秋刀鱼(Cololabis saira)属颌针鱼目(Beloniformes)，竹刀鱼科(Scomberesocidae)，秋刀鱼属，又称竹刀鱼^{[1, 2, 3, 4]}。秋刀鱼广泛分布于西北太平洋及其沿海海域^[5]。体内营养物质丰富，味道鲜美，且价格便宜，深受消费者欢迎，是日本、俄罗斯、韩国和我国台湾省等地的重要捕捞鱼种之一^[6]。秋刀鱼资源丰富，渔具渔法简单，渔获效率较高，具有较高的经济效益^[7]。现今从事秋刀鱼渔业的国家和地区大部分采用光诱舷提网作业，由于其操作简便、渔获效率高，从而得以迅速推广^[8]，我国大陆于2004年开始利用远洋鱿钓船在西南大西洋生产的间隙赴西北太平洋从事秋刀鱼舷提网渔业生产，至2013年年底，我国大陆有近30艘秋刀鱼船从事生产，年捕捞产量超过2万吨。目前，国内外对秋刀鱼的生物学特性、资源渔场、秋刀鱼捕捞技术、视觉及趋光特性等进行了较为广泛的研究^{[9, 10, 11, 12, 13]}，但有关秋刀鱼集鱼灯灯光配置方面的研究较少。为此，本文根据集鱼灯灯箱的平面照度分布实验结果，利用Matlab 7.0软件建立秋刀鱼集鱼灯照度分布模型，对不同倾角的秋刀鱼集鱼灯箱照明效果进行比较研究，希望为海上诱集捕捞实践提供参考。

本文以“沪渔910”秋刀鱼舷提网船灯箱中长条形集鱼灯为研究对象，进行灯光测试实验，灯箱分布如图1所示。右舷共有37组长条灯箱，其中3组装配绿灯，船舯部一长条灯箱的延伸处装配有3组装有红灯圆形灯箱；左舷也有37组长条灯箱，其中6组装配绿灯；船体前部共装配有6组导鱼用圆形灯箱；尾部装配有5组长条灯。在海上实际生产中，集鱼灯箱的装配高度(以海平面为基准)为3.95 m。

图 1(Fig.1)

图 1 船只灯箱布局示意图 Fig.1 The diagram of light box deployment

长条集鱼灯灯箱的外观尺寸及架设见图2、图3，其中每一灯箱内共装有24盏500 W白炽秋刀鱼集鱼灯(图4)，实验中采用三相交流电的接法，外部的电压380 V，灯泡的实际工作电压220 V。

图 2(Fig.2)

图 2 灯箱外观尺寸示意图(mm) Fig.2 The diagram of external sizes for light box(mm)

图 3(Fig.3)

图 3 灯箱架设示意图 Fig.3 The diagram of setting light box

图 4(Fig.4)

图 4 灯箱内集鱼灯的排列顺序图 Fig.4 Arrangement of the lamps in light box

在进行灯箱光学特性实验前，假设有以下理想条件：

(1)灯箱内集鱼灯具有相同的配光特性，集鱼灯在灯箱内等间距装配。

(2)灯箱内壁反射率相同，上、下挡板及左、右挡板的反光特性分别相同。

(3)不考虑光线遇实验系统外物品(如测量仪器和测量者、远处物品等)后反射对地面照度的影响。

(1)实验中选取了空间大小为50 m×30 m×20 m的实验场地，实验前首先在地面上以1 m×1 m为间隔做好标记。

(2)将集鱼灯箱架设于高度H=3.95 m处，调整灯箱与水平面之间的倾角为φ₀=30°，使其向地面投射，见图5。

图 5(Fig.5)

图 5 灯箱架设三维图 Fig.5 Three-dimensional figure of setting light box

(3)分别测量集鱼灯直射方向上离原点距离x=0，2，4，6，8，10，12，14，16 m，y=0，2，4，6，8，10 m处S(x,y)点的地面照度值，并记录，每个灯位重复测量3次求平均值，每次实验的时间均为晚上21:00-23:00，均无月光影响，背景光照度小于0.1 lx。

(4)将集鱼灯灯箱的倾角分别调整为45°和60°，并重复上述测量过程。

点光源计算公式^{[14, 15]}：

式中：I(x,y)是距离点光源S(x,y)处的光强(cd)； r为点光源到点S(x,y)的距离 (m)；γ₀为点光源在P点的入射角。

另外，由几何关系得：

得出地面照度大小随距离变化公式:

式中:E_v(x,y)为测量点S(x,y)的照度(lx)；I_v(x,y)为灯箱在点S(x,y)方向上的光强(cd)；r为光源到测量点的距离(m);h为光源到地面的高度(m)。

在该式中，I_v(x,y)为关于x，y的一个代数式，因此E_v(x,y)只有x，y两个未知数，可将其变换形式成：

式中:A为常数，f(x,y)为x，y的方程式。

由此，需要对f(x,y)的形式进行讨论。根据公式(4)，分母为(x²+y²+h²)^3/2，因此考虑可将f(x,y)化为关于的二元三次方程。在根据实验中测量所得数据，对f(x,y)进行了分析后，结果也比较理想。

设f(x,y)=ax³+bx²+cx+dy³+ey²+fy+g，A=10⁴

则地面上S(x，y)点的照度为：

在该实验中，由于集鱼灯和灯箱的光学特点，理论状况下地面照度大小是根据y轴对称的，即：

将其代入公式(7)，故

地面S(x，y)点的照度可化简为：

原点O(0,0)处的照度值

则

将(11)代入(10)得到最终的地面照度公式为：

式中：E_v(x,y)为测量点的照度(lx)；x,y是测量点的横纵坐标；E_v(0,0)是集鱼灯在原点时的照度值(lx)。

本次实验于室内进行，实验过程中，实验光源发出的一部分光线必将会遇到墙壁和顶棚发生漫反射现象和受其他背景光的影响。故最后所使用的地面照度数据需要消除背景光以及漫反射等其他因素的影响。

背景光影响公式如下：

式中：E_A是实验所测得的光照度(lx)；E₀是周围的平均光照度(lx)。

利用实验所得E_v(x,y)=数据，通过Matlab 7.0软件对实验数据进行拟合和回归^{[16, 17]}，得出不同倾角时的集鱼灯箱地面照度方程，分别为：

利用Matlab7.0软件对方程式(14)在x∈[-16, 16]，y∈[0, 16]内进行三维绘图，得到30°倾角时的集鱼灯箱地面照度分布效果图(图6)。由效果图可以看出，所模拟出的照度分布在近原点区域内非常陡峭，但随着地面距离的增加，其衰减也非常剧烈。

图 6(Fig.6)

图 6 30°倾角时的海面光场效果图 Fig.6 Lighting field on the sea level at the 30° inclination

为了更好地研究照度分布的数值变化情况，对照度变化作海面照度等位线分布图(图7)，其等位线间距为20 lx。由图7可以看出，在^{[0, 1]}附近，等位线密集，形成了照度的密集光场。通过计算机程序编程，发现在点[0,1.0627]处，有最大照度值，为196.3183 lx。随着地面距离的增加，照度衰减非常迅速，在x∈[-2, 2]，y∈[0, 3]区域内，其照度变化梯度甚至超过50 lx/m。

图 7(Fig.7)

图 7 倾角为30°时海面照度等位线分布 Fig.7 Distribution of illumination isolines on the sea level at the 30° inclination

利用Matlab 7.0软件对该方程式(15)在x∈[-16, 16]，y∈[0, 16]内进行了三维绘图，得到倾角为45°时的集鱼灯灯箱地面照度分布效果如图8所示。由图可以看出，其所模拟的照度分布变化在近原点区域内较30°倾角时小，随着地面距离的增加，照度的衰减也较缓慢。

图 8(Fig.8)

图 8 倾角为45°时海面光场效果 Fig.8 Lighting field on the sea level at the 45° inclination

在其海面照度等位线分布图中发现在x∈[-2, 2]，y∈[0, 2]区域内，海面照度值大小均大于80 lx(图9)。通过计算机编程，发现在点[0,0.6077]处，有其最大值，为123.600 8 lx，此外，在x∈[-2, 2]，y∈[0, 2]区域内的照度变化梯度较大，均超过30 lx/m。

图 9(Fig.9)

图 9 倾角为45°时海面照度等位线分布 Fig.9 Distribution of illumination isolines on the sea level at the 45° inclination

利用Matlab 7.0软件对方程式(16)在x∈[-16, 16]，y∈[0, 16]内进行了三维绘图，得到倾角为45°时的集鱼灯灯箱地面照度分布效果如图10所示。由图可以看出，所模拟的照度值在近原点区域内变化非常平缓，其最大峰值较其他倾角时小，而且随着地面距离的增加，其照度衰减缓慢。

图 10(Fig.10)

图 10 倾角为60°时海面光场效果 Fig.10 Lighting field on the sea level at the 60° inclination

如图11所示，可以发现整个照度光场区域内的等位线非常稀疏，仅在点[0, 1]附近有80～100 lx的中等强度光场，通过计算机编程求得在点[0,1.008 1]处的照度最大值89.0136xl。随着地面距离的增加，其照度值缓慢降低，在x∈[-2, 2]，y∈[0, 2]区域内，其照度变化梯度也均在20 lx/m以下。

图 11(Fig.11)

图 11 倾角为60°时海面照度等位线分布 Fig.11 Distribution of illumination isolines on the sea level at the 60° inclination

西德尔科尼夫^[18]在海上试验发现，秋刀鱼处在0.01～0.1 lx照度范围内时开始向光源移动，长期停留在150～200 lx的照度区域内，在600～800 lx照度区内只停留几秒，超过800 lx时秋刀鱼即离开。本文研究发现，秋刀鱼集鱼灯箱的地面照度在其直射方向上呈现出随地面距离(L)的增加而减少的趋势，各倾角所形成的光场最大照度值在89～196 lx之间，与上述研究基本相符。

秋刀鱼集鱼灯箱在不同倾角时的照度分布之间存在显著差异。通过照度分布实验，发现在30°倾角时的灯光照度光场波动变化大于45°和60°倾角时的照度光场波动变化，说明倾角越小，其海面光场的波动越大，其有效诱集区域也越小，不利于鱼群的聚集；但不是倾角越大越好，当倾角角度增大到一定程度时，其有效诱集区域也会随之减小，而且部分光线还会被反射到天空中，造成灯光浪费。通过灯光照度分布实验，我们发现，集鱼灯箱的倾角角度在50°～60°较为合适，对于某些诱鱼灯箱，其倾角可适当增加至70°。

集鱼灯光在传递到海面的过程中，主要存在两方面的能量衰减：一个是在灯箱内部，由于灯泡、灯具的相互干扰造成的灯光的散射和吸收。另一个是灯光从灯箱发出至海面点的传递过程中，由于空气吸收和散射以及船体对灯光的干扰造成的光通量的衰减。因此在实验过程中我们要考虑到这两点误差来源，进而进行计算，使结果更加精确。除此之外，海水对集鱼灯光的折射也是很明显的，而本次实验是在陆地上进行的，所测量的数据不可能与实际在海上操作的一致，故也可能会造成实验误差。

由于受到实验条件的限制，只对不同倾角时的灯箱照度分布进行了研究，没有从多个角度和层次对秋刀鱼集鱼灯箱周围的光照度及其光强值变化分布进行研究,因此需要在今后进一步深入研究。