暗室内的样品承载部分、照度提供部分和亮度检测部分；所述的照度提供部分和亮度检测部分分别设于样品承载部分两侧；所述样品承载部分放有待检测的路面样品；所述的照度提供部分可提供水平方向0～360°以及竖直方向0～90°的检测角度；所述的亮度检测部分用于检测不同角度下的路面亮度。
进一步地，气溶胶生成装置中设置水和硝酸盐溶液箱、硫酸盐和铵盐溶液箱，两个溶液箱采用电焊连接，两个溶液箱配合可实现雾气组分的调整功能；
进一步地，气溶胶生成装置和气溶胶混合装置以电焊连接，气溶胶混合装置采用风动力，主要功能为产生均匀浓度的雾气；
进一步地，气溶胶混合装置和进气罩采用电焊连接，进气罩主要功能为提供雾气扩散空间；所述的进气罩采用环形出口。
进一步地，进气罩与光学暗室之间采用电焊连接，以便雾气能够扩散到光学暗室中。
进一步地，在进气罩与光学暗室之间设置均流板和面板风机；均流板主要功能为改变雾气流动方向和速度，实现雾气的均匀扩散；面板风机通过调整出风口的风向和风速，避免雾气的撞壁效应，并且对雾气的流动速度进行调整；光学暗室尺寸为3m×3m×3m，光学暗室内部环境亮度小于0.0001cd/m2，风机功率为60w，面板风机的风速为0.1m/s～2m/s，面板延伸长度为200mm，均流板与光学暗室侧壁距离为0.1m，均流板的孔径尺寸为5mm～10mm，开孔率为60％；
进一步地，光学暗室上方设置控制器与激光粒度分析仪，控制器的主要功能为根据激光粒度分析仪探测的暗室内部雾气浓度和粒径大小，对气溶胶发生装置和面板风机进行调整。
进一步地，光学暗室内部设置传动电机，用于为光源和亮度计提供检测和运动所需的电力和控制。
进一步地，样品承载部分由基座、支撑杆和支撑板组成，基座通过螺栓与光学暗室底部相连，支撑杆主要功能为支撑整个检测模块，支撑板主要功能为承载被检测路面样品。
进一步地，照度提供部分在支撑板左端，由转臂、水平轨道、光纤光源和边缘低反射TIR透镜组成；所述水平轨道沿样品环向水平设置于支撑板上，光纤光源设于转臂上，其中转臂可以样品为圆心在水平轨道上旋转，光纤光源可在转臂上进行以样品为圆心的竖直方向上的转动，光纤光源提供准直光线，边缘低反射TIR透镜主要功能为降低传统TIR透镜边缘反射造成的照度不均匀，实现准直光线的照度均匀。
进一步地，边缘低反射TIR透镜是在TIR透镜的边缘涂有反射系数为0.6的深色低反射涂料，主要功能为减少TIR透镜的边缘全反射，实现光斑的照度均匀性。
进一步地，转臂和水平轨道的半径相同(如尺寸可均为1m)，照度提供部分可提供水平方向0～360°以及竖直方向0～90°的检测角度，解决现有路面亮度反射系数检测角度较少的问题。
进一步地，亮度检测部分位于支撑板右端，由亮度计和竖直轨道组成，所述竖直轨道为弧形，垂直设于支撑板上；亮度计主要功能为检测亮度，竖直轨道主要功能为提供亮度计旋转轨迹，便于检测不同角度下的路面亮度。亮度计采用0.1°视场，可检测在1～30°角度下的路面亮度，获取机动车驾驶人和人行道行人等多种视角下的路面亮度。
进一步地，光学暗室右侧设有通风孔，可在不影响光学暗室环境亮度前提下，将雾气有序排出，便于控制暗室内部雾气浓度和速度。
本发明的有益效果为：本发明装置采用可盛放多种溶液的溶液箱与气溶胶生成装置实现了对多组分全粒径尺度雾气的准确模拟；同时本发明装置中的均流板和面板风机可调节雾气运动方向、速度和浓度，为量化雾气对路面观察亮度的影响提供了重要基础；此外，本发明装置采用边缘低反射TIR透镜与光纤光源组合的方式为路面反射系数提供照度，实现了光线准直性，有效解决了现有路面亮度反射系数检测误差较大的问题；亮度计可沿弧形导轨运动的设计则解决了现有路面反射系数检测过程中观察角度较少的问题。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为雾环境模块剖面图；
图3为气溶胶喷射装置正视图；
图4为低反射TIR准直透镜剖面图；
图5为低反射TIR准直透镜正视图；
其中，1为气溶胶发生装置，101为溶液箱，2为气溶胶混合装置，3为气溶胶喷射装置，301为喷头，302为转轮，4为进气罩，5为控制器，6为激光粒度分析仪，7为通风孔，8为气泵，9为均流板，10为面板风机，11为轨道，12为转臂，13为光纤光源，14为亮度计，15为支撑板，16为支撑杆，17为传动电机，18为基座，19为光学暗室，1301为边缘低反射TIR透镜，1302为低反射涂料涂层。
具体实施方式
一种雾霾天气下的路面反射系数检测方法及装置，装置如图1～5所示，包括三大模块，具体检测方法在装置安装基础上实施。
具体检测方法如下所述：
首先按照式(1)～(3)计算雾滴半径r和雾滴浓度n，调整气溶胶发生装置1中的溶液浓度和压力，通过气泵8调整导管7中的气压，使压缩空气进入气溶胶发生装置1，溶液箱101在压力下生成气溶胶颗粒。
根据雾的可见度，采用适用性最大的雾滴的尺寸分布Gamma广义分布计算雾滴半径r和雾滴浓度n：
n＝cr2exp(-dr) (1)
Figure BDA0003182294460000051
Figure BDA0003182294460000052
式中，n为单位体积、单位半径间隔内的雾滴数即雾滴浓度，cm-3；r为雾滴半径，cm；c和d为确定雾滴谱形状的参数；V为雾的能见度，km；W为含水量，g/m。
打开气溶胶混合装置2，使生成的气溶胶颗粒更均匀。
打开气溶胶喷射装置3，选择合适的喷头301，通过转轮302将所选喷头旋转对准进气罩4，将雾气喷射进入进气罩4。
通过控制器5调节均流板9的孔径尺寸，改变气流速度和方向，实现雾气的均匀扩散。
使用激光粒度分析仪6探测雾滴粒径及浓度，若测得数值不符合设定，则可调整气溶胶发生装置1的压力及面板风机10风速，以得到符合要求的雾环境。
首先将测量样品固定在支撑板16的中心，并调整亮度计14高度与位置，使其与被检测样本的水平距离为1m，初始测量观察角α＝1°(α可调节范围为1°-30°)。
将光纤光源13位置调整到水平转动方向0刻度、竖直转动方向90°刻度处。
打开光纤光源13，控制光源投射中心对准被检测路面样本的表面中心，保证光源转动时光斑始终覆盖样品表面。
每10分钟检测一次样品表面亮度，待光源稳定(亮度变化≤5％)后开始试验；
将转臂12调节至第1个水平刻度(β＝0°)后固定，控制光纤光源13绕转臂12转动，采用亮度计14测量竖直方向不同光线入射角下的亮度，数据记录格式为L(0,γ)；
将转臂12调节至第2个水平刻度(β＝2°)后固定，控制光纤光源13绕转臂12转动，采用亮度计14测量竖直方向不同光线入射角下的亮度，记录数据为L(2,γ)；
依次检测所有水平刻度下的亮度数据，按照标准R表格形式汇总数据。所测量β角度包括0°、2°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°、165°、180°，所测的γ角度包括0°、14°、26.6°、36.9°、45°、51.3°、56.3°、60.3°、63.4°、68.2°、71.6°、74.1°、76°、77.5°、78.7°、79.7°、80.5°、81.3°、81.9°、82.4°、82.9°、83.3°、83.7°、84°、84.3°、84.6°、84.8°、85°、85.2°；
根据测得的亮度、光源照度E数据，计算平均亮度系数Q0和样品镜面因子S1，计算亮度系数q和简化亮度系数r，公式如下：
Figure BDA0003182294460000061
r(β,γ)＝q(β,γ)cos3γ (5)
计算样品镜面因子S1，并根据CIE提出的权重系数表，对所有r值进行加权计算，获得平均亮度系数Q0，公式如下：
Figure BDA0003182294460000062
式中，r为路面简化亮度系数；r(0,2)为β＝0°、tanγ＝2时的简化亮度系数；r(0,0)为β＝0°、tanγ＝0时的简化亮度系数。
Figure BDA0003182294460000063
式中，Ω0为包含所有入射光方向的立体角，°；ω为立体角，°。
以上公开的仅为本发明的具体实施例，但是本发明并非局限于此，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。显然这些改动和变型均应属于本发明要求的保护范围保护内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何特殊限制。

Claims (6)

1.一种雾霾天气下的路面反射系数检测装置，其特征在于：包括控制器、雾环境模块和检测模块；所述的控制器用于控制雾环境模块产生符合要求的雾环境；所述的雾环境模块包括气溶胶发生装置、气溶胶混合装置、气溶胶喷射装置、进气罩、激光粒度分析仪、均流板、面板风机；所述的气溶胶发生装置用于产生气溶胶，所述气溶胶混合装置用于对气溶胶进行混合，所述的气溶胶喷射装置通过喷头将混合之后的气溶胶变成雾气并将其喷射进入进气罩，所述的激光粒度分析仪用于对进气罩内的雾气浓度和粒径大小进行探测；所述的均流板用于改变雾气的方向和速度，实现雾气的均匀扩散；所述的面板风机通过调整出风口的风向和风速，所述的雾气经均流板和面板风机调整之后进入检测模块；
所述的检测模块包括光学暗室、以及设于光学暗室内的样品承载部分、照度提供部分和亮度检测部分；所述的照度提供部分和亮度检测部分分别设于样品承载部分两侧；所述样品承载部分放有待检测的路面样品；所述的照度提供部分可提供水平方向0～360°以及竖直方向0～90°的检测角度；所述的亮度检测部分用于检测不同角度下的路面亮度；
所述的样品承载部分包括基座、支撑板和支撑杆；所述基座固定于光学暗室底部；所述支撑板通过支撑杆固定于基座上，用于承载路面样品；
所述的照度提供部分包括转臂、水平轨道、光纤光源和边缘低反射TIR透镜；所述的水平轨道以样品为圆心环向水平设于支撑板上；所述转臂为90°圆弧，垂直设于水平轨道上；所述光纤光源设于转臂上；所述边缘低反射TIR透镜与光纤光源相连；所述转臂可沿水平轨道运动并带动光纤光源运动；
所述的亮度检测部分包括亮度计和竖直轨道；所述的竖直轨道为弧形，垂直设于支撑板上；所述的亮度计设于竖直轨道上，可在竖直轨道上运动，从而检测不同角度下的路面亮度；
所述边缘低反射TIR透镜的边缘部分涂有低反射涂料；
所述的控制器控制雾环境模块产生符合要求的雾环境，具体为：
控制器根据激光粒度仪测得的雾滴粒径及浓度，调整气溶胶发生装置的压力和面板风机的风速；控制器根据需要调节均流板的孔径尺寸，改变气流速度和方向，实现雾气的均匀扩散。
2.根据权利要求1所述的雾霾天气下的路面反射系数检测装置，其特征在于，所述的进气罩采用环形出口。
3.根据权利要求1所述的雾霾天气下的路面反射系数检测装置，其特征在于，所述的光学暗室内还设有传动电机，所述的传动电机用于为光纤光源和亮度计提供检测和运动所需的电力和控制。
4.根据权利要求1所述的雾霾天气下的路面反射系数检测装置，其特征在于，所述的光学暗室上设有通风孔，在不影响光学暗室环境亮度的前提下，用于将雾气有序排出，便于控制暗室内部雾气浓度和速度。
5.根据权利要求1所述的雾霾天气下的路面反射系数检测装置，其特征在于，所述的气溶胶发生装置包括水和硝酸盐溶液箱、硫酸盐和铵盐溶液箱，两个溶液箱可用于实现雾气组分的调整。
6.一种雾霾天气下的路面反射系数检测方法，其特征在于，基于如权利要求1-5任一项所述的装置实现。
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雾霾天气下夜间道路照明的分析与优化措施研究;李轩等;《湘潭大学自然科学学报》;20180215(第01期);全文 *

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