本發明涉及水下照明控制，具體涉及一種基于光場散射模型的水下led集魚燈控制方法及系統。
背景技術：
1、水下集魚燈作為海洋捕撈與水產養殖中的關鍵設備，其性能直接影響魚群聚集效率與能源消耗。傳統集魚燈多采用高壓汞燈、金鹵燈等光源，存在能耗高、壽命短、光譜調節能力差等問題。近年來，led光源因能效高、波長可調、響應速度快等優勢，逐漸成為水下集魚燈的主流選擇，但其控制策略仍存在顯著技術瓶頸。
2、現有水下led集魚燈控制方法普遍依賴經驗參數設置，或僅通過簡單的光強、波長手動調節實現集魚，未能充分考慮水下光場傳播的復雜性。水下環境中，光的傳播受到水體光學特性（如衰減、散射、吸收）與環境參數（水溫、鹽度、濁度等）的顯著影響：水溫變化會改變水體分子熱運動狀態，進而影響光的散射截面；鹽度波動導致水體折射率變化，干擾光場分布均勻性；濁度升高則因懸浮顆粒增多加劇光的散射衰減，降低光穿透深度。這些因素共同導致傳統控制方法無法準確預測光場在水下的實際分布，易出現光照區域與魚群活動范圍不匹配、敏感光譜覆蓋不足等問題，造成集魚效率低下。
3、同時，目標魚群的趨光行為具有種屬特異性，其視覺系統對特定波長光譜存在敏感偏好，但現有技術缺乏對魚群視覺敏感光譜的動態識別與匹配機制，常采用固定波長組合照明，難以適應不同魚種或生長階段的需求。此外，傳統系統多為開環控制，無法根據實時魚群聚集數據與環境參數變化進行反饋調整，導致能耗與集魚效果之間的平衡難以優化，尤其在復雜動態水體環境中，易出現“過照明”或“欠照明”現象，造成能源浪費或集魚失效。
4、因此，開發一種能夠精準感知水下環境參數、動態模擬光場散射規律、并結合魚群趨光特性實現自適應優化的led集魚燈控制方法及系統，成為提升水下集魚效率、降低能耗的關鍵技術需求。
技術實現思路
1、為了克服現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種基于光場散射模型的水下led集魚燈控制方法及系統，用于解決現有水下led集魚燈控制方法中存在的光場分布預測精度低、魚群視覺匹配性不足、環境適應性差及能耗優化失衡的技術問題。
2、為解決上述問題，本發明所采用的技術方案如下：
3、一種基于光場散射模型的水下led集魚燈控制方法，包括以下步驟：
4、實時獲取目標水域的水體光學特性參數及環境參數，水體光學特性參數包括：水體衰減系數、散射相位函數以及吸收系數；環境參數包括：水溫、鹽度、濁度以及目標魚群的視覺敏感光譜范圍；
5、基于水體光學特性參數和環境參數，采用輻射傳輸方程結合蒙特卡洛模擬方法，建立水下光場散射模型；
6、以提升目標魚群聚集效率且降低能耗為優化目標，將環境參數作為約束條件，通過所述光場散射模型模擬不同led參數組合下的光照效果，確定綜合性能最優的led控制參數；
7、根據led控制參數生成控制指令，調節各led單元的工作狀態；同時實時監測魚群聚集數據和當前水溫、鹽度、濁度的變化值，反饋至所述光場散射模型進行參數修正，形成閉環控制。
8、優選的，實時獲取目標水域的水體光學特性參數及環境參數時，包括：
9、通過雙波長透射計測量水體衰減系數；通過多角度激光散射儀獲取散射相位函數；采用紫外-可見分光光度計測量吸收系數；
10、通過鉑電阻溫度傳感器實時監測水溫；通過四電極電導率傳感器測量鹽度，結合水溫數據修正為實用鹽度單位；采用90°散射光濁度計檢測濁度；
11、利用高速攝像機記錄目標魚群對不同波長led光斑的趨光行為，通過圖像分析軟件統計魚群聚集密度與波長的對應關系，提取敏感光譜峰值區間，得到目標魚群的視覺敏感光譜范圍。
12、優選的，建立水下光場散射模型時，包括：
13、基于水體衰減系數、散射相位函數以及吸收系數構建輻射傳輸方程；
14、基于led光源參數生成初始光子包，每個光子包攜帶能量、位置、方向及波長信息；
15、對每個光子包進行追蹤，根據水體光學特性參數及環境參數修正水體分子散射截面參數和懸浮顆粒散射系數，計算光子的自由程長度及散射方向。
16、優選的，建立水下光場散射模型時，還包括：
17、當光子包能量衰減至閾值或超出目標水域范圍時終止追蹤，記錄光子包在各位置的能量沉積，得到有效光照區域的光強分布、光譜組成及光強衰減梯度；
18、將模擬輸出的光強分布與光強傳感器的實測數據對比，通過調整懸浮顆粒散射系數優化模型預測精度。
19、優選的，修正水體分子散射截面參數時，包括：
20、基于mie散射理論建立水體分子散射截面與溫度、鹽度的關聯關系式；
21、利用多角度激光散射儀測量各溫度-鹽度組合下的標準海水的水體分子散射截面，采用最小二乘法擬合得到關聯關系式中溫度修正系數kt和鹽度修正系數ks的經驗值；
22、將獲取的當前水溫t和鹽度s代入關聯關系式，計算修正后的水體分子散射截面σs(t,s)，并作為蒙特卡洛模擬的輸入參數。
23、優選的，修正懸浮顆粒散射系數時，包括：
24、基于濁度值tur，結合預設的濁度-懸浮顆粒濃度校準曲線，反演得到水體中懸浮顆粒的質量濃度c；
25、測量懸浮顆粒的粒徑分布及體積分數占比，并結合檢測的顆粒成分，確定顆粒的折射率及吸收系數；
26、基于mie散射理論，針對不同粒徑區間的顆粒群，將各區間單顆粒散射截面結合各區間顆粒數濃度，得到基準懸浮顆粒散射系數t；
27、通過現場實驗數據擬合得到濁度修正系數k(tur)對基準懸浮顆粒散射系數t進行補償，得到修正后的懸浮顆粒散射系數t1，并作為蒙特卡洛模擬的輸入參數。
28、優選的，模擬不同led參數組合下的光照效果時，包括：
29、設定led參數的可調范圍，包括：波長組合覆蓋區間、光強取值范圍、光束發散角范圍以及空間分布模式；
30、構建雙目標優化函數f=(f1,f2)，其中f1為魚群聚集效率評價指標，f2為能耗指標；
31、將水溫限定的有效光照區域邊界、鹽度影響的光場均勻性閾值、濁度限制的光穿透深度作為硬約束條件；
32、采用nsga-ii多目標遺傳算法對參數空間進行搜索，通過光場散射模型計算每個參數組合對應的f1和f2值，迭代后得到帕累托最優解集；
33、從帕累托最優解集中選擇綜合性能最優的led控制參數組合。
34、優選的，反饋至所述光場散射模型進行參數修正時，包括：
35、采用yolo目標檢測算法對水下視頻幀進行魚群識別，提取有效光照區域內的魚群數量、分布密度及活動范圍，結合采集的光譜分布數據，計算實際敏感光譜匹配度；
36、對實時采集的水溫、鹽度、濁度變化值進行滑動平均濾波處理；
37、若水溫變化值或鹽度變化值達到或超過設定值，則基于魚群聚集效率偏差，采用pid控制算法調整溫度修正系數kt和鹽度修正系數ks,更新水體分子散射截面σs(t,s)。
38、優選的，反饋至所述光場散射模型進行參數修正時，還包括：
39、若濁度變化值達到或超過設定值，根據光穿透深度實測值與模型預測值的偏差，修正濁度修正系數k(tur)，更新懸浮顆粒散射系數t1；
40、基于修正后的光場散射模型，重新運行nsga-ii多目標遺傳算法進行參數空間搜索，若新生成的帕累托最優解集中存在綜合性能提升超過閾值的參數組合，則生成新的控制指令動態調整發光參數。
41、一種基于光場散射模型的水下led集魚燈控制系統，包括：
42、環境參數采集模塊，設置于目標水域中，配置為實時獲取目標水域的水體光學特性參數及環境參數；水體光學特性參數包括：水體衰減系數、散射相位函數以及吸收系數；環境參數包括：水溫、鹽度、濁度以及目標魚群的視覺敏感光譜范圍；
43、光場散射模型構建模塊，與所述環境參數采集模塊通信連接，配置為基于水體光學特性參數及環境參數，采用輻射傳輸方程結合蒙特卡洛模擬方法建立水下光場散射模型；
44、控制參數優化模塊，與所述光場散射模型構建模塊通信連接，配置為以提升目標魚群聚集效率且降低能耗為優化目標，將環境參數作為約束條件，通過所述光場散射模型模擬不同led參數組合下的光照效果，確定綜合性能最優的led控制參數；
45、控制執行與反饋模塊，與上述模塊通信連接，配置為根據led控制參數生成控制指令，調節各led單元的工作狀態；同時接收實時監測的魚群聚集數據和當前水溫、鹽度、濁度的變化值，反饋至所述光場散射模型進行參數修正，形成閉環控制。
46、相比現有技術，本發明的有益效果在于：
47、（1）提升光場分布預測精度，優化集魚效率
48、本發明通過實時采集水體光學特性參數（衰減系數、散射相位函數、吸收系數）與環境參數（水溫、鹽度、濁度），結合輻射傳輸方程與蒙特卡洛模擬建立水下光場散射模型，可精準預測有效光照區域的光強分布、光譜組成及衰減梯度。相較于傳統經驗參數設置，光場模擬誤差顯著降低，確保光照區域與魚群活動范圍高度匹配，使得目標魚群聚集密度大大提升。
49、（2）動態匹配魚群視覺特性，增強趨光響應
50、系統通過高速攝像機與圖像分析技術提取目標魚群的視覺敏感光譜范圍，并結合光場散射模型優化led波長組合與光強分布，實現光譜與魚群視覺偏好的動態匹配，使魚群趨光響應速度提升，解決了傳統固定光譜照明適應性差的問題。
51、（3）環境自適應閉環控制，提升系統穩定性
52、本發明采用“參數采集-模型修正-優化執行-反饋迭代”的閉環控制機制，通過pid算法實時調整水溫、鹽度修正系數及濁度補償系數，動態更新光場散射模型。當環境參數（如濁度變化±50ntu、水溫波動±1℃）發生顯著變化時，系統響應時間短，光場預測仍具有高精度，確保在復雜水體環境（如河口、近海、遠洋）中持續穩定運行。
53、（4）平衡集魚效率與能耗，降低運營成本
54、通過nsga-ii多目標遺傳算法求解魚群聚集效率與能耗的帕累托最優解集，實現led參數（波長、光強、發散角）的動態優化。在保證集魚效果的前提下，降低系統能耗，延長led光源壽命，尤其適用于長時間作業的遠洋捕撈場景。
55、（5）模塊化設計與兼容性強，易于推廣應用
56、系統采用環境參數采集模塊、光場散射模型構建模塊、控制參數優化模塊及執行反饋模塊的模塊化架構，可兼容不同品牌的led光源。其標準化接口設計支持快速集成至現有漁船或養殖平臺，部署成本較低，具備廣泛的行業適用性。
57、下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細說明。