王婉婷，王書曉，王立雄

(1.天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津 300072；2.中國建筑科學(xué)研究院，北京 100013)

引言

近年來，LED的快速發(fā)展為照明領(lǐng)域帶來了更多的機(jī)遇，但相對于傳統(tǒng)光源，LED的透霧性能一直是備受關(guān)注的問題。研究表明，霧天時道路照明質(zhì)量的提高能有效改善道路交通安全狀況[1]。同時，技術(shù)的更新使照明不斷向著適應(yīng)性照明、智慧照明、動態(tài)照明的方向發(fā)展[2]。所以，明確LED與高壓鈉燈透霧性的差異，依據(jù)不同的大氣環(huán)境及不同的照明需求，合理的選擇光源尤為重要。

大氣條件對路燈燈光的傳播有明顯的影響，由于大氣中粒子對可見光的吸收和散射，路燈發(fā)出的可見光能量沿著傳播路徑逐漸減少，通常用大氣透過率來表示這種能量的衰減[3]。針對不同大氣條件對可見光透霧性能的影響，已有部分學(xué)者展開了研究。王新煒等[4]研究了典型大氣環(huán)境對可見光波段透過特性的影響，并對溶膠以及水汽和二氧化碳對可見光波段透過特性的影響，進(jìn)行了深入的探究；陳海波[5]對LED路燈在霧天條件下的透過性進(jìn)行了研究，并提出了LED路燈投霧性的優(yōu)化方案；呂正等[6]通過實(shí)驗(yàn)手段，得出LED作為霧燈時的最佳波長為578 nm；張倩等[1]研究了不同霧濃度對不同波長可見光透過性能的影響；Babaria等[7]通過實(shí)驗(yàn)手段，驗(yàn)證了光強(qiáng)與傳播距離的反比關(guān)系并分析了各波長光的透過率。徐何辰等[8]通過實(shí)驗(yàn)手段，研究了中間視覺亮度條件下幾種常見光源的透霧性。

目前現(xiàn)有的研究多是以單一人造霧氣條件及單色光源為研究對象，與實(shí)際大氣情況有較大差異，同時實(shí)際路燈常以色溫為設(shè)計(jì)指標(biāo)，且光源均是具有一定發(fā)射光譜的復(fù)色光，因此，本文基于MODTRAN大氣傳輸模型，研究在不同典型大氣條件下，可見光波長對路燈燈光透過率的影響特性，同時充分考慮不同色溫路燈的發(fā)射光譜，以及表征人眼敏感程度的視見函數(shù)，對路燈的大氣透霧性能進(jìn)行了對比研究。

1 MODTRAN模型

MODTRAN[9-10]是一種計(jì)算大氣透過率及輻射的傳輸計(jì)算模式，MODTRAN模型改進(jìn)了傳統(tǒng)的簡化譜帶計(jì)算和單純吸收的大氣運(yùn)算模式，充分考慮散射、吸收并存的大氣模式和水平非均勻的大氣狀況?？赏ㄟ^詳細(xì)的大氣狀態(tài)參數(shù)、大氣路徑參數(shù)及地理位置等，對200～100 000 nm波段的大氣光譜透過率和大氣背景輻射亮度等進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)過諸多學(xué)者驗(yàn)證，具有很高的精確度。MODTRAN模型中，大氣透過率[11]由式(1)計(jì)算得到：

τ=e-(CW)a

(1)

(2)

C=10·C′

(3)

式(2)中水蒸氣的U值由式(5)可得，其他大氣成分的U值由式(4)可得：

U=0.773 2×10-4·r·ρa(bǔ)·Z

(4)

U=0.1·ρw·Z

(5)

其中p，p0為壓強(qiáng)；T，T0表示溫度；r為混合比；ρa(bǔ)，ρw為密度，下標(biāo)a表示空氣，w為水；吸收量U在式(4)中單位為atm·cm，在式(5)中單位為g/cm2；Z為路徑長度；C′為不同波長的光譜參數(shù)，取值詳見文獻(xiàn)[12]。

2 不同大氣條件下可見光的透過率

1)大氣條件。根據(jù)全球不同的經(jīng)緯度和氣候條件，MODTRAN[13]大氣輻射傳輸模型提供了1976年美國標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境、熱帶大氣環(huán)境、中緯度夏季大氣環(huán)境、中緯度冬季大氣環(huán)境、副極帶夏季大氣環(huán)境、副極帶冬季大氣環(huán)境等六種大氣環(huán)境模型。我國大陸地區(qū)主要位于中緯度地區(qū)，且大霧天氣多出現(xiàn)在秋末冬初，因此，本文選擇中緯度冬季為基本大氣環(huán)境類型，同時選擇對流層大氣模型、城市大氣模型及常見的平流霧、輻射霧四種天氣條件，對路燈發(fā)射的可見光譜透過性進(jìn)行研究。

對流層氣溶膠模型是一種理想純凈天氣，代表了一種非常清徹天氣條件，水平氣象視距達(dá)50 km。都市氣溶膠模型代表都市純凈天氣，由占比20%的燃燒生成物或工業(yè)源形成的類煙塵氣溶膠，56%的可溶物質(zhì)(氨、硫酸鈣及有機(jī)化合物)及30%的類灰塵氣溶膠混合而成，水平氣象視距為5 km。輻射霧和平流霧是較為常見的兩種霧，輻射霧多出現(xiàn)于晴朗而風(fēng)力微弱的秋冬晚上或清晨，在日落后地面的熱力通過長波輻射釋出，使近地面空氣的溫度逐步下降，令空氣里的水汽凝結(jié)，形成無數(shù)懸浮于空氣里的小水珠，本文所選輻射霧模型水平氣象視距500 m。平流霧是暖濕空氣平流流經(jīng)較冷水面或陸地時遇冷混合冷卻凝結(jié)而成，常見于冬天，持續(xù)較長時間，本文所選平流霧模型水平氣象視距為200 m。

2)計(jì)算模型(圖1)。《照明測量方法》(GB/T 5700—2008)[14]中規(guī)定，對于道路照明亮度測量，亮度計(jì)的觀測點(diǎn)的縱向位置應(yīng)距第一排測量點(diǎn)60 m，縱向測量長度為100 m，即測量范圍為距第一排測量點(diǎn)60～160 m。 根據(jù)這樣的尺度范圍，選擇50 m、100 m、150 m觀測點(diǎn)，分別計(jì)算不同工況下，路燈的可見光光譜(390～780 nm)透過性能的變化規(guī)律，研究不同條件下可見光波長對其透過率的影響。

圖1 計(jì)算模型示意圖Fig.1 The model of calculation

圖2 中緯度冬季不同氣象條件下可見光波段透過率Fig.2 The visible light transmissivity for different weather conditions in midlatitude winter

3)數(shù)值結(jié)果與分析。圖2為中緯度冬季不同氣象條件下可見光波段的光譜總透過率。從圖中可以看出，在四種模型下，隨著觀測距離的增大，可見光波段的光譜透過率逐漸變小。其中，當(dāng)氣象條件不含有霧時[圖2(a)、(b)]，三個觀測點(diǎn)的可見光波段光譜透過率均隨著波長的增大而增大，且波長的影響在城市大氣模型條件下[圖2(b)]更為顯著。當(dāng)氣象條件為常見的輻射霧和平流霧時[圖2(c)、(d)]，隨著波長的增大，可見光透過率幾乎持平，僅有小尺度下降。

在不含霧模型[圖2(a)、(b)]下，波長于90 nm、640 nm、680 nm、700 nm、720 nm、760 nm附近時出現(xiàn)出現(xiàn)吸收帶；在含霧模型[圖2(c)、(d)]下，在700 nm、730 nm、765 nm附近出現(xiàn)明顯的吸收帶，但由于吸收帶帶寬較窄，對于整體透過率影響很小，故暫不予考慮。

3 不同色溫路燈光譜透射比

色溫作為評價路燈光色的重要指標(biāo)，是表征光源光譜能量分布最通用的指標(biāo)。色溫是由光譜波長分布決定的，光源的能量分布情況確定后，色溫也隨之確定。不同的光源色溫對人類的視覺功效乃至生理及心理反應(yīng)均存在著不容忽視的影響，而這些影響素直接關(guān)系著道路照明中的安全性[15]。相同功率下，不同色溫的路燈透霧性能也會產(chǎn)生差異。

在輻射量轉(zhuǎn)化為人眼可識別的光學(xué)量的過程，人的視覺對于不同波長的光有不同的靈敏度。人對不同光響應(yīng)的靈敏度是波長的函數(shù)，稱為光譜光視效率函數(shù)，又稱為視見函數(shù)。國際照明委員會(CIE)根據(jù)多組實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果，分別于1924年和1951年確定并正式推薦兩種視見函數(shù)：V(λ)和V′(λ)分別表示明視覺和暗視覺下的視見函數(shù)[16](如圖3所示)，本文主要考慮明視覺視見函數(shù)V(λ)。

圖3 V(λ)和V′(λ)的歸一化函數(shù)曲線Fig.3 The normalized function curves for V(λ) and V′(λ)

選取2 700 K、4 000 K、5 000 K、6 500 K四種色溫的LED路燈光譜、150 W高壓鈉燈光譜，此外，琥珀色燈作為一種較為特殊的光源單獨(dú)列出，如圖4所示。

圖4 幾種不同色溫的路燈光譜Fig.4 The spectrograms for different color temperature

不同色溫光譜的路燈可見光透射比為

(6)

其中Tr為路燈可見光透射比；E(λ)為不同波長光的輻照度；Ti(λ)為不同波長光的透射比；V(λ)表示光譜光效率。

圖5為在中緯度冬季條件下，在對流層大氣模型、城市大氣模型及常見的平流霧、輻射霧模型中，幾種不同色溫光譜路燈距離光源100 m處的視見透過率。從圖5中可以看出，路燈燈光的透過率主要受到大氣條件的影響，不同大氣條件下路燈的視見透過率明顯不同。對于同種大氣條件，光源的視見透過率受色溫及光源種類影響較小。

其中，在無霧條件(對流層大氣模型和城市大氣模型)下，LED光源的透過率隨色溫增大而下降，但下降幅度較小，兩種模型下6 500 K光源相較2 700 K僅下降0.22%和0.03%；LED光源、高壓鈉燈、琥珀色燈三種光源的透過率大小依次為Tr(琥珀色燈)>Tr(高壓鈉燈)>Tr(LED光源)，但差距較小，琥珀色燈與LED光源的透過率最大相差不超過0.5%。

在有霧條件(輻射霧模型和平流霧模型)下，LED光源的透過率隨色溫增大而增大，增大幅度較小，兩種模型下6 500 K光源相較2 700 K僅上升0.89%和0.11%；LED光源、高壓鈉燈、琥珀色燈三種光源的透過率大小依次為Tr(LED光源)>Tr(高壓鈉燈)>Tr(琥珀色燈)，但差距較小，琥珀色燈與LED光源的透過率最大相差不超過0.3%。

4 結(jié)束語

基于MODTRAN大氣傳輸模型，本文對中緯度冬季條件下，四種不同大氣模型中可見光的透過率進(jìn)行了模擬計(jì)算研究，同時選取了六種不同的路燈光譜，對其透霧性能進(jìn)行了計(jì)算和對比分析，得到了以下結(jié)論：

1)當(dāng)大氣中沒有霧時，不同波長可見光透射比隨著波長的增大而增大；當(dāng)大氣中有霧時，不同波長可見光透射比隨著波長的增大而減??；

2)色溫的不同對其燈光的可見光透射比有一定的影響，但這種影響很小，在工程中可以忽略。

3)不同種類光源的可見光透射比差別很小，可以忽略。

這與人們通常認(rèn)為高壓鈉燈或琥珀色燈的透霧能力更強(qiáng)存在一定差異，建議后續(xù)開展相關(guān)研究進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖5 不同色溫路燈視見透過率Fig.5 The transmissivity for different color temperature street lights

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