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水下LED诱鱼灯设计与分析及其光传播

水下LED诱鱼灯设计与分析及其光传播

渔船海上电能全部依赖船载柴油机发电提供,传统的海上灯光围网捕鱼多采用金卤灯,单灯功率在1000瓦以上,单艘渔船需安装数百盏,耗能巨大,严重制约了渔船的出海时间及捕鱼量。以工程热物理所微槽群复合相变散热技术为核心研发的多COB集成光源300瓦LED诱鱼灯产品,具有体积小、光效高、能耗低且鱼群吸引力高的特点,对延长出海捕鱼时间、大幅度增加捕鱼产量具有划时代的意义。

该诱鱼灯产品整灯重量小于2公斤,诱鱼灯体积远远小于传统的1000瓦金卤诱鱼灯;同时,该诱鱼灯采用侧面发光方式,通过特殊的光源散热和二次配光设计,保证高流明、低光衰的长时间照明效果,将绝大部分灯光照射到海面,其海面有效平均照度、照射距离和照射面积以及光对海雾、海水的穿透能力均优于1000瓦传统金卤诱鱼灯,光效高达3万流明。
诱鱼灯
本次远洋捕鱼作业在保留船上原有200盏1000瓦金卤灯的同时,在渔船两侧分别安装了28盏多COB集成光源300瓦LED诱鱼灯。海试期间,研究人员跟船比较了金卤灯和LED灯两种照明环境下的捕鱼效果:采用300瓦LED诱鱼灯后,单网捕鱼量由2000斤增至4000斤,产量翻倍,表明LED诱鱼灯发出的光对鱼群有着更强的吸引力;同时采用300瓦LED诱鱼灯替换1000瓦传统金卤诱鱼灯进行作业后,渔船照明能耗减少了70%。

此次海试显示了多COB集成光源300瓦LED诱鱼灯产品优异的性能及使用效果,该产品集合了中科院多家研究所的原创技术,具有极强的竞争能力,下一步将进入大规模生产和市场销售阶段。据不完全统计,仅海南岛地区就有200多亿元的诱鱼灯市场规模,加上其它海域,国内诱鱼灯市场规模将突破1000亿元。该产品的研制与应用,将推动我国远洋灯光捕鱼业的发展,同时带来显著的社会经济效益。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,这通常使照明距离与照明区构成比例。也就是光束传输越远,其照射区域就越大。
接下来测量LED吸鱼灯;测量是以照明区域的体积为条件,在光源开启后,按照照度大于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阵列光源的照度,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,其照度还能达到35勒克斯;但是,由于发射角太小而照明区域太窄,因此无法实现可识别的照度。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,并分析了其照度以及不同发射角度下的照明区域。

水下光传输的模拟结果表明,为了获得更长的行进距离,需要更小的发射角。然而,为了实现更大的照明区域,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。

实验结果表明,在一般水体中,发射角为35°的1×18阵列LED光源的最大照射区域为381立方米,水下20m的照度为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照明模块的照明距离和区域,诱鱼灯而且可以作为未来水下LED吸鱼灯设计研究的基础。

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,照度仅为0.28勒克斯,太微不足以区分物体或吸引海洋生物。

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照明距离来估计传统光源的照明区域。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照射区域之间的关系。

以水下吸鱼灯为例;如果将鱼眼可见的10勒克斯的照度设定为标准,则单个LED光源不能提供足够的照度。为了解决照度不足的问题,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照度E可以用数学表示为:
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