光诱渔业具有捕捞效率好、经济效益高、渔法简单等优点[1]，是中国最主要的捕捞方式之一，最常见的光诱渔业有光诱鱿钓、灯光敷网、灯光围网渔业等[2]。集鱼灯是主要的助渔装备之一，有诱鱼和集鱼的作用。集鱼灯在水中的照度分布和光谱特性会影响到诱集效果[3]。近年来，随着光电技术的发展，大功率集鱼灯的出现造成渔船之间的灯光功率竞争日益明显。在远洋渔业中，光诱渔业燃料消耗占总捕捞成本的40%～60%[3-6]，传统的集鱼灯主要是金属卤化物集鱼灯(简称金卤灯)，其光线相对发散，能耗高，需要高压启动，发热量大，且产生的紫外线对船员皮肤影响较大。
发光二极管(light emitting diode，LED)集鱼灯比传统集鱼灯能源消耗低，且LED集鱼灯具有指向性强、穿透力强、发热量小等优点[7-9]，可更好地解决金卤灯存在的问题，但在中国，大多数渔民仍不愿意使用LED集鱼灯，其主要原因有两方面，一方面是由于LED集鱼灯价格高及后期维修费用昂贵，另一方面是目前有关光诱渔业集鱼灯方面的研究主要集中在金卤灯渔船灯光配置[10-12]、LED集鱼灯光学特性[13-15]、海洋光学特性[16-17]，而LED集鱼灯渔船灯光配置方面研究较少，无法对LED集鱼灯进行合理的装配。本文中根据“浙岱渔13461”的渔船参数配置、集鱼灯参数、风速及叶绿素浓度数据，结合平板式300 W集鱼灯配光曲线和光谱分布，采用蒙特卡洛模型对水中的照度分布及其合理配置进行计算和分析，旨在为LED集鱼灯灯光配置实践应用提供理论指导。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 渔船参数配置 “浙岱渔13461”灯光敷网渔船总长46.0 m，型宽6.6 m，总吨位235 t，主机总功率440 kW，型深3.4 m，吃水2.4 m，集鱼灯分别固定在船舷左右两侧，每侧集鱼灯灯带长度为42.0 m，左右舷两列集鱼灯灯间距为6.5 m，集鱼灯具体安装情况如图1所示。
图1 集鱼灯安装示意图
Fig.1 Schematic diagram of the installation of fishing lamps
1.1.2 LED集鱼灯参数 平板式LED-300集鱼灯具体参数：功率300 W，电源电压220V/50 Hz，光束角110°，光通量27 000 lm。使用GO-2000分布光度计和HASS-2000光谱辐射计积分球测得配光曲线(图2)、光谱分布(图3)。其中，GO-2000分布光度计测量范围为0～2×105 lx，角度精度为0.05°，光度精度为0.1 lx；HASS-2000光谱辐射计积分球的波长精度为2 nm。
图2 300 W型LED平板式集鱼灯配光曲线
Fig.2 Distribution of luminous intensity of 300 W LED flat-panel fishing lamp
图3 300 W型LED平板式集鱼灯光谱分布
Fig.3 Spectral distribution of 300 W LED flat-panel fishing lamp
对300 W型LED集鱼灯各个方向发光强度通过Matlab拟合工具得到配光曲线函数如下：
I(c,γ)=5 207sin(1.094c-0.147 9)+
11 635[sin(1.992c-1.558)+
sin(2.036c+1.515)]sinγ。
(1)
其中：c为方位角(rad)；γ为天底角(rad)；I为发光强度(cd)。LED集鱼灯c、γ坐标系示意图见图4。
图4 LED集鱼灯c、γ坐标系示意图
Fig.4 Schematic diagram of coordinate system of LED fishing lamp
1.1.3 环境数据 风速和叶绿素数据采用NOAA网站(https://oceanwatch.pifsc.noaa.gov)遥感数据，数据采集区域为东海(22°～33°N、122°～128°E)，空间分辨率为1°×1°，时间尺度为2015—2019年，时间分辨率为年。
1.2 方法
1.2.1 假设条件
1)假设各个集鱼灯之间光学特性不存在明显差异。
2)不考虑渔船上层建筑、渔具和背景光对水中照度分布的影响。
3)假设天气晴朗，能见度高，忽略大气对照度衰减的影响。
1.2.2 计算方法及数据处理 计算水中照度方法一般有点光源、线光源、面光源、经验法、叠加法和蒙特卡洛模型。其中蒙特卡洛模型相比于其他模型考虑了风速、海水和叶绿素对水中照度的影响，能计算不同水层的光谱分布，计算更合理[18]。因此，本研究中采用蒙特卡洛照度分布模型计算集鱼灯在水中的照度，水中照度计算方法具体参见文献[18]。LED集鱼灯与金卤灯配光曲线不同，天底角、方位角光子发射角度概率分布函数也不同，方位角概率分布函数(P(c,γ))和天底角概率分布函数(P′(c,γ))计算公式为
(2)
(3)
根据渔船及集鱼灯配置参数分别计算：
1)集鱼灯安装角度(60°)与灯高(6 m)一定时，计算不同总功率(改变LED集鱼灯数量)时的水中照度。
2)集鱼灯总功率(36 kW)与灯高(6 m)一定时，计算不同安装角度(LED集鱼灯面板与海面法线的夹角)时的水中照度。
3)集鱼灯总功率(36 kW)和安装角度(60°)一定时，计算不同灯高时的水中照度。
利用以上方法以船舯线中点为原点，将海面1 000 m×2 000 m划分为1 m×1 m的方格，采用Matlab 2020a计算0～250 m不同水层(步长5 m)各个方格内的照度，并计算出0.01、10.00、14.00 lx照度等值曲面，通过每个小方格0.01、10.00、14.00 lx照度所对应的水深，求出等照度曲面所围成的诱集水体体积。诱集水体体积计算公式如下：
(4)
k=0.01,10.00,14.00。
其中：dk分别为0.01、10.00、14.00 lx时的水深(m)；Vk分别为0.01、10.00、14.00 lx照度等值曲面的诱集体积
为对应小方格的面积(m2)；m、n分别为海面横向、纵向统计光子方格数量。总的光子数每次按照原光子数3倍逐渐增加，直到3次诱集水体体积计算结果之间差异均在0.1%以内。
中国近海光诱敷网渔业作业主要渔获物有鱿鱼和鲐[19]，相关研究表明，鲐在照度为0.01～14.00 lx时有正趋光性[20]，而鱿鱼适宜照度范围为0.10～10.00 lx，照度大于0.01 lx时鱿鱼就有正趋光性[21-22]，故将V0.01-V10和V0.01-V14(海面分别与0.01、10.00 lx及0.01、14.00 lx所围成的诱集水体的体积差)、海面照度0.01 lx离船舯线最远距离和深度作为评判LED集鱼灯配置的重要指标，其中，V0.01-V10、V0.01-V14分别称为鱿鱼、鲐有效诱集水体体积，海面照度0.01 lx离船舯线最远距离称为有效诱集距离，水中照度0.01 lx离海面最远垂直距离称为有效诱集深度，通过计算这些指标对LED集鱼灯渔船灯光配置问题进行探讨。
2 结果与分析
2.1 不同水层光谱分布
为研究集鱼灯水中照度的衰减特性，设置总功率36 kW、安装角度60°、灯高7 m，选取右舷海面水平距离船舯线中点20 m处0～25 m水层(步长5 m)截面，分别计算400～700 nm(步长5 nm)波长水下照度，并绘制水中光谱分布图。由图5可知，不同水层波峰波长主要分布在450 nm，总体上长波长较短波长衰减更快，水深超过10 m左右后，波长在600～700 nm的照度几乎为零。
图5 水中不同深度波长分布
Fig.5 Wavelength profile in water at different depths
2.2 集鱼灯不同总功率时水中照度分布
设置灯高6 m、安装角度60°，分别计算集鱼灯功率为18、27、36 kW时的水中照度，并绘制海面照度分布和水下截面照度分布图。从图6可见：不同功率海面照度与水下截面照度有差异，海面照度分布显示，集鱼灯功率为18、27、36 kW时，照度为0.01 lx的等照度曲线距离船舯线最远分别约为474、542、594 m，功率越大，与船舯线距离越远，功率从18 kW增至27 kW，功率增加0.5倍，而0.01 lx照度曲线的距离则增加14.35%，功率从18 kW增至36 kW,功率增加1倍，距离增加25.32%，海面照度为10.00 lx等照度曲线距离船舯线均在65 m以内；截面照度分布显示，功率为18、27、36 kW时，0.10 lx等照度曲线与船舯线最远距离分别约为85、90、95 m，10.00、0.01 lx等照度曲线分别分布在40、140 m以内。
图6 集鱼灯不同功率下水下截面与海面照度分布
Fig.6 Illuminance distribution of fishing lamps with different powers underwater section and sea surface
2.3 不同安装角度时水中照度分布
设置集鱼灯总功率36 kW、灯高6 m，分别计算安装角度为45°、60°、75°时的水中照度，并绘制海面照度分布和水下截面照度分布图。从图7可见：不同安装角度海面照度和截面照度均有明显变化，集鱼灯安装角度为45°、60°、75°时，海面照度为10.00 lx的等照度曲线距离船舯线最远距离分别为50、64、80 m，0.1 lx等照度曲线距离船舯线最远距离分别为229、280、363 m，0.01 lx等照度曲线距离船舯线最远距离分别为490、587、773 m，安装角度从45°增至60°，0.01 lx等照度曲线与船舯线最远距离增加19.80%，从45°增至75°，距离增加57.76%；水下截面照度分布显示，安装角度为45°、60°、75°时，0.01 lx等照度曲线最大水深分别在145、135、125 m，0.10 lx 等照度曲线最大水深分布在60～75 m，10.00 lx等照度曲线最大水深均在45 m以内。
图7 集鱼灯不同安装角度下水下截面与海面照度分布
Fig.7 Illuminance distribution of fishing lamps with different installation angles underwater section and sea surface
2.4 不同灯高时水中照度分布
设置功率36 kW、安装角度60°，分别计算灯高为5、6、7 m时的水中照度，并绘制海面照度分布和水下截面照度分布图。从图8可见：不同灯高海面照度分布有差异，灯高为5、6、7 m时，海面照度中0.01 lx等照度曲线与船舯线最远距离分别为554、586、619 m，0.10 lx照度曲线距离均在300 m以内；而水下截面照度差异不明显，10.00、0.10、0.01 lx等照度曲线最大水深分别在40、100、145 m以内，随灯高增加，10.00、0.10、0.01 lx等照度曲线最大水深波动幅度均在10 m以内。
图8 集鱼灯不同安装高度下水下截面与海面照度分布
Fig.8 Illuminance distribution of fishing lamps with different installation heights underwater section and sea surface
2.5 合理配置分析
渔船两侧水中照度为0.01、10.00、14.00 lx时水下等照度曲面与海面所围成的水体体积V0.01、V10、V14、V0.01-V10、V0.01-V14计算结果见表1。
表1 “浙岱渔13461”渔船集鱼灯不同配置条件下鱿鱼、鲐有效诱集水体体积的变化
Tab.1 Changes in aggregation volume of squids and mackerels by fishing lamps with different configurations in“Zhedaiyu 13461”vessel
总功率/kWtotalpower安装角度/(°)installationangle灯高/minstallationheightV0.01/(104m3)V10/(104m3)V14/(104m3)V0.01-V10/(104m3)V0.01-V14/(104m3)185454.4610.518.24443.95446.22456481.3510.978.60470.38472.757508.0911.428.96496.67499.135482.809.147.14473.66475.66606516.099.587.50506.51508.597548.129.987.84538.14540.285511.047.515.81503.53505.23756553.057.926.08545.13546.977593.778.246.36585.53587.41275547.4213.8110.97533.61536.45456581.5814.4111.43567.17570.157615.6114.9911.90600.62603.715590.3212.139.58578.19580.74606632.5112.6810.03619.83622.487673.9013.2310.46660.67663.445635.0210.087.89624.94627.13756687.9610.638.31677.33679.657740.6011.158.68729.45731.92365625.8916.7013.34609.19612.55456666.3317.3613.92648.97652.417705.6318.0414.47687.59691.165680.1914.7311.68665.46668.51606731.4515.4612.23715.99719.227780.0216.1512.77763.87767.255739.9212.389.72727.54730.20756805.1513.0810.25792.07794.907866.2713.7110.75852.56855.52
集鱼灯总功率为18 kW时，V0.01-V10、V0.01-V14的诱集水体范围分别为(443.95～585.53)×104 m3、(446.22～587.41)×104 m3；总功率为27 kW时，V0.01-V10、V0.01-V14的诱集水体范围分别为(533.61～729.45)×104 m3、(536.45～731.92)×104 m3；总功率为36 kW时，V0.01-V10、V0.01-V14的诱集水体范围分别为(609.19～852.56)×104 m3、(612.55～855.52)×104 m3。渔船集鱼灯总功率从18 kW增加至27 kW时，总功率增加0.5倍，V0.01-V10的最小、最大有效诱集水体分别增加20.20%、24.58%，V0.01-V14的最小、最大有效诱集水体分别增加20.22%、24.60%；总功率从18 kW增加至36 kW，总功率增加1倍，V0.01-V10的最小、最大有效诱集水体分别增加37.22%、40.60%，V0.01-V14的最小、最大有效诱集水体分别增加37.73%、40.64%，可见，随着LED集鱼灯总功率增加，V0.01-V10、V0.01-V14有效诱集水体均明显增加，但增加幅度则随照度总功率增加而减弱。
集鱼灯安装角度为45°时，V0.01-V10、V0.01-V14的诱集水体范围分别为(443.95～687.59)×104 m3、(446.22～691.16)×104 m3；安装角度为60°时，V0.01-V10、V0.01-V14的诱集水体范围分别为(473.66～763.87)×104 m3、(475.66～767.25)×104 m3；安装角度为75°时，V0.01-V10、V0.01-V14的诱集水体范围分别为(503.53～852.56)×104 m3、(505.23～855.52)×104 m3。集鱼灯安装角度从45°增加至60°，V0.01-V10的最小、最大有效诱集水体分别增加6.69%、11.09%，V0.01-V14的最小、最大有效诱集水体分别增加6.60%、11.01%；安装角度从45°增加至75°时，V0.01-V10的最小、最大有效诱集水体分别增加13.42%、23.99%，V0.01-V14的最小、最大有效诱集水体分别增加13.22%、23.78%，可见，随集鱼灯安装角度增加，有效诱集水体体积增加。
集鱼灯灯高为5 m时，V0.01-V10、V0.01-V14的诱集水体范围分别为(443.95～727.54)×104 m3、(446.22～730.20)×104 m3；灯高为6 m时，V0.01-V10、V0.01-V14的诱集水体范围分别为(470.38～792.07)×104 m3、(472.75～794.90)×104 m3；灯高为7 m时，V0.01-V10、V0.01-V14的诱集水体范围分别为(496.67～852.56)×104 m3、(499.13～855.52)×104 m3。灯高从5 m增至6 m时，V0.01-V10的最小、最大有效诱集水体分别增加5.95%、8.87%，V0.01-V14的最小、最大有效诱集水体分别增加5.95%、8.86%；灯高从5 m增至7 m时，V0.01-V10的最小、最大有效诱集水体分别增加11.88%、17.18%，V0.01-V14的最小、最大有效诱集水体分别增加11.86%、17.16%，可见，增加灯高可增加有效诱集水体体积。
3 讨论
3.1 水中光谱
以往的照度模型不能计算水中光谱分布变化。不同种类的鱼群对不同波长的敏感度不同，不同波长的光在海水中受到海水的吸收作用不同，在水中会发生色的改变。本研究中，平板式LED集鱼灯波峰分别分布在450、550 nm，水中波谱分布随海水深度的增加，长波长相比于短波长衰减较快。杨雄里等[20]通过电生理试验发现，鲐在480 nm的光感受最为敏感，在450～520 nm的相对敏感度大于50%；何大仁等[21]通过滤色镜试验观察发现，鱿鱼对短波有较好的趋光率，相对敏感曲线波长峰值在490 nm，相对敏感度大于50%的波长范围为400～550 nm。本研究中，在水深25 m时，波长大于600 nm的光已被完全衰减，而鱿鱼、鲐相对敏感度大于50%的波长未衰减至零，说明本研究中的LED集鱼灯有利于鱿鱼、鲐的诱集。通过分析水中不同水层波谱分布，可为更有效作业提供指导。
3.2 水中照度分布
本研究中，通过分析不同配置水中照度分布发现，最大有效诱集水深均大于100 m，最大有效诱集距离均大于400 m，最大可达到773 m，近海敷网作业水深一般在50 m左右[23]，说明本研究中的灯光配置可适用于敷网渔业作业。照度值越低的等照度曲线波动幅度越大，主要原因与本研究中采用的蒙特卡洛模型有关，蒙特卡洛模型照度模型是模拟光子在介质中服从概率分布随机辐射传输的现象，照度值较小时接收到的光子数就越少，故受到随机波动(海面波浪、海水的吸收与散射)的影响较明显。
集鱼灯灯光传递到水下，主要有三方面的因素影响光线衰减，一是，大气对光线的吸收与散射；二是，大气在穿过水汽界面时光线受到的菲涅尔反射；三是，光线在水下传输受到海水及叶绿素对光线的散射与吸收。本研究中虽使用了蒙特卡洛模型，考虑了风对海面光辐射传输的影响，海水和叶绿素对光的吸收和散射，但没有考虑大气对光的吸收与散射，今后还需对模型进行补充和完善。
3.3 集鱼灯总功率设置
鱿鱼、鲐均为中国近海灯光敷网渔业重要的渔业资源[19]。本研究显示，不同功率、安装角度、灯高下，V0.01-V14有效诱集水体体积略大于V0.01-V10，之间差异不超过1%，调整灯光配置参数，鱿鱼、鲐的有效诱集水体体积变化幅动均低于0.1%，无明显差异，因此，不同灯光配置对鱿鱼、鲐诱集效果差异不明显。
近年来，增加集鱼灯总功率已成为渔民增加产量的主要方式之一，合理配置集鱼灯总功率可避免渔民之间的“灯光竞争”。LED集鱼灯渔船增加总功率，有效诱集水体体积随之增加，但渔船集鱼灯总功率并非越大越好，一方面，总功率过高可能导致相邻渔船之间的感光区域相互重叠，从而干扰渔船间的正常作业，造成光源的浪费；另一方面，灯光配置还需考虑渔船的实际结构，LED集鱼灯相比于金卤灯尺寸更大，每一列LED集鱼灯最大可安装数量较少，以“浙岱渔13461”来看，每列安装60盏LED集鱼灯，每个灯间距约为0.35 m较为合适，不适宜再增加集鱼灯的数量。LED集鱼灯总功率增加0.5倍，鱿鱼、鲐的最大有效诱集水体体积仅分别增加24.58%、24.60%，有效诱集水体体积的增加程度约为集鱼灯总功率增加程度的一半，总功率增加1倍，鱿鱼、鲐最大有效诱集水体体积仅分别增加40.60%、40.64%，有效诱集水体体积的增加程度小于集鱼灯总功率增加程度的一半，有效诱集水体体积的增加程度随功率的增加而减弱，这一结果与叶超等[10]研究结果相符，究其原因可能与水中照度与光源距离呈指数衰减有关，增加功率虽能增加光诱范围，但照度衰减更快。此外，通过增加集鱼灯总功率来增加有效诱集水体体积不一定是最优配置方案，如鱿鱼、鲐在总功率27 kW、安装角度45°、灯高5 m时的有效诱集水体均小于总功率18 kW、安装角度75°、灯高7 m时的有效诱集水体，因此，在调节总功率之前应尽量先考虑调节安装角度及灯高。
3.4 集鱼灯安装角度布置
LED集鱼灯有较强指向性，安装角度对水中照度分布影响较显著，故对研究LED集鱼灯安装角度的研究尤为重要。本研究表明，调整LED集鱼灯不同安装角度，有效诱集水体体积、有效诱集距离随着安装角度的增加有明显增加，诱集深度反而减小，说明在一定范围内增加安装角度，有利于鱼群诱集；而安装角度不是越大越好，当安装角度增加到一定程度时，有效诱集区域也会随之减小，部分光线还会照射到天空中，造成能量未被完全利用。综上，LED集鱼灯安装角度范围为60°～75°时较为合适，这一结果与花传祥等[24]通过面光源模型试验对单个秋刀鱼集鱼灯灯箱倾角分别为30°、45°、60°的水平面照度比较研究结果基本一致，此外，孔祥洪等[25]基于菲涅耳现象对LED集鱼灯进行理论分析表明，对于平板式LED集鱼灯合适安装角度为53.6°与本研究结果不一致，主要原因有两方面:一方面是与本研究评价指标不一致，本研究是以诱集水体体积、有效诱集距离和有效诱集深度为指标，而基于菲涅尔现象对LED集鱼灯安装角度的研究则是以LED集鱼灯光进入平静海面的透射率为指标；另一方面，基于菲涅尔现象对LED集鱼灯的研究没有考虑风速对海面水汽界面及叶绿素对照度衰减的影响，且没有通过整船模型进一步研究集鱼灯安装角度，结果有一定局限性。
3.5 集鱼灯灯高布置
本研究表明，从LED集鱼灯安装高度来看，增加高度可以增加有效诱集水体体积，这一现象与钱卫国等[11]对金卤灯的研究结果相一致。增加安装高度相比于增加总功率与调节安装角度的有效诱集水体体积而言，其增加幅动较小，还可使诱集距离增加，对诱集深度影响较小，结合渔船实际情况，在条件允许的情况下，适当增加LED集鱼灯安装高度有利于鱼群诱集，但同时还需考虑LED集鱼灯安装高度越高，受到海表面风阻力对渔船产生的力矩更大，从而使渔船更容易产生晃动，因此，LED集鱼灯安装高度不宜过高，就“浙岱渔13461”而言，安装高度在6～7 m为宜，对于其他渔船可根据其规格及稳定性进行适当调整。
4 结论
1)本研究利用蒙特卡洛模型分析水中光谱分布变化发现，长波相比于短波衰减更快，而鱿鱼和鲐相对敏感度大于50%的波段分布在短波区域，表明平板式LED集鱼灯有利于鱿鱼、鲐的诱集。
2)在本试验条件下，鱿鱼、鲐有效诱集水体体积和水中照度分布均随总功率、灯高、安装角度的增大而增大。
3)结合灯光敷网渔船“浙岱渔13461”，LED集鱼灯配置总功率设置为36 kW，灯高在6～7 m，安装角度为60°～75°，更适合鱿鱼、鲐的捕捞。
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