灯具作用效果包括灯光亮度如何，光线所及深度如何，以及是否会影响到渔获量和燃油等方面。国内外有很多学者对LED集鱼灯进行研发和实验。MATSUSHITA等提出可以通过对日本近海渔船混合使用LED集鱼灯和传统金卤灯来达到节省燃油。YAMASHITA则验证了LED与金卤灯混搭使用方式的捕鱼效果。国内学者则偏重灯光光场分布研究，将渔船集鱼灯整体作为点光源，提出了单船以及多船的集鱼灯合理配置方案。同时部分学者进行了许多的理论研究，提出了不同的理论计算模型和仿真。
为了明确LED有无集鱼效果、对产量有无负面影响、光线在海水中的穿透性，以及水中光谱分布等情况，我们进行了LED集鱼灯的实船试验和分析，以期能给渔业从业者和相关研究人员提供参考。
材料与方法
1.1LED集鱼灯
目前国产LED集鱼灯，大部分为直板型灯具，所有灯芯安排在同一个平面内，若非进行二次开发，灯具的配光曲线等光学特性在出厂后不可改变。本项目使用了新型的300W型三列式LED水上集鱼灯，见图1(a)，该灯由上海海洋大学与上海嘉宝协力电子有限公司合作开发。
LED集鱼灯与传统金卤灯的波普见图2，由图可知，LED集鱼灯在380～400nm波段的强度明显低于金卤灯，该波段范围属于近紫外线波段，长时间照射会使得渔业捕捞工作者皮肤黑色素沉淀，使皮肤变黑快速老化和损伤。将每一个波段能量值积分，会发现LED集鱼灯的能量相对值总和为285，金卤灯能量相对值总和为1300，尽管金卤灯的能量相对值是LED集鱼灯的4.5倍，但金卤灯功耗则为LED集鱼灯的6.6倍，可见LED集鱼灯发光效率明显高于传统金卤灯。
1.2实验船参数
实验渔船“宁泰61”号参数如下：总长51.80m，型宽8.00m，型深4.00m；总吨490t，舱容140t；主机功率882kW，副机功率250kW×2台、150kW×1台、25kW×1台，速冻能力11t/d；金属卤化物灯100×2kW，LED集鱼灯100×300W。集鱼灯布置情况参见图3。2kW金卤灯距离上甲板2.9～3.0m，距离下甲板5.5m；灯间距0.58m；LED集鱼灯距离上甲板3.7m，距离下甲板6.3m；灯间距0.1m。作为其对照组，“宁泰62”号仅配备2kW型金属卤化物集鱼灯，未配备LED集鱼灯，其他参数均一致。
1.3试验数据
2014年6－7月“宁泰61”号船进行实地测试照度、光谱分布、渔获量(产量)、能耗，试验海域范围为80°09'W－80°59'W、15°05'S－15°50'S；作为对照试验，“宁泰62”号船捕捞海域范围为80°09'W－80°59'W、15°03'S－15°55'S。
1.4试验方法
使用的仪器包括水下照度计ZDS-10W-2D、HyperspectralprofilerⅡ高光谱剖面仪(加拿大Satlantic公司生产，光谱测量范围：348～802nm；测量深度0～100m；水深精度:0.1m；分辨率:0.01m)。
在作业过程中对“宁泰61”号船安装的LED集鱼灯和2kW型金属卤化物集鱼灯测量时，交替开启LED集鱼灯和金卤灯50盏，在船侧的海面设置21个测光点，利用高光谱剖面仪测试不同位置的光谱分布、利用水下照度计ZDS-10W-2D测试照度数据，参见图4。光场实验多次进行，取实验数据最优的一组结果，对同一列数据进行指数方式拟合处理，利用拟合结果计算特定照度值所处位置。本结果的数据测试条件为:浪高0m、月亮光照强度0.02lx。
试验结果
2.1照度对比分析
当打开渔船右侧50盏LED集鱼灯时，LED集鱼灯所形成的0.1～10lx的距离大致在船舷一侧的25m至35m；0.1lx照度最远距离可达到35m，10lx最远距离可达到25m，船侧15m内照度均在50lx以上。当打开渔船右侧50盏金卤灯时，形成的最佳诱鱼区域大致在船舷一侧的30～45m，0.1lx最远距离可达到45m，10lx最远距离可达到30m，船沿20m内海面照度均在50lx以上，测试结果如图5所示。
两种灯在水中照度存在一定差距。在距离船舷5m处，0～20m不同深度的照度分布如图6所示，LED集鱼灯照度值为0.1lx最深可至水下21m左右，仅比金卤灯浅5m；而LED集鱼灯照度值为10lx最深可至12m左右,仅比金卤灯浅3m。
在距离船舷10m处，0～20m不同深度的照度分布如图7所示，LED集鱼灯照度值为0.1lx最深可至水下16m左右，仅比金卤灯浅3m；而LED集鱼灯照度值为10lx，最深可至8m左右，仅比金卤灯浅2m。
2.2光谱变化及分析
本文针对船载的两种集鱼灯距离船舷3m处，深度分别为0.5m、1.0m、1.5m3个不同水层形成的光谱为例进行分析对比，以期了解其在海面和海水中的组成情况和深度对光谱变化的影响。
在海水中，从水深0.5～1.5m随着深度增加其光谱能量总和下降，同等深度LED集鱼灯光谱分布能量总和小于金卤灯。从光谱分布组成LED集鱼灯光色主要是黄绿色，其次是蓝紫色，在红外光和紫外光波段所占成分则较少，见图8(a)；而金卤灯则波长在500nm、550nm、580nm、600nm等波段出现峰值，在紫外光和红外光也占有不少的比例，见图8(b)。
LED集鱼灯和金卤灯灯光在海中传递过程中衰减，但衰减速率不一致，衰减速率如图9所示。金卤灯形成的光在海水中衰减速率明显大于LED集鱼灯。金卤灯在500nm、550nm、580nm、600nm等波段，下降速率也是最快的，而LED集鱼灯衰减则稍微缓慢。
2.3产量与节能效果分析
2.3.1试验船与参照船产量差异性分析
研究人员跟踪调查的45d期间，同时记录了两艘船的渔获量如图10所示。我们对两船产量进行假设检验，H0：使用LED集鱼灯对产量不影响，H1：使用LED集鱼灯对产量有影响，利用Matlab分析工具ttest2进行双样本差异性检验，其结果为H=0，故判断两船的产量属于同一正态分布，不存在差异性。
2.3.2油耗节省效果对比
2014年6月1日－7月15日期间，跟随宁泰61号船参与实际渔业捕捞作业，记录试验船与参照船的能耗和渔获总量，相关数据见表1。
为了配合测试LED集鱼灯在实际捕捞作业过程中的效果，宁泰61号、宁泰62号两艘船在同一海域作业，其间距均在4海里(nmile)之内，尽量确保两艘船的作业环境、资源状况等方面维持一致性。同一时间内，作业船的油耗包括主机、冷冻机、钓机和集鱼灯。故采用两条船的油耗量整体对比，可以看出LED所节省的油耗量。
在这样的条件下，我们可以看出宁61号作业船45d总共燃油14t左右，总产量达到了285t，相比于宁62号产量263t并不存在明显差异性。单纯从燃油角度看，LED集鱼灯在不影响捕捞产量的同时，能够节约燃油约60%～70%。按照这样计算，南太平洋秘鲁智利外海(离海岸线大于200nmile)中国鱿钓船约300艘，其中包括从大西洋新转入的大型鱿钓船。以每艘船现有安装100盏金卤灯，全部改换到100盏LED集鱼灯照明系统，则在集鱼灯节能方面每年可以节省将近6万吨。
讨论
照度值方面，以0.1Lx～10Lx为最适照度区域，LED集鱼灯在空气中产生的照度与金卤灯相比差距较大；而在海水中，LED集鱼灯产生的照度与金卤灯相比差距较小。距离船舷5m处水面以下0m～10m，金卤灯相对较高，但是这个深度不是鱿钓作业深度，在海水表层鱿鱼往往容易受到惊吓而躲在更深的水层，甚至有学者提出鱿鱼惧怕强光，由遗传因素决定;而在深度10m以上，两种灯照度很接近，故可以认为LED集鱼灯水下照度适用于鱿钓作业。
光谱分布方面，空气中LED集鱼灯与金卤灯相比，金卤灯各个波段能量值叠加总和比LED集鱼灯的光谱高。然而不是每个波段能量值越高越好，例如350～400nm波段为紫外线波段，LED集鱼灯在该段的能量值仅为金卤灯光谱的一半；同样，780～800nm波段为红外线范围，这两个波段光线直接照射人体将造成皮肤快速老化和黑色素沉淀，对诱鱼过程没有太大贡献，LED集鱼灯在该段的能量值也仅为金卤灯光谱的一半，因此LED集鱼灯相对于传统的金卤灯光线，相对更为安全、环保。在水中，LED集鱼灯各波段衰减率均小于金卤灯，这在很大程度上解释了LED集鱼灯在水中的穿透性高于金卤灯的原因。LED集鱼灯在480～650nm波段衰减率较小。两种灯光进入海水中，金卤灯的黄绿色部分将快速消失，而LED集鱼灯衰减则相对缓慢。
节能方面，LED集鱼灯相比于金卤灯能节省近60%的油耗。LED集鱼灯和金卤灯光束角存在差异，金卤灯属于“万向光”，而LED集鱼灯指向性较强，本文讨论的LED集鱼灯，其最大的光束角仅为112度。金卤灯灯光将近75%的灯光投射到空气中和甲板上，不仅造成灯光浪费，还造成一定程度上的光污染；LED集鱼灯则把大部分光投射到海面上。从油耗方面考虑，钱卫国等学者从灯具效率和功率角度曾计算LED集鱼灯节能效果，油耗仅为传统金卤灯的1/3。本文使用的LED集鱼灯使用的水冷系统自身也需要消耗一定燃油，在一定程度上抵消了LED集鱼灯的节能效果，故冷却系统能耗也应纳入节能计算过程。
LED集鱼灯的使用对鱿钓作业船的渔获量并没有产生明显的影响，能够发挥较好的集鱼效果。本文主要证明LED集鱼灯的诱鱼效果与水中穿透性，希望能够为渔业从事者和相关研究人员提供一些参考。但LED集鱼灯的使用，渔业从事企业以及个人初次资金投入较大，且在诱鱼效果没有大幅度提高的前提下，渔业从事企业以及个人不愿意尝试改装。希望由国家科研平台打造示长期性范渔船，从而引起带动效果，最终使得LED集鱼灯完全取代传统高功率金卤灯。
