潘貝貝，翁 季

(重慶大學 建筑城規(guī)學院;山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點實驗室，重慶 400045)

0 引言

隧道入口段是整條隧道的起點，入口段亮度是隧道照明設(shè)計的計算基礎(chǔ)，對于CIE 推薦的三種用于計算隧道入口段亮度的方法，即k值法、SRN 主觀評價法和察覺對比設(shè)計方法而言，察覺對比法最能真實反映駕駛員在接近隧道時的視看環(huán)境，以及全面地考慮影響駕駛員察覺能力的各種因素，目前最適用于隧道入口段亮度計算。

CIE 于2004年v推薦的利用察覺對比法計算公路隧道入口段亮度的公式為

式中:Cm——目標物的最小察覺對比度;

ρo——漫反射表面的小目標光反射比，取為0.20;

qc——對比顯示系數(shù)，即測點處的路面亮度Lb與小目標中心點垂直面照度Ev的比值;

Latm(R)——汽車前方1 個停車距的近地面大氣散射光亮度，cd/m2;

τatm(R)——汽車前方1 個停車距的近地面大氣透射比;

Lws——汽車前擋風玻璃透射光亮度，cd/m2;

τws——汽車前擋風玻璃光透射比;

Lseq——由駕駛員眼睛掃視前方景物亮度產(chǎn)生的等效光幕亮度，cd/m2。

作為察覺對比公式中的一項重要參數(shù)，一個停車視距的近地面大氣透射比τatm(R)對隧道入口段亮度的計算結(jié)果有著重要影響，針對這一參數(shù)取值，CIE 88—2004 標準的建議值為1.0。然而，大氣透射比τatm屬于大氣光學物理量，其值會隨著大氣狀況、天氣條件、地理環(huán)境等因素的變化而變化。作者認為，CIE所給出的τatm(R)推薦值1.0 雖然具有一定參考價值，但是這一取值的嚴謹性、科學性以及地域適宜性都值得商榷。因此，為了提高察覺對比方法在實際運用中的普適性和精確性，針對一個停車視距的大氣透射比τatm(R)的合理取值進行研究是極其必要的。

針對隧道照明設(shè)計來說，《公路隧道照明設(shè)計細則》(JTG/T D70/2-01—2014)曾對不同設(shè)計速度下的照明停車視距取值作出規(guī)定，若隧道照明的設(shè)計速度為80 km/h，其對應(yīng)的一個停車視距的長度不超過100 m。為了便于研究討論，文中的τatm(R)設(shè)定為汽車前方100 m 近地面水平傳輸路徑上的可見光大氣透射比，即τatm(0.1)。

1 大氣透射比τatm計算方法的確定

通過對相關(guān)理論的分析與總結(jié)，筆者將大氣透射比的現(xiàn)有測定方法歸納為四種，即能見度計算法、大氣輻射傳輸軟件計算法、透射式能見度直接測定法以及大氣視覺理論計算法。

1.1 能見度計算法

能見度計算法即利用散射式能見度儀測得的實時能見度數(shù)據(jù)，根據(jù)Koschmieder 定律得到大氣消光系數(shù)，再由Bouguer-Lamber 定律計算大氣透射比數(shù)值。這種方法在理論上是可行的，但是散射式能見度儀在研制開發(fā)階段，一般采用是Koschmieder 定律的修正公式，而此公式信息又無從得知，導(dǎo)致大氣消光系數(shù)的計算數(shù)據(jù)存在一定誤差，大大降低了這種計算方法在實際運用中的可操作性。

1.2 大氣輻射傳輸軟件計算法

軟件計算法是利用國際上已建立的大氣光譜參數(shù)數(shù)據(jù)庫，通過專業(yè)大氣傳輸軟件可實現(xiàn)對大氣透射比的高精度測量。這一方法雖然快速精確，但是需要設(shè)置大量的氣象參數(shù)，因大氣始終處于運動變化的狀態(tài)，這些數(shù)據(jù)繁瑣復(fù)雜又很難測量，增加了這一方法的實施難度。而且這種方法專業(yè)性較強，最終產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量十分龐大，本研究畢竟不同于氣象觀測領(lǐng)域的專項研究，不需要如此精準、龐雜的數(shù)據(jù)結(jié)果，因此該方法對本研究的適用性有待商榷。

1.3 透射式能見度儀直接測定法

透射式能見度儀是基于透射比定義研發(fā)的一種能見度測量儀器，即通過對基線方向上大氣透射比的直接測量獲得這一參數(shù)的實時數(shù)據(jù)，根據(jù)Bouguer-Lamber 定律及Koschmieder 定律計算得到大氣能見度。該儀器可實現(xiàn)對一定路程的大氣透射比的實時測量，因而透射式能見度儀直接測定法是一種最為簡便、有效且最具說服力的測量方法。但是，該儀器造價極為昂貴，高達數(shù)百萬元，且安裝及維護難度大，致使這一方法的可行性大打折扣。

1.4 大氣視覺理論計算法

大氣視覺理論以人眼的視覺理論為基礎(chǔ)，綜合考慮了大氣對光輻射的衰減和增強效應(yīng)，很好地闡述了目標物光輻射在到達人眼之前與大氣發(fā)生了何種作用。在這里，特別指出的是，在到達人眼之前，目標物所發(fā)出的可見光始終沿近地面水平方向傳輸。其計算模型可利用亮度這一光學參數(shù)來表達。

式中:Lo，p——目標光輻射經(jīng)過厚度為R 的大氣層之后，人眼所察覺到的目標物亮度，cd/m2;

Lo——目標光輻射經(jīng)過大氣層之前的固有亮度，cd/m2;

Latm(∞)——天空背景亮度，在觀測條件不變的情況下，此為恒定值，cd/m2;

τRatm——水平傳輸距離為R 時，可見光近地面大氣透射比。

關(guān)于亮度測量，光學領(lǐng)域存在多種類型的儀器設(shè)備能夠完成相應(yīng)的測量工作，如簡易型亮度計、成像式亮度計和高準確亮度計等，且這些測量儀器的普遍性和適用性都很強。較之其他三種計算方法，大氣視覺理論計算法的可操作性更強。因而，式(2)可作為計算大氣透射比τatm的重要公式。

文章研究對象是對于可見光而言的近地面水平大氣透射比τatm，這一參數(shù)依據(jù)自身定義，其大氣傳輸路徑為1 km。而研究的最終目的是要落實一個停車視距的大氣透射比τatm(0.1)數(shù)值，也就是完成短距離上近地面大氣透射比的測量工作。以上四種測定方法各有利弊，經(jīng)過綜合分析，筆者認為大氣視覺理論計算法比較適合近地面大氣透射比的測量。

2 重慶地區(qū)大氣透射比τatm的測定

我國幅員遼闊，氣候類型多樣，地理環(huán)境懸殊，這必然會造成各地區(qū)的大氣透射比變化規(guī)律及數(shù)值大小的千差萬別。本研究不可能面面俱到，在此以重慶地區(qū)為例研究大氣透射比取值，同時建立可行性強、普適性高的研究方案。

2.1 實驗原理

由于本實驗是在天然光環(huán)境下進行的，實驗天氣的合理選擇對研究重慶地區(qū)大氣透射比τatm極其重要。由相關(guān)理論可知，大氣透射比與大氣能見度具有直接的相關(guān)性。因此，在實驗天氣的選擇上，筆者主要從能見度角度出發(fā)，兼顧考慮天空狀況的穩(wěn)定性，確定了六種實驗天氣類型，即高能見度晴天空、高能見度陰天空、中能見度晴天空、中能見度陰天空、低能見度晴天空和低能見度陰天空。

本實驗是基于大氣視覺理論進行的，利用A1 號白板(表面均勻噴涂BaSO4材料)、LM-3 亮度儀、XYI-III照度計等實驗器材，對大氣透射比τatm進行測定。實驗之初，對LM-3 亮度儀及XYI-III 照度計進行精度校正，并利用漫反射表面反射系數(shù)測定公式ρ=πL/E對A1 號白板的反射系數(shù)進行精確測定，得到其值為0.91。其后，在適宜的室外環(huán)境下，利用XYI-III照度計所測得的A1 號白板表面垂直照度Ev求得其固有亮度Lo，利用LM-3 亮度儀測定A1 號白板在不同觀測距離下的觀測亮度Lo，p;在已知固有亮度Lo、觀測亮度Lo，p、觀測距離R 的情況下，結(jié)合大氣透射比計算公式(2)，通過數(shù)據(jù)處理軟件對所得實驗數(shù)據(jù)進行擬合，求得不同實驗條件下的τatm和τatm(0.1)數(shù)值。

2.2 實驗過程

測定工作是以重慶大學B 校區(qū)田徑場為實驗場地，每次測試選擇在當日接近中午時分進行，時間控制在11 ∶00—11 ∶30 之間。具體實驗步驟如下:

(1)在實驗場地沿田徑場的長邊方向布置測點，將LM-3 亮度儀置于西北0 m 處，在0～120 m 的范圍內(nèi)以間隔10 m 的距離布置一個測點，分別為10 m、20 m、30 m……100 m、110 m、120 m(圖1)。

(2)將一部照度計水平放置于空曠地面上，用于測定太陽輻射的水平照度Eh，另一部照度計固定于A1 號白板上，用于測定A1 號白板的垂直照度Ev。

(3)首先將A1 號白板置于120 m 處，讀取此時白板的垂直照度Ev、觀測亮度Lo，p以及太陽輻射的水平照度Eh(一定要確保各數(shù)據(jù)讀取地同時性)，并將數(shù)據(jù)記錄下來。

圖1 實驗測點布置

(4)保持亮度儀位置不變，將白板位置移至110 m處，依照步驟4 再次進行測試，記錄相關(guān)實驗數(shù)據(jù)。

(5)將白板依次置于100 m、90 m…10 m 處，以相同的步驟進行測試，并記錄測試結(jié)果(圖2)。

圖2 實驗測試現(xiàn)場

(6)本組測試結(jié)束后，將白板再次放置在10 m、20 m、30 m……120 m 測點處，依照以上步驟進行測試，記錄第二組測試結(jié)果。

(7)測試完畢后，將白板重新放置在120 m、110 m……10 m 測點處，以相同的步驟進行測試，記錄第三組測試結(jié)果。

(8)整理實驗數(shù)據(jù)，每個測點的測試距離R、觀測亮度Lo，p可直接獲取，固有亮度Lo則需根據(jù)漫反射表面反射系數(shù)測定公式ρ=πL/E，由垂直照度Ev計算得到。

(9)結(jié)合公式(2)，將相關(guān)數(shù)據(jù)通過1stOpt5.0 及Origin8.5軟件進行擬合，得出當時天氣條件下的τatm及τatm(0.1)。

2.3 結(jié)果

每次實驗對10 m～120 m 這12 個測點均進行了三次測試，也就是說每種天氣狀況擁有三組實驗數(shù)據(jù)。以高能見度晴天條件下的測試數(shù)據(jù)(見表1)為例，對數(shù)據(jù)處理方法進行介紹。

表1 高能見度晴天條件下測試數(shù)據(jù)

在對以上數(shù)據(jù)進行擬合時，首先結(jié)合公式(2)并利用1stOpt5.0 軟件對前兩組數(shù)據(jù)進行多元非線性擬合，得出τatm、Latm(∞)的擬合數(shù)值分別為0.783 和3 057.4。將其代入式(2)中，便得到固有亮度Lo和觀測亮度Lo，p的函數(shù)表達式，即Lo，p=3 057.4-(3 057.4-Lo)×0.783^R。然后，利用各天氣狀況下的第三組數(shù)據(jù)驗證τatm和Latm(∞)擬合值的準確性。具體方法是，將第三組數(shù)據(jù)中的Lo及R 數(shù)值代入上述與之對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系式中，得到Lo，p計算值。利用Origin8.5軟件對Lo，p計算值與Lo，p實測值進行比較(見圖3)，并求出二者之間的誤差率在0.05%～0.20%之間，由此可見，前兩組數(shù)據(jù)擬合得到的τatm和Latm(∞)數(shù)值具有一定的合理性與準確性。

圖3 高能見度晴天空Lo，p計算值與實測值之間的比較分析

利用上述方法，作者依次對其他五種天氣條件下的測試數(shù)據(jù)進行了擬合處理，得到τatm和Latm(∞)擬合值，并且利用第三組數(shù)據(jù)對擬合值的精確性進行了驗證，誤差均在合理范圍內(nèi)。根據(jù)公式可以求得100 m 傳輸路徑上的大氣透射比τatm(0.1)，本實驗測試結(jié)果見表2。

表2 大氣透射比τatm測試結(jié)果

2.4 τatm(0.1)計算值與CIE 標準推薦值的比較與分析

CIE 88—2004 曾對察覺對比公式中的τatm(0.1)作出一定推薦，即在沒有當?shù)卮髿夤鈱W數(shù)據(jù)的情況下，τatm(0.1)可取為1.0。顯然這一推薦值與上述取值范圍存在一定差別，現(xiàn)對τatm(0.1)計算值與CIE 88—2004 文件的推薦值進行如下比較與分析。

(1)在此次大氣透射比τatm實驗中，，不同的大氣能見度條件下，τatm(0.1)大小存在差異。而CIE 88—2004 對推薦值1.0 的運用并未給出嚴格的限定條件，沒有明確說明在什么樣的天氣條件或光學環(huán)境下，τatm(0.1)取1.0。

(2)從重慶地區(qū)來說，高能見度天氣的τatm(0.1)計算值與CIE 推薦值1.0 十分接近，誤差小于3.4%;中能見度天氣的τatm(0.1)取值與推薦值1.0 略有差異，誤差在3.4%～13.7%;低能見度天氣的τatm(0.1)大小與推薦值1.0 的誤差要大于13.7%(表3)。

表3 τatm(0.1)計算值與CIE 推薦值之間的誤差率

(3)在重慶地區(qū)，不同測試天氣下τatm(0.1)的不同取值，必然會導(dǎo)致察覺對比設(shè)計方法計算結(jié)果數(shù)值上的波動，與τatm(0.1)直接取為1.0 的情況相比，其對隧道照明設(shè)計的影響更為復(fù)雜。

如果測試天氣為高能見度時，τatm(0.1)計算值接近于1.0，但并不能說明此時的τatm(0.1)可取作1.0。而在中、低能見度條件下，τatm(0.1)計算值與推薦值1.0 相差懸殊，顯然，τatm(0.1)也不能直接套用1.0 這一數(shù)值。因此，無論處于何種天氣條件下，τatm(0.1)取值直接照搬CIE 推薦值，既不科學也不精確。

3 小 結(jié)

筆者以重慶地區(qū)為例，通過實驗研究得到六種不同天氣條件下τatm(0.1)的取值范圍，結(jié)果證明，不管在哪種天氣條件下，τatm(0.1)計算值均與CIE 推薦值1.0 存在一定差距，因此，在重慶地區(qū)的隧道照明設(shè)計中，τatm(0.1)取值不能簡單地用1.0 來表示。

［1］CIE Technical Report.88—2004.Guide for the lighting of road tunnels and underpasses［R］.2004

［2］中華人民共和國行業(yè)標準.(JTG/T D70/2-01—2014)公路隧道照明設(shè)計細則［S］.北京:人民交通出版社，2014

［3］李春亮.能見度測量技術(shù)100 問［M］.北京:氣象出版社，2009

［4］王充，汪衛(wèi)華.紅外輻射大氣透過率研究綜述［J］.裝備環(huán)境工程，2011(4)

［5］康圣，王江安.能見度光學測量方法［J］.中國科技成果，2010(23)

［6］饒瑞中.現(xiàn)代大氣光學［M］.北京:科學出版社，2012

［7］謝興生，陶善昌.CCD 攝像技術(shù)在大氣光學傳輸特性檢測研究上的應(yīng)用［J］.光學技術(shù)，2000(5)