通过LED集鱼灯光效标准确定最佳光色

李妤++郑伟波++崔钊

摘要：为了衡量不同波长光源引诱鱼类的效率，建立了集鱼灯光效标准，引入诱鱼光作用有效率概念，它等于光源对鱼眼起刺激作用的能量与光源辐射能量的比值，收集目前海洋捕捞4种经济鱼类的生物学光谱功率值，与不同波长单色LED光谱功率值进行拟合，得到对不同种类鱼类的最佳光谱LED。

关键词：集鱼灯；LED；光效

中图分类号：TN383 文献标识码：A 文章编号：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

遠洋渔业是全球渔业大国资源利用的重要领域。据农业部统计，2014年中国公海渔业产量占中国远洋渔业总产量的比重已达65%，是2000年的4倍多[1]。但是世界六大渔业国家公海渔业资源的开发份额占全球开发份额的50%左右，而中国仅占6%。目前，中国的远洋渔业仍处于发展阶段，一些基础的研究工作满足不了生产发展的要求，与发达国家有很大差距，所以有必要加强对捕鱼及其相关技术领域的研究工作，指导中国的渔船进行合理有效地生产。

作为海洋渔业的重要辅助设备——集鱼灯，通过趋光效应对鱼群实现集聚，从而提高捕鱼效率，提高经济效益。目前，渔船上普遍采用金属卤化物集鱼灯（金卤灯），金卤灯的缺点是功率大，没有定向性，光源浪费严重，光源的全光谱分布使得利用率较低，而且所产生的紫外线对船员身体的影响较大[2]。近年来，部分渔民盲目认为光强越大诱鱼效果越好，因此集鱼灯功率越来越大，耗能问题更为严重，也制约着中国光诱渔业的持续发展。如何提高集鱼灯的效率，降低集鱼灯的耗电成本，是当前中国远洋和近海光诱渔业急需研究的重要课题。作为第四代照明光源的LED，具有寿命长、光效高、光束角小、二次配光方便、指向性好、在海水中透过率高等特点，使得其具备替代传统金卤灯的优势。但目前中国国内对LED集鱼灯的研究主要集中在将用于陆地空间的大功率LED灯照搬到海洋渔业的表层，鲜见系统开展专用于远洋渔业的LED集鱼灯研究。

LED一大特点是具有分立光谱，可以根据渔业生产要求定制不同光色，根据目标鱼类的趋光性，选择相应光谱的光源，在相同功率下，将会得到最佳的集鱼效果。目前集鱼灯多使用白色LED，广东海洋大学研究人员在中国沿海海域做了白光（偏绿光）发射二极管（LED）水下灯和蓝紫光LED 水下灯集鱼试验。试验证实520～550 nm绿色波段对鱼眼引诱作用大于450 nm蓝紫光波段[3]。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研制了LED集鱼灯第二代产品（300 W型绿光），光谱范围490～560 nm，用于对头足类的诱集[4]。

目前，不同颜色诱鱼效果还未有定论，鱼类对不同波长光的视觉效率与人眼是完全不同的。为了比较各种光源对鱼刺激作用大小，本研究引入诱鱼光作用有效率概念，它等于光源对鱼眼起刺激作用的能量与光源辐射能量的比值。收集目前海洋捕捞4种经济鱼类的生物学光谱功率值，与不同波长单色LED光谱功率值进行拟合，以期为LED集鱼灯最佳光色的确定提供基础资料。

1 光生物效应理论基础

光照对鱼类的摄食、代谢、生殖、内分泌等生理机能起重要的触发作用。不同生态类型的鱼类对光照表现出不同的反应类型[5]。动物对不同波长的光照感受程度不同，这与动物的生活环境有关。鱼类生活在水环境中，由于海水对不同波长的光吸收系数不同，不同水层的鱼眼感受到的日光峰值波长不同，鱼眼的视觉曲线的峰值波长也会有所不同。比如沿海区域海水的最大透过率的波长约为500 nm，在不太深的海水中鱼所感受到的日光峰值波长应该是在500～555 nm，远洋区海水最大透过率波长约为480～490 nm，该峰值波长也就是鱼眼的视觉曲线峰值波长。

头足类视网膜中含有两种光敏色素体系，即视紫红质和视网膜色素。这两种视色素的存在与视觉过程中视色素循环有密切关系。前者的光谱吸收峰值为475～500 nm，后者为470～522 nm，依种类不同而异[6]。太平洋金枪鱼对蓝绿光更敏感[7]，蓝圆鰺暗视光谱敏感曲线峰值在490 nm，对420～500 nm波段的光谱敏感度高。鲐鱼的暗视光敏曲线峰值在480 nm，对440～520 nm波段的光谱敏感度高[8]。鱿鱼对短波段光谱蓝光趋向性最高，绿光次之，长波段的颜色光诱集效果不佳[9]。

2 集鱼灯光效标准

某种鱼类视觉色素吸收的光谱只占人眼吸收光谱的少量部分，鱼类对不同波长光的视觉效率与人眼的视觉效率是完全不同的，这就要求对集鱼灯的光效有一个合理的评价标准，目前实践中大多都是按照建筑照明的评价标准，在380～780 nm的可见光范围内，以对人眼视觉效应最强555 nm波长光为基准，按人眼的视觉效应对不同波长的光分别计算进行度量。但用于鱼类的集鱼灯光效标准是不适宜的，评价鱼类光作用效率应该从鱼类生理行为的角度进行度量，为了比较各种光源对鱼光刺激作用大小，引入诱鱼光作用有效率概念，它等于光源对鱼类起刺激作用的能量与光源可见光辐射能量的比值[10]，公式如下：

ηrad=■=■=■

（1）

式中，φ（λ）是一定工作状态下的光源光谱能量分布，y（λ）是鱼眼视觉光谱灵敏度函数，λ是光波长，取可见光范围380～780 nm，Q是光源辐射比例常数。数值Y是鱼眼感光强度，ψ是光源可见光辐射强度。从公式（1）可以看到，如果光源的光谱相对能量分布与鱼类的视觉光谱灵敏度函数y（λ）曲线分布重合度越高，光源光诱鱼类的能量利用率就越高。

对于光源可见光波段的辐射为其全辐射的一部分，因此在考虑光效时还要加入可见辐射通量在输入功率Pl中所占的比例即可见辐射效率，设可见辐射效率这个因子为ηv：

ηv=■ （2）

两个指标综合考虑，集鱼灯光效标准为η：

η=ηradηv （3）

3 实例分析

根据已有研究[10]，获得鱿鱼、金枪鱼、蓝圆鰺、鲐鱼的视觉光谱灵敏度函数图，并利用MATLAB进行数据提取，结果如图1所示。

本研究选购峰值波长为445、480、505、525、545 nm的单色LED。采用的测试设备为626分布光度计和远方PMS-80_V1光谱分析系统。在LED技术文档额定工作电流350 mA下测试光源的光谱功率，测试结果如图2所示。

将图1数据与图2数据代入式（1），通过Matlab进行拟合，计算出ηrad，结果见表1。根据光度计的测试结果代入式（2）计算ηv，结果见表2。将ηrad、ηv相乘得到集鱼灯光效η，结果见表3。

由表1可知，鱿鱼、金枪鱼、蓝圆鰺、鲐鱼这4种鱼类对所选取的单色光光作用效率ηrad要好于白光，因为白光中含有其他的海洋鱼类不敏感的无效波段。采用蓝绿单色光诱鱼效果要比白光好。在蓝绿单色光波段，针对不同鱼类，光效最高的波长LED都不同，综合4种鱼类来看，480 nm峰值波长和505 nm峰值波长的单色LED光作用有效率更高。

由表2可知，不同波长单色光LED的光源辐射效率ηv也不同，因此2个因素综合考虑，集鱼灯光效η参考表3可知，选择480 nm和505nm波段光效更高，对鱿鱼来说，480 nm单色光光效是白光的7倍，505 nm单色光光效是白光的3倍；对金枪鱼来说，480 nm单色光光效是白光的1.9倍，505 nm单色光光效是白光的2倍；对鲐鱼来说，480 nm单色光光效是白光的5.8倍，505 nm单色光光效是白光的3倍；对蓝圆鰺来说，480 nm单色光光效是白光的4倍，505 nm单色光光效是白光的2倍。如果集鱼灯需要引诱4种鱼类，综合考虑采用480～505 nm波长的LED可以获得最大光效，达到最佳节能效果。

4 小结

引入诱鱼光作用有效率概念来比较各种光源对鱼刺激作用大小，提出了针对集鱼灯的光效标准。利用这一标准计算5个不同波长单色LED及白光的光效并进行比较，验证了不同种类的鱼类特有的集鱼灯最佳光谱。采用480～505 nm波段集鱼灯光效更高，节能效果更好。在实际集鱼灯使用中，综合考虑成本、效率等因素，LED集鱼灯光色的选择是未来需要研究的方向。

参考文献：

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[4] 钱卫国，陈新军，雷 林.300 W型绿光LED集鱼灯的光学特性[J].大连海洋大学学报，2012，27（5）：471-476.

[5] 俞文钊.鱼类趋光生理[M].北京：农业出版社，1980.127-135.

[6] 罗会明.海洋经济动物趋光生理[M].福建科学技术出版社，1985.

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[8] 楊雄里，李震元，郑微云.海水鱼趋光特性的电生理研究[J].生物化学与生物物理学报，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] 兰希文.鱿鱼视觉特性和趋光特性的研究与应用[J].福建水产，1982（3）：17-29.