300 W型绿光LED集鱼灯的光学特性

钱卫国，陈新军，雷林

(1.上海海洋大学海洋科学学院，上海201306;2.国家远洋渔业工程技术研究中心，上海201306;3.大洋渔业资源可持续开发省部共建教育部重点实验室，上海201306)

光诱渔业除了研究捕捞对象的生物学特性［1-2］、资源分布和海洋环境状况［3-5］等内容外，还应加强对捕捞生产辅助设备的研究。集鱼灯是光诱渔业中的诱鱼和集鱼装置，其灯光强度、光强分布范围以及集鱼灯种类的选择等都会极大地影响诱鱼和集鱼的效果［6］。近年来，渔船之间的光力竞争越来越激烈，使得集鱼灯能耗问题更为严重［7-9］。另外，目前渔船上普遍采用金属卤化物集鱼灯［6，10］，由于此种灯没有定向性使得光源浪费严重，而且所产生的紫外线对船员身体的影响较大。在全球能源日益紧张的形势下，渔业同样面临燃油危机的重大挑战［11］，这也将制约着中国光诱渔业的持续发展。因此，如何降低成本，提高生产效益，是当前中国远洋和近海光诱渔业急需研究的重要课题。

从目前国内外的相关研究来看，LED(Lightemitting diode，发光二极管)集鱼灯的研制和开发应用，可为解决上述问题提供可能。为此，本研究中作者对所研制的300 W型绿光LED集鱼灯进行了光学性能测试，并与传统的1 kW型金属卤化物集鱼灯进行了比较，以期为LED集鱼灯在中国光诱渔业中的应用提供基础资料。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 绿光LED集鱼灯 由上海海洋大学鱿钓技术组与上海嘉宝电子协力电子有限公司合作，经过大量的前期调查和方案设计，在LED集鱼灯第一代产品 (300 W型白光)研发的基础上［12］，又开发研制了LED集鱼灯第二代产品 (300 W型绿光)(图1)。综合考虑该绿光LED集鱼灯的设计，初步认为其不仅具有白光300 W型LED集鱼灯的各种优良性能［12］，而且放射的绿光在海水中的透过率更高，有效地避免了不必要的光能浪费;另外，其光谱范围 (490～560 nm)与头足类对光谱的吸收峰值范围 (波长为 460～530 nm)十分接近［13-16］，更适合于对头足类的诱集。

1.1.2 1 kW型金属卤化物集鱼灯 根据上海海洋大学鱿钓技术组的前期研究资料［6］，1 kW型金属卤化物集鱼灯的基本参数见表1，其配光曲线见图2。使用极坐标方程对该集鱼灯发光强度进行拟合，得到配光曲线极坐标函数如下:

图1 300 W型绿光LED集鱼灯及点亮状态Fig.1 Green light LED lamp(300 W)for fish aggregation and luminescence

图2 1 kW型金属卤化物集鱼灯及其配光曲线Fig.2 The metal halide lamp(1 kW)for fish aggregation and its distribution of luminous intensity

表1 1 kW型金属卤化物集鱼灯的基本参数Tab.1 The basic parameters of domestic metal halide lamp(1 kW)for fish aggregation

式中:Iθ为发光强度 (坎德拉，cd);θ为方位角(弧度)。

1.1.3 测量仪器 采用加拿大Satlantic公司生产的Hyperspectral profiler II高光谱剖面仪，其光谱测量范围为348～802 nm，测量深度为0～100 m，水深精确度为0.1 m，分辨率为0.01 m。

1.2 测量方法

于2011年4月16日19:30—21:30(测量时，天气多云，无背景光影响)在浙江省舟山市浙江兴业公司码头，对舟山宁泰远洋渔业公司“金海827”号轮船安装的LED集鱼灯和1 kW型金属卤化物集鱼灯 (简称为金卤灯)，分别进行了光谱测量。“金海827”号轮船总长为43.5 m，设计水线长为37.0 m，型宽为7.60 m，型深为3.80 m，平均吃水为2.80 m。1 kW金卤灯距离上甲板3.3 m，距离下甲板5.9 m，距离码头平面5.0 m，灯间距0.58 m;LED集鱼灯距离上甲板3.8 m，距离下甲板6.4 m，距离码头平面5.5 m，灯间距0.1 m。集鱼灯布置情况参见图3和图4。

测量时，分别开启绿光LED集鱼灯30盏，以及船左侧一列金属卤化物集鱼灯62盏，在船侧的码头平面设置54个测光点 (6行、9列)，利用高光谱剖面仪进行测光 (图4)。

图3 “金海827”号轮船的集鱼灯分布示意图Fig.3 Arrangement of fish aggregation lamps on the squid jigging vessel known as Jinhai No.827

图4 集鱼灯测光示意图Fig.4 The illuminance measurement of fish aggregation lamps

2 结果

2.1 两种集鱼灯的光谱比较

绿光LED集鱼灯和1 kW型金属卤化物集鱼灯的光谱辐照度情况见图5。从图5可以看出，绿光LED集鱼灯的光谱辐射量主要集中在绿光波段(490～560 nm);而1 kW型金属卤化物集鱼灯的光谱范围很大，不仅包含整个可见光 (波长为380～760 nm)，并有部分紫外和红外光线，同时部分波段 (如 360、400、430、480、510、540、590 nm波长附近等)还出现峰值。绿光LED集鱼灯与1 kW型金属卤化物集鱼灯相比，发光波段仅为绿色光谱部分，不产生紫外线，不会对船员的眼睛和皮肤产生负面影响。

图5 两种集鱼灯的光谱分布Fig.5 Spectral distribution of the fish aggregation lamps

2.2 两种集鱼灯光谱辐照度分布的比较

根据光通量计算公式［12］，分别对绿光LED集鱼灯 (总功率9 kW)和1 kW型金属卤化物集鱼灯 (总功率62 kW)各个不同测光点的辐射量的测量值按公式 (2)进行积分，可计算得到不同测光点处的光通量，并得到照度值 (表2和表3)。

式中:F为光通量 (lm);Km为辐射量和光度量之间的比例系数，其值为683 lm/W;V(λ)为无量纲系数;P(λ)为辐射通量 (W)。

从表2和表3可见，在同一测光点，绿光LED集鱼灯的照度值均高于1 kW型金属卤化物集鱼灯，所有测光点照度均高出10 lx以上。特别是正对LED集鱼灯布置 (D～I列，图4)的测光点，其第1行～第4行的照度要比1 kW型集鱼灯高出100～750 lx。由此可见，总功率为9 kW的LED集鱼灯在所测量平面的照度值，要高于总功率为62 kW的1 kW型集鱼灯的照度值。因此，从理论上来说，使用绿光LED集鱼灯替代或部分替代原有的金属卤化物灯，可以在船体附近获得较好的灯光照度。

表2 绿光LED集鱼灯(总功率9 kW)在各测光点的照度Tab.2 The illuminance of green light LED fish aggregation lamps with total power of 9 kW lx

表3 1 kW型金属卤化物灯(总功率62 kW)在各测光点的照度Tab.3 The illuminance of metal halide lamps(1 kW)with total power of 62 kW lx

2.3 两种集鱼灯在空气中的衰减系数

以测光中心位置E列数据为例，对测定数据进行拟合，得到62个1 kW型集鱼灯在空气中的衰减公式为y=2990.1e－0.2494x(R2=0.9523)，衰减系数为0.2494;30个绿光LED集鱼灯在空气中的衰减公式为y=3573.9e－0.2527x(R2=0.9875)，衰减系数为0.2527。从图6可见，绿光LED集鱼灯在空气中的能量衰减速度要略大于1 kW型金属卤化物集鱼灯。

图6 两种集鱼灯不同距离的照度Fig.6 The illuminance in different distance of the two kinds of fish aggregation lamps

2.4 两种集鱼灯的水中照度分布

集鱼灯水中照度的计算方法参见文献 ［6］、［10］，根据“金海827”号轮船的集鱼灯布置参数 (图3)，使用自行开发的水上集鱼灯水下光场计算系统V1.0(软件登记号为2010SR042147)，计算获得船舷左前侧 (距离船艏16.5 m处，也即绿色LED集鱼灯的中间位置)0～200 m不同深度的照度。在海水光学衰减系数为0.2时，计算获得1 kW型金属卤化物集鱼灯总功率为62 kW时的水中照度;绿光LED集鱼灯总功率为9 kW时的水中照度参考点光源计算模式［6］。使用Surfer 8.0软件绘制等值曲线图，获得水中照度的断面分布如图7、图8所示。

从图7可见，1 kW型集鱼灯总功率为62 kW时，离船水平距离40 m以内的照度值较高，多为100 lx以上，特别是离船10 m以内近表层的水中照度可达1 000 lx以上。10 lx照度最深可至20 m水深，离船水平距离最远为70 m左右;0.1 lx照度最深可至40 m水深，离船水平距离最远为200 m左右。

图7 1 kW型金属卤化物集鱼灯总功率为62 kW时的水中等照度曲线分布Fig.7 Contours of underwater irradiance of metal halide lamps(1 kW)with total power of 62 kW

从图8可见，绿光LED集鱼灯总功率为9 kW时，离船水平距离40 m以内的照度值较高，多为10 lx以上，特别是离船20 m以内的近表层的水中照度可达100 lx以上。10 lx照度最深可至30 m水深，离船水平距离最远为36 m左右;0.1 lx照度最深可约至65 m水深，离船水平距离最远为50 m左右。

图8 LED集鱼灯总功率9 kW时的水中等照度曲线分布Fig.8 Contours of underwater irradiance of greenlight LED fish aggregation lamps with total power of 9 kW

假设0.01 lx为诱集鱿鱼的最低照度，1 kW金属卤化物集鱼灯 (62 kW)和LED集鱼灯 (9 kW)两种集鱼灯在水平方向上，0.01 lx照度分布的最远距离分别约为550 m和70 m;在垂直方向上，0.01 lx照度分布的最深距离分别约为50 m和85 m。可见，尽管功率相差很大，但使用绿光LED集鱼灯能有效增加对深层鱿鱼的吸引范围;而在水平方向上，LED集鱼灯的有效诱集距离要低于金属卤化物集鱼灯，这主要是由于所测LED集鱼灯是与甲板成45°角布置，故其光线无法向水平方向传递很远。

3 讨论与分析

LED灯被称为世界上最新的第四代光源，其具有长寿命、低消耗、定向性和无光源污染等优点［17］，于20世纪90年代后期被逐步推广到海洋捕捞业中。日本和中国台湾地区的有关部门已较为成功地将LED集鱼灯推广应用到秋刀鱼舷提网和灯光围网渔业中［18-21］。但由于LED发光模块具有散热慢的缺点，不易将单灯灯具的功率设计的太大，因而日本和中国台湾地区所开发的LED集鱼灯的单灯功率都较小，一般为60～220 W。本课题组采用水冷却技术 (该项技术已申请专利)，有效解决了LED集鱼灯灯具发热的问题，可使LED集鱼灯的单个灯具功率超过300 W，为在渔船上合理布置安装LED集鱼灯提供了更好的条件。

与当前普遍使用的白光金属卤化物集鱼灯相比，绿光LED集鱼灯在海水中传播时能量损耗小，因而具有更好的穿透性，光线能有效到达较深的水层。同时，绿光LED集鱼灯的光谱辐射量主要集中在绿光波段 (490～560 nm)，该波段与柔鱼等所喜好的蓝绿光波段相近［13，16］，这有利于吸引捕捞对象靠近渔船。但绿光LED集鱼灯在实际渔业中的集鱼效果尚需进一步研究。

相关研究认为，青色LED综合光源效率为金属卤化物灯的32倍以上，在确保鱿钓渔获量不变的情况下，可节省燃油总量的50%以上［18］。本研究结果表明，绿光LED集鱼灯具有诸多的优良性能，如寿命长，电力消耗低，发热少，能瞬间点灯熄灯，在海中的透过率高，使用低压电源，不需要安装安定器 (镇流器)，不产生紫外线等，能够满足光诱渔业的需要，且节约能耗的潜力巨大。

LED具有广阔的应用前景是不争的事实，但LED渔用集鱼灯的研发工作仍处于初级阶段。尽管目前国产LED集鱼灯已有部分批次的产品，且已开展了渔业生产试验，但还有许多研究工作有待进一步跟进，比如:单灯功率大小的确定，主要光谱的选择，LED集鱼灯在船上的合理布置，不同渔业方式及不同捕捞对象的总功率的确定，同时还需进行光谱测量和辐照度测定等。这些研究工作的深入开展，都需要得到相关职能部门和企业的支持。

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