錢衛(wèi)國，陳新軍，雷林

(1.上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，上海201306;2.國家遠洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海201306;3.大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開發(fā)省部共建教育部重點實驗室，上海201306)

光誘漁業(yè)除了研究捕撈對象的生物學(xué)特性［1-2］、資源分布和海洋環(huán)境狀況［3-5］等內(nèi)容外，還應(yīng)加強對捕撈生產(chǎn)輔助設(shè)備的研究。集魚燈是光誘漁業(yè)中的誘魚和集魚裝置，其燈光強度、光強分布范圍以及集魚燈種類的選擇等都會極大地影響誘魚和集魚的效果［6］。近年來，漁船之間的光力競爭越來越激烈，使得集魚燈能耗問題更為嚴重［7-9］。另外，目前漁船上普遍采用金屬鹵化物集魚燈［6，10］，由于此種燈沒有定向性使得光源浪費嚴重，而且所產(chǎn)生的紫外線對船員身體的影響較大。在全球能源日益緊張的形勢下，漁業(yè)同樣面臨燃油危機的重大挑戰(zhàn)［11］，這也將制約著中國光誘漁業(yè)的持續(xù)發(fā)展。因此，如何降低成本，提高生產(chǎn)效益，是當前中國遠洋和近海光誘漁業(yè)急需研究的重要課題。

從目前國內(nèi)外的相關(guān)研究來看，LED(Lightemitting diode，發(fā)光二極管)集魚燈的研制和開發(fā)應(yīng)用，可為解決上述問題提供可能。為此，本研究中作者對所研制的300 W型綠光LED集魚燈進行了光學(xué)性能測試，并與傳統(tǒng)的1 kW型金屬鹵化物集魚燈進行了比較，以期為LED集魚燈在中國光誘漁業(yè)中的應(yīng)用提供基礎(chǔ)資料。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 綠光LED集魚燈 由上海海洋大學(xué)魷釣技術(shù)組與上海嘉寶電子協(xié)力電子有限公司合作，經(jīng)過大量的前期調(diào)查和方案設(shè)計，在LED集魚燈第一代產(chǎn)品 (300 W型白光)研發(fā)的基礎(chǔ)上［12］，又開發(fā)研制了LED集魚燈第二代產(chǎn)品 (300 W型綠光)(圖1)。綜合考慮該綠光LED集魚燈的設(shè)計，初步認為其不僅具有白光300 W型LED集魚燈的各種優(yōu)良性能［12］，而且放射的綠光在海水中的透過率更高，有效地避免了不必要的光能浪費;另外，其光譜范圍 (490～560 nm)與頭足類對光譜的吸收峰值范圍 (波長為 460～530 nm)十分接近［13-16］，更適合于對頭足類的誘集。

1.1.2 1 kW型金屬鹵化物集魚燈 根據(jù)上海海洋大學(xué)魷釣技術(shù)組的前期研究資料［6］，1 kW型金屬鹵化物集魚燈的基本參數(shù)見表1，其配光曲線見圖2。使用極坐標方程對該集魚燈發(fā)光強度進行擬合，得到配光曲線極坐標函數(shù)如下:

圖1 300 W型綠光LED集魚燈及點亮狀態(tài)Fig.1 Green light LED lamp(300 W)for fish aggregation and luminescence

圖2 1 kW型金屬鹵化物集魚燈及其配光曲線Fig.2 The metal halide lamp(1 kW)for fish aggregation and its distribution of luminous intensity

表1 1 kW型金屬鹵化物集魚燈的基本參數(shù)Tab.1 The basic parameters of domestic metal halide lamp(1 kW)for fish aggregation

式中:Iθ為發(fā)光強度 (坎德拉，cd);θ為方位角(弧度)。

1.1.3 測量儀器 采用加拿大Satlantic公司生產(chǎn)的Hyperspectral profiler II高光譜剖面儀，其光譜測量范圍為348～802 nm，測量深度為0～100 m，水深精確度為0.1 m，分辨率為0.01 m。

1.2 測量方法

于2011年4月16日19:30—21:30(測量時，天氣多云，無背景光影響)在浙江省舟山市浙江興業(yè)公司碼頭，對舟山寧泰遠洋漁業(yè)公司“金海827”號輪船安裝的LED集魚燈和1 kW型金屬鹵化物集魚燈 (簡稱為金鹵燈)，分別進行了光譜測量?！敖鸷?27”號輪船總長為43.5 m，設(shè)計水線長為37.0 m，型寬為7.60 m，型深為3.80 m，平均吃水為2.80 m。1 kW金鹵燈距離上甲板3.3 m，距離下甲板5.9 m，距離碼頭平面5.0 m，燈間距0.58 m;LED集魚燈距離上甲板3.8 m，距離下甲板6.4 m，距離碼頭平面5.5 m，燈間距0.1 m。集魚燈布置情況參見圖3和圖4。

測量時，分別開啟綠光LED集魚燈30盞，以及船左側(cè)一列金屬鹵化物集魚燈62盞，在船側(cè)的碼頭平面設(shè)置54個測光點 (6行、9列)，利用高光譜剖面儀進行測光 (圖4)。

圖3 “金海827”號輪船的集魚燈分布示意圖Fig.3 Arrangement of fish aggregation lamps on the squid jigging vessel known as Jinhai No.827

圖4 集魚燈測光示意圖Fig.4 The illuminance measurement of fish aggregation lamps

2 結(jié)果

2.1 兩種集魚燈的光譜比較

綠光LED集魚燈和1 kW型金屬鹵化物集魚燈的光譜輻照度情況見圖5。從圖5可以看出，綠光LED集魚燈的光譜輻射量主要集中在綠光波段(490～560 nm);而1 kW型金屬鹵化物集魚燈的光譜范圍很大，不僅包含整個可見光 (波長為380～760 nm)，并有部分紫外和紅外光線，同時部分波段 (如 360、400、430、480、510、540、590 nm波長附近等)還出現(xiàn)峰值。綠光LED集魚燈與1 kW型金屬鹵化物集魚燈相比，發(fā)光波段僅為綠色光譜部分，不產(chǎn)生紫外線，不會對船員的眼睛和皮膚產(chǎn)生負面影響。

圖5 兩種集魚燈的光譜分布Fig.5 Spectral distribution of the fish aggregation lamps

2.2 兩種集魚燈光譜輻照度分布的比較

根據(jù)光通量計算公式［12］，分別對綠光LED集魚燈 (總功率9 kW)和1 kW型金屬鹵化物集魚燈 (總功率62 kW)各個不同測光點的輻射量的測量值按公式 (2)進行積分，可計算得到不同測光點處的光通量，并得到照度值 (表2和表3)。

式中:F為光通量 (lm);Km為輻射量和光度量之間的比例系數(shù)，其值為683 lm/W;V(λ)為無量綱系數(shù);P(λ)為輻射通量 (W)。

從表2和表3可見，在同一測光點，綠光LED集魚燈的照度值均高于1 kW型金屬鹵化物集魚燈，所有測光點照度均高出10 lx以上。特別是正對LED集魚燈布置 (D～I列，圖4)的測光點，其第1行～第4行的照度要比1 kW型集魚燈高出100～750 lx。由此可見，總功率為9 kW的LED集魚燈在所測量平面的照度值，要高于總功率為62 kW的1 kW型集魚燈的照度值。因此，從理論上來說，使用綠光LED集魚燈替代或部分替代原有的金屬鹵化物燈，可以在船體附近獲得較好的燈光照度。

表2 綠光LED集魚燈(總功率9 kW)在各測光點的照度Tab.2 The illuminance of green light LED fish aggregation lamps with total power of 9 kW lx

表3 1 kW型金屬鹵化物燈(總功率62 kW)在各測光點的照度Tab.3 The illuminance of metal halide lamps(1 kW)with total power of 62 kW lx

2.3 兩種集魚燈在空氣中的衰減系數(shù)

以測光中心位置E列數(shù)據(jù)為例，對測定數(shù)據(jù)進行擬合，得到62個1 kW型集魚燈在空氣中的衰減公式為y=2990.1e－0.2494x(R2=0.9523)，衰減系數(shù)為0.2494;30個綠光LED集魚燈在空氣中的衰減公式為y=3573.9e－0.2527x(R2=0.9875)，衰減系數(shù)為0.2527。從圖6可見，綠光LED集魚燈在空氣中的能量衰減速度要略大于1 kW型金屬鹵化物集魚燈。

圖6 兩種集魚燈不同距離的照度Fig.6 The illuminance in different distance of the two kinds of fish aggregation lamps

2.4 兩種集魚燈的水中照度分布

集魚燈水中照度的計算方法參見文獻 ［6］、［10］，根據(jù)“金海827”號輪船的集魚燈布置參數(shù) (圖3)，使用自行開發(fā)的水上集魚燈水下光場計算系統(tǒng)V1.0(軟件登記號為2010SR042147)，計算獲得船舷左前側(cè) (距離船艏16.5 m處，也即綠色LED集魚燈的中間位置)0～200 m不同深度的照度。在海水光學(xué)衰減系數(shù)為0.2時，計算獲得1 kW型金屬鹵化物集魚燈總功率為62 kW時的水中照度;綠光LED集魚燈總功率為9 kW時的水中照度參考點光源計算模式［6］。使用Surfer 8.0軟件繪制等值曲線圖，獲得水中照度的斷面分布如圖7、圖8所示。

從圖7可見，1 kW型集魚燈總功率為62 kW時，離船水平距離40 m以內(nèi)的照度值較高，多為100 lx以上，特別是離船10 m以內(nèi)近表層的水中照度可達1 000 lx以上。10 lx照度最深可至20 m水深，離船水平距離最遠為70 m左右;0.1 lx照度最深可至40 m水深，離船水平距離最遠為200 m左右。

圖7 1 kW型金屬鹵化物集魚燈總功率為62 kW時的水中等照度曲線分布Fig.7 Contours of underwater irradiance of metal halide lamps(1 kW)with total power of 62 kW

從圖8可見，綠光LED集魚燈總功率為9 kW時，離船水平距離40 m以內(nèi)的照度值較高，多為10 lx以上，特別是離船20 m以內(nèi)的近表層的水中照度可達100 lx以上。10 lx照度最深可至30 m水深，離船水平距離最遠為36 m左右;0.1 lx照度最深可約至65 m水深，離船水平距離最遠為50 m左右。

圖8 LED集魚燈總功率9 kW時的水中等照度曲線分布Fig.8 Contours of underwater irradiance of greenlight LED fish aggregation lamps with total power of 9 kW

假設(shè)0.01 lx為誘集魷魚的最低照度，1 kW金屬鹵化物集魚燈 (62 kW)和LED集魚燈 (9 kW)兩種集魚燈在水平方向上，0.01 lx照度分布的最遠距離分別約為550 m和70 m;在垂直方向上，0.01 lx照度分布的最深距離分別約為50 m和85 m?？梢姡M管功率相差很大，但使用綠光LED集魚燈能有效增加對深層魷魚的吸引范圍;而在水平方向上，LED集魚燈的有效誘集距離要低于金屬鹵化物集魚燈，這主要是由于所測LED集魚燈是與甲板成45°角布置，故其光線無法向水平方向傳遞很遠。

3 討論與分析

LED燈被稱為世界上最新的第四代光源，其具有長壽命、低消耗、定向性和無光源污染等優(yōu)點［17］，于20世紀90年代后期被逐步推廣到海洋捕撈業(yè)中。日本和中國臺灣地區(qū)的有關(guān)部門已較為成功地將LED集魚燈推廣應(yīng)用到秋刀魚舷提網(wǎng)和燈光圍網(wǎng)漁業(yè)中［18-21］。但由于LED發(fā)光模塊具有散熱慢的缺點，不易將單燈燈具的功率設(shè)計的太大，因而日本和中國臺灣地區(qū)所開發(fā)的LED集魚燈的單燈功率都較小，一般為60～220 W。本課題組采用水冷卻技術(shù) (該項技術(shù)已申請專利)，有效解決了LED集魚燈燈具發(fā)熱的問題，可使LED集魚燈的單個燈具功率超過300 W，為在漁船上合理布置安裝LED集魚燈提供了更好的條件。

與當前普遍使用的白光金屬鹵化物集魚燈相比，綠光LED集魚燈在海水中傳播時能量損耗小，因而具有更好的穿透性，光線能有效到達較深的水層。同時，綠光LED集魚燈的光譜輻射量主要集中在綠光波段 (490～560 nm)，該波段與柔魚等所喜好的藍綠光波段相近［13，16］，這有利于吸引捕撈對象靠近漁船。但綠光LED集魚燈在實際漁業(yè)中的集魚效果尚需進一步研究。

相關(guān)研究認為，青色LED綜合光源效率為金屬鹵化物燈的32倍以上，在確保魷釣漁獲量不變的情況下，可節(jié)省燃油總量的50%以上［18］。本研究結(jié)果表明，綠光LED集魚燈具有諸多的優(yōu)良性能，如壽命長，電力消耗低，發(fā)熱少，能瞬間點燈熄燈，在海中的透過率高，使用低壓電源，不需要安裝安定器 (鎮(zhèn)流器)，不產(chǎn)生紫外線等，能夠滿足光誘漁業(yè)的需要，且節(jié)約能耗的潛力巨大。

LED具有廣闊的應(yīng)用前景是不爭的事實，但LED漁用集魚燈的研發(fā)工作仍處于初級階段。盡管目前國產(chǎn)LED集魚燈已有部分批次的產(chǎn)品，且已開展了漁業(yè)生產(chǎn)試驗，但還有許多研究工作有待進一步跟進，比如:單燈功率大小的確定，主要光譜的選擇，LED集魚燈在船上的合理布置，不同漁業(yè)方式及不同捕撈對象的總功率的確定，同時還需進行光譜測量和輻照度測定等。這些研究工作的深入開展，都需要得到相關(guān)職能部門和企業(yè)的支持。

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