水下LED诱鱼灯设计与分析及其光传播（一）

作者：Sheng Chih Shen，Cheng Yuan Kuo1，Ming-Chung Fang

台湾台南国立成功大学系统与海军机电工程系

审校：许东

译注：本文系统的介绍了水下LED光源的水下传输模型的建立，用于LED集鱼灯的设计参考，是一篇具有深度研究价值的参考论文。

本文内容较长，分三部分发布。

摘要：发光二极管（LED）是取代传统光源（包括水下）的新光源。传统的水下光源在辐射传输模型下工作，发光强度在每个发射角均匀分散，散射因子包括在衰减系数中。相比之下，LED光源的特征在于高度定向，导致水下光能随着不同的发射角而变化。因此，当设计水下LED模块时，传统的水下光学传输理论变得不适用。因此，为了构建LED光源的水下传输模型，本研究采用了水下光场的平均余弦与光散射概率的方法，以及LED发光强度分布曲线（LIDC）和轴向发光强度；去设计了一种水下LED吸鱼灯。实验结果表，与模拟值相比，水下LED模块在各发射角下的发光强度误差均小于10％。

关键词：水下LED灯，光传播，HID灯

1.简介

考虑到目前低碳经济（LCE）的背景，用高效节能的LED灯代替高能耗高强度放电（HID）灯已成为必然趋势，特别是在水下领域。

面对日益增强的环保意识，HID光源存在环境污染因素，未能达到现行标准。此外，光源光谱覆盖了可见光和不可见光波长，并且大部分光能集中在600-700nm之间的红色波段。根据瑞利散射公式，当光在水介质中散射时，发光强度（I）与入射波长（λ）的四次方成反比。

这就是说，波长越短，发光强度在散射环境中不容易衰减。因此，HID光源在水下具有低效率并且必须使用更多能量来实现所需的。但是，水下区域并不随着功率增加而成比例地增加。

根据朗伯比尔定律，当白炽灯功率从15W增加到6kW时，消耗的能量增加400倍，而水下区域仅增加7.8倍。相比之下，LED灯具有高度的方向性和高效性。它们的光束通过不同角度的透镜聚焦在指定区域；因而减少了能源浪费。此外，LED的高度定向发光不同于传统光源的散射发光。

因此，传统的设计方法不适用于设计LED灯。相反，必须重新分析所涉及的参数，例如水下LED发光的传递模型，LED光源的发射角和光强度。

海洋工程和渔业技术通常涉及水下作业，水下是必不可少的。不同的水下操作具有不同的要求，有些需要移动，有些需要近距离，还有一些需要远程引导。

尽管存在这些需求，但在LED光学设计领域很少研究水下光学。这是因为水下经常仅关注射距离和度，并且忽略诸如光类型和均匀性的问题。如朗伯比尔定律所示，水下光通常在光传递过程下出现衰减，这意味着传输光的衰减由指数函数决定。

通常，光强衰减的测量值通常略微偏离理论值。这种偏差主要是由朗伯比尔定律在构建之前进行了一些简化和假设引起的。例如，假设入射光彼此平行属于单个波段，并且介质是均匀的非散射系统。

尽管该定律在实际应用中存在显缺陷，但它可以快速估算水下衰减系数，从而预测每个深度的区域。然而，河流，海洋和湖泊是具有高散射性质的水体，朗伯比尔定律的水下光传递能力会导致严重的误差。此外，所有获得的关于水下光传输的资料只不过是衰减系数。

这些资料无法有效地描述光束如何在水体中实际转移。近年来，用于射线追踪的蒙特卡罗方法已被普遍用于分析水下光传输的模型。是基于任何对象与其环境之间的关系，该技术通过跟踪每条射线的传输路径来模拟相互作用和传输过程。

这个方法取决于对象之间的关系，在模拟过程中使用大量随机数和迭代计算，直到计算结果收敛于相同趋势。然后再建立识别水质参数和水下光传输模型。 Kirk（1991）和Haltrin（1997）使用蒙特卡罗概念开发了一种光场平均余弦的方法，该方法结合各种水下光学特性和散射概率来研究水下光传输]。

通过蒙特卡罗方法，Adams等人（2002）模拟了水下光束的散射过程，并确定了水下光源的光场分布。 然而，上述研究均未在水下环境中采用LED光源。 通过结合LED发光强度分布曲线（LIDC），轴向光强度和空间光传输衰减模型，Guttsait（2007，2009）研究了LED模块，以量化其长距离的度、均匀性和光效]。

但是，Guttsait没有探索水下LED模块的光学特性，因此，利用光场平均余弦的方法对LED的发光强度分布曲线（LIDC）和轴向发光强度进行积分计算，构建了LED灯的水下传递模型。

本研究探讨了水下LED模块在各种发射角度下的光场分布和有效射距离。并根据LED灯的水下传输模型设计和造了一种水下LED吸鱼灯。同时，进行水下光学测量。具体的说，是在不同的发射角度下测量了水下光场分布的特性和相关参数，为今后水下LED光学研究提供参考。

2.LED水下光场分析

2.1光传输和散射

Mobley（1994）指出，当单波段光束入射到极小的水体上时，有些入射能量被吸收，有些在通过介质时被散射，其余的光能仍继续在原始方向传递；因此，当光束在水下传输时，其光能被吸收和散射而衰减。对于传统的水下吸鱼灯来说，情况确实如此，其光束在所有方向上都会辐射，因此其发光强度在每个发射角度上均匀分散（图1a），散射因子包含在衰减系数中。

图1.传统的HID和LED光束在水下传输。

公式（1）定义了传统光源的朗伯比尔定律水下传递模型，其中IL是传输距离L处的强度，I0是光源处的强度，c是总衰减系数，包括吸收和散射系数。

相比之下，LED光源是高度定向和平面的，导致水下发光强度在不同的发射角度下变化（图1b）；由于这种现象，在分析水下LED时，不能应用这个传统光模块的既定理论。

IL=I0exp（cL）（1）

水下光场的平均余弦，即光发射方向上的正角的平均余弦，主要是量化水下光场的角分布。它还为水下光场的每个发射角提供计算分布值。传统灯是朗柏型光源，具有在相同距离的不同角度下测量有相同平均余弦。相比之下，LED光模块是高度定向和平面的，具有在相同距离但在不同角度下测量的不同平均余弦。在实践中，由于颗粒悬浮在水中，会发生光束的显着散射。

因此，当光束在水中传输时，光场分布随着各种行进距离和散射概率而显着变化。换句话说，传输距离越长导致散射发生的次数越多，光场的漫射特征就越显地体现定向光源的外部。

对于高定向LED模块，当准直线光束在水中传输时，相同行进方向的初始光束的平均余弦为1。随着传输距离的不断增加，散射概率也变大，平均余弦减小，最终近0，也就是说，光场近漫射分布状态。

假设准直线光束以最低点的角度θ0穿过水面并且在散射之后获得散射角α，散射光以与原始入射方向成角度α的角度分散在锥体上，如图2所示。

（未完待续....）