基于點(diǎn)光源和球面光源的集魚燈照度模型比較研究

花傳祥，李 非，朱清澄*，孫 棟， 田中旭

(1.上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306;2.上海海洋大學(xué) 國(guó)家遠(yuǎn)洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海 201306;3.上海海洋大學(xué)工程學(xué)院，上海 201306)

1 引 言

光誘捕撈是將魚類趨光性應(yīng)用到漁業(yè)中的一種作業(yè)方式[1]，光誘漁業(yè)一般操作簡(jiǎn)單，漁獲率高，廣泛應(yīng)用于近海及遠(yuǎn)洋海域[2-4]，常見(jiàn)的光誘漁業(yè)有光誘秋刀魚舷提網(wǎng)漁業(yè)、光誘魷釣漁業(yè)、燈光圍網(wǎng)漁業(yè)、燈光罩網(wǎng)漁業(yè)等[5-8]。集魚燈是光誘漁業(yè)中重要的助漁裝備，主要起誘魚和集魚作用，其本身性能及配置參數(shù)直接決定作業(yè)漁船周圍水體中光照度情況，從而影響魚群誘集效率及漁獲產(chǎn)量[9]。近年來(lái)，隨著捕撈裝備不斷升級(jí)，漁船為提高捕撈效率而盲目增加集魚燈功率，致使?jié)O場(chǎng)出現(xiàn)嚴(yán)重的光力競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象，造成不必要的資源浪費(fèi)。針對(duì)以上問(wèn)題，建立理論照度模型研究光場(chǎng)內(nèi)照度分布尤其重要。

目前，對(duì)于魚類視覺(jué)特性、海水光學(xué)性質(zhì)、燈具光學(xué)性能、燃油成本等[10-18]均已有較多研究，但在照度模型擬合優(yōu)化和理論計(jì)算方面仍顯不足。Saburo等人[19]曾依據(jù)點(diǎn)光源計(jì)算法分析集魚燈在水中的照度變化情況。Choi等人[20]將小型魷釣船上集魚燈列視作線光源進(jìn)行建模，研究了不同功率集魚燈在海面及水中的照度分布。上海市水產(chǎn)研究所等單位[21]使用經(jīng)驗(yàn)公式近似推算水下燈在水中的照度情況。錢衛(wèi)國(guó)等人[22]通過(guò)分析以上3種方法，提出疊加法建立照度模型，并利用魷釣船上集魚燈配置參數(shù)對(duì)各方法進(jìn)行比較。肖啟華等人[23]結(jié)合光學(xué)理論和集魚燈發(fā)光特性，認(rèn)為面光源積分計(jì)算法可更準(zhǔn)確地?cái)M合實(shí)際照度分布。花傳祥等人[24]基于幾何關(guān)系推導(dǎo)照度模型，對(duì)比探究集魚燈箱在30°、45°、60°安裝傾角下秋刀魚漁船上光場(chǎng)內(nèi)照度分布及波動(dòng)情況。以上研究雖從不同角度建立照度方程，但均未考慮燈泡本身的實(shí)際發(fā)光情況；此外，海上實(shí)測(cè)照度實(shí)驗(yàn)往往受海況、月相等不可控因素影響，數(shù)據(jù)可信度可能會(huì)降低。

本文基于點(diǎn)光源法和球面光源法分別建立理論照度模型，通過(guò)白熾燈箱平面實(shí)測(cè)照度數(shù)據(jù)對(duì)比分析點(diǎn)光源模型和球面光源模型的可行性，在此基礎(chǔ)上研究了白、紅單燈箱在不同傾角下的地面照度分布，旨在為將來(lái)分析水中照度分布[25]、LED集魚燈研發(fā)[26]及漁船集魚燈合理配置等提供理論參考。

2 材料與方法

2.1 集魚燈燈箱

本文以大連國(guó)際合作公司“國(guó)際908”號(hào)秋刀魚漁船上集魚燈單燈箱及燈泡參數(shù)為例，建立理論照度模型。全船共118組長(zhǎng)形燈箱，其中每隔3組紅色燈箱安裝1組白色燈箱，燈箱長(zhǎng)1.8 m，寬0.5 m，內(nèi)含2排共24只白熾燈泡，型號(hào)均為L(zhǎng)AMP FOT SHIP 220 V-500 W。本文使用GO-2000型分布光度計(jì)測(cè)定了24只白色燈泡和24只紅色燈泡的實(shí)際功率、發(fā)光效率和配光曲線，燈泡布局及外形見(jiàn)圖1。

圖1 燈箱內(nèi)燈泡布局及外形Fig.1 Layout and shape of bulb in the light box

實(shí)驗(yàn)所用白色燈泡和紅色燈泡的配光曲線實(shí)例見(jiàn)圖2，燈箱內(nèi)白色、紅色燈泡各24只的實(shí)際功率和發(fā)光效率測(cè)定情況見(jiàn)表1。

圖2 白燈和紅燈配光曲線Fig.2 Light distribution curves of white and red light bulbs

白燈泡紅燈泡實(shí)際功率/W發(fā)光效率/(lm·W-1)實(shí)際功率/W發(fā)光效率/(lm·W-1)最小值437.8511.91491.351.35最大值455.7512.39511.451.41平均值446.812.15501.41.38標(biāo)準(zhǔn)差4.590.144.880.02

2.2 光照度模型建立

2.2.1 假設(shè)條件

(1)將橢球形燈泡近似看作球形燈泡；

(2)各燈泡光學(xué)特性相互間無(wú)顯著性差異[27]；

(3)不考慮燈箱內(nèi)壁、地面及周圍物體的光反射現(xiàn)象，忽略背景光對(duì)地面照度影響。

2.2.2 建立坐標(biāo)系

以燈箱底端中點(diǎn)在地面的垂直投影點(diǎn)為原點(diǎn)，燈箱長(zhǎng)軸線在地面投影線為x軸，燈箱短軸在地面投影線為y軸，豎直向上為z軸，建立空間直角坐標(biāo)系，如圖3所示。其中，h為燈箱底端到地面垂直距離，P為燈泡面上任意微元，H為微元P到地面垂直距離，Q為地面上任意點(diǎn)，δ為PQ與Q點(diǎn)處法向夾角，α為燈箱架設(shè)傾角。

圖3 單燈箱對(duì)地面任意Q點(diǎn)照度計(jì)算Fig.3 Illuminance calculation of single light box to any point Q on the ground

2.2.3 建立照度分布模型

將單個(gè)燈泡分別近似看作點(diǎn)光源和球面光源，疊加燈箱內(nèi)所有燈泡光強(qiáng)建立單燈箱到Q點(diǎn)處的照度模型。

2.3 照度實(shí)測(cè)

實(shí)驗(yàn)在夜間(微弱月光)開闊場(chǎng)地進(jìn)行(圖4)，盡量除去周圍背景光對(duì)實(shí)驗(yàn)照度測(cè)定區(qū)域干擾。按船上集魚燈實(shí)際安裝方式，事先布置燈箱及標(biāo)定地面照度測(cè)定點(diǎn)位置，流程如下：

(1)將傾角可調(diào)的燈箱架設(shè)在距地面h=5.7 m處；

(2)根據(jù)燈箱位置，將場(chǎng)地劃分為1 m×1 m方格，以每?jī)蓷l線交點(diǎn)作為測(cè)定點(diǎn)(圖3中虛線交點(diǎn))；

(3)利用照度計(jì)分別測(cè)定白、紅燈箱在45°、60°、75°傾角下測(cè)定點(diǎn)處照度值，每個(gè)位置重復(fù)測(cè)定3次取平均值。

實(shí)驗(yàn)所用照度測(cè)定儀器為日本石川產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社制造的IU-2B型燈光照度計(jì)，量程為0～2×105lx，精度為0.1 lx。

圖4 照度實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地Fig.4 Illumination test site

2.4 數(shù)據(jù)處理及分析

(1)根據(jù)點(diǎn)光源法和球面光源法所建立的照度模型，分別比較點(diǎn)光源模型和球面光源模型理論值與實(shí)測(cè)值的關(guān)系，以確定合適的照度分布模型；

(2)基于適合的照度分布模型，分別計(jì)算白、紅單燈箱在45°、60°、75°下的照度分布情況，分析照度分布及衰減等特點(diǎn)。

本文使用Matlab R2016b進(jìn)行模型計(jì)算、數(shù)據(jù)分析和繪圖。

3 結(jié)果與討論

3.1 基于點(diǎn)光源法的模型建立

點(diǎn)光源法是將集魚燈燈泡視作集中于一點(diǎn)且具有各向同性特性的發(fā)光體，以計(jì)算被照點(diǎn)處照度的方法，符合距離平方反比定律[28-29]。

v=d·sinα,

(1)

u=d·cosα,

(2)

式中，d為相鄰2燈泡球心距離，單位m；v為2球心在z方向的距離，單位m；u為2球心在x方向的距離，單位m；α為燈箱安裝傾角，單位(°)。

圖5 燈箱內(nèi)同排任意相鄰2燈泡球心位置關(guān)系Fig.5 Positional relationship of any adjacent two bulbs in the same row in the light box

以燈箱內(nèi)任意第i只白熾燈泡為研究對(duì)象，其發(fā)出的光在地面上任意點(diǎn)Q的照度[30]為：

(3)

式中，EiQ為第i只燈在地面Q點(diǎn)的照度值，單位lx；I為光源的平均光強(qiáng)，單位cd；δ為光源在Q點(diǎn)處的入射角，單位rad；r為光源到Q點(diǎn)間距離，單位m。

對(duì)于不同的燈箱安裝傾角，首先根據(jù)空間幾何關(guān)系求出燈箱底部第1只燈泡的球心坐標(biāo)，再依據(jù)任意2只相鄰燈泡球心間的縱向距離和橫向距離，由式(1)和式(2)可求出任一只燈泡的球心坐標(biāo)，對(duì)燈箱內(nèi)24只燈泡在地面Q點(diǎn)的照度值進(jìn)行疊加求和，得到單燈箱對(duì)地面任意點(diǎn)的總照度值。即單燈箱對(duì)Q點(diǎn)的總照度為：

(4)

式中，Etotal_ p為點(diǎn)光源模型所計(jì)算單燈箱對(duì)任意Q點(diǎn)的總照度值，單位lx。

3.2 基于球面光源法的模型建立

球面光源法是將集魚燈燈泡看作一個(gè)各向同性的球面發(fā)光體[22,31]，球體半徑R=0.12 m；當(dāng)單只集魚燈燈泡照向地面上Q點(diǎn)時(shí)，并非是其整個(gè)球面發(fā)出的光都可照射到該點(diǎn)，而僅只是球面上的有效發(fā)光區(qū)域(球冠)發(fā)出的光可照射到Q點(diǎn)，對(duì)于第i只燈泡，當(dāng)微元P位于P′時(shí)形成的球冠面為該燈泡對(duì)Q點(diǎn)的最大有效發(fā)光區(qū)域，且球冠面的大小會(huì)因白熾燈與Q點(diǎn)間的相對(duì)位置不同而不斷變化，見(jiàn)圖6。

圖6 球面上微元P及有效發(fā)光區(qū)域Fig.6 Micro-elementPand effectively lighting area on spherical surface

ds=2πR2cosθdθ,

(5)

(6)

根據(jù)余弦公式及三角函數(shù)變換有：

(7)

由光學(xué)理論公式[31-32]：

I=L·ds,

(8)

式中，I為球面光源的平均光強(qiáng)，單位cd；L為球面光源亮度，單位cd/m2。其中，光源亮度表達(dá)式[29]為：

(9)

式中，η為球面光源功率，單位W；Z為球面光源發(fā)光效率，單位lm/W。由三角函數(shù)公式有：

(10)

(11)

當(dāng)P位于P′時(shí)，由三角函數(shù)關(guān)系知θ為：

(12)

(13)

由于燈泡本身尺寸相對(duì)PQ間距離很小(PQ間最小距離超過(guò)球半徑的90倍)，計(jì)算時(shí)，式(10)中H近似取zi，將式(12)代入上式(13)進(jìn)行積分即可求出任意第i盞球面光源對(duì)地面任意Q點(diǎn)的照度值。同理，由于燈箱內(nèi)各燈泡間的縱向距離和橫向距離相同，對(duì)燈箱內(nèi)24只白熾燈泡在地面Q點(diǎn)的照度值進(jìn)行疊加，即得單燈箱對(duì)地面任意點(diǎn)的總照度值：

(14)

式中，Etotal_ s為球面光源模型所計(jì)算單燈箱對(duì)地面Q點(diǎn)的總照度值，單位lx。

3.3 模型理論值與實(shí)測(cè)值比較分析

根據(jù)實(shí)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)參數(shù)，分別基于點(diǎn)光源模型和球面光源模型計(jì)算白、紅單燈箱在安裝傾角為45°、60°和75°的理論值，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較分析。模型理論值與實(shí)測(cè)值間關(guān)系見(jiàn)圖7，可以看出6種情況下球面光源模型對(duì)實(shí)測(cè)值的擬合關(guān)系式中斜率系數(shù)均較點(diǎn)光源模型更接近于1，即經(jīng)球面光源模型計(jì)算獲得的理論值更加接近于實(shí)測(cè)值。

白、紅燈箱在3個(gè)傾角下點(diǎn)光源、球面光源模型理論值與實(shí)測(cè)值間方差分析表明，點(diǎn)光源理論值與實(shí)測(cè)值間均存在顯著性差異(P<0.05)，球面光源模型理論值與實(shí)測(cè)值間均無(wú)差異(P>0.05)，具體見(jiàn)表2。對(duì)比點(diǎn)光源法、球面光源法理論值及實(shí)測(cè)值的均值、標(biāo)準(zhǔn)差發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)值與點(diǎn)光源法理論值間差別較其與球面光源法理論值間差異明顯，見(jiàn)表3。

表2 白、紅燈箱在不同傾角下點(diǎn)光源和球面光源模型理論值與實(shí)測(cè)值間方差檢驗(yàn)

注: 顯著水平為0.05時(shí),F(α=0.05)=3.926.F值上標(biāo)a表示理論值與實(shí)測(cè)值存在顯著性差異(P<0.05), b表示二者間無(wú)顯著性差異(P>0.05).

表3 白、紅燈箱在不同傾角下實(shí)測(cè)值與點(diǎn)光源和球面光源模型理論值均值及標(biāo)準(zhǔn)差比較

注:第1列中MV表示實(shí)測(cè)值, PV表示點(diǎn)光源法理論值, SV表示球面光源法理論值.

圖7 白、紅燈箱在不同傾角下點(diǎn)光源法和球面光源法的理論值與實(shí)測(cè)值比較Fig.7 Comparison of theoretical and measured values between point light source method and spherical light source method for white and red light boxes at different angles

不同學(xué)者對(duì)光源適用模型及計(jì)算方法沒(méi)有統(tǒng)一觀點(diǎn)[22]。有研究提出當(dāng)光源與測(cè)定點(diǎn)間距離大于光源本身尺寸10倍[33]時(shí)即可看作點(diǎn)光源，也有學(xué)者認(rèn)為是5倍[34]，對(duì)于漁船上集魚燈與海面間相對(duì)距離而言，將單個(gè)燈泡視作點(diǎn)光源是可行的(本文中白熾燈泡直徑為0.12 m)。此外，點(diǎn)光源法僅適用于各向同性發(fā)光體，如白熾燈，而對(duì)金鹵燈、LED等光強(qiáng)各向異性的光源并不適合。點(diǎn)光源法更適應(yīng)早期漁船上集魚燈個(gè)數(shù)較少的情況，對(duì)目前狀況應(yīng)用性大大降低[35]。秋刀魚漁船上左、右舷燈列間距較遠(yuǎn)，將2列燈視為一條光帶計(jì)算海面照度會(huì)有較大誤差[36]，故線光源法也不適用于分析照度分布。疊加法雖將每只集魚燈對(duì)被照點(diǎn)的照度進(jìn)行疊加，但忽略了燈的實(shí)際發(fā)光情況，即集魚燈點(diǎn)亮?xí)r只是其球面上部分面發(fā)出的光可投射到地面上某一點(diǎn)，且有效發(fā)光面的大小會(huì)隨被照點(diǎn)位置變動(dòng)而不同。本文不僅具體將每只燈泡對(duì)地面點(diǎn)照度進(jìn)行疊加，還考慮了球面的有效發(fā)光面積，使模型更接近真實(shí)情況；此外，本文是在地面進(jìn)行光學(xué)實(shí)驗(yàn)，不存在海表反射、波浪、氣泡等影響光場(chǎng)內(nèi)真實(shí)照度的問(wèn)題[16]，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更接近真實(shí)值，對(duì)模型的校驗(yàn)程度更高。

錢衛(wèi)國(guó)[35]針對(duì)魷釣船鹵素?zé)衾命c(diǎn)光源法和疊加法計(jì)算海表0.1 m水層照度值(相當(dāng)于海面)，得出點(diǎn)光源法理論值與實(shí)測(cè)值間關(guān)聯(lián)系數(shù)接近0.79，與本文點(diǎn)光源計(jì)算法結(jié)果稍有差異，主要可能是2種實(shí)驗(yàn)燈具的配光曲線差別較大。本文中，利用球面光源模型計(jì)算出的絕大多數(shù)測(cè)量點(diǎn)處的理論值較實(shí)測(cè)值稍小，可能是由于白熾燈燈泡實(shí)際上為橢球形，其在不同方向的光強(qiáng)并非完全均勻(圖2)；另外，背景光疊加[37]、燈箱內(nèi)壁及周圍物體的反射等也可能會(huì)使實(shí)測(cè)值偏大。同時(shí)，個(gè)別位置處的理論值較實(shí)測(cè)值偏大，尤其在兩側(cè)距燈箱較遠(yuǎn)的區(qū)域，可能是因?yàn)闊粝浯嬖谝欢ǖ恼诠饨荹38]，燈泡發(fā)出的部分光被燈箱側(cè)壁阻礙而無(wú)法直射，只有周圍不被遮擋的光因其波動(dòng)性產(chǎn)生的衍射光[36]才能落到兩側(cè)，故造成實(shí)測(cè)值偏小。對(duì)于以上造成實(shí)測(cè)值偏離真實(shí)值的各種因素，下一步研究中可作為影響因子考慮到模型中。圖7中，不同情形下球面光源法理論值與實(shí)測(cè)值間擬合式中系數(shù)均較點(diǎn)光源法更接近于1，說(shuō)明球面光源法得到的理論值較點(diǎn)光源法更接近實(shí)測(cè)值，而點(diǎn)光源法相對(duì)偏差較大；此外，點(diǎn)光源模型和球面光源模型理論值與實(shí)測(cè)值間的顯著性檢驗(yàn)(表2)及均值、標(biāo)準(zhǔn)差比較結(jié)果(表3)也表明球面光源模型更為符合秋刀魚舷提網(wǎng)集魚燈照度分布。

從圖7看出，球面光源理論值與實(shí)測(cè)值的整體離散度相對(duì)點(diǎn)光源稍大，這主要可能是由于以下幾方面造成的：(1)由于本實(shí)驗(yàn)所需的空間較大，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室條件不易滿足，故是在露天場(chǎng)地進(jìn)行(圖4)，這就可能導(dǎo)致在測(cè)定不同站位照度時(shí)的背景光強(qiáng)[39]并非是恒定值，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的不平整也會(huì)致使照度測(cè)量?jī)x器的感光部位并不能完全水平，細(xì)微的操作差異就會(huì)導(dǎo)致照度值有明顯變化；再加上儀器本身可能存在的系統(tǒng)誤差，最終會(huì)使得不同站位的實(shí)測(cè)值與真實(shí)照度值不一致。(2)比較60°傾角下各站位的球面光源理論值、點(diǎn)光源理論值和實(shí)測(cè)值發(fā)現(xiàn)(圖8)，照度越高，實(shí)測(cè)值與理論值的偏差越大。在實(shí)測(cè)照度值較小的情況下(對(duì)應(yīng)距燈箱較遠(yuǎn)的測(cè)試站位)，球面光源理論值與實(shí)測(cè)值間偏差很小，幾乎重合；當(dāng)實(shí)測(cè)照度值較大時(shí)(對(duì)應(yīng)靠近燈箱周圍的測(cè)試站位，尤其是正下方)，球面光源理論值與實(shí)測(cè)值偏差較大，這可能導(dǎo)致球面光源理論值與實(shí)測(cè)值擬合時(shí)整體線性離散度變大。而點(diǎn)光源理論值本身數(shù)值較小，其與實(shí)測(cè)值擬合時(shí)的線性離散度可能也較小。

圖8 白、紅燈箱在60°傾角下各實(shí)驗(yàn)站位對(duì)應(yīng)點(diǎn)光源法和球面光源法理論值與實(shí)測(cè)值比較Fig.8 Comparison of theoretical and measured values obtained by the point source method and spherical light source method on each measuring station for white and red light boxes at 60° angle

3.4 白、紅單燈箱在不同傾角下照度分布

根據(jù)3.3節(jié)的結(jié)果，本文基于球面光源照度模型分別計(jì)算了白、紅單燈箱在45°、60°、75°下地面照度分布及y=0 m、y=-10 m處照度值隨距離變化，見(jiàn)圖9。

白燈箱傾角45°時(shí)(圖9(a))，分析地面照度分布發(fā)現(xiàn)，距光源10 m范圍內(nèi)等值線較密集，10 m外區(qū)域照度均在100 lx以下，10 lx照度等值線距原點(diǎn)約23.14 m。結(jié)合曲線m、n可看出，照度值隨到原點(diǎn)間距離增加呈先增大后減小趨勢(shì)，但原點(diǎn)處的照度衰減明顯高于兩側(cè)。由曲線m知，地面最大照度值為737.15 lx，曲線n表明，-10 m處照度幾乎不隨到原點(diǎn)間距離增加而有較大變化；傾角60°時(shí)(圖9(c))，光源10 m范圍內(nèi)平均照度衰減率為74.83 lx/m，10 m處照度值約為104 lx，10 lx照度等值線約在22.91 m，最大照度值為747.22 lx；傾角75°時(shí)(圖9(e))，光源10 m范圍內(nèi)平均照度變化率為73.36 lx/m，10 lx等值線距原點(diǎn)約22.84 m，最大照度值為752.30 lx。

圖9 白、紅燈箱在不同傾角下地面照度分布及y=0 m、y=-10 m處照度隨距離變化(依次對(duì)應(yīng)曲線m、n)Fig.9 Illuminance distribution of white and red light boxes at different inclination angles and illuminances vary with distance aty=0 m,y=-10 m(corresponding to curvemandnin turn)

紅燈箱傾角45°時(shí)(圖9(b))，根據(jù)地面照度分布看出，距光源6 m范圍內(nèi)等值線相對(duì)較密集，6 m處等值線照度約為30 lx，10 m內(nèi)平均照度衰減速率為9.35 lx/m，10 m外區(qū)域照度均在10 lx以下，1 lx照度等值線距原點(diǎn)約25.03 m，兩者間區(qū)域的平均照度變化率僅為0.94 lx/m。根據(jù)曲線m、n發(fā)現(xiàn)，照度隨距離的變化情況與白燈箱一致。由曲線m知，地面最大照度值為94.03 lx，-10 m處照度值隨距離變化仍不明顯；傾角60°時(shí)(圖9(d))，光源6 m范圍內(nèi)照度在30 lx以上，10 m內(nèi)平均照度衰減率為9.41 lx/m，之外區(qū)域照度均在10 lx以下，變化趨勢(shì)顯著減弱，1 lx照度等值線最遠(yuǎn)達(dá)24.87 m，最大照度值為；傾角75°時(shí)(圖9(f))，光源6 m范圍內(nèi)照度變化較大，10 m區(qū)域內(nèi)衰減率為9.34 lx/m，1 lx距原點(diǎn)距離為24.72 m，兩者間照度變化率僅為0.85 lx/m，最大照度值為95.96 lx。

由圖7看出，白、紅燈箱理論值與實(shí)測(cè)值間的擬合斜率系數(shù)存在差異，主要可能是因?yàn)?種白熾燈色的發(fā)光特性不同[31]，根據(jù)配光曲線發(fā)現(xiàn)，白燈在整個(gè)空間內(nèi)的光強(qiáng)分布較紅燈更均勻，會(huì)直接造成地面照度分布不同。圖9中，相同安裝傾角下，地面上同一位置處的白燈箱照度明顯比紅燈高，尤其在光源附近，這是由燈具發(fā)出的輻照度總量及發(fā)光效率不同造成的。秋刀魚作業(yè)中主要利用白燈誘集魚群。結(jié)合平面照度分布發(fā)現(xiàn)，紅燈照度值較低且照度變化梯度小，很可能是因其對(duì)秋刀魚視覺(jué)的刺激驅(qū)離效應(yīng)較弱，可起到穩(wěn)定魚群的作用，因此秋刀魚漁船主要配置紅燈用來(lái)穩(wěn)定魚群[2]。此外，白、紅燈箱照度分布差異使得海水中魚群的感光區(qū)域[9]不重疊，恰好可起到互補(bǔ)作用。花傳祥等人[24]考慮到光場(chǎng)內(nèi)照度波動(dòng)對(duì)誘集范圍的影響，認(rèn)為可適當(dāng)加大以誘魚為目的的白燈箱傾角。Arimoto等人[40]根據(jù)實(shí)船作業(yè)發(fā)現(xiàn)紅燈會(huì)使秋刀魚群圍繞漁船作洄旋游動(dòng)，且其在垂直方向的光強(qiáng)變化較白燈更顯著，可促使魚群從深處向表層聚集，表明紅燈在水平和垂直兩個(gè)方向上的傳播情況或許存在差異。陳清香等人[41]認(rèn)為海水對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸收差異造成傳播中光色發(fā)生改變，致使不同水層魚類感受到的光刺激程度不同，進(jìn)一步表明顏色會(huì)影響誘集效果。目前，各國(guó)家和地區(qū)的秋刀魚漁船上集魚燈配置顏色并不統(tǒng)一[9,42]，相互間漁獲量也存在較大差異，其除了與船數(shù)、作業(yè)位置不同有關(guān)外，還可能是因?yàn)榇蠠舻恼T魚效果不同。

3.5 白、紅單燈箱在不同傾角下照度衰減率

圖10為白、紅燈箱在45°、60°、75°下，y=0 m處照度值隨距離的變化。可以看出，白、紅燈箱在地面的照度均隨距離增加先增大再減小，但最高照度值位置到原點(diǎn)間的距離不同，白、紅燈箱3個(gè)傾角對(duì)應(yīng)依次均為1.35、1.21、1.11 m；此外，由曲線發(fā)現(xiàn)不同位置處斜率隨距離不斷變化。

y=0 m處，照度衰減速率隨距離的變化情況見(jiàn)圖11。可看出白、紅燈箱在不同傾角下，衰減率的絕對(duì)值均隨到原點(diǎn)間距離的增大先減小后增大，最終趨近于0；白、紅燈箱的照度衰減趨勢(shì)一致，但相同位置處白燈箱的照度衰減速率明顯高于紅燈箱，3個(gè)傾角衰減速率最大值所對(duì)應(yīng)位置依次為4.02、3.84、3.72 m。不同傾角的照度衰減速率在4.41 m處相等，原點(diǎn)到最大照度處及4.41 m外區(qū)域內(nèi)的衰減率隨傾角增大逐漸減小，最大照度處到4.41 m間區(qū)域的衰減率隨之增大，主要是因?yàn)閮A角會(huì)影響燈箱投向不同距離的光分布，傾角較小時(shí)，會(huì)將更多的光投向近處，故近處的光衰速率較大，但由于地面中心亮斑附近的光更集中，致使光斑周圍的照度變化反而較小，隨距離增加光衰速率又會(huì)對(duì)稱性地增大；此外，光衰減主要集中在距光源15 m范圍內(nèi)，15 m以外照度變化率小于2.57 lx/m。

圖10 白、紅燈箱在不同傾角下y=0 m處照度隨距離變化情況Fig.10 Variation of illuminance with distance aty=0 m for white and red light boxes at different angles

圖11 白、紅燈箱在不同傾角下y=0 m處照度衰減率隨距離變化Fig.11 Variation of illumination attenuation with distance aty=0 m for white and red light boxes at different angles

由白、紅燈箱在地面的照度分布發(fā)現(xiàn)，光源周圍照度等值線形成同心圓，照度均隨距離先增大再減小，最高照度的位置不在原點(diǎn)，主要是因燈箱箱體超出了地面坐標(biāo)原點(diǎn)，但還可能與白熾燈的配光曲線有關(guān)。本文中白燈最高照度值大于文獻(xiàn)[24]結(jié)論中相同傾角及燈色的最高照度，原因除了架設(shè)高度不同之外，還可能是由燈泡型號(hào)差異致使發(fā)出的總輻照度不同導(dǎo)致的。圖11中，白、紅燈箱的照度衰減速率隨距離變化趨勢(shì)一致，且最高照度值對(duì)應(yīng)位置相同，說(shuō)明2種燈色的光衰減差別很小，照度衰減主要受燈箱安裝傾角影響，即傾角不同改變了光的投射方向。此外，3個(gè)傾角所對(duì)應(yīng)的最高照度位置不同，可能是因傾角增大，燈箱雖然將更多光線投向更遠(yuǎn)處，但同時(shí)增加了投射到空氣中的光損耗，從而改變不同傾角的照度分布。對(duì)比白、紅燈箱3個(gè)傾角下照度分布發(fā)現(xiàn)，最大照度值均隨傾角增加而增大，但75°的照度值并沒(méi)有較60°有顯著增大，說(shuō)明燈箱的最佳安裝傾角應(yīng)在2個(gè)角度之間，孫棟[31]通過(guò)建立秋刀魚漁船半舷照度模型，認(rèn)為燈箱傾角為66°時(shí)光場(chǎng)效果最優(yōu)，這與本文結(jié)果一致性較高。以秋刀魚漁船上數(shù)量居多的紅燈箱為例，單燈箱在45°、60°、75°傾角下，原點(diǎn)到1 lx等值線最遠(yuǎn)距離依次為25.03、24.87、24.72 m(圖9)，表明單個(gè)燈箱在不同傾角下的照度分布差異并不明顯，但秋刀魚集群的最低照度閾值范圍僅為10-2～10-51x[43]，且船上單側(cè)舷共有約60組燈箱，疊加后會(huì)加大不同傾角下的海面照度差異，夏輝[44]認(rèn)為燈箱傾角過(guò)小或過(guò)大均會(huì)使誘魚效果不佳，表明燈箱安裝傾角會(huì)顯著影響水中照度分布。此外，漁船與秋刀魚集群的最適照度區(qū)域間距離對(duì)生產(chǎn)中放、收網(wǎng)操作會(huì)有一定影響，即實(shí)際作業(yè)也要求燈箱以合適傾角安裝。

大多魚類趨光行為受光場(chǎng)內(nèi)照度分布影響顯著，但目前對(duì)于魚群趨光集群機(jī)理仍沒(méi)有統(tǒng)一定論[9,16]，故有必要進(jìn)行更深入探討[45]，日后需結(jié)合海洋遙感數(shù)據(jù)[46]建立全船照度模型分析漁場(chǎng)內(nèi)照度情況。

4 結(jié) 論

本文根據(jù)集魚燈泡的實(shí)際光學(xué)特性分別提出了基于點(diǎn)光源和球面光源的建模方法，并對(duì)單燈箱在不同傾角下的照度分布進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，球面光源模型對(duì)實(shí)測(cè)值的擬合斜率系數(shù)約為0.8，較點(diǎn)光源模型(約為0.5)更接近于1。球面光源模型理論值與實(shí)測(cè)值間無(wú)差異(P>0.05)，點(diǎn)光源理論值與實(shí)測(cè)值間存在顯著性差異(P<0.05)，實(shí)測(cè)值的均值、標(biāo)準(zhǔn)差與球面光源法理論值間差別較其與點(diǎn)光源法理論值小，表明球面光源法更符合秋刀魚舷提網(wǎng)集魚燈照度分布計(jì)算。集魚燈相關(guān)研究不僅有利于提高我國(guó)遠(yuǎn)洋光誘漁業(yè)的生產(chǎn)效率，還有助于節(jié)約燃油成本，實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)，具有重要的實(shí)際意義。