一、概述
体育场照明设计主要是为满足足球、田径、橄榄球、曲棍球等运动的需要。足球运动因球的运行不仅在地面上，同时还在距地10~30m的空间进行。因此在一定的空间高度的各个方向上要保持一定的亮度，一般足球场上空15m以下空间的光分布要非常均匀。
田径比赛大部分在距地面约3m高度的范围内进行，这类运动设施的照明，主要是满足地面上的光分布均匀的要求。标枪、铁饼、链球等项目运动高度可达20米，原来这类项目往往不在晚上举行，但现在这些运动晚上举行的较多，而且往往是决赛或资格赛，重要程度可见一斑。因此场地照明必须满足这类项目的需求。
橄榄球、曲棍球等运动在我国不普及，如有需要可参阅相关资料，在此不赘述了。
为了适合于彩色电视实况转播尤其高清电视转播的要求，要求运动员和场地以及观众之间的亮度比率应具有一定数值。
二、体育场照明要求
要做好一个体育场照明设计，设计者首先必须了解和掌握体育场照明要求：应有足够的照度和照明的均匀度，无眩光照明，适当的阴影效果，光源色度参数的正确性等等，具体标准指标要求参见作者的另一篇文章（见炳华话电气），下面进行定性的描述。
1照度要求
彩色电视转播照明应以场地的垂直照度为设计的主要指标，场地照明一般必须满足运动员、观众和摄像机三方面的要求。为此要求水平照度、垂直照度及摄像机拍摄全景画面时的亮度，必须保持变化的一致性。运动员、场地和观众之间的亮度变化比率不得超过某一数值，这样才能适应彩色电视摄像要求。
彩色电视转播要求照度比黑白电视高，高清电视转播要求的照度又高于标清的彩电转播，超高清电视转播现在也在试验中，对照明要求将会更高。另外，照度与电视画面的画幅有密切的关系，照度低，那么电视转播仅限于摄取全景；如果照度高，既可摄取全景又能拍摄特写镜头，从而使电视播送更生动。
2照度均匀度
均匀度的要求主要源于电视摄像机的要求，而不相称的均匀度，也会给运动员和观众带来视觉上的痛苦。照度均匀度规定表面上的最小照度（Emin）与最大照度（Emax）之比（U1），最小照度（Emin）与平均照度（Eave）之比（U2）。均匀度用来控制整个场地上的视看状况，U1有利于视看功能。U2有利于视觉舒适。
在和镜头轴线的主要方向相垂直的比赛场地上1.0-1.5m高的范围内测得的平均照度应不低于1400lx，实际上1000lx对于摄影也是可能的。
对于一个面积相当大的体育场地(如球场周围加上跑道，面积为120m×200m)来说，其水平照度的均匀度不如其中足球场地的均匀度。既要能保持转播所需的照度梯度，又要满足照度均匀度的要求，才能保证电视摄像机能摄取优质的电视画面。
运动员的动作愈迅速、运动器具愈小，对于垂直照度、照度均匀度及照度梯度要求就愈严格。
彩色转播足球比赛时，水平面或垂直面上相邻网格点间的照度变化率每5m不应超过20%，非彩电转播时不应超过50%。
3亮度和眩光
电视摄像机的作用与人的视觉有些相似，摄像机和人眼都是以感觉照明的强度作为亮度，因此，画面对比以及其背景，对于画面质量来说都是最重要的。一方面由于缺乏充分的对比，好的画面就不能取得；另一方面由于难于处理明暗，同样也妨碍高质量画面的产生。
亮度和眩光对于运动员和观众的视觉舒服与否都是很重要的，考虑到要避免太暗的背景，一部分光线应当射向看台，观众席座位面的平均水平照度应满足100 lx的要求，主席台面的照度不宜低于200 lx。靠近比赛区前12排（15排）观众席的垂直照度不宜小于场地垂直照度的25%。这不仅使对面看台上观众眩光减少，而且电视画面也因为有了一个明亮的看台背景，使画面质量更为有利。
总的来说，眩光在很大程度上系由照明设施的亮度、灯具布置的实体角、发光的面积、灯具的方向与正常观看方向之间的角度、照明设施亮度与其观看时的背景亮度之间的关系、以及人眼适应的条件(主要系由视野亮度来决定)等一系列因素来决定。如果要获得舒适的观看条件，必须使得视野内直接亮度不超过背景可依据的某一亮度值。
眩光问题，只要协调好观众、运动员之间的矛盾就能解决，这一协调工作由设计师来完成，即设计时就应当考虑投光灯的光线分布、安装方案、灯悬挂高度以及其它因素。宽光束的投光灯容易获得场地的均匀效果，但会增加对看台上的观众的眩光，因此，适当选用中等光束和窄光束投光灯相结合的方案来解决眩光问题。投光灯分类、光束角的关系见表1。
表1投光灯灯具分类
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4阴影影响
亮度对比强，同时又有阴影，这些都有碍于电视摄像机的正确调整，因而会影响电视画面的质量。过于黑暗也会降低视觉的舒适。另一方面，阴影对于电视转播和观众来说却又很重要，特别是当具有快速动作的高速传球特点的足球比赛时，如果有阴影的影响，距球远的观众是无法跟踪上目标的。
可以细致地调整投光灯，同时避免了影响照明的不利因素就可以改善或消除阴影的影响。但是对于有雨棚的体育场，阳光下的阴影是很难避免的，尽管使用人工照明进行补光也无济于事。
图14-2慕尼黑安联体育场日光下的阴影
5颜色校正
颜色较正对于观众和彩色电视转播都很重要。电视摄像机色温在很大范围内能够加以调节，可以使用色温3000-6000K的光源进行电视转播。但是，体育场是室外运动场，在选择光源时，要考虑日光的色温，即5000-6000K。可能发生这种情况，比赛在日光下开始，而在夕阳西下时，即在冷光照明下结束(通常用“全天候”这一词来形容这一情况)。在夕阳和人工照明双重光线下，要求日光色温与人工照明光源的色温相一致，这样电视摄像机可以进行连续转播，由日光顺利过渡到人工照明。
金属卤化物灯在场地照明中应用极为广泛，其具有4000～6000K的色温，完全可以满足室外彩色电视转播的需求。近年来，LED在场地照明中得到试验性的应用，效果良好，大有取代金卤灯之势，对色温要求更为宽泛，但对显色性的研究还在进行中。
6维护系数和大气吸收系数
照明装置在使用一定周期后，在规定表面上的平均照度或平均亮度与该装置在相同条件下新装时在同一表面上所得到的平均照度或平均亮度之比称为维护系数（maintenance factor）。照明计算时维护系数取值见本章第一节，室外体育场照明计算时还应计入5%～15%的大气吸收系数，主要考虑空气对光的吸收、反射、散射等因素，从而对照明的影响。大气吸收系数与维护系数是不同的概念，但在工程中经常会统一考虑。而《体育建筑设计规范》JGJ31-2003中要求室外时维护系数应取0.55，另外还计入30%大气吸收系数，将会造成较大的浪费。以综合体育场为例，假设某体育场没考虑维护系数时，使用350套2000W的金卤灯即可满足要求，考虑维护系数0.7时，用灯量为350/0.7=500套，如果维护系数和大气吸收系数按JGJ31-2003取值，则为350/(0.55x0.7)=909套灯具，比上述取值多出909-500=409套灯具，相应还需增加电缆、配电、荷载等费用，维护费用和工作量也增加不少。目前，《体育建筑设计规范》正在修编之中，相信关于大气吸收系数的条款将会修订。
另一方面，忽略大气吸收系数也是不妥的，尤其多雾、雾霾严重的地区更要重视大气的影响。仍以上述体育场为例，如果大气吸收系数取10%，则该体育场使用2000W金卤灯数量应为350/0.7×(1-10%)=556套，这样才能保证场地上得到良好的照明。国家体育场“鸟巢”的场地照明计算取10%的大气吸收系数。
三、对照明质量其它方面的要求
1立体感
立体感是指光照射在物体(即运动员和运动器具)上时所产生的效果，使物体的形体细部和轮廓都能看得清晰。例如在判断距离和速度时，很大程度上取决于对物体形状能够清楚的辨认。要取得良好的立体感，就必须从物体的各侧都要有光，但并不要绝对均匀。立体感要把握好度，没有立体感则转播的电视画面比较生硬、呆板；过度强调立体感则会产生类似重点照明中的戏曲效果，被照的人和物将会产生较严重的亮斑和阴影，电视转播将不会清晰，转播效果将大大折扣。对于重要赛事，需要认真对待立体感问题。以奥运会为例，要求场地照明从不同方向照射到场地内，且场地内每个计算点的四个方向（平行于边线和底线）垂直照度的最小值与最大值之比不小于0.6。
2频闪效应
频闪效应是在以一定频率变化的光照射下，观察到物体运动显现出不同于其实际运动的现象，通常的表现形式有抖动、闪动等。频闪效应对电视转播影响较大，可以想象，如果电视画面出现抖动、闪动等现象，电视观众将无法接受，电视广告、电视转播权等电视转播经济将会受到重大影响。尤其当今已经进入LED照明时代，频闪效应更加突出，大大影响转播的效果，尤其对高清电视转播、慢动作等影响更大。
国际上频闪效应的定量研究尚处在初级阶段，其定义尚没达成一致，有不同的定义方法。第10版的北美照明工程协会（TheIlluminating Engineering Society of North America）的《IES照明手册》（IESLighting Handbook）给出了两个描述频闪效应的概念。频闪比是描述频闪效应的方法之一，即在某一频率下，输出光通最大值与最小值之差比输出光通最大值与最小值之和，用百分比表示。如图2所示，A和B分别是一个周期内的光输出的最大值和最小值，频闪比Rf=（A-B）/(A+B)。频闪比的描述见表2，因此，场地照明的频闪比达到6%就会对电视转播产生轻微的影响，该数值可以作为高等级赛事频闪效应评判的限值。
表2频闪比的描述
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另一种描述频闪效应的方法是频闪指数，即在一个周期内，光输出平均值以上部分A1与整个光输出（A1+A2）的比值，即FI=A1/(A1+A2)，其值在0~1.0。频闪指数需要进行积分计算，使用起来比较繁琐。
图2频闪效应的描述
为减少频闪效应，可以采用三相供电的场所，将照射在同一照明区域的不同灯具分接在不同相序的供电回路上，即三相同点法。在使用数量较多的宽光束灯具时，几乎是自然地可达到上述要求，但在使用窄光束灯具时，则必须分三个相位以三相的组合方式投射。
使用高频电子镇流器也可以消除或减轻频闪效应，但电子镇流器只能用于中小功率的金卤灯，大功率的金卤灯尚没有成熟的产品。
超慢镜头回放区域可以采用LED灯，且可采取直流系统供电。但由于直流供配电系统的局限性和经济性，只能用于局部重要区域。
3灯具数量问题
使用大型灯具可以减少投光灯数目，但是在多数情况下，从均匀度要求的观点来看，不可能做到把光线照射的足够均匀，而且在使用窄光束时，肯定不可能达到均匀度要求。为此，最好多种配光配合使用，并使用功率适宜的灯具。
对于体育场来说，目前较多使用2000W的金卤灯，大型体育场使用窄光束、特窄光束灯具较多，并配以适量的中光束灯具，专用足球场灯具总数一般不超过300套就可满足世界杯足球赛的要求。而综合性体育场场地照明灯具将在400套以上。也有少数体育场采用1500W、1800W的金卤灯，这时灯具数量会多一些。大型体育比赛，如奥运会，有时会采用临时性照明系统，如图3所示为2004年雅典奥运会Panathinaiko体育场临时照明系统，该体育场为现代奥运会即1896年第一届夏季奥运会的比赛场地，是现代奥运会的发源地。奥运会期间，临时照明的光源为6000W金卤灯，由于是临时采用，这个方案是可以接受的，灯具数量将大大减少。
LED灯逐渐在体育场场地照明中得到应用，并有快速普及的趋势。灯具数量和功率将大大减少。限于技术和造价因素，目前多用在等级较低的体育场中。图4为汕头大学室外场地，灯具由Musco公司提供，其中小足球场采用8套96W的LED灯，灯杆高15m，平均照度达100lx；室外排球场同样采用8套96W的LED灯，灯杆高也是15m，平均照度达140lx；室外单片篮球场采用4套96W的LED灯，灯杆高12m，平均照度高于100lx；网球场则灯杆高15m，一处单片场地采用16套96W的LED灯，平均照度高达500lx；另一处网球场为两片场地，采用24套96W的LED灯，灯杆也是15m高，平均照度超过400lx。图5为北京工人体育场国安足球练习场，该场地是标准的11人场地，共计采用96套180W的LED灯，两侧灯布，共6根灯杆，每根灯杆上安装16盏灯，总安装功率17.28kW。
图4汕头大学室外场地
图5北京工人体育场练习场
4灯具的方向性
描述灯具照射方向的有投射角、瞄准角、俯角、仰角等等，其中瞄准角是规范用词，在我国多部标准中有所规定，正在修订的《体育场馆照明设计及检测标准》试图规范这些用语、用词。在图6中，灯具瞄准角是灯具的瞄准方向（主光强方向）与垂线的夹角，如果瞄准角越大，垂直面照度Ev就越大，对运动员、观众的眩光就会增大。反之，如果灯具投射角越小，垂直照度也越小，不容易满足电视转播的要求。因此，在设计时，灯具投射角在25°~65°为宜。
图6 灯具瞄准角
5光源与灯具的选择
选用体育场照明光源要从光效、寿命、色温、显色性、投资和运行等诸方面综合考虑，目前，体育场多选用金属卤化物灯，LED灯也有所应用。金卤灯是目前体育场照明性价比最佳的光源，比较适用于彩色电视转播，该光源便于控制光束、光效高(50-110lm／W)、显色性好(Ra=80-94)等优点。近年来异军突起的LED灯则在体积、方向性、节能、控制等方面占有优势，发展较快。
体育场照明所用灯具主要是投光灯。要重视投光灯的下述技术参数：灯具总光通量、灯具效率、灯具有效光通量、灯具有效效率、峰值光强、溢出光、灯具遮光角等。
如果采用LED灯，除上述因素需要考虑外，还要考虑色容差、色品坐标、特殊显色指数R9、频闪比等参数。
选择金卤灯灯具，首先要考虑光束的宽度和光斑的形状。投光灯按光学性能可分为三种。首先，圆形投光灯，用于远距离投光，必须用高强度光束。将抛物线弧形反光器和小体积高亮度的光源结合起来，容易得到高强度的光束。这种方法形成的光束是锥形，在场地上投射的光斑呈椭圆形。其次，长方形投光灯，用于近距离投光。近距离投射场地时最好用水平方向宽光束灯具，可以用槽形的抛物线弧形剖面的反射器，配以线状光源，光束是扇形的。第三，蜗牛形投光灯，用于中距离投光。可以用圆形或槽形反射器使光束漫射，以获得中距离投光的覆盖能力。投光灯到被照面的距离近时用宽光束灯较经济，距离愈远采用光束愈窄，其利用程度越高。
而LED灯则采用透镜，突破原有的反射器束缚，方向性更加优秀，配光更加多样、灵活。
四、场地照明灯具的布置及安装
1四角布置
四角布置灯具以集中形式与灯杆结合布置在比赛场地四角。直到今天许多体育场的照明设施是四角布置，在场地四角设置四个灯杆，塔高—般为35-60m，常用窄光束灯具。这种布置型式适用于无雨棚或雨棚高度较低的足球场地。该种方式照明利用率低、维护检修较困难、造价较高。合适的灯杆位置见图7，最下排投光灯至场地中心与地面夹角宜不小于25°，以此确定灯杆的高度，因此，灯杆距场地中心点的距离不同，灯杆的高度也不同，见表3；球场底线中点与场地底线向外成10°角（有电视转播成15°角）、球场边线中点与边线向外成5°角的两条相交叉点后延长线形成的三角区域内为布置灯杆的位置。通过采用各种不同光束角投光灯的投射，在场地上可形成一个适宜的照度分布。
注：表中h为灯拍最下排投光灯至场地的垂直距离，灯杆的实际高度加上灯拍最下排的高度。
但是今天电视需要有更高而均匀的垂直照度，而且要求的入射在场地较远部分的光的角度远远地小于规定的限额。由于采用大型气体放电灯而获得的较高亮度而产生的影响，加上传统的灯塔（灯杆的一种）高度之高，使之不可避免地产生过度的眩光。这种四角布灯型式存在的缺点是：不同观看方向的视觉变化幅度较大，阴影较深，从彩色电视转播看，要满足各方向垂直照度，又要把眩光控制好，确实是比较困难的。如要满足Ev/Eh比值要求和减少眩光，对四角照明方式，有必要采取一些改进措施。
（1）把四角位置向两侧和边线外移动，使场地对面和四个角能获得一定的垂直照度。
（2）在电视主摄像机方向一侧的灯杆上增加投光灯数，加强光束投射。
（3）在电视主摄像机方向一侧的看台顶上补充光带照明，要注意控制眩光，不应使场地两端的观众查觉出来。
2多杆布置
多杆布置是两侧布置的一种形式，两侧布置是灯具与灯杆或建筑马道结合、以簇状集中或连续光带形式布置在比赛场地两侧。顾名思义，多杆布置型式是在场地两侧设置多组灯杆(或灯杆)见图14-9，适用于足球练习场地、网球场地等。它的突出优点是用电量较省，垂直照度与水平照度之比较好。由于灯杆较低，这种布灯型式还有投资较少，维护方便的优点。
图8 多杆式布置
1——灯杆，2——球场，3——看台
灯杆要均匀布置，可布置4塔、6塔或8塔，投射角大于25°，至场地边线投射角最大不超过75°。
这种布灯一般使用中光束和宽光束投光灯，如有观众看台，瞄准点布置工作要十分细致。这种布灯的缺点是：当灯杆布置在场地和观众席之间时，会遮挡观众视线，消除阴影比较困难。
在没有电视转播的足球场，侧向布置照明装置多采用多杆式布置方式，经济性较好，见图9。通常将灯杆布置在赛场的东西两侧，一般来说，多杆布灯的灯杆高度可以比四角布置的低。为了避免对守门员的视线干扰，以球门线中点为基准点，底线两侧至少10°（没有电视转播时）之内不能布置灯杆。
图9无电视转播赛场侧向布置灯具
④-侧向四角；●-侧向六塔式；⑧-侧向八塔式
多杆布灯的灯杆高度计算，计算用三角形与球场垂直、同时与底线平行（见图10），Φ≥25°，同时灯杆高度h≥15m。
图10无电视转播赛场多杆布灯灯杆高度
周圈布置灯具是多杆布置的一种特殊形式，主要用于棒球场和垒球场的照明。棒球场灯具布置最好采用6根或8根灯杆布置方式，垒球场通常采用4根或6根灯杆布置方式，也可在观众席上方的马道上安装灯具。 灯杆应位于四个垒区主要视角20o以外的范围,即灯杆不应设置在图11中的阴影区。灯杆高度需满足灯具投射角度不大于70°的要求，根据北美标准，灯杆高度按如下要求计算：
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图11 棒（垒）球场灯杆位置
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3光带式布置
图12光带式布置
1——光带，2——看台，3——场地
光带布置是两侧布置的另一种形式，即把灯具成排地布置在球场两侧，形成连续光带的照明系统，见参图12。光带布灯照明均匀，运动员与球场之间的亮度比较好，目前世界上公认这种布灯方式可以满足彩色电视转播、高清电视转播甚至超高清电视转播的要求。
光带长度需超过球门线10m以上，对于甲级、特级综合体育场，光带长度一般不小于180m，灯具的投射角不低小于25°。有的体育场光带照明离场地边线很近(其夹角在65°以上)，距离光带较近的场地一侧就不能获得足够的垂直照度，这样就要增加后排照明系统。
国际足球联合会FIFA于2011年颁布了新版的《足球场》标准，足球场照明增加了不能布置灯具区域，意在保障运动员、裁判员避免眩光的影响，具体是下列部位（见图13）不能布置灯具：首先，以底线中点为中心，当有电视转播时底线两侧各15°角范围内的空间；当没有电视转播时底线两侧各10°角范围内的空间。其次，场地中心25°仰角球门后面空间内。第三，以底线为基准，禁区外侧75°仰角与禁区短边向外延长线20°角围合的空间，但图13中所示区域除外。当然，综合性体育场布置灯具不受此限制，但足球模式时这些限制区域不能开灯。
图13足球场不应布置灯具区域示意图
一般光带式布置多采用几种不同光束角的投光灯组合投射，窄光束用于远投，中光束用于近投。
光带式布置的缺点是：要求控制眩光的技术比较严格，物体实体感稍差。
4混合式布置
混合式布置是把四角和两侧布置（含多杆布置、光带式布置）有机地组合在一起的布灯方法，见图14，是目前世界上大型综合性体育场解决照明技术和照明效果比较好的一种布灯型式。
图14光带、灯杆混合式布置
1—灯杆；2—光带
混合式布置具有两种布灯的优点，使实体感有所加强，四个方向的垂直照度和均匀度更趋合理，但眩光程度有所增加。此时，四角往往不是独立设置，而是与建筑物结构统一起来，因而造价较省。
四角用的投光灯多为窄光束，解决光线远投问题；光带多为中光束、窄光束，实现远、中、近投光。由于是混合布置，四角的投射角和方位布置可以适当灵活处理，光带布置的长度也可适当缩短，光带高度也可适当降低。
5土建处理及安装
体育场的土建处理与整个照明方案密切相关。当观众席上无雨棚时，要采取光带布置方式，就必须考虑另外设置独立的灯桥或支架。是否采用四角布灯，还必须征求城市规划部门的意见，而四角、多杆式布灯型式又与建筑整体的艺术效果密切相关。不论采用四角、多杆、光带还是混合式布置，灯具的安装以及维护、检修，都要在选择方案阶段考虑周到。
目前世界上不少体育场采用灯杆，多为钢管或混凝土灯杆，也有采用倾斜钢筋混凝土灯杆等多种型式。
下面分别论述灯杆和光带在土建与安装处理上要注意的几个问题。
（1）灯杆的土建处理
灯杆上的灯架（俗称灯拍）面积与投光灯型式、数量有关，但灯架的外形和比例的处理，应该有自由选择的余地。灯架面积要留有裕度，以备今后发展扩充。
灯杆高度虽然必须要服从功能要求，但结构是否合理，施工条件、当地气候条件也要认真考虑。维护、检修条件极为重要，要考虑采用升降机进行维护或者使整个灯架能下降到地面进行维护。灯杆高度大于20m时建议采用电动升降装置进行维修；灯杆高度小于20m时可采用爬梯进行维修，建议爬梯装置护笼并在相应高度上设置休息平台。
在沿海和有盐雾腐蚀的地区，应优先选用防盐雾钢筋混凝土灯杆或采用镀锌钢管灯杆，避免采用暴露的钢结构灯架。
灯杆与建筑物的关系有三种情况：
1）灯杆独立于建筑物之外时，结构基础好处理，但投射距离比较远，要求灯杆高度较高；
2）灯杆依附在建筑物上时，结构基础需单独处理。灯杆与建筑物连在一起；
3）灯杆依附在建筑物整体结合时，能很好地处理美观问题。应优先考虑采用此种方案的可能性。
（2）光带的土建处理
光带一般是布置成一层或两层投光灯具，如果布置有困难，则应采取后缩式光带作为补充。
两侧光带在距场地中心的尺寸上、或者高度上、不一定非强求一致，但投射到场地中心的角度最好应近似相等。对于田径场，两侧光带一般不会对称的，因为西侧直道和径赛终点线附近是要加强照明的，灯具数量会比东侧要多一些。
光带一般是设在灯桥或马道上，根据《体育建筑电气设计规范》JGJ 354-2014第8.4.3条规定，马道应留有足够的操作空间，其宽度不宜小于800mm，并应设置防护栏杆。马道的安装位置应避免建筑装饰材料、安装部件、管线和结构件等对照明光线的遮挡。
光带与建筑物关系有两种情况：
1）利用雨棚设光带，其雨棚高度应大致能满足功能要求；目前要求光带尽量在雨棚下设置，而不是在雨棚的顶部。
2）独立设置光带。在无雨棚的情况下，如果最高一排观众席在高度和距离上合理，则可在观众席后排上布置光带，光带是设置在独立的灯桥上。灯桥布置可灵活些，但相对造价要高，这种灯架要与土建整体一并考虑。图15为美国GREEN BAY市Lambeau Field体育场，其照明系统在东西两侧均采用4族灯桥，每个灯桥上为光带布置，灯桥安装在后排观众席上。
对于不对称的体育场，如一侧有雨棚，一侧无雨棚，可以采用混合式布灯方式，有雨棚的一侧采用光带布置，无雨棚一侧可采用灯杆布灯。
图15美国LambeauField体育场
