雨天路面反射特性的测试系统

王 刚，李文宜，刘木清，沈海平

(复旦大学电光源研究所，先进照明技术教育部工程研究中心，上海 200433)

引言

道路照明质量与路面材料和气候条件息息相关，我国国土面积比较广阔，各地路面材料不尽相同，且气候多样，因此准确地根据不同气候条件、不同路面材料，选择合适的照明灯具进行有针对性的照明设计至关重要。一般设计人员对于道路照明的注意力大都集中在灯具配光性能及其安装上，对路面材料和天气条件的重视程度不够，因而所实现的道路照明可能与设计结果存在较大差异。

国内外对于路面材料尤其是雨天路面材料的反射特性的研究非常少。目前的路面反射特性数据大多源于20世纪60、70年代欧洲科学家所作的研究工作，国际照明委员会(CIE)根据这些工作建立了具有代表性的标准路面反射表——CIE路面分类系统[1]，并得到了各国的认可。20世纪70年代，丹麦科学家Sorensen对潮湿路面的反射特性开展了研究工作，其研究结果被CIE采纳并编入CIE 47—1979沿用至今[2-5]。然而欧洲当时所采用的路面材料与我国现在广泛使用的道路材料是不一样的，因此有必要专门针对中国的道路材料的标准路面反射率数据开展的研究，我们此前在干路面材料的反射特性方面开展了研究工作并取得了一些数据[6]。

本文在之前干路面反射特性研究工作的基础上，对我国(主要是上海地区)雨天条件下的路面材料反射特性进行研究。

1 路面反射特性描述方法

路面一般都是粗糙的表面，其对于光的反射有镜面反射，但大部分是漫反射。一般采用双向反射分布函数(BRDF)[7-9]来描述这种混合反射特性：

BRDF=q(α,β,γ)

(1)

q(α,β,γ)称为亮度系数，是物体表面亮度与其所受照度之比，α是从水平观察的角度，β是入射面与垂直面之间的夹角，γ是垂直向下的入射角，如图1所示[1]。

图1 道路照明亮度计算模型Fig.1 Geometry for luminance calculation in road lighting

在图1中，P是观察点，其亮度LP可以通过计算亮度系数q(α,β,γ)和水平照度EH计算而得：

(2)

式中I(c,γ)是路灯的发光强度分布函数，h是路灯垂直高度。从式(2)可以发现，对于道路照明计算，如果引用系数r(α,β,γ)：

r(α,β,γ)=q(α,β,γ)·cos3(γ)

(3)

则路面亮度可直接用式(4)进行方便计算：

(4)

一般在机动车驾驶中，汽车驾驶员注意的区域在前方60～160 m处，如图2所示。一般驾驶员眼位的平均高度大致为1.5 m，此时α的角度范围应为0.5°～1.5°之间，在这个范围内亮度系数的变化一般可以忽略，因此一般取1°作为标准观察角度进行测试和计算[10-11]。因此，r仅是β、γ的函数，测试时只需对这两个角度进行扫描即可。

图2 驾驶员观察视野Fig.2 Drivers’ field of view

在CIE路面分类系统中，采用Q0、S1这两个特征参数来进行路面分类：

(5)

(6)

(7)

2 测试系统及方法

2.1 测试系统

正是由于路面亮度测量的观察角度只有1°，因此如果采用有限面积的圆形路面作为测试目标，其被光源照射后，在观察者看来便成了一条狭长的亮条，对于一般的描点式亮度计(只有一个感光元件)，如果将视场角设置得比亮条宽度大，则亮度测试结果会偏低，如果设得小，则难以对准，且需要进行多次测量才能得到目标的平均亮度。

因此我们将成像亮度计引入到测试系统中，成像亮度计具有面阵排布的多个感光元件，可以同时感知整个视场区域内的亮度分布场，采用图像处理的方法，就可以将测试目标从整个视场中区分出来，并直接得到其平均亮度。因此，采用成像式的亮度测量方法使我们的路面材料测试系统在准确度上较传统设备有了较大的提高。

所搭建的雨天路面反射特性测试系统的实物图和结构示意图如图3和图4所示，图4中1代表成像亮度计，2代表计算机，3代表机械转台，4代表光源，5代表待测路面样品，6代表光阑。光源是采用卤钨灯制成的准直光源，模拟路灯在某个方向上形成的光强，通过转臂实现γ角度扫描。成像亮度计模拟驾驶员在1°角度上观察路面样品，不同方位角的扫描由机械转台旋转路面样品实现。机械转台通过RS232、成像亮度计通过USB与计算机连接，从而使得亮度计和光源的角度扫描与数据获取和处理同步。成像亮度计和待测路面样品之间架设了黑色光阑，以减少杂散光对亮度测量的干扰。

正式测试前，首先依次打开测试仪器：光源(调节光源使其输出最大值，预热20 min，使其达到稳定输出)、计算机、成像亮度计、机械转台。并需要对系统进行调试，用水平仪将成像亮度计的光轴角度调为向下1°，路面样品为水平放置，误差都是±0.06°；成像亮度计对路面进行成像，调整焦距使路面受照部分清晰成像，确保亮度计的视场中心与待测路面样品的中心重合；在计算机上选择成像亮度计软件CA-S20W，进行参数设置；由于路面亮度在整个测试过程中变化较大，因此成像亮度计的曝光时间设置为自动；根据成像亮度计所成像的亮度条纹，用鼠标圈定大致被测区域；计算机上选择机械转台控制软件进行角度校正，观察在γ在2°范围内数据的变化，若相差较大，则说明样品所放位置不在最佳高度上，可通过机械转台盘下的旋转钮进行高度调节，或是因为样品各个表面不在同一水平面，可在样品底部放置垫片进行微调。

按照CIE推荐的路面简化亮度系数表的标准格式，在C角度上需要对0°、2°、5°、10°、15°、20°…180°等20个角度进行扫描测试，而γ角度上则为0°、14.036°、26.565°、36.87°、45°、51.34°…85.24°等共计29个角度，整张简化亮度系数表为580个数据点，这些测试角度在软件中预先设置好。转台和光源转臂的旋转角度范围覆盖了这些角度，转台在水平位置上可以正时针及顺时针旋转180°，而光源转臂在垂直方向可左右旋转90°。

2.2 测试方法

路面样品采用模拟淋雨器进行淋湿，按照CIE推荐的标准湿路面条件将模拟淋雨器的流量设置为5 mm/h。通过预实验我们得知：由于水汽蒸发，路面样品在整个测试过程中的湿度进而其反射特性会产生较大变化，在25°室温、50%湿度条件下，所测样品在自然蒸发状态下，其反射特性达到稳定所需的时间大致为2 h。因此我们对湿路面定义了三种不同的潮湿程度：①完全淋湿后0 min；②完全淋湿后30 min；③完全淋湿后60 min。完全淋湿后2 h可认为接近于干路面。

用本测试系统不间断完成整个580个数据点的扫描测试大概需要2 h，因此无法对样品进行一次性不间断测试。我们改进了测试方法，对于一种潮湿程度，首先固定某个C角度，对γ角度进行扫描测试，当一组(C1，γ)测量结束后，重新进行淋湿并等待，然后按照顺序对下一组(C2，γ)进行扫描测试，直至所有C角度全部完成测试。但这样必定大大增加测试时间，我们在同一个C角度对几块(3～5块)样品开展错位测试，在一块样品进行γ扫描的时候其他样品进行淋湿等待，从而大大提高了测量效率。同一批次的样品所有C角度都完成测试后，将数据进行整理拼接即可得到完整的简化亮度系数表。

为了减少外界光的影响，我们的测试装置放置在全黑的暗室中。室温和湿度分别控制在25 ℃和50%。

3 测试结果

我国国内目前普遍使用的沥青路面材料为AC和SMA，水泥混凝土不在本文研究范围，因此我们选择这两种材料分别制作了新旧各5块一共20块样品作为实验测试对象。

由于数量较多，我们这里只给出了一块样品(AC-N-1，新路面样品，完全淋湿后0 min测试)的测试数据作为参考，如图5和图6所示。由于数据的动态范围较大，为了更好地显示，我们将C角度划分为两组分别作图，并进行了一定比例缩放。

图6 简化亮度系数分布图(AC-N-1，C=75°～180°)Fig.6 Simplified luminance coefficient distribution(AC-N-1，C=75°～180°)

从图5和图6可以看出，曲线大多比较平滑且按一定规律排布，峰值出现在C=0°、γ较大的位置，说明其镜面反射较强。与CIE标准W4表中的数据进行对比后发现两者分布趋势大体一致。

该样本在三种湿度条件和干路面条件下的特征参数见表1汇总，可以看出，随着湿度的降低，平均反射率水平是降低的，镜面程度也是降低的，这与路面反射特性规律相符。

表1 AC-N-1在三种湿度条件和干路面条件下的特征参数

4 结束语

我们搭建了一套雨天路面反射特性的测试系统，提出了一套相应的测试方法，从而使本实验室同时具备了干、湿路面反射特性的测试能力。我们据此完成了20块样本的测试工作，测量结果表明该系统和方法能够满足高效率、高精度的要求，且具有较好的稳定性。

[1] CIE144—2001.Road surface and road marking reflection characteristics. CIE CB, 2001.

[2] CIE 47—1949. Road lighting for Wet Conditions. CIE CB, 1949.

[3] SORENSEN K. Road Surface Reflection Data. The Danish Illuminating Engineering Laboratory, Lyngby, 1975.

[4] SORENSEN K, NIELSEN B. Road surfaces in traffic lighting. Lysteknisk Laboratorium, Lyngby, 1974.

[5] SORENSEN K, ORBRO P, RASMUSSEN B. A Review of the Suitability of the Average Luminance Coefficient Q0for Road Surfaces and Road Markings - and Proposal for aDifferent Parameter. Light & Optics, 1990, Note No 8.

[6] FAN S L, LIU M Q, SHEN H P. Uncertainty analysis of a pavement reflectance measurement system based on a gonio-photometer. Chinese Optics Letters, 2014, 12(5): 051201.

[7] YANG Y F, WU Z S, CAO Y H. Optical constants deduction and scattering BRDF computation of alloy aluminum surface in near infrared waveband. J Acta Optica Sinica, 32.

[8] WARD J. Measuring and modeling anisotropic reflection. J. ACM SIGGRAPH Computer Graphics, 1992,26121: 265-272.

[9] SHEN Y J, ZHANG Z M, TSAI B K. Bidirectional reflectance distribution function of rough silicon wafers. J International Journal of Thermophysics, 2001,22(4): 1311-1326.

[10] KHAN M H, SENADHEERA S, GRANSBERG D D, et al. Influence of pavement surface characteristics on nighttime visibility of objects. Trans Res Record: J Transport Res Board, 1999, 1692:39-48.

[11] KING L E, FINCH D M. A laboratory method for obtaining pavement reflectance data. Highway Research Record 216, National Research Council, Washington DC, 1968.