通過(guò)LED集魚(yú)燈光效標(biāo)準(zhǔn)確定最佳光色

李妤++鄭偉波++崔釗

摘要：為了衡量不同波長(zhǎng)光源引誘魚(yú)類(lèi)的效率，建立了集魚(yú)燈光效標(biāo)準(zhǔn)，引入誘魚(yú)光作用有效率概念，它等于光源對(duì)魚(yú)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(jì)魚(yú)類(lèi)的生物學(xué)光譜功率值，與不同波長(zhǎng)單色LED光譜功率值進(jìn)行擬合，得到對(duì)不同種類(lèi)魚(yú)類(lèi)的最佳光譜LED。

關(guān)鍵詞：集魚(yú)燈；LED；光效

中圖分類(lèi)號(hào)：TN383 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(yuǎn)洋漁業(yè)是全球漁業(yè)大國(guó)資源利用的重要領(lǐng)域。據(jù)農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計(jì)，2014年中國(guó)公海漁業(yè)產(chǎn)量占中國(guó)遠(yuǎn)洋漁業(yè)總產(chǎn)量的比重已達(dá)65%，是2000年的4倍多[1]。但是世界六大漁業(yè)國(guó)家公海漁業(yè)資源的開(kāi)發(fā)份額占全球開(kāi)發(fā)份額的50%左右，而中國(guó)僅占6%。目前，中國(guó)的遠(yuǎn)洋漁業(yè)仍處于發(fā)展階段，一些基礎(chǔ)的研究工作滿(mǎn)足不了生產(chǎn)發(fā)展的要求，與發(fā)達(dá)國(guó)家有很大差距，所以有必要加強(qiáng)對(duì)捕魚(yú)及其相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的研究工作，指導(dǎo)中國(guó)的漁船進(jìn)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(yú)燈，通過(guò)趨光效應(yīng)對(duì)魚(yú)群實(shí)現(xiàn)集聚，從而提高捕魚(yú)效率，提高經(jīng)濟(jì)效益。目前，漁船上普遍采用金屬鹵化物集魚(yú)燈（金鹵燈），金鹵燈的缺點(diǎn)是功率大，沒(méi)有定向性，光源浪費(fèi)嚴(yán)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(xiàn)對(duì)船員身體的影響較大[2]。近年來(lái)，部分漁民盲目認(rèn)為光強(qiáng)越大誘魚(yú)效果越好，因此集魚(yú)燈功率越來(lái)越大，耗能問(wèn)題更為嚴(yán)重，也制約著中國(guó)光誘漁業(yè)的持續(xù)發(fā)展。如何提高集魚(yú)燈的效率，降低集魚(yú)燈的耗電成本，是當(dāng)前中國(guó)遠(yuǎn)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(zhǎng)、光效高、光束角小、二次配光方便、指向性好、在海水中透過(guò)率高等特點(diǎn)，使得其具備替代傳統(tǒng)金鹵燈的優(yōu)勢(shì)。但目前中國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)LED集魚(yú)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(jiàn)系統(tǒng)開(kāi)展專(zhuān)用于遠(yuǎn)洋漁業(yè)的LED集魚(yú)燈研究。

LED一大特點(diǎn)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(biāo)魚(yú)類(lèi)的趨光性，選擇相應(yīng)光譜的光源，在相同功率下，將會(huì)得到最佳的集魚(yú)效果。目前集魚(yú)燈多使用白色LED，廣東海洋大學(xué)研究人員在中國(guó)沿海海域做了白光（偏綠光）發(fā)射二極管（LED）水下燈和藍(lán)紫光LED 水下燈集魚(yú)試驗(yàn)。試驗(yàn)證實(shí)520～550 nm綠色波段對(duì)魚(yú)眼引誘作用大于450 nm藍(lán)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(yú)燈第二代產(chǎn)品（300 W型綠光），光譜范圍490～560 nm，用于對(duì)頭足類(lèi)的誘集[4]。

目前，不同顏色誘魚(yú)效果還未有定論，魚(yú)類(lèi)對(duì)不同波長(zhǎng)光的視覺(jué)效率與人眼是完全不同的。為了比較各種光源對(duì)魚(yú)刺激作用大小，本研究引入誘魚(yú)光作用有效率概念，它等于光源對(duì)魚(yú)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(jì)魚(yú)類(lèi)的生物學(xué)光譜功率值，與不同波長(zhǎng)單色LED光譜功率值進(jìn)行擬合，以期為L(zhǎng)ED集魚(yú)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(duì)魚(yú)類(lèi)的攝食、代謝、生殖、內(nèi)分泌等生理機(jī)能起重要的觸發(fā)作用。不同生態(tài)類(lèi)型的魚(yú)類(lèi)對(duì)光照表現(xiàn)出不同的反應(yīng)類(lèi)型[5]。動(dòng)物對(duì)不同波長(zhǎng)的光照感受程度不同，這與動(dòng)物的生活環(huán)境有關(guān)。魚(yú)類(lèi)生活在水環(huán)境中，由于海水對(duì)不同波長(zhǎng)的光吸收系數(shù)不同，不同水層的魚(yú)眼感受到的日光峰值波長(zhǎng)不同，魚(yú)眼的視覺(jué)曲線(xiàn)的峰值波長(zhǎng)也會(huì)有所不同。比如沿海區(qū)域海水的最大透過(guò)率的波長(zhǎng)約為500 nm，在不太深的海水中魚(yú)所感受到的日光峰值波長(zhǎng)應(yīng)該是在500～555 nm，遠(yuǎn)洋區(qū)海水最大透過(guò)率波長(zhǎng)約為480～490 nm，該峰值波長(zhǎng)也就是魚(yú)眼的視覺(jué)曲線(xiàn)峰值波長(zhǎng)。

頭足類(lèi)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(jué)過(guò)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(lèi)不同而異[6]。太平洋金槍魚(yú)對(duì)藍(lán)綠光更敏感[7]，藍(lán)圓鰺暗視光譜敏感曲線(xiàn)峰值在490 nm，對(duì)420～500 nm波段的光譜敏感度高。鮐魚(yú)的暗視光敏曲線(xiàn)峰值在480 nm，對(duì)440～520 nm波段的光譜敏感度高[8]。魷魚(yú)對(duì)短波段光譜藍(lán)光趨向性最高，綠光次之，長(zhǎng)波段的顏色光誘集效果不佳[9]。

2 集魚(yú)燈光效標(biāo)準(zhǔn)

某種魚(yú)類(lèi)視覺(jué)色素吸收的光譜只占人眼吸收光譜的少量部分，魚(yú)類(lèi)對(duì)不同波長(zhǎng)光的視覺(jué)效率與人眼的視覺(jué)效率是完全不同的，這就要求對(duì)集魚(yú)燈的光效有一個(gè)合理的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，目前實(shí)踐中大多都是按照建筑照明的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，在380～780 nm的可見(jiàn)光范圍內(nèi)，以對(duì)人眼視覺(jué)效應(yīng)最強(qiáng)555 nm波長(zhǎng)光為基準(zhǔn)，按人眼的視覺(jué)效應(yīng)對(duì)不同波長(zhǎng)的光分別計(jì)算進(jìn)行度量。但用于魚(yú)類(lèi)的集魚(yú)燈光效標(biāo)準(zhǔn)是不適宜的，評(píng)價(jià)魚(yú)類(lèi)光作用效率應(yīng)該從魚(yú)類(lèi)生理行為的角度進(jìn)行度量，為了比較各種光源對(duì)魚(yú)光刺激作用大小，引入誘魚(yú)光作用有效率概念，它等于光源對(duì)魚(yú)類(lèi)起刺激作用的能量與光源可見(jiàn)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(yú)眼視覺(jué)光譜靈敏度函數(shù)，λ是光波長(zhǎng)，取可見(jiàn)光范圍380～780 nm，Q是光源輻射比例常數(shù)。數(shù)值Y是魚(yú)眼感光強(qiáng)度，ψ是光源可見(jiàn)光輻射強(qiáng)度。從公式（1）可以看到，如果光源的光譜相對(duì)能量分布與魚(yú)類(lèi)的視覺(jué)光譜靈敏度函數(shù)y（λ）曲線(xiàn)分布重合度越高，光源光誘魚(yú)類(lèi)的能量利用率就越高。

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

ηv=■ （2）

兩個(gè)指標(biāo)綜合考慮，集魚(yú)燈光效標(biāo)準(zhǔn)為η：

η=ηradηv （3）

3 實(shí)例分析

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

本研究選購(gòu)峰值波長(zhǎng)為445、480、505、525、545 nm的單色LED。采用的測(cè)試設(shè)備為626分布光度計(jì)和遠(yuǎn)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(cè)試光源的光譜功率，測(cè)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(guò)Matlab進(jìn)行擬合，計(jì)算出ηrad，結(jié)果見(jiàn)表1。根據(jù)光度計(jì)的測(cè)試結(jié)果代入式（2）計(jì)算ηv，結(jié)果見(jiàn)表2。將ηrad、ηv相乘得到集魚(yú)燈光效η，結(jié)果見(jiàn)表3。

由表1可知，魷魚(yú)、金槍魚(yú)、藍(lán)圓鰺、鮐魚(yú)這4種魚(yú)類(lèi)對(duì)所選取的單色光光作用效率ηrad要好于白光，因?yàn)榘坠庵泻衅渌暮Ｑ篝~(yú)類(lèi)不敏感的無(wú)效波段。采用藍(lán)綠單色光誘魚(yú)效果要比白光好。在藍(lán)綠單色光波段，針對(duì)不同魚(yú)類(lèi)，光效最高的波長(zhǎng)LED都不同，綜合4種魚(yú)類(lèi)來(lái)看，480 nm峰值波長(zhǎng)和505 nm峰值波長(zhǎng)的單色LED光作用有效率更高。

由表2可知，不同波長(zhǎng)單色光LED的光源輻射效率ηv也不同，因此2個(gè)因素綜合考慮，集魚(yú)燈光效η參考表3可知，選擇480 nm和505nm波段光效更高，對(duì)魷魚(yú)來(lái)說(shuō)，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(duì)金槍魚(yú)來(lái)說(shuō)，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(duì)鮐魚(yú)來(lái)說(shuō)，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(duì)藍(lán)圓鰺來(lái)說(shuō)，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(yú)燈需要引誘4種魚(yú)類(lèi)，綜合考慮采用480～505 nm波長(zhǎng)的LED可以獲得最大光效，達(dá)到最佳節(jié)能效果。

4 小結(jié)

引入誘魚(yú)光作用有效率概念來(lái)比較各種光源對(duì)魚(yú)刺激作用大小，提出了針對(duì)集魚(yú)燈的光效標(biāo)準(zhǔn)。利用這一標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算5個(gè)不同波長(zhǎng)單色LED及白光的光效并進(jìn)行比較，驗(yàn)證了不同種類(lèi)的魚(yú)類(lèi)特有的集魚(yú)燈最佳光譜。采用480～505 nm波段集魚(yú)燈光效更高，節(jié)能效果更好。在實(shí)際集魚(yú)燈使用中，綜合考慮成本、效率等因素，LED集魚(yú)燈光色的選擇是未來(lái)需要研究的方向。

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