水下集魚燈在近海水體中的光場(chǎng)分布數(shù)值模擬

王偉杰，萬 榮,2,3*，孔祥洪,2

(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)，大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開發(fā)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201306)

光誘漁業(yè)是我國近海重要的漁業(yè)方式之一，主要包括燈光圍網(wǎng)漁業(yè)[1]、燈光罩網(wǎng)漁業(yè)[2]和光誘魷魚敷網(wǎng)漁業(yè)[3]等，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國近海燈光漁船數(shù)量約1.3 萬艘，作業(yè)漁場(chǎng)廣泛分布在東海和南海海域。捕撈作業(yè)過程中，水下集魚燈起到誘集和穩(wěn)定魚群的作用，是保證捕撈成功的關(guān)鍵[4-6]。燈光圍網(wǎng)船水下集魚燈24～25 盞(2 kW/盞)，一般是鉈銦燈[7]；燈光罩網(wǎng)船水下集魚燈約17 盞(1 kW/盞)，一般是MH (metal halide)集魚燈[8]；光誘魷魚敷網(wǎng)船水下集魚燈20 盞(1 kW/盞)，類型為MH 集魚燈[3]或LED (light emitting diode)集魚燈[9]。近年來漁船間存在盲目加大集魚燈總功率的趨勢(shì)，一方面導(dǎo)致不必要的能源損耗，另一方面導(dǎo)致了漁船間光場(chǎng)疊加引起相互干擾[10]，造成這種現(xiàn)象的主因是對(duì)集魚燈水中光場(chǎng)分布缺乏足夠了解。

集魚燈光場(chǎng)分布計(jì)算方法可分為幾何光學(xué)法和蒙特卡羅方法兩大類，前者包括點(diǎn)光源法[10-11]、線光源法[12-13]、面光學(xué)積分法[14]、照度疊加算法[15]等，其原理均以光源光度分布模型為基礎(chǔ)，結(jié)合朗伯比爾定律[16]、直線傳播律和折射定律[15]計(jì)算光束空間傳輸特性，適用于計(jì)算弱散射作用的遠(yuǎn)洋水質(zhì)中集魚燈光場(chǎng)分布[17-21]；后者蒙特卡羅方法由官文江等[22]首次引入并初步建立了水上集魚燈遠(yuǎn)洋水質(zhì)中光場(chǎng)分布的計(jì)算框架，其原理是將光束離散成光子，光子從集魚燈發(fā)射，經(jīng)介質(zhì)散射和吸收作用后，光子落入目標(biāo)區(qū)域，通過統(tǒng)計(jì)目標(biāo)區(qū)域的光子數(shù)計(jì)算出照度值。

光束在遠(yuǎn)洋水質(zhì)中傳輸主要受到純海水和浮游植物的散射和吸收作用[22]；光束在近海海洋水體中傳輸還受浮游植物、有色溶解有機(jī)物(chromophoric dissolved organic matter,CDOM)和懸浮粒子(suspended particles)等物質(zhì)的散射影響，傳輸距離和方向均發(fā)生改變[23-25]。目前對(duì)于水下集魚燈在近海海洋水體中的光場(chǎng)分布研究尚屬空白。本研究利用集魚燈相對(duì)光譜數(shù)據(jù)、光度分布數(shù)據(jù)和海水固有光學(xué)特性(吸收系數(shù)、散射類型及系數(shù)等)，基于蒙特卡羅模擬方法構(gòu)建了水下集魚燈在近海海洋水體中光場(chǎng)傳輸數(shù)值模型，探討以下內(nèi)容：①海水中葉綠素a質(zhì)量濃度對(duì)光場(chǎng)分布的影響；②海水散射作用對(duì)光場(chǎng)分布的影響；③散射相位HG 函數(shù)中非對(duì)稱參量取值對(duì)光場(chǎng)分布仿真影響。以期準(zhǔn)確估算光誘漁船水下集魚燈光場(chǎng)分布范圍，為漁業(yè)監(jiān)管部門和漁船企業(yè)合理應(yīng)用集魚燈提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 集魚燈光學(xué)特征

研究對(duì)象包括LED 集魚燈(白光LEDSZ600)和MH 集魚燈(白光DCJ2000TT)，兩種集魚燈的相對(duì)光譜分布和相對(duì)光強(qiáng)分布數(shù)據(jù)在上海海洋大學(xué)集魚燈實(shí)驗(yàn)室測(cè)得，見圖1。光譜測(cè)試設(shè)備為HASS-2000 光譜輻射積分球(波長(zhǎng)精度2 nm)，光度分布曲線測(cè)試設(shè)備為GO-2000 分布光度計(jì)(測(cè)量范圍 0～2×105lx，旋轉(zhuǎn)臺(tái)角度精度 0.05°，照度精度0.1 lx)。

圖1 MH 與LED 集魚燈光學(xué)特性(a)相對(duì)光譜分布，(b)相對(duì)光強(qiáng)分布曲線。MH.金屬鹵化物燈，LED.發(fā)光二極管，下同。Fig.1 Optical character of MH and LED fishing lamp(a) relative spectrum,(b) relative light intensity distribution curve.MH.metal halide,LED.light emitting diode,the same below.

1.2 蒙特卡羅傳輸模型

蒙特卡羅方法是研究粒子傳輸?shù)闹匾椒╗10]，本研究將光束離散成大量光子，通過模擬光子傳輸路徑分析光束的傳輸特性。設(shè)海水?dāng)嗝鏋楣庾咏邮彰妫邮彰嫫叫杏趚oz平面。集魚燈放置于水中點(diǎn)亮，光子從集魚燈幾何中心位置射出會(huì)發(fā)生多種情況：①光子在傳輸中能量衰減被海水吸收；②光子在傳輸中穿過海面到空氣中；③在海水中經(jīng)過散射與折射作用到達(dá)海水?dāng)嗝?圖2-a)。

圖2 建模示意圖(a) 蒙特卡羅光子傳輸仿真，(b)角度關(guān)系。Fig.2 Modeling Diagram(a) Monte Carlo simulation diagram,(b) the angular relationship.

光子出射方向 設(shè)光子出射方向在xoy平面內(nèi)的投影與x軸正方向的夾角為投影旋轉(zhuǎn)角φ，考慮到集魚燈幾何結(jié)構(gòu)具備對(duì)稱性，本研究?jī)H計(jì)算光軸一側(cè)(y軸的正向一側(cè))的水下光場(chǎng)分布，φ角度范圍為0～180°；設(shè)光子出射方向與z軸正方向夾角為天底角θ，θ范圍為 0～180°(圖2-b)。φ和θ分別由累積概率公式F(θi)和P(φi)確定：

式中，I(θ)表示集魚燈光度分布曲線，見圖1-b；θi為其中一個(gè)方向間隔上限，表示 0～180的某個(gè)數(shù)；n取180；φi為單個(gè)光子出射的投影旋轉(zhuǎn)角，利用反函數(shù)法[11]生成φ和θ。

各波段光子數(shù)比例分配 假定集魚燈光束的光譜分布和光通量穩(wěn)定，測(cè)量LED 和MH 集魚燈的范圍為400～700 nm 光譜分布數(shù)據(jù)，步長(zhǎng)為5 nm，則各波段光子數(shù)比例Rai按下式分配：

式中，λi+1和λi分別表示各個(gè)波段的上下限，S(λ)表示集魚燈相對(duì)光譜分布(圖1-a)。

光子的步長(zhǎng) 光子在海水中傳輸，前進(jìn)步長(zhǎng)d計(jì)算公式[26]：

式中，ξ為 [0,1]均勻分布的隨機(jī)數(shù)；μ為海水中衰減系數(shù)。

光子權(quán)重更新 由于海水介質(zhì)的吸收，光子移動(dòng)會(huì)使得權(quán)重減小，單步移動(dòng)引起的權(quán)重減小的幅度 ΔW表示：

光子移動(dòng)后權(quán)重W0：

式中，a(λ,chl)、s(λ,chl)、μ(λ,chl) 分別為海水吸收系數(shù)、散射系數(shù)和衰減系數(shù)；W、W0分別為光子單步移動(dòng)前后的權(quán)重值，無單位。

光子與海水介質(zhì)的作用 近海海水中的純海水、浮游植物、CDOM 和懸浮粒子對(duì)光線傳輸?shù)挠绊懼饕w現(xiàn)為吸收和散射兩方面作用，光束在海水中的總衰減系數(shù)μ(λ,chl)計(jì)算公式[4]：

式中，a(λ,chl)表示海水總吸收系數(shù)(m-1)；s(λ,chl)表示海水總散射系數(shù)(m-1)；λ表示光子波長(zhǎng)(nm)；chl表示葉綠素a質(zhì)量濃度(mg/m3)。

海水中吸收系數(shù)a(λ,chl)計(jì)算公式[12]：

式中，aw(λ)表示純海水的吸收系數(shù)(m-1)，純海水對(duì)不同波長(zhǎng)的光的吸收系數(shù)參考商艷婷[27]的研究；ac(λ,chl)表示浮游植物的吸收系數(shù)(m-1)；ay(λ)表示CDOM 的吸收系數(shù)(m-1)；anap(λ)表示懸浮粒子的吸收系數(shù)(m-1)。

海水中浮游植物的吸收系數(shù)ac(λ,chl)計(jì)算公式[14]：

式中，A(λ)和B(λ)為與波長(zhǎng)相關(guān)的常數(shù)[15]。

海水中CDOM 的吸收系數(shù)ay(λ)計(jì)算公式[14]：

式中，Ay(440)表示參數(shù)在參考波長(zhǎng)440 處CDOM的吸收系數(shù)(m-1)；Sy表示CDOM 吸收系數(shù)光譜斜率(nm-1)，取值0.017[16]。

海水中的懸浮粒子吸收系數(shù)anap(λ)計(jì)算公式[17]：

式中，Snap通過經(jīng)驗(yàn)確定，取平均值0.012 3 (nm-1)[17]；Anap(440)表示在參考波長(zhǎng)440 nm 處非色素類粒子的吸收系數(shù)(m-1)，取值參考林紹迎[25]的研究。

研究表明，近海海洋水體的散射作用主要來自海水中的純海水、浮游植物和懸浮粒子3 個(gè)方面[19]，海水中散射系數(shù)s(λ,chl)的計(jì)算公式：

式中，sw(λ)表示純海水的散射系數(shù)(m-1)；sc(λ,chl)表示浮游植物的散射系數(shù)(m-1)；snap(λ)表示懸浮粒子的散射系數(shù)(m-1)。

純海水的散射系數(shù)sw(λ)計(jì)算公式[20]：

式中，B表示常數(shù)，取值0.001 11[20]。

浮游植物對(duì)光的散射系數(shù)sc(λ,chl)計(jì)算公式[21]：

懸浮粒子的散射作用可分為米氏散射(Mie scattering,MS)和瑞利散射 (Rayleigh scattering,RS)[22]，散射系數(shù)snap(λ)計(jì)算公式：

式中，dnap指海水懸浮粒子的粒徑(μm)，當(dāng)dnap<5 μm，光束發(fā)生米氏散射；當(dāng)dnap＞5 μm，光束發(fā)生瑞利散射。

光子散射方向的偏移 光在海水中傳輸，被海水散射后偏離原來的傳播方向，新的傳播方向在空間上的強(qiáng)度分布定義為體散射函數(shù)，本研究采用廣泛使用的Henyey-Greenstein (HG)函數(shù)[10,24]：

式中，g為非對(duì)稱參量，目前研究取值為0.80～1.00[10,24]，g取值對(duì)于光場(chǎng)分布的影響尚屬于空白，本研究數(shù)值模擬對(duì)此進(jìn)行探討。

散射作用產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角α可由下式計(jì)算：

式中，ξ為 [0,1]均勻分布的隨機(jī)數(shù)，獨(dú)立于文中其他ξ。

散射后方位角ψ的計(jì)算公式：

式中，ξ′為 [0,1]均勻分布的隨機(jī)數(shù)。

光子發(fā)生散射作用后的傳輸方向

計(jì)算公式：

光子在海面的折射與反射 光束經(jīng)過水汽界面發(fā)生折射和反射，其中光子在水面反射系數(shù)rs(θin)根據(jù)Fresnel 公式[25]計(jì)算：

式中，θin為光子從水中射往水汽界面的入射角；n1為海水折射率，取1.334；n2為空氣折射率，取1。

若θin=0，則rs(θin)按下式計(jì)算：

模擬過程中，依據(jù)輪盤賭算法[24]判別光子是否在水氣界面發(fā)生折射進(jìn)入空氣。

光子終止條件 光子在以下幾種情況終止追蹤：①光子達(dá)到目標(biāo)海水?dāng)嗝婧螅虎诠庾咏?jīng)過海面折射作用進(jìn)入空氣后；③光子移動(dòng)一定步數(shù)能量低于一定閾值，被海水介質(zhì)吸收后。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)及處理方法

本研究提出距集魚燈 ds處垂直海水?dāng)嗝鎯?nèi)照度為0.1 lx 等值曲線包含區(qū)間的面積(記為Ads)和海水?dāng)嗝鎯?nèi)最大照度值(記為Ids)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，可以較為直觀地表征光場(chǎng)空間分布[5]。為計(jì)算目標(biāo)海水?dāng)嗝鎯?nèi)Ads和Ids，需先計(jì)算海水?dāng)嗝鎯?nèi)不同位置的照度值。先將海水?dāng)嗝婢W(wǎng)格化，再統(tǒng)計(jì)落入單個(gè)網(wǎng)格的光子數(shù)求得單個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的平均照度值：

式中，E表示單個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的平均照度值(lx)，N0為落入目標(biāo)網(wǎng)格內(nèi)的光子數(shù)，q為單個(gè)光子數(shù)包含的光通量(lm)，S0為單個(gè)網(wǎng)格的面積(m2)。

單個(gè)光子光通量q的計(jì)算公式：

式中，q為單個(gè)光子光通量(lm)，Q為集魚燈總光通量(lm)，N為模擬設(shè)定的光子數(shù)，需依據(jù)計(jì)算機(jī)模擬效率設(shè)定。

計(jì)算出海水?dāng)嗝鎯?nèi)不同位置照度值后，利用MATLAB 軟件(版本：2015b)中contourslice 工具繪制不同照度值等值線分布圖，同時(shí)計(jì)算出斷面內(nèi)0.1 lx 等值曲線包含區(qū)間面積Ads和斷面內(nèi)最大照度值Ids。

1.4 模擬參數(shù)設(shè)定

海水葉綠素a 質(zhì)量濃度影響模擬參數(shù)設(shè)定 根據(jù)近海水體中葉綠素a質(zhì)量濃度[28]范圍1～5 mg/m3，本研究計(jì)算了近海水體葉綠素a質(zhì)量濃度為1～5 mg/m3、間隔1 mg/m3的條件下距MH和LED 集魚燈1～30 m 的海水?dāng)嗝鎯?nèi)Ads和Ids，其他參數(shù)設(shè)定：集魚燈功率均設(shè)為2 000 W，集魚燈放置深度設(shè)為30 m，散射類型為米氏散射。

海水散射作用類型影響模擬參數(shù)設(shè)定 海水中懸浮粒子大小會(huì)使得光子在水中發(fā)生不同的散射作用[29]，可分為米氏散射和瑞利散射。本研究計(jì)算了上述兩種散射作用下，距MH 和LED 集魚燈1～30 m 的海水?dāng)嗝鎯?nèi)Ads和Ids，其他參數(shù)設(shè)定如下：集魚燈功率均設(shè)為2 000 W，集魚燈放置深度設(shè)為30 m，葉綠素a質(zhì)量濃度統(tǒng)一為1 mg/m3。

HG 函數(shù)非對(duì)稱參量g影響模擬參數(shù)設(shè)定 非對(duì)稱參量g是HG 函數(shù)的重要參數(shù)，在一定意義上反映海水介質(zhì)散射作用的方向性，取值越接近1，則前向散射越強(qiáng)于后向散射。張滌[30]研究認(rèn)為近岸海水非對(duì)稱參量g應(yīng)取0.99。官斌[24]研究中非對(duì)稱參量g取0.80，本研究關(guān)注的是集魚燈光場(chǎng)數(shù)值模擬過程中g(shù)取值的影響程度。本研究參考現(xiàn)有取值范圍，計(jì)算了非對(duì)稱參量g為0.80～0.99 條件下，距MH 和LED 集魚燈1～30 m 的海水?dāng)嗝鎯?nèi)Ads和Ids，其他參數(shù)設(shè)定：集魚燈功率均設(shè)為2 000 W，集魚燈放置深度設(shè)為30 m，葉綠素a質(zhì)量濃度取1 mg/m3，散射類型為米氏散射。

1.5 實(shí)測(cè)驗(yàn)證方案

由于海上測(cè)試手段不足，模型驗(yàn)證工作通過采集近海水質(zhì)樣品制成的水槽(4 m×2 m×1 m)完成，將水下集魚燈和照度計(jì)放置于水下距離水面0.5 m處，二者水平間距為dtest。水槽內(nèi)壁鋪設(shè)吸光材料(黑色植絨布)，以減少水槽壁對(duì)光束的反射作用。測(cè)試過程中，集魚燈位置固定，照度計(jì)沿著直線AD 方向水平移動(dòng)，測(cè)量不同距離dtest位置的照度值，設(shè)定dtest分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 和3.5 m，每個(gè)位點(diǎn)重復(fù)測(cè)量10 次(圖3)。水下照度計(jì)(型號(hào)ZDS-10W-2D，上海嘉定學(xué)聯(lián)儀表廠)量程為0～2×105lx，精度為0.1 lx，最大測(cè)量誤差為±4%。實(shí)驗(yàn)用海水采樣時(shí)間2021 年12 月15 日，采樣位置為洋山港碼頭(115°7′E、22°18′N)。根據(jù)NOAA 網(wǎng)站(https://coastwatch.pfeg.noaa.gov)中283 個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)顯示當(dāng)日海水的葉綠素a質(zhì)量濃度為0.19～2.9 mg/m3，葉綠素a質(zhì)量濃度平均值為1.0 mg/m3。

圖3 測(cè)試方案Fig.3 Test scheme

2 結(jié)果

2.1 葉綠素a 質(zhì)量濃度對(duì)光場(chǎng)分布的影響

在葉綠素a質(zhì)量濃度1 mg/m3條件下，MH和LED 集魚燈在不同距離海水?dāng)嗝鎯?nèi)的光場(chǎng)分布見圖4，其中MH 集魚燈的A1m、A5m、A10m、A15m和A20m分別為924.17、1 094.51、1 013.77、705.33和203.39 m2，LED 集魚燈對(duì)應(yīng)位置數(shù)據(jù)分別為895.03、1 073.90、988.71、688.68 和76.64 m2，說明在相同葉綠素a質(zhì)量濃度條件下，MH 集魚燈和LED 集魚燈形成的光場(chǎng)無顯著差異。

圖4 LED 和MH 集魚燈的水中光場(chǎng)分布Fig.4 Optical field distribution of LED and MH fishing lamp(a) LED,(b) MH.Chl.a=1 mg/m3.

葉綠素a質(zhì)量濃度從1 增加到5 mg/m3，LED集魚燈形成的I5m從956.48 lx 減少到318.60 lx，相對(duì)減少了66.69%。MH 集魚燈形成的I5m從972.76 lx 減少到454.42 lx，相對(duì)減少了53.29%。MH 集魚燈的A5m從1094.51m2減少到304.57m2，減少了72.17%。LED 集魚燈的A5m從1073.90m2減少到292.87 m2，減少了72.73%，由此可以看出葉綠素a質(zhì)量濃度對(duì)光場(chǎng)分布有顯著影響(圖5)。

圖5 葉綠素a 質(zhì)量濃度對(duì)光場(chǎng)分布的影響SD.斷面與燈具水平距離，下同。Fig.5 Effect of chlorophyll concentration on optical field distributionSD.the distance between lamp and section,the same below.

2.2 散射作用類型對(duì)光場(chǎng)分布的影響

設(shè)定散射類型分別為米氏散射和瑞利散射時(shí)，距離MH 和LED 集魚燈5、10、15 和20 m 海水?dāng)嗝鎯?nèi)的光場(chǎng)分布無明顯差異(圖6)。設(shè)定散射類型分別為米氏散射和瑞利散射時(shí)，MH 集魚燈形成 的A5m、A10m、A15m和A20m分別為1 248.15、1 190.24、886.17、399.05 m2和1 320.16、1 272.17、1 005.16、512.08 m2，LED 集魚燈形成的A5m、A10m、A15m和A20m分別為 1 230.38、1 161.44、868.21、368.91 m2和1 287.01、1 245.83、955.56、484.21 m2(圖7)。

圖6 兩種散射類型作用下光場(chǎng)分布差異(a) LED，米氏散射；(b) MH，米氏散射；(c) LED，瑞利散射；(d) MH，瑞利散射。Chl.a=1 mg/m3。Fig.6 Optical field distribution(a) LED,MS;(b) MH,MS;(c) LED,RS;(d) MH,RS.Chl.a=1 mg/m3.

圖7 散射類型對(duì)不同距離海水?dāng)嗝鎯?nèi)光場(chǎng)分布的影響Fig.7 Effect of different scattering on optical field distribution in different receiving sections

散射類型分別為米氏散射和瑞利散射時(shí)：①M(fèi)H 集魚燈形成的I5m分別為1058.48 和1 020.5 lx，LED 集魚燈形成的I5m分別為1 057.96 和992.42 lx，可以看出散射類型對(duì)兩種集魚燈的影響較小(圖8)。② MH 集魚燈形成的I1m到I20m的數(shù)值從22 578.10 減少到0.64 lx 和從22 476.92 減少到1.04 lx，LED 集魚燈形成的I1m到I20m的數(shù)值從22 513.52 減少到0.72 lx 和從22 383.04 減少到0.90 lx，可以看出散射類型差異對(duì)光場(chǎng)分布影響無顯著差異。

圖8 不同散射作用條件下斷面內(nèi)最大照度隨距離的變化Fig.8 Illumination varying with propagation distance under different scatter conditions

2.3 非對(duì)稱參量 g設(shè)定對(duì)光場(chǎng)分布模擬的影響

非對(duì)稱參量g從0.80 增加到0.99，MH 集魚燈的A5m從1 094.89 增加到1 336.40 m2，增加了22.05%。LED 集魚燈A5m從1 076.52 增加到1 325.21 m2，增加了23.10%。MH 集魚燈形成的I5m從962.52 增加到1 122.48 lx，增加了16.61%。LED集魚燈形成的I5m從980.74 增加到1 123.22 lx，增加了14.52% (圖9)。

圖9 非對(duì)稱參量 g 設(shè)定對(duì)光場(chǎng)分布的影響Fig.9 Effect of g on optical field distribution

以g為0.89 為例，MH 集魚燈形成的I1m到I20m的數(shù)值從22 549.54 減少到0.84 lx；LED 集魚燈形成的I1m到I20m的數(shù)值從22 562.34 減少到0.60 lx，斷面內(nèi)最大照度均下降，并且可以看出非對(duì)稱參量取值差異對(duì)光場(chǎng)分布無顯著影響(圖10)。

圖10 不同非對(duì)稱參量 g條件下照度隨傳輸距離的變化Fig.10 Illumination varying with propagation distance under different g conditions

2.4 實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比

在特制水槽中利用水下照度計(jì)測(cè)量過程中，難免引入測(cè)量誤差，其來源包括：①設(shè)備重復(fù)測(cè)試引起的隨機(jī)誤差；②人員重復(fù)測(cè)試引起的隨機(jī)誤差；③水下照度計(jì)移動(dòng)位置引起的隨機(jī)誤差；④測(cè)量?jī)x器測(cè)量準(zhǔn)確等級(jí)引起的測(cè)量誤差。依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《JJF1059.1—2012 測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》[31]的評(píng)定流程，將①～③隨機(jī)誤差歸為重復(fù)性引起的誤差，使用A 類不確定度方法計(jì)算，記為uA；第④類誤差使用B類不確定度計(jì)算，記為uB；合成不確定度u=實(shí)測(cè)結(jié)果：

與集魚燈不同距離處的照度測(cè)試結(jié)果見圖11，通過與模擬結(jié)果比較，整體上模型計(jì)算值略低于實(shí)測(cè)值。通過相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)值與模擬值兩組數(shù)據(jù)顯著相關(guān)(R=0.99)。

圖11 數(shù)值模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.11 Comparison between simulation value and observed value

3 討論

本研究基于蒙特卡羅模擬方法，結(jié)合集魚燈相對(duì)光譜數(shù)據(jù)、光度分布數(shù)據(jù)和海水固有光學(xué)特性，首次提出了集魚燈在近海海洋水體中光場(chǎng)分布數(shù)值計(jì)算模型，除了可分析海水介質(zhì)條件對(duì)光場(chǎng)分布的影響，也可用于集魚燈配光設(shè)計(jì)和光譜設(shè)計(jì)對(duì)比研究，可為集魚燈在近海海洋水體中有效誘集光場(chǎng)范圍估算及其合理應(yīng)用提供參考。

研究利用新的數(shù)值計(jì)算模型探討了近海海洋水體中葉綠素a質(zhì)量濃度、海水散射類型以及非對(duì)稱參量g取值對(duì)光場(chǎng)分布的影響，結(jié)果顯示3 個(gè)變量都對(duì)集魚燈光場(chǎng)分布有影響。其中，葉綠素a質(zhì)量濃度的改變對(duì)光場(chǎng)分布影響較大，海水散射類型和HG 函數(shù)中非對(duì)稱參量g取值對(duì)于光場(chǎng)分布影響較小。葉綠素a質(zhì)量濃度對(duì)光子傳輸?shù)挠绊懼饕w現(xiàn)在海水對(duì)光子總的吸收系數(shù)[16,24]，散射對(duì)于光束的作用主要體現(xiàn)在方向的改變，對(duì)于準(zhǔn)直光束傳輸影響重大，對(duì)于多方向光束傳輸，光束間彼此能量相互疊加，對(duì)光場(chǎng)分布的影響反而較小，因此建議在集魚燈使用過程中測(cè)試葉綠素a質(zhì)量濃度，以便精準(zhǔn)化調(diào)節(jié)燈光功率。

研究表明，光束在水中發(fā)生的散射包括前向散射和后向散射[29]。以往數(shù)值計(jì)算方法包括點(diǎn)光源法[10-11]、線光源法[12-13]、面光學(xué)積分法[14]、照度疊加算法[15]等，其原理均以光源光度分布模型為基礎(chǔ)，結(jié)合朗伯比爾定律[15]、直線傳播律和折射定律計(jì)算光束在空間的傳輸特性，假設(shè)前提是忽略水體對(duì)光束散射情況[16]和忽略集魚燈空間不同方向的光強(qiáng)差異性。散射作用方面，Shen 等[32]結(jié)合平均余弦定理和散射體積概率分布，能夠模擬光束在水體空間前向散射，無法用于模擬光束的后向散射。散射數(shù)值模擬方面，本研究采用Henyey Greenstein 散射相位函數(shù)，能夠較好地模擬光子在水體中前向和后向散射[10,24]。集魚燈光度分布建模方面，本研究利用燈具光度分布數(shù)據(jù)，從水平和垂直兩個(gè)方向考慮光子輻射概率模型，更加接近事實(shí)[32]，充分考慮燈具不同投影旋轉(zhuǎn)角的光束傳輸差異性。

本研究利用新的數(shù)值計(jì)算模型對(duì)比了MH 和LED 兩種集魚燈在海洋中的不同葉綠素a質(zhì)量濃度、散射類型等組合條件下的光場(chǎng)分布，發(fā)現(xiàn)兩種類型集魚燈的光場(chǎng)分布無明顯差異，與南太平洋海上初步實(shí)測(cè)研究結(jié)論接近，其原因可能與光譜中藍(lán)綠波段能量分布有關(guān)，盡管白光MH 和LED 集魚燈光譜組成差異較大，但藍(lán)綠光盞整體能量接近[33]。從應(yīng)用角度，兼顧LED 集魚燈的節(jié)能效果[6]，同時(shí)在光場(chǎng)分布與傳統(tǒng)MH 集魚燈接近，LED 集魚燈取代MH 集魚燈無論在理論上和實(shí)踐應(yīng)用中都有可行性。

數(shù)值計(jì)算模型驗(yàn)證思路是通過采集水樣制成小型水槽，研究發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)結(jié)果大于模擬結(jié)果。二者誤差可能來源有兩個(gè)方面：①水樣采集經(jīng)過運(yùn)輸、裝卸、靜置等操作，其成分和狀態(tài)與實(shí)際水域有所區(qū)別，例如水中的懸浮粒子會(huì)隨靜置時(shí)間增加而減少，光束在水中的穿透性增強(qiáng)(圖11)。②水槽尺寸限制，光束在有限空間內(nèi)傳輸發(fā)生多次折反射現(xiàn)象。后續(xù)研究應(yīng)開展海上試驗(yàn)或擴(kuò)大光束傳輸空間，進(jìn)一步驗(yàn)證模型的可靠性。

4 結(jié)論

本研究首次利用集魚燈相對(duì)光譜、相對(duì)光強(qiáng)分布和海水固有光學(xué)特性等數(shù)據(jù)，構(gòu)建了水下集魚燈在近海海洋水體中光場(chǎng)分布數(shù)值計(jì)算模型，經(jīng)實(shí)測(cè)，驗(yàn)證數(shù)值模型能夠準(zhǔn)確地模擬水下光場(chǎng)分布，彌補(bǔ)了水下集魚燈在近海海洋水體中的光場(chǎng)分布理論計(jì)算研究空白。以此為基礎(chǔ)，可進(jìn)一步結(jié)合不同趨光性目標(biāo)漁獲物的趨光特性，準(zhǔn)確地估算光誘漁船水下集魚燈光場(chǎng)分布范圍，為漁業(yè)監(jiān)管部門和漁船企業(yè)合理應(yīng)用集魚燈提供科學(xué)依據(jù)。

（作者聲明本文無實(shí)際或潛在的利益沖突）