CN111414673A - 一种光诱led矩形集鱼灯照度建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光诱LED矩形集鱼灯照度建模方法，包括如下步骤：确定模型建立参数；计算任意相邻两灯珠间的横向距离和纵向距离；建立灯珠和光接收面内各要素的空间关系；建立单颗灯珠对光接收面内任意点的照度方程；建立集鱼灯对光接收面的照度模型。可拟合集鱼灯在不同参数配置下光接收面的光场照度分布，优化渔船上LED集鱼灯的安装配置。

Description

一种光诱LED矩形集鱼灯照度建模方法

技术领域

本发明属于光诱渔业技术领域，特别涉及一种基于点光源叠加法的LED矩形集鱼灯照度模型建立方法。

背景技术

目前，如何合理控制并解决集鱼灯功率恶性竞争、配置参数不标准、成本高等问题一直是国内外关注的重点。根据目标鱼种集群照度要求，调整渔船上集鱼灯配备功率(如数量)和配置参数(如安装倾角、高度、间距等)是最直接的方式。目前大多鱼类的集群照度条件已由试验获知，因此解决问题的关键是要充分了解集鱼灯在不同配置参数下的光场照度分布及特性。海上照度测定试验操作困难，易受海洋环境状况影响，数据可信度低，无法获悉整个光场内任意位置处的照度值，更不能频繁测试不同情况的试验参数，且耗费成本高。相比而言，利用理论模型分析集鱼灯照度分布特性，进而优化其配置参数更为方便，但现有照度建模方法不能完全适用于LED集鱼灯，无法达到较好的照度拟合效果。因此，亟需一种用于探究LED集鱼灯在不同配置参数下照度分布和特性的照度模型建立方法。

由于渔捞装备不断升级，现有技术中公开的方法无法完全满足对LED集鱼灯的照度建模需求，各方法的缺点如下：

1)点光源法：狭义的点光源法适用于光学各向同性光源，更适合早期渔船上集鱼灯个数较少的情况，对配有大量集鱼灯的现代渔船适用性较低；

2)线光源法：适合小型渔船，现代渔船船体大幅加宽，左、右两舷灯列间距较远，将两排灯列视为一条发光带误差较大；

3)面光源法：大多类集鱼灯外形不规则，结构复杂，尤其是发光部位，积分计算困难；

4)经验公式：利用实测数据基于回归方法获得的计算公式，需要满足一定的适用条件，误差可能较大；

5)叠加法：更适用于金属卤素灯，但未考虑集鱼灯的有效发光区域，即被照面上的某位置只能接收到集鱼灯部分面投射的光，而非其整个发光面，且有效发光面大小会随被照点位置变动而不同；

6)球面光源法：更适用于球形或近球形且各向同性的发光体，如白炽灯。

发明内容

本发明提供一种光诱LED矩形集鱼灯照度建模方法，可拟合集鱼灯在不同参数配置下光接收面的光场照度分布，优化渔船上LED集鱼灯的安装配置。

本发明的目的是这样实现的：一种光诱LED矩形集鱼灯照度建模方法，包括如下步骤：

S1、确定模型参数，根据集鱼灯外形尺寸和灯珠排布情况，计算任意相邻两列灯珠的横向间距d和任意相邻两行灯珠的纵向间距f；

S2、建立模型坐标系，依据渔船上LED集鱼灯架设方式，建立空间直角坐标系，并建立集鱼灯中LED灯珠和光接收面间的联系；

S3、建立照度模型；

在步骤S3中，非理想朗伯型LED光源发光强度分布是散射角θ的余弦函数，由下式光强分布函数确定：

I_θ＝I₀·cos^mθ (1)

式(1)中：θ为某已知LED灯珠光轴的发光角度，I_θ为该灯珠在θ方向的发光强度，I₀为灯珠在光轴方向的发光强度；

另，m为与LED芯片有关的郎伯系数，由下式(2)计算：

式(2)中：视场角θ_0.5为影响灯具光发散程度的参数；

以灯珠P为研究对象，其发出的光在接收面内任意Q点的照度E_PQ为：

式(3)中：PQ表示灯珠P与被照点Q间距离；

另，

式(4)中：Z_P为灯珠P在z方向的竖坐标；

由余弦公式和三角函数变换可得：

式中：PQ、PM、QM表示灯珠P、被照面内Q点和M点间的相互距离；

将式(1)和式(4)代入式(3)中，得到任意单颗灯珠P对被照点Q的照度E_PQ：

其中，C为集鱼灯板面中心，得到：

v＝d·sinα (7)

u＝d·cosα (8)

式(7)和式(8)中d为同列相邻灯珠的灯芯距离，v为d在z方向的垂直距离，u为d在x方向的水平距离，α为集鱼灯架设倾角；

基于集鱼灯中心点C的坐标，依据相邻排或列间相等的横向间距d和纵向间距f，由式(7)和式(8)可得到集鱼灯内所有灯珠的空间坐标；

根据LED光的可叠加性对各灯珠的照度进行叠加，则集鱼灯对被照点Q的总照度E__total为：

式(9)中，Z_p(i,j)表示任意灯珠P(i，j)在z方向的竖坐标。

进一步地，在上述S2步骤中，以板面中心点C在光接收面的垂直投影点为坐标原点O，过中心点C的长轴在光接收面内的投影线为x方向，短轴投影线为y方向，竖直向上为z方向；在集鱼灯内任意选定灯板上第i行和第j列所对应的灯珠P(i，j)，并在光接收面内任选定被照点Q。定义灯珠P在光接收面内的垂直投影点为P’，灯珠光轴延长线在被照面内的交点为M，PQ连线与灯珠光轴间夹角为散射角θ，PQ与Q点处法线间夹角为δ。

进一步地，在S3步骤前，定义LED集鱼灯满足以下假设条件：

1)集鱼灯内任意相邻两行或两列灯珠在基板内的安装间距相等；

2)各灯珠间的光学特性无显著性差异；

3)不考虑集鱼灯透镜、光接收面及周围物体的遮挡和光反射现象，并忽略周围背景光的影响。

本发明的有益效果包括：

1、更适用于现代渔船船型和集鱼灯的应用状况；

2、可计算LED集鱼灯在任意参数配置下对被照面内任意位置处的照度，并得到相应的光场照度分布和特性；

3、可优化LED集鱼灯本身(如灯珠排布间距、颗数、功率等)和其在船上安装参数(如安装高度、倾角)，达到目标鱼的适宜照度条件，增加作业水体照度分布均匀性；

4、指导渔船上LED集鱼灯安装参数，节省时间，提高诱鱼效率，降低燃油消耗，有利于加快LED集鱼灯的推广，实际应用性强。

附图说明

图1是本发明中模型建立空间示意图；

图2是本发明中同列任意相邻两灯珠空间关系图。

具体实施方式

光诱LED矩形集鱼灯照度建模方法包括如下步骤：

S1、确定模型参数：

建立照度模型前，需要确定模型中所涉及的参数，定义：

集鱼灯板面长宽分别为a、b，灯珠安装颗数为N，灯珠在基板上排布行数、列数分别为m、n；集鱼灯架设倾角为α、板面中心点为C，板面中心点C与光接收面的垂直距离为H，如图1所示，单颗灯珠光轴的发光强度为I₀，视场角为θ_0.5，对应的郎伯光系数为m。

根据集鱼灯外形尺寸和灯珠排布情况，计算任意相邻两列灯珠的横向间距d和任意相邻两行灯珠的纵向间距f。

S2、建立模型坐标系：

依据渔船上LED集鱼灯架设方式，建立空间直角坐标系。具体地，以板面中心点C在光接收面的垂直投影点为坐标原点O，过中心点C的长轴在光接收面内的投影线为x方向，短轴投影线为y方向，竖直向上为z方向。

在集鱼灯内任意选定灯板上第i行和第j列所对应的灯珠P(i，j)，并在光接收面内任选定被照点Q。定义灯珠P在光接收面内的垂直投影点为P’，灯珠光轴延长线在被照面内的交点为M，PQ连线与灯珠光轴间夹角为散射角θ，PQ与Q点处法线间夹角为δ。

根据以上各要素在坐标系中的空间位置，建立集鱼灯中LED灯珠和光接收面间的联系。

S3、模型假设条件：

建立模型前，定义LED集鱼灯满足以下3点假设条件：

1)集鱼灯内任意相邻2行或2列灯珠在基板内的安装间距相等；

2)各灯珠间的光学特性无显著性差异；

3)不考虑集鱼灯透镜、光接收面及周围物体的遮挡和光反射现象，并忽略周围背景光的影响。

S4、照度模型建立过程：

非理想朗伯型LED光源发光强度分布是散射角θ的余弦函数，由下式光强分布函数确定：

I_θ＝I₀·cos^mθ (1)

式(1)中：θ为某已知LED灯珠光轴的发光角度，I_θ为该灯珠在θ方向的发光强度，I₀为灯珠在光轴方向的发光强度。

另，m为与LED芯片有关的郎伯系数，一般由制造工艺确定，可由下式(2)计算：

式(2)中：视场角θ_0.5为影响灯具光发散程度的参数，不同类型LED光源配光曲线的m值相差较大，其与芯片相对封装透镜曲面中心的距离有关，可根据光强测定试验由式(1)推算。

商用LED集鱼灯是由大量灯珠以阵列形式排布而成，单颗灯珠是建立照度模型的基础。单颗LED灯珠芯片有效发光面积约为1mm²，该尺寸相对于其到光接收面的最短距离而言完全可以忽略，故可将集鱼灯内任意某颗灯珠作为点光源建立单颗灯珠对光接收面的照度模型。

以灯珠P为研究对象，依据距离平方反比定律，其发出的光在接收面内任意Q点的照度E_PQ为：

式(3)中：PQ表示灯珠P与被照点Q间距离。

另，

式(4)中：Z_P为灯珠P在z方向的竖坐标。

由余弦公式和三角函数变换可得：

式中：PQ、PM、QM表示灯珠P、被照面内Q点和M点间的相互距离。

将式(1)和式(4)代入式(3)中，得到任意单颗灯珠P对被照点Q的照度E_PQ：

根据集鱼灯内各灯珠的空间相对位置关系，如图2所示，其中，C为集鱼灯板面中心，O'_i为任意某列中第i颗灯芯，O'_i+1为相邻第i+1颗灯芯，得到：

v＝d·sinα (7)

u＝d·cosα (8)

式(7)和式(8)中d为同列相邻灯珠的灯芯距离，v为d在z方向的垂直距离，u为d在x方向的水平距离，α为集鱼灯架设倾角。

基于集鱼灯中心点C的坐标，依据相邻排或列间相等的横向间距d和纵向间距f，由式(7)和式(8)可得到集鱼灯内所有灯珠的空间坐标。

光接收面内任意被照点Q处的照度是由集鱼灯内所有灯珠共同叠加的结果，根据LED光的可叠加性对各灯珠的照度进行叠加，则集鱼灯对被照点Q的总照度E_total为：

式(9)中，Z_p(i,j)表示任意灯珠P(i，j)在z方向的竖坐标。

利用MATLAB软件对式(1)-(9)进行编程建立LED集鱼灯照度模型，以计算其在光接收面内任意位置处的照度值。

值得说明的是，虽然前述内容已经参考若干具体实施方式描述了本发明创造的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。

Claims (3)

1.一种光诱LED矩形集鱼灯照度建模方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、确定模型参数，根据集鱼灯外形尺寸和灯珠排布情况，计算任意相邻两列灯珠的横向间距d和任意相邻两行灯珠的纵向间距f；

S2、建立模型坐标系，依据渔船上LED集鱼灯架设方式，建立空间直角坐标系，并建立集鱼灯中LED灯珠和光接收面间的联系；

S3、建立照度模型；

在步骤S3中，非理想朗伯型LED光源发光强度分布是散射角θ的余弦函数，由下式光强分布函数确定：

I_θ＝I₀·cos^mθ (1)

式(1)中：θ为某已知LED灯珠光轴的发光角度，I_θ为该灯珠在θ方向的发光强度，I₀为灯珠在光轴方向的发光强度；

另，m为与LED芯片有关的郎伯系数，由下式(2)计算：

式(2)中：视场角θ_0.5为影响灯具光发散程度的参数；

以灯珠P为研究对象，其发出的光在接收面内任意Q点的照度E_PQ为：

式(3)中：PQ表示灯珠P与被照点Q间距离；

另，

式(4)中：Z_P为灯珠P在z方向的竖坐标；

由余弦公式和三角函数变换可得：

式中：PQ、PM、QM表示灯珠P、被照面内Q点和M点间的相互距离；

将式(1)和式(4)代入式(3)中，得到任意单颗灯珠P对被照点Q的照度E_PQ：

其中，C为集鱼灯板面中心，得到：

v＝d·sinα (7)

u＝d·cosα (8)

式(7)和式(8)中d为同列相邻灯珠的灯芯距离，v为d在z方向的垂直距离，u为d在x方向的水平距离，α为集鱼灯架设倾角；

基于集鱼灯中心点C的坐标，依据相邻排或列间相等的横向间距d和纵向间距f，由式(7)和式(8)可得到集鱼灯内所有灯珠的空间坐标；

根据LED光的可叠加性对各灯珠的照度进行叠加，则集鱼灯对被照点Q的总照度E_{_total}为：

式(9)中，Z_p(i,j)表示任意灯珠P(i，j)在z方向的竖坐标。

2.根据权利要求1所述的一种光诱LED矩形集鱼灯照度建模方法，其特征在于，在上述S2步骤中，以板面中心点C在光接收面的垂直投影点为坐标原点O，过中心点C的长轴在光接收面内的投影线为x方向，短轴投影线为y方向，竖直向上为z方向；在集鱼灯内任意选定灯板上第i行和第j列所对应的灯珠P(i，j)，并在光接收面内任选定被照点Q。定义灯珠P在光接收面内的垂直投影点为P’，灯珠光轴延长线在被照面内的交点为M，PQ连线与灯珠光轴间夹角为散射角θ，PQ与Q点处法线间夹角为δ。

3.根据权利要求1所述的一种光诱LED矩形集鱼灯照度建模方法，其特征在于，在S3步骤前，定义LED集鱼灯满足以下假设条件：

1)集鱼灯内任意相邻两行或两列灯珠在基板内的安装间距相等；

2)各灯珠间的光学特性无显著性差异；

3)不考虑集鱼灯透镜、光接收面及周围物体的遮挡和光反射现象，并忽略周围背景光的影响。

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