一种高速公路雾霾路况下激光道路标识装置的设计与实现

曾昭献 刘瑞娟 马永军

摘要：目前高速公路道路标识大多数采用涂在道路路面和两侧护栏上的反光材料，反射太阳光和汽车灯光作为道路标识。这种道路标识一旦遇到有浓雾、雾霾的情况下，几乎被掩盖，造成行车安全隐患和交通事故。因此，高速公路遇到大雾天气时只有关闭道路，严重影响了人们的出行以及给道路运输造成不小的损失。针对这种情况，利用高频激光的丁达尔现象，运用太阳能技术，微电子控制技术，激光技术，设计了一种高速公路雾霾路况下激光道路标识装置。阐述了激光道路标识装置的结构和实现方法。

关键词：太阳能板、激光发生器、雾霾、

中图分类号：TU61 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）065（ a）-0000-00

一、引言

高速公路道路标识在保障高速公路行车安全中起着至关重要的作用。目前我国高速公路的行车路标采用铝粉油漆刷在路面和两侧护栏上，通过被动光源反光来实现的。这种道路标识碰到大雾和雾霾情况下，高速公路路面道路标识被浓雾掩盖，使得司机们难于分辨道路上的路标，容易造成交通事故。

高管部门不得不关闭高速公路，严重影响人们的出行和公路交通运输。随着电子科技与新型能源的迅速发展，太阳能技术，激光技术、微电子控制技术等在各领域里得到了广泛的应用，鉴于目前高速公路路标存在的问题，本文提出了一种基于高频激光丁达尔现象、通过太阳能电板供电以及微电子电路控制，能在大雾或者雾霾情况下工作的激光路标设计方案。

二、设计思路

利用太阳能发电技术，在高速公路两侧护栏边立杆安装上太阳能帆板，通过太阳能帆板发电供应激光发生器能源；运用微电子技术控制浓雾和雾霾情况下激光发生器工作；利用激光的丁达尔现象，在浓雾和雾霾情况下形成激光光束，将激光发生器阵列以扇形纵向排列安装在立杆3米处，激光光束由上而下形成侧面路标；同时将另一个激光发生器阵列以扇形纵横排列安装在立杆0.6米处，激光光束以平面的形式，在高速公路路面高0.6米形成光束，即形成了路面路标，当前面有车辆行驶时激光光束被阻断，以提示司机。

三、激光路标装置的硬件组成

本装置主要由太阳能发电模块、浓雾和雾霾检测模块、微电子控制电路模块、激光发生器阵列模块组成。硬件结构组成框图如图1所示。

四、激光光束路标的实现原理

1.激光的丁达尔现象

在光的传播过程中，光线照射到粒子时，粒子大于入射光波长很多倍，则发生光的反射；粒子小于入射光波长，则发生光的散射，这时观察到的是光波环绕微粒而向其四周放射的光，称为散射光或乳光即光的丁达尔效应现象。红色激光波长为671nm至635nm，雾气为水分子组成的胶体粒子，它的大小介于1nm至100nm之间；雾霾主要是污染物PM2.5，其直径数值小于或等于2.5nm的悬浮颗粒物，当激光照射到它的上面时经过胶体粒子的折射，在浓雾和雾霾中形成了一条明亮的红色激光光束。

2.激光光束路标的实现

高速公路两侧路标的实现：在两侧护栏安装4m高，直径为10cm立杆，激光发生器阵列安装在立杆高度3m处，激光照射方向垂直地面以扇形角度为120°-150°展开，激光照射到护栏内侧形成两侧前后30m左右路标。如遇高速公路拐弯，可按拐弯弧度来调整激光发生器照射角度。高速公路路面路标的实现：将激光发生器阵列安装在立杆高度0.6m处，激光照射方向平行地面以扇形角度为120°-150°展开，激光照射到对面护栏上在平行路面并高于路面0.6形成前后30m左右扇形路面路标。汽车在雾霾天气情况下，在高速公路上行驶时，驾驶员通过路面上红色激光光束的阻断来判断前面的道路是否有车辆。通过两侧路标来判断车辆所在的位置。

五、装置的设计与实现

1.太阳能发电

高速公路激光路标装置需要大功率电源，为次本装置利用太阳能发电。采用中四通公司生产的 70cm×70cm太阳能帆板，功率P=60W、输出电压UO=14.6V、输出电流IO=4A。太阳能帆板发出来的电能通过12V的稳压电路存储于装置中12V/100AH的蓄电池中，通过稳压电路，输出直流12V、5V电压，以保证独立对装置供电。

2.采样电路

具体实现过程：烟雾传感器接受到雾气时，产生电压变化，通过比较器和放大器输出一个比较稳定的电压，装置设定电压范围0-4V。采集的数据信息通过A/D转换成二进制数码，接入8051单片机的并行I/O端口：P2.0。雾气采样传感器采用2M007传感器。雾霾传感器采用B4系列传感器，其具有强信号电平，低零点电流的特性，分辨率可低至小于10 （ppb），反应时间短，抗干扰，分辨率高，线性度好，工作范围较广等优点。雾霾传感器采集的数据信息通过A/D转换成二进制数码，接入8051单片机的并行I/O 端口：P2.1。

3.微电子控制电路

微电子控制电路选用技术成熟，运行安全稳定可靠的8位8051单片机微控制系统。当有雾气和雾霾时，采样电路输出电压发生变化，单片机微控制系统通过已编好的程序对输入的信息进行比较和处理，驱动激光电路，并根据雾气和雾霾的浓度分三个功率等级对激光阵列功率控制。输出驱动接口为：P3.0-P3.1，两侧路标激光阵列接P3.0，路面路标激光阵列接P3.1。运行程序建立在C语言平台上开发。

4.激光阵列驱动电路

激光发生器采用乐佳科技的产品，颜色：红色、波长：671nm至635nm、供电电压直流5V、功率5mW。用20个激光发生器以扇形（120°-150°）展开在平面布局安装成阵列，20激光发生器在电路上并联，用三极管驱动。 驱动电路分三个功率等级：100mW为大功率等级，80mW为中功率等级，60mW以下为低功率等级。驱动三极管通过微电子控制器输出不同的电压来控制激光的输出功率。

六、结束语

装置将太阳能发电技术、微电子控制技术、激光技术融合在一起，它的实现可以改善高速公路在浓雾和雾霾情况下的通车条件，同时减少了高速公路行车的安全隐患。如果汽车在制造的时候能配上激光尾灯，更加能改善高速公路的通车条件。方便了人们的出行以及货物运输快畅，给国民经济建设带来更大的效益。

参考文献

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