水下LED诱鱼灯设计与分析及其光传播（三）

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。

（前一部分）

3.水下LED吸鱼灯的设计与分析

传统光源属于点光源，在所有发射角处具有相等的光能，这通常使距离与区构成比例。也就是光束传输越远，其射区域就越大。

相比之下，LED灯是定向的和扇型的，因此发光强度随着LIDC在不同的发射角度而变化。虽然可以基于LED单灯的单一方向上的距离来估计传统光源的区域。但是，在设计水下LED光源时，作者必须考虑不同光源的发射角和射区域之间的关系。

以水下吸鱼灯为例；如果将鱼眼可见的10勒克斯的度设定为标准，则单个LED光源不能提供足够的度。为了解决度不足的问题，本研究设计了一种LED阵列光源。LED阵列光源在水下任意点的度E可以用数学表示为：

其中Ei是第i个LED的度，与之相应的是角度θi和距离li。

公式（16）可用于表示LED阵列在其相应环境中的光场分布。

为了分析水下LED吸鱼灯，本研究采用不同的LED阵列（1×1,1×2,1×4,1×8,1×12和1×18），发光效率均为90lm/w，并进行模拟它们在22米长，10米宽和3米深的拖曳水箱中，在不同发射角度下的最大度（Lmax）和区域（V）。

用于测量光强度的水下分布是使用柯尼卡美能达（型号T-10）的度计。

为了减少水体衰减系数对模拟结果的影响，首先将高强度放电（HID）吸鱼灯放在拖曳水池中以测量水下光传输的值。然后，采用朗伯比尔水下光传输模型计算拖曳水箱中的总衰减系数。

图5显示了传统HID吸鱼灯在水下2m深处的每隔一定的射距离处测量的度值。水下HID吸鱼灯的测量满足用于水下光传输的朗伯比尔模型的指数衰减。同时，通过回归分析方法获得总衰减系数c = 0.217。

当光束入射到极小的水体上时，不会发生非弹性散射，并且光子的波长也不会在散射过程中发生变化。根据能量守恒定律，传递光束的衰减系数包括吸收和散射系数。

由于纯水在可见光波段的吸收系数为0.1 ，则用于该实验的拖曳水箱中，水体的散射系数可估计为0.117。我们使用Matlab软件设计和模拟水下LED阵列模块。

下来测量LED吸鱼灯；测量是以区域的体积为条件，在光源开启后，按度大于10勒克斯来测量；如图6所示，仿真结果揭示了具有不同发射角和不同阵列数的LED阵列光源的度，这些阵列距离目标10m或20m。

对于发射角为5°的单个LED光源，即使光行进的距离高达20米，其度还能达到35勒克斯；但是，由于发射角太小而区域太窄，因此无法实现可识别的度。

对于发射角为70°的LED光源，其光束在距离光源20米处的漫射后，度仅为0.28勒克斯，太微不足以区分物体或吸引海洋生物。

图7是在水下不同发射角下的1×18阵列LED光源的模拟光场分布图。在发射角度较小时，例如15°和25°，阵列数量的增加显增强了它的度。

由于具有较小发射角的光束的低散射概率，其发光强度足够高以达到更长的距离，如图7（a）和7（b）所示。 然而，随着LED光源的发射角逐渐增加，例如，到70°，随着添加的LED阵列，度不再显着上升，如图6所示。

因此，随着发射角变大，在转移过程中大量的光能会遇到太多的散射介质，散射概率增加。上述结果表，当发射角变大时，光能的有效射距离减小，如图7（c）和7（d）所示。

图8显示了LED阵列的区域的变化。当其发射角为5°时，由于发射角小，射区域太窄。 因此，尽管LED阵列的数量不断增加，但区域不能扩大。 然而，如果其发射角逐渐增加，则区可以显着增大。

发射角为35°的1×4阵列LED光源的最大射区域为141.78立方米，其距离为20m的度为4.78勒克斯，如图6（b）所示。

当发射角逐渐增大时，其射区域迅速减小。在70°时，其区域降至45.85立方米，其在20m距离处的度迅速下降至1.1 lux。

1×18阵列LED光源也发生了类似的模式，其最区域在35°时为381立方米，在20m时的度为21.55勒克斯。

在70°时，其区域下降至264立方米，其在20m处的度下降至4.95 lux。 而在LED阵列的数量增加之后，由于增加的光能量和区域也扩大了光传播距离。

因此，基于上述关于LED阵列光源的水下传递函数的分析结果，35°的发射角产生了具有平均质量水体中的最佳行进距离和区域。

关于水下LED吸鱼灯的设计，本研究采用的LED光源是由CREE造的XLamp XT-E Royal Blue，发光效率为90lm/w，最大驱动电流为1A。

根据上述分析结果，采用发射角为35°的光学透镜和1×12阵列的LED作为生产参数，使水下LED吸鱼灯可以获得最大行程距离和区域。

LED吸鱼灯的原型如图9所示,在牵引槽中，吸收系数为0.1，散射系数为0.117。

4.测量和讨论

通过采用光场的平均余弦与光散射概率的方法，考虑LED的LIDC和轴向发光强度，构建了水下LED吸鱼灯的传递模型。而后，我们设计了一个水下高强度LED阵列光源，并对拖车水箱中远距离光传输的测量进行了实验，该实验隶属于成功大学系统与海军机电工程系。

根据测量结果，当光束在水下传输时，散射事件主要发生在光子与粒子碰撞的时间；也就是当光束在水下传播时，碰撞次数是影响散射发生的重要因素。

如果散射因子增加，则光束在到达其目标之前必须经历的碰撞次数也增加。因此，不同水体的散射因子会影响光束在水下传播的距离，特别是对于表面光源。

关于水下LED阵列灯的光学测量，这是一种高度定向和扇形的光源，测量配置与其光学特性完全兼容，如图10所示。

测量不同距离和位置的度以验证其光场分布图；另外，为了减少由于其偏离的测量点引起的误差，将其放置在水下2m处，并且在距离它4m处开始测量。

具体方法是：使用光源处的0°发射度作为轴线，并且在两个方向上以1m的间隔绘测量；水平方向上，从光源4米处开始，每个仪表的终点作为测量点，测量每个点的度。

关于水下LED阵列光源的光场分布的测量结果如图11所示。

首先，沿其轴线测量长距离度。如图11所示，光束传递衰减类似于传统灯的衰减。下来，在远离纵轴1m的任一侧测量度，图11中的线（b）示出两个区域中的衰减曲线。从理论上讲，光源两侧的度应该相等；事实上，左侧的度更高；该差异主要是由LED阵列光源内的子光束的重叠引起的。

当光束更靠近光源时，这种现象变得更加显；因此光源附近不同侧的测量点容易产生不对称结果。

在距离轴线2m处再次测量两侧的长距离度，如图11中的线（c）所示。该图显示，距光源4m至6m处的度在逐渐下降之前最初增长。这种趋势是由LED和传统灯之间的LIDC差异引起的。

由于LED光束辐射传输是受到发射角度的限，因此光场外的最远区域非常暗，如图11（b）所示，此外，最初度在逐渐衰减到零之前加大,传输距离增加。

通常，在比较每个测量点处的度和模拟值之后，发现大多数测量值小于模拟值，总误差约为10％。 然而，当排除光场的暗侧和亮侧之间的边界处的度误差时，模拟值与测量值之间的差异小于1勒克斯。

因此，本研究中提出的水下LED光传输模型可以代替传统水下光传输的理论去设计水下LED阵列灯。

5.结论

本研究利用光场的平均余弦，光散射概率的方法，发光角度和LED光源的轴向发光强度，构建了水下LED光传输模型。除了建立水下LED吸鱼灯外，本研究还成功地展示了其水下光场分布，并分析了其度以及不同发射角度下的区域。

水下光传输的模拟结果表，为了获得更长的行进距离，需要更小的发射角。然而，为了实现更大的区域，具有更大发射角的LED光源不一定更好;相反，它取决于水体的吸收和散射系数。

实验结果表，在一般水体中，发射角为35°的1×18阵列LED光源的最大射区域为381立方米，水下20m的度为21.55勒克斯。

在水下LED光传输模型的设计，当每个发射角的发光强度与模拟值进行比较时，LED阵列发光模块的百分比误差小于10％；因此，该设计方法不仅可以用于评估各种水下环境中LED模块的距离和区域，而且可以作为未来水下LED吸鱼灯设计研究的基础。

6.致谢

作者特此衷心感谢国 家科学委员会（NSC）对该研究的财政支持，正是由于国 家安全委员会的慷慨赞助，这项研究顺利进行。

（全文完）