一種高速公路霧霾路況下激光道路標識裝置的設計與實現

曾昭獻 劉瑞娟 馬永軍

摘要：目前高速公路道路標識大多數采用涂在道路路面和兩側護欄上的反光材料，反射太陽光和汽車燈光作為道路標識。這種道路標識一旦遇到有濃霧、霧霾的情況下，幾乎被掩蓋，造成行車安全隱患和交通事故。因此，高速公路遇到大霧天氣時只有關閉道路，嚴重影響了人們的出行以及給道路運輸造成不小的損失。針對這種情況，利用高頻激光的丁達爾現象，運用太陽能技術，微電子控制技術，激光技術，設計了一種高速公路霧霾路況下激光道路標識裝置。闡述了激光道路標識裝置的結構和實現方法。

關鍵詞：太陽能板、激光發生器、霧霾、

中圖分類號：TU61 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）065（ a）-0000-00

一、引言

高速公路道路標識在保障高速公路行車安全中起著至關重要的作用。目前我國高速公路的行車路標采用鋁粉油漆刷在路面和兩側護欄上，通過被動光源反光來實現的。這種道路標識碰到大霧和霧霾情況下，高速公路路面道路標識被濃霧掩蓋，使得司機們難于分辨道路上的路標，容易造成交通事故。

高管部門不得不關閉高速公路，嚴重影響人們的出行和公路交通運輸。隨著電子科技與新型能源的迅速發展，太陽能技術，激光技術、微電子控制技術等在各領域里得到了廣泛的應用，鑒于目前高速公路路標存在的問題，本文提出了一種基于高頻激光丁達爾現象、通過太陽能電板供電以及微電子電路控制，能在大霧或者霧霾情況下工作的激光路標設計方案。

二、設計思路

利用太陽能發電技術，在高速公路兩側護欄邊立桿安裝上太陽能帆板，通過太陽能帆板發電供應激光發生器能源；運用微電子技術控制濃霧和霧霾情況下激光發生器工作；利用激光的丁達爾現象，在濃霧和霧霾情況下形成激光光束，將激光發生器陣列以扇形縱向排列安裝在立桿3米處，激光光束由上而下形成側面路標；同時將另一個激光發生器陣列以扇形縱橫排列安裝在立桿0.6米處，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，即形成了路面路標，當前面有車輛行駛時激光光束被阻斷，以提示司機。

三、激光路標裝置的硬件組成

本裝置主要由太陽能發電模塊、濃霧和霧霾檢測模塊、微電子控制電路模塊、激光發生器陣列模塊組成。硬件結構組成框圖如圖1所示。

四、激光光束路標的實現原理

1.激光的丁達爾現象

在光的傳播過程中，光線照射到粒子時，粒子大于入射光波長很多倍，則發生光的反射；粒子小于入射光波長，則發生光的散射，這時觀察到的是光波環繞微粒而向其四周放射的光，稱為散射光或乳光即光的丁達爾效應現象。紅色激光波長為671nm至635nm，霧氣為水分子組成的膠體粒子，它的大小介于1nm至100nm之間；霧霾主要是污染物PM2.5，其直徑數值小于或等于2.5nm的懸浮顆粒物，當激光照射到它的上面時經過膠體粒子的折射，在濃霧和霧霾中形成了一條明亮的紅色激光光束。

2.激光光束路標的實現

高速公路兩側路標的實現：在兩側護欄安裝4m高，直徑為10cm立桿，激光發生器陣列安裝在立桿高度3m處，激光照射方向垂直地面以扇形角度為120°-150°展開，激光照射到護欄內側形成兩側前后30m左右路標。如遇高速公路拐彎，可按拐彎弧度來調整激光發生器照射角度。高速公路路面路標的實現：將激光發生器陣列安裝在立桿高度0.6m處，激光照射方向平行地面以扇形角度為120°-150°展開，激光照射到對面護欄上在平行路面并高于路面0.6形成前后30m左右扇形路面路標。汽車在霧霾天氣情況下，在高速公路上行駛時，駕駛員通過路面上紅色激光光束的阻斷來判斷前面的道路是否有車輛。通過兩側路標來判斷車輛所在的位置。

五、裝置的設計與實現

1.太陽能發電

高速公路激光路標裝置需要大功率電源，為次本裝置利用太陽能發電。采用中四通公司生產的 70cm×70cm太陽能帆板，功率P=60W、輸出電壓UO=14.6V、輸出電流IO=4A。太陽能帆板發出來的電能通過12V的穩壓電路存儲于裝置中12V/100AH的蓄電池中，通過穩壓電路，輸出直流12V、5V電壓，以保證獨立對裝置供電。

2.采樣電路

具體實現過程：煙霧傳感器接受到霧氣時，產生電壓變化，通過比較器和放大器輸出一個比較穩定的電壓，裝置設定電壓范圍0-4V。采集的數據信息通過A/D轉換成二進制數碼，接入8051單片機的并行I/O端口：P2.0。霧氣采樣傳感器采用2M007傳感器。霧霾傳感器采用B4系列傳感器，其具有強信號電平，低零點電流的特性，分辨率可低至小于10 （ppb），反應時間短，抗干擾，分辨率高，線性度好，工作范圍較廣等優點。霧霾傳感器采集的數據信息通過A/D轉換成二進制數碼，接入8051單片機的并行I/O 端口：P2.1。

3.微電子控制電路

微電子控制電路選用技術成熟，運行安全穩定可靠的8位8051單片機微控制系統。當有霧氣和霧霾時，采樣電路輸出電壓發生變化，單片機微控制系統通過已編好的程序對輸入的信息進行比較和處理，驅動激光電路，并根據霧氣和霧霾的濃度分三個功率等級對激光陣列功率控制。輸出驅動接口為：P3.0-P3.1，兩側路標激光陣列接P3.0，路面路標激光陣列接P3.1。運行程序建立在C語言平臺上開發。

4.激光陣列驅動電路

激光發生器采用樂佳科技的產品，顏色：紅色、波長：671nm至635nm、供電電壓直流5V、功率5mW。用20個激光發生器以扇形（120°-150°）展開在平面布局安裝成陣列，20激光發生器在電路上并聯，用三極管驅動。 驅動電路分三個功率等級：100mW為大功率等級，80mW為中功率等級，60mW以下為低功率等級。驅動三極管通過微電子控制器輸出不同的電壓來控制激光的輸出功率。

六、結束語

裝置將太陽能發電技術、微電子控制技術、激光技術融合在一起，它的實現可以改善高速公路在濃霧和霧霾情況下的通車條件，同時減少了高速公路行車的安全隱患。如果汽車在制造的時候能配上激光尾燈，更加能改善高速公路的通車條件。方便了人們的出行以及貨物運輸快暢，給國民經濟建設帶來更大的效益。

參考文獻

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