李妤++鄭偉波++崔釗

摘要：為了衡量不同波長光源引誘魚類的效率，建立了集魚燈光效標準，引入誘魚光作用有效率概念，它等于光源對魚眼起刺激作用的能量與光源輻射能量的比值，收集目前海洋捕撈4種經(jīng)濟魚類的生物學(xué)光譜功率值，與不同波長單色LED光譜功率值進行擬合，得到對不同種類魚類的最佳光譜LED。

關(guān)鍵詞：集魚燈；LED；光效

中圖分類號：TN383 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）13-2536-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.13.035

A Method for Determining the Optimal Color by LED Fishing Light Efficiency

LI Yu，ZHENG Wei-bo，CUI Zhao

（Shanghai Institute of Technical Physcs of the Chinese academy of sciences， Shanghai 200083， China）

Abstract： In order to measure the efficiency of different wavelength LED light sources luring fish， a standard formula for efficiency of fishing light was established， and the efficiency of light stimulation to eyes of different kinds of fish was introduced. It is equal to the ratio of energy that can stimulate fish eyes and energy of lighting radiation source. The biological spectral power values of 4 species of marine fishes were collected and fitted with the power values of monochromatic LED spectra at different wavelengths. The best spectra of different fish species were obtained.

Key word： fishing light； LED； light efficiency

遠洋漁業(yè)是全球漁業(yè)大國資源利用的重要領(lǐng)域。據(jù)農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計，2014年中國公海漁業(yè)產(chǎn)量占中國遠洋漁業(yè)總產(chǎn)量的比重已達65%，是2000年的4倍多[1]。但是世界六大漁業(yè)國家公海漁業(yè)資源的開發(fā)份額占全球開發(fā)份額的50%左右，而中國僅占6%。目前，中國的遠洋漁業(yè)仍處于發(fā)展階段，一些基礎(chǔ)的研究工作滿足不了生產(chǎn)發(fā)展的要求，與發(fā)達國家有很大差距，所以有必要加強對捕魚及其相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的研究工作，指導(dǎo)中國的漁船進行合理有效地生產(chǎn)。

作為海洋漁業(yè)的重要輔助設(shè)備——集魚燈，通過趨光效應(yīng)對魚群實現(xiàn)集聚，從而提高捕魚效率，提高經(jīng)濟效益。目前，漁船上普遍采用金屬鹵化物集魚燈（金鹵燈），金鹵燈的缺點是功率大，沒有定向性，光源浪費嚴重，光源的全光譜分布使得利用率較低，而且所產(chǎn)生的紫外線對船員身體的影響較大[2]。近年來，部分漁民盲目認為光強越大誘魚效果越好，因此集魚燈功率越來越大，耗能問題更為嚴重，也制約著中國光誘漁業(yè)的持續(xù)發(fā)展。如何提高集魚燈的效率，降低集魚燈的耗電成本，是當(dāng)前中國遠洋和近海光誘漁業(yè)急需研究的重要課題。作為第四代照明光源的LED，具有壽命長、光效高、光束角小、二次配光方便、指向性好、在海水中透過率高等特點，使得其具備替代傳統(tǒng)金鹵燈的優(yōu)勢。但目前中國國內(nèi)對LED集魚燈的研究主要集中在將用于陸地空間的大功率LED燈照搬到海洋漁業(yè)的表層，鮮見系統(tǒng)開展專用于遠洋漁業(yè)的LED集魚燈研究。

LED一大特點是具有分立光譜，可以根據(jù)漁業(yè)生產(chǎn)要求定制不同光色，根據(jù)目標魚類的趨光性，選擇相應(yīng)光譜的光源，在相同功率下，將會得到最佳的集魚效果。目前集魚燈多使用白色LED，廣東海洋大學(xué)研究人員在中國沿海海域做了白光（偏綠光）發(fā)射二極管（LED）水下燈和藍紫光LED 水下燈集魚試驗。試驗證實520～550 nm綠色波段對魚眼引誘作用大于450 nm藍紫光波段[3]。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研制了LED集魚燈第二代產(chǎn)品（300 W型綠光），光譜范圍490～560 nm，用于對頭足類的誘集[4]。

目前，不同顏色誘魚效果還未有定論，魚類對不同波長光的視覺效率與人眼是完全不同的。為了比較各種光源對魚刺激作用大小，本研究引入誘魚光作用有效率概念，它等于光源對魚眼起刺激作用的能量與光源輻射能量的比值。收集目前海洋捕撈4種經(jīng)濟魚類的生物學(xué)光譜功率值，與不同波長單色LED光譜功率值進行擬合，以期為LED集魚燈最佳光色的確定提供基礎(chǔ)資料。

1 光生物效應(yīng)理論基礎(chǔ)

光照對魚類的攝食、代謝、生殖、內(nèi)分泌等生理機能起重要的觸發(fā)作用。不同生態(tài)類型的魚類對光照表現(xiàn)出不同的反應(yīng)類型[5]。動物對不同波長的光照感受程度不同，這與動物的生活環(huán)境有關(guān)。魚類生活在水環(huán)境中，由于海水對不同波長的光吸收系數(shù)不同，不同水層的魚眼感受到的日光峰值波長不同，魚眼的視覺曲線的峰值波長也會有所不同。比如沿海區(qū)域海水的最大透過率的波長約為500 nm，在不太深的海水中魚所感受到的日光峰值波長應(yīng)該是在500～555 nm，遠洋區(qū)海水最大透過率波長約為480～490 nm，該峰值波長也就是魚眼的視覺曲線峰值波長。

頭足類視網(wǎng)膜中含有兩種光敏色素體系，即視紫紅質(zhì)和視網(wǎng)膜色素。這兩種視色素的存在與視覺過程中視色素循環(huán)有密切關(guān)系。前者的光譜吸收峰值為475～500 nm，后者為470～522 nm，依種類不同而異[6]。太平洋金槍魚對藍綠光更敏感[7]，藍圓鰺暗視光譜敏感曲線峰值在490 nm，對420～500 nm波段的光譜敏感度高。鮐魚的暗視光敏曲線峰值在480 nm，對440～520 nm波段的光譜敏感度高[8]。魷魚對短波段光譜藍光趨向性最高，綠光次之，長波段的顏色光誘集效果不佳[9]。

2 集魚燈光效標準

某種魚類視覺色素吸收的光譜只占人眼吸收光譜的少量部分，魚類對不同波長光的視覺效率與人眼的視覺效率是完全不同的，這就要求對集魚燈的光效有一個合理的評價標準，目前實踐中大多都是按照建筑照明的評價標準，在380～780 nm的可見光范圍內(nèi)，以對人眼視覺效應(yīng)最強555 nm波長光為基準，按人眼的視覺效應(yīng)對不同波長的光分別計算進行度量。但用于魚類的集魚燈光效標準是不適宜的，評價魚類光作用效率應(yīng)該從魚類生理行為的角度進行度量，為了比較各種光源對魚光刺激作用大小，引入誘魚光作用有效率概念，它等于光源對魚類起刺激作用的能量與光源可見光輻射能量的比值[10]，公式如下：

ηrad=■=■=■

（1）

式中，φ（λ）是一定工作狀態(tài)下的光源光譜能量分布，y（λ）是魚眼視覺光譜靈敏度函數(shù)，λ是光波長，取可見光范圍380～780 nm，Q是光源輻射比例常數(shù)。數(shù)值Y是魚眼感光強度，ψ是光源可見光輻射強度。從公式（1）可以看到，如果光源的光譜相對能量分布與魚類的視覺光譜靈敏度函數(shù)y（λ）曲線分布重合度越高，光源光誘魚類的能量利用率就越高。

對于光源可見光波段的輻射為其全輻射的一部分，因此在考慮光效時還要加入可見輻射通量在輸入功率Pl中所占的比例即可見輻射效率，設(shè)可見輻射效率這個因子為ηv：

ηv=■ （2）

兩個指標綜合考慮，集魚燈光效標準為η：

η=ηradηv （3）

3 實例分析

根據(jù)已有研究[10]，獲得魷魚、金槍魚、藍圓鰺、鮐魚的視覺光譜靈敏度函數(shù)圖，并利用MATLAB進行數(shù)據(jù)提取，結(jié)果如圖1所示。

本研究選購峰值波長為445、480、505、525、545 nm的單色LED。采用的測試設(shè)備為626分布光度計和遠方PMS-80_V1光譜分析系統(tǒng)。在LED技術(shù)文檔額定工作電流350 mA下測試光源的光譜功率，測試結(jié)果如圖2所示。

將圖1數(shù)據(jù)與圖2數(shù)據(jù)代入式（1），通過Matlab進行擬合，計算出ηrad，結(jié)果見表1。根據(jù)光度計的測試結(jié)果代入式（2）計算ηv，結(jié)果見表2。將ηrad、ηv相乘得到集魚燈光效η，結(jié)果見表3。

由表1可知，魷魚、金槍魚、藍圓鰺、鮐魚這4種魚類對所選取的單色光光作用效率ηrad要好于白光，因為白光中含有其他的海洋魚類不敏感的無效波段。采用藍綠單色光誘魚效果要比白光好。在藍綠單色光波段，針對不同魚類，光效最高的波長LED都不同，綜合4種魚類來看，480 nm峰值波長和505 nm峰值波長的單色LED光作用有效率更高。

由表2可知，不同波長單色光LED的光源輻射效率ηv也不同，因此2個因素綜合考慮，集魚燈光效η參考表3可知，選擇480 nm和505nm波段光效更高，對魷魚來說，480 nm單色光光效是白光的7倍，505 nm單色光光效是白光的3倍；對金槍魚來說，480 nm單色光光效是白光的1.9倍，505 nm單色光光效是白光的2倍；對鮐魚來說，480 nm單色光光效是白光的5.8倍，505 nm單色光光效是白光的3倍；對藍圓鰺來說，480 nm單色光光效是白光的4倍，505 nm單色光光效是白光的2倍。如果集魚燈需要引誘4種魚類，綜合考慮采用480～505 nm波長的LED可以獲得最大光效，達到最佳節(jié)能效果。

4 小結(jié)

引入誘魚光作用有效率概念來比較各種光源對魚刺激作用大小，提出了針對集魚燈的光效標準。利用這一標準計算5個不同波長單色LED及白光的光效并進行比較，驗證了不同種類的魚類特有的集魚燈最佳光譜。采用480～505 nm波段集魚燈光效更高，節(jié)能效果更好。在實際集魚燈使用中，綜合考慮成本、效率等因素，LED集魚燈光色的選擇是未來需要研究的方向。

參考文獻：

[1] 張錚錚.我國遠洋漁業(yè)裝備發(fā)展戰(zhàn)略與對策[J].船舶工程，2015， 37（6）：34-36.

[2] 錢衛(wèi)國.魷釣漁業(yè)中集魚燈的優(yōu)化配置研究[D].上海：上海水產(chǎn)大學(xué)，2005.

[3] 陳清香，熊正燁，譚中明，等.2種LED燈光誘藍圓鲹和竹筴魚的漁獲比較[J].南方水產(chǎn)科學(xué)，2013，9（3）：80-84.

[4] 錢衛(wèi)國，陳新軍，雷 林.300 W型綠光LED集魚燈的光學(xué)特性[J].大連海洋大學(xué)學(xué)報，2012，27（5）：471-476.

[5] 俞文釗.魚類趨光生理[M].北京：農(nóng)業(yè)出版社，1980.127-135.

[6] 羅會明.海洋經(jīng)濟動物趨光生理[M].福建科學(xué)技術(shù)出版社，1985.

[7] YOSHIKI T，TARO M，TOMOKI H，et al. Effects of light wavelength on growth and survival rate in juvenile Pacific bluefin tuna，Thunnus orientalis[J].Environ Biol Fish，2014，97（1）：53-58.

[8] 楊雄里，李震元，鄭微云.海水魚趨光特性的電生理研究[J].生物化學(xué)與生物物理學(xué)報，1997，9（1）：38-41.

[9] JEONG H，YOO S，LEE J，et al.The retinular responses of common squid Todarodes pacificus for energy efficient fishing lamp using LED[J]. Renewable Energy，2013，54：101-104.

[10] 蘭希文.魷魚視覺特性和趨光特性的研究與應(yīng)用[J].福建水產(chǎn)，1982（3）：17-29.