集魚燈" title="集魚燈">集魚燈是光誘魷釣作業(yè)中最主要的助漁設(shè)備，可分為水上燈和水下燈兩類,。水下集魚燈具有節(jié)能,、誘集范圍廣,、穿透水層深等特點(diǎn),。水下集魚燈不僅可以在晚上將深層的柔魚誘集到較淺的水層進(jìn)行作業(yè)，還可以在白天將大型柔魚聚集在較深水層進(jìn)行捕獲 ,，水下集魚燈于20世紀(jì)90年代以來被廣泛應(yīng)用到魷釣作業(yè)中,，其光源以金屬鹵化物燈為主，屬熱光源,。
發(fā)光二極管（L ight Emitting Diode， LED）是一種場致發(fā)光光源,，是可直接將電能轉(zhuǎn)化為可見光和輻射能的半導(dǎo)體器件,。LED 的發(fā)光原理是利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，當(dāng)兩端加上正向電壓,，半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中注入的空穴與電子復(fù)合時(shí)引起光子發(fā)射而產(chǎn)生光,，直接把電能轉(zhuǎn)換為光能，屬冷光源,。使用LED半導(dǎo)體照明已被公認(rèn)為是一種節(jié)能環(huán)保" title="節(jié)能環(huán)保">節(jié)能環(huán)保的重要途徑,。
日本從2005年開始，研究使用藍(lán)色LED集魚燈來替代金屬鹵化物集魚燈,，以達(dá)到節(jié)省能源消耗,、改善工作環(huán)境等目的,。其燃油消費(fèi)量僅為傳統(tǒng)魷釣船的1 /3，釣獲率也相當(dāng)于（甚至超越）傳統(tǒng)魷釣船,。我國也有企業(yè)和高校正在進(jìn)行LED集魚燈的研究與開發(fā),，并取得了一定成果。
1 LED水下集魚燈的設(shè)計(jì)
LED水下集魚燈應(yīng)符合以下幾方面要求：光源具有較大照射范圍,、足夠的照度,，并能適用于誘集魚群;啟動操作簡單迅速;燈具堅(jiān)固、耐震,，水密耐壓;耐用,。
1. 1 LED控制與驅(qū)動系統(tǒng)
采用數(shù)字化控制電路，整個(gè)電路由以嵌入式微控制器（MCU）作核心的控制系統(tǒng)電路,、驅(qū)動電路和LED光源點(diǎn)陣三部分構(gòu)成（圖1） ,。
LED水下集魚燈用高亮度LED 作為光源。LED雖然光效很高,，但單只LED所發(fā)出的光通量還不夠大,，為了實(shí)現(xiàn)較大照射范圍和足夠的照度，必須采用多只LED組合在一起使用,。首先根據(jù)水下集魚燈集魚所需要達(dá)到的照射范圍與照度確定總功率,，在此基礎(chǔ)上選擇一定功率的多只LED來達(dá)到所需的總功率。由1 只紅（R ） ,、1 只綠（G） ,、1只藍(lán)（B）根據(jù)配色要求構(gòu)成1個(gè)三基色發(fā)光單元。多個(gè)三基色發(fā)光單元的組合是通過單元電路板實(shí)現(xiàn),，在陣列結(jié)構(gòu)上通過先分單元后組合的方式,，呈線形、矩形,、圓形,、內(nèi)外半圓柱面及部分球面的分布，保證光向四周發(fā)射,。
LED驅(qū)動電路采用集成電路驅(qū)動,， LED驅(qū)動時(shí)需要先將直流電流通過高效率的開關(guān)穩(wěn)壓器降壓和變換成恒流源，才能輸出恒定的電流驅(qū)動LED發(fā)光,。顯示電路分為紅,、綠、藍(lán)3 個(gè)模塊,， 3個(gè)模塊與MCU的連接方式也相同,。MCU通過信號線與模塊中各LED驅(qū)動電路相連接。通過內(nèi)置于MCU中的控制程序，由MCU向LED驅(qū)動集成塊發(fā)送控制信號和數(shù)據(jù),， LED驅(qū)動集成塊根據(jù)控制信號和數(shù)據(jù)要求,，對每一只LED實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制。若MCU連續(xù)向各個(gè)LED驅(qū)動集成塊不斷發(fā)出控制信號和數(shù)據(jù),，使每只LED都受到連續(xù)的協(xié)調(diào)控制 ,。
如果控制LED以魚眼分辨不出的閃爍頻率快速亮滅，并且控制LED在每一個(gè)亮滅周期內(nèi)發(fā)光時(shí)間的占空比,，就能起到控制LED發(fā)光亮度的效果,。通過對每只LED發(fā)光亮度的控制，使每只LED產(chǎn)生256級灰度等級,。對3個(gè)模塊內(nèi)的每只紅光,、綠光、藍(lán)光LED同時(shí)進(jìn)行控制,， 3種光色LED按照不同的灰度等級任意組合,，能夠產(chǎn)生16 777 216種彩色效果。將多個(gè)三基色發(fā)光單元組合成一定結(jié)構(gòu)的顯示點(diǎn)列（圖2） ,，按照這種控制方式,，就能顯示出各種顏色、多種圖像的動態(tài)顯示效果,，從而實(shí)行誘魚,。
1. 2 無線供電" title="無線供電">無線供電電源
如果LED水下集魚燈采用電纜線供電，使用時(shí)電纜線容易破損折斷,，多個(gè)LED水下集魚燈一起操作時(shí)容易纏繞,，非常麻煩。本文設(shè)計(jì)的LED水下集魚燈用蓄電池供電,，并利用無線供電技術(shù)為蓄電池充電,。
無線供電系統(tǒng)包括電能發(fā)送單元和電能接收單元兩部分。電能發(fā)送單元主要由交直流電源電路,、功率放大輸出電路,、驅(qū)動電路、振蕩電路,、基準(zhǔn)電壓電路,、控制保護(hù)電路以及發(fā)射線圈L1 （變壓器初級）組成，電能接收單元主要包括接收線圈L2 （變壓器次級） ,、高頻整流濾波電路和負(fù)載組成（圖3） 。
無線供電系統(tǒng)工作時(shí)輸入端將交流電經(jīng)全橋整流電路變換成直流電,，或用漁船的直流電源直接為系統(tǒng)供電,，直流電流通過振蕩電路逆變轉(zhuǎn)換成高頻交流電，經(jīng)功率放大輸出電路放大后供給發(fā)射線圈L1。通過發(fā)射線圈L1與接收線圈L2耦合電能,，接收線圈L2輸出的電流經(jīng)高頻整流濾波電路變換成直流電提供給負(fù)載（電池）進(jìn)行充電,。一個(gè)電能發(fā)送單元可以對多個(gè)電能接收單元發(fā)射電磁波進(jìn)行充電。電能發(fā)送單元與電能接收單元可以用一對一,、一對多,、多對一、多對多和網(wǎng)絡(luò)分布方式充電,。無線供電技術(shù)應(yīng)用于LED水下集魚燈,，不需要在LED水下集魚燈上安裝接口及導(dǎo)線，使LED水下集魚燈具有高度可靠的防水性能,。
1. 3 散熱
由于LED消耗的能量除轉(zhuǎn)換為光能外,，幾乎都是熱能，而且只能以熱傳導(dǎo)的形式傳出,，所以散熱設(shè)計(jì)是LED能否成功應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù),。在熱傳輸設(shè)計(jì)方面，要計(jì)算直接接觸LED器件散熱體的熱容量,。較大的熱容量可以較好地吸收和平衡瞬間的熱沖擊,，防止由于瞬間過流產(chǎn)生的高溫對LED器件的熱損壞。還要考慮散熱器件的熱傳輸平衡條件和傳輸量,，讓集魚燈內(nèi)部LED器件上發(fā)出的熱量能夠順利地傳到集魚燈外部的海水中,。設(shè)計(jì)時(shí)通過封裝基板解決散熱的問題，在散熱基板上做貫通孔,，使散熱基板直接與海水接觸,，讓海水在貫通孔內(nèi)循環(huán)［ 7 ］ ，達(dá)到降溫目的,。
1. 4 封裝
LED水下集魚燈的防護(hù)等級是IP68,，要求徹底防水，可以長時(shí)間浸在一定壓力的水中使用,。LED水下集魚燈燈體結(jié)構(gòu)外殼材質(zhì)為不銹鋼（或鋁合金） ,，燈具玻璃為鋼化玻璃，采用硅橡膠密封圈進(jìn)行密封,。LED體積小,，封裝靈活，能排成點(diǎn),、線,、面等形式安裝。采用無線供電技術(shù)的LED水下集魚燈可以做成球形,、直管形等各種形狀和大小不同的水下集魚燈,。
摘要： LED是一種半導(dǎo)體固態(tài)光源,，與金屬鹵化物燈相比較，具有功耗低,、易于控制,、壽命長、環(huán)保,、抗震性好等諸多優(yōu)勢,，適合作為水下集魚燈的光源。本文基于LED的特點(diǎn),，將多只LED組合排列在一起,，用集成電路驅(qū)動，采用數(shù)字化控制電路,，根據(jù)誘集目標(biāo)魚類的視覺特性,，調(diào)節(jié)LED水下集魚燈的亮燈模式、時(shí)間,、閃爍頻率等動態(tài)參數(shù),，以彩色的動態(tài)圖像來誘集、驅(qū)集魚群,，達(dá)到節(jié)能,、環(huán)保、科學(xué)捕撈,、提高效益的目的;同時(shí)闡述了無線供電技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)和原理,，并把該技術(shù)引入LED水下集魚燈，提高其防水性與易用性,。
集魚燈是光誘魷釣作業(yè)中最主要的助漁設(shè)備,，可分為水上燈和水下燈兩類。水下集魚燈具有節(jié)能,、誘集范圍廣,、穿透水層深等特點(diǎn)。水下集魚燈不僅可以在晚上將深層的柔魚誘集到較淺的水層進(jìn)行作業(yè),，還可以在白天將大型柔魚聚集在較深水層進(jìn)行捕獲 ,，水下集魚燈于20世紀(jì)90年代以來被廣泛應(yīng)用到魷釣作業(yè)中，其光源以金屬鹵化物燈為主,，屬熱光源,。
發(fā)光二極管（L ight Emitting Diode， LED）是一種場致發(fā)光光源,，是可直接將電能轉(zhuǎn)化為可見光和輻射能的半導(dǎo)體器件,。LED 的發(fā)光原理是利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，當(dāng)兩端加上正向電壓,，半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中注入的空穴與電子復(fù)合時(shí)引起光子發(fā)射而產(chǎn)生光,，直接把電能轉(zhuǎn)換為光能,，屬冷光源。使用LED半導(dǎo)體照明已被公認(rèn)為是一種節(jié)能環(huán)保的重要途徑,。
日本從2005年開始，研究使用藍(lán)色LED集魚燈來替代金屬鹵化物集魚燈,，以達(dá)到節(jié)省能源消耗,、改善工作環(huán)境等目的。其燃油消費(fèi)量僅為傳統(tǒng)魷釣船的1 /3,，釣獲率也相當(dāng)于（甚至超越）傳統(tǒng)魷釣船,。我國也有企業(yè)和高校正在進(jìn)行LED集魚燈的研究與開發(fā)，并取得了一定成果,。
1 LED水下集魚燈的設(shè)計(jì)
LED水下集魚燈應(yīng)符合以下幾方面要求：光源具有較大照射范圍,、足夠的照度，并能適用于誘集魚群;啟動操作簡單迅速;燈具堅(jiān)固,、耐震,，水密耐壓;耐用。
1. 1 LED控制與驅(qū)動系統(tǒng)
采用數(shù)字化控制電路,，整個(gè)電路由以嵌入式微控制器（MCU）作核心的控制系統(tǒng)電路,、驅(qū)動電路和LED光源點(diǎn)陣三部分構(gòu)成（圖1） 。
LED水下集魚燈用高亮度LED 作為光源,。LED雖然光效很高,，但單只LED所發(fā)出的光通量還不夠大，為了實(shí)現(xiàn)較大照射范圍和足夠的照度,，必須采用多只LED組合在一起使用,。首先根據(jù)水下集魚燈集魚所需要達(dá)到的照射范圍與照度確定總功率，在此基礎(chǔ)上選擇一定功率的多只LED來達(dá)到所需的總功率,。由1 只紅（R ） ,、1 只綠（G） 、1只藍(lán)（B）根據(jù)配色要求構(gòu)成1個(gè)三基色發(fā)光單元,。多個(gè)三基色發(fā)光單元的組合是通過單元電路板實(shí)現(xiàn),，在陣列結(jié)構(gòu)上通過先分單元后組合的方式，呈線形,、矩形,、圓形、內(nèi)外半圓柱面及部分球面的分布,，保證光向四周發(fā)射,。
LED驅(qū)動電路采用集成電路驅(qū)動， LED驅(qū)動時(shí)需要先將直流電流通過高效率的開關(guān)穩(wěn)壓器降壓和變換成恒流源,，才能輸出恒定的電流驅(qū)動LED發(fā)光,。顯示電路分為紅,、綠、藍(lán)3 個(gè)模塊,， 3個(gè)模塊與MCU的連接方式也相同,。MCU通過信號線與模塊中各LED驅(qū)動電路相連接。通過內(nèi)置于MCU中的控制程序,，由MCU向LED驅(qū)動集成塊發(fā)送控制信號和數(shù)據(jù),， LED驅(qū)動集成塊根據(jù)控制信號和數(shù)據(jù)要求，對每一只LED實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制,。若MCU連續(xù)向各個(gè)LED驅(qū)動集成塊不斷發(fā)出控制信號和數(shù)據(jù),，使每只LED都受到連續(xù)的協(xié)調(diào)控制 。
如果控制LED以魚眼分辨不出的閃爍頻率快速亮滅,，并且控制LED在每一個(gè)亮滅周期內(nèi)發(fā)光時(shí)間的占空比,，就能起到控制LED發(fā)光亮度的效果。通過對每只LED發(fā)光亮度的控制,，使每只LED產(chǎn)生256級灰度等級,。對3個(gè)模塊內(nèi)的每只紅光、綠光,、藍(lán)光LED同時(shí)進(jìn)行控制,， 3種光色LED按照不同的灰度等級任意組合，能夠產(chǎn)生16 777 216種彩色效果,。將多個(gè)三基色發(fā)光單元組合成一定結(jié)構(gòu)的顯示點(diǎn)列（圖2） ,，按照這種控制方式，就能顯示出各種顏色,、多種圖像的動態(tài)顯示效果,，從而實(shí)行誘魚。
1. 2 無線供電電源
如果LED水下集魚燈采用電纜線供電,，使用時(shí)電纜線容易破損折斷,，多個(gè)LED水下集魚燈一起操作時(shí)容易纏繞，非常麻煩,。本文設(shè)計(jì)的LED水下集魚燈用蓄電池供電,，并利用無線供電技術(shù)為蓄電池充電。
無線供電系統(tǒng)包括電能發(fā)送單元和電能接收單元兩部分,。電能發(fā)送單元主要由交直流電源電路,、功率放大輸出電路、驅(qū)動電路,、振蕩電路,、基準(zhǔn)電壓電路、控制保護(hù)電路以及發(fā)射線圈L1 （變壓器初級）組成,，電能接收單元主要包括接收線圈L2 （變壓器次級） ,、高頻整流濾波電路和負(fù)載組成（圖3） ,。
無線供電系統(tǒng)工作時(shí)輸入端將交流電經(jīng)全橋整流電路變換成直流電，或用漁船的直流電源直接為系統(tǒng)供電,，直流電流通過振蕩電路逆變轉(zhuǎn)換成高頻交流電,，經(jīng)功率放大輸出電路放大后供給發(fā)射線圈L1。通過發(fā)射線圈L1與接收線圈L2耦合電能,，接收線圈L2輸出的電流經(jīng)高頻整流濾波電路變換成直流電提供給負(fù)載（電池）進(jìn)行充電,。一個(gè)電能發(fā)送單元可以對多個(gè)電能接收單元發(fā)射電磁波進(jìn)行充電。電能發(fā)送單元與電能接收單元可以用一對一,、一對多、多對一,、多對多和網(wǎng)絡(luò)分布方式充電,。無線供電技術(shù)應(yīng)用于LED水下集魚燈，不需要在LED水下集魚燈上安裝接口及導(dǎo)線,，使LED水下集魚燈具有高度可靠的防水性能,。
1. 3 散熱
由于LED消耗的能量除轉(zhuǎn)換為光能外，幾乎都是熱能,，而且只能以熱傳導(dǎo)的形式傳出,，所以散熱設(shè)計(jì)是LED能否成功應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。在熱傳輸設(shè)計(jì)方面,，要計(jì)算直接接觸LED器件散熱體的熱容量,。較大的熱容量可以較好地吸收和平衡瞬間的熱沖擊，防止由于瞬間過流產(chǎn)生的高溫對LED器件的熱損壞,。還要考慮散熱器件的熱傳輸平衡條件和傳輸量,，讓集魚燈內(nèi)部LED器件上發(fā)出的熱量能夠順利地傳到集魚燈外部的海水中。設(shè)計(jì)時(shí)通過封裝基板解決散熱的問題,，在散熱基板上做貫通孔,，使散熱基板直接與海水接觸，讓海水在貫通孔內(nèi)循環(huán)［ 7 ］ ,，達(dá)到降溫目的,。
1. 4 封裝
LED水下集魚燈的防護(hù)等級是IP68，要求徹底防水,，可以長時(shí)間浸在一定壓力的水中使用,。LED水下集魚燈燈體結(jié)構(gòu)外殼材質(zhì)為不銹鋼（或鋁合金） ，燈具玻璃為鋼化玻璃,，采用硅橡膠密封圈進(jìn)行密封,。LED體積小，封裝靈活,，能排成點(diǎn),、線,、面等形式安裝。采用無線供電技術(shù)的LED水下集魚燈可以做成球形,、直管形等各種形狀和大小不同的水下集魚燈,。
2 LED水下集魚燈的特點(diǎn)
2. 1 節(jié)能環(huán)保
近年來，燃油價(jià)格大幅度上漲,，光誘捕魚漁業(yè)在燃油上的投入比重也大為增加,，有時(shí)熱光源集魚燈的燃油消耗要占到漁船總?cè)加拖牡?0%以上 。由此可見,，用在集魚燈上的燃油消耗費(fèi)用己經(jīng)對光誘捕魚業(yè)的經(jīng)營效益產(chǎn)生了比較明顯的影響,。
金屬鹵化物燈存在光效低、耗電量大,、電能大部分轉(zhuǎn)化為熱能的不足,。LED 的光譜幾乎全部集中在可見光頻段，光效率可達(dá)80% ～90% ,，因此功耗低,，在相同的照明效果下，比金屬鹵化物燈節(jié)能,。
金屬鹵化物燈發(fā)出的光線中含有大量的紫外線和紅外線輻射,，光誘漁船作業(yè)時(shí)會對漁船工作人員健康造成傷害，也會對中上層趨光魚類,，特別是視覺系統(tǒng)發(fā)育尚未完善的幼,、稚魚造成一定的傷害 。LED是冷光源,，沒有紅外線和紫外線的成分,，沒有輻射污染，能有效防止?jié)O場生態(tài)被破壞,。另外,，金屬鹵化物燈內(nèi)的填充物中有汞或其它重金屬，在使用過程中破損和廢棄后的燈都會對人身健康和環(huán)境造成危害,，而LED使用中不產(chǎn)生有害物質(zhì),，廢棄物可回收，沒有污染,，不含汞元素,，屬于典型的綠色光源。
2. 2 光譜性能好
金屬鹵化物燈的光譜較寬,，且發(fā)光方向?yàn)檎麄€(gè)立體空間,，不利于配光和光線的有效利用。而LED光譜為分立的光譜，譜線較窄,，半高全寬在30 nm左右,，各類的LED有不同峰值波長，可以在光合有效輻射范圍內(nèi)方便地匹配出各種不同的光譜結(jié)構(gòu),。LED 色彩豐富,、鮮艷，可以有多樣化的色調(diào)選擇和配光,，并且LED發(fā)光大部分集中會聚于中心,，發(fā)散角較小，可以有效地控制眩光,。LED發(fā)光對電流的響應(yīng)速度極快,，只需通過調(diào)整電流就可以調(diào)節(jié)光的強(qiáng)度和顏色。
2. 3 安全可靠,，使用壽命長
由于漁業(yè)生產(chǎn)工況條件特殊,，燈和燈具經(jīng)常在海浪中拍打和在船舶搖晃中工作，因此必須具備良好的防震和防水性能,。金屬鹵化物燈有玻璃泡、燈絲等易損壞部件,，易碎,，耐震性差，而且需要上百伏特的工作電壓,，壽命一般為3 000 h,。當(dāng)用作水下集魚燈時(shí)，必須先放進(jìn)水里再開燈,，出水時(shí)必須先熄燈再提出水面,。操作麻煩，稍有不慎燈泡就有可能爆炸,，造成觸電事故［ 11 ］ ,。LED是用環(huán)氧樹脂封裝固態(tài)光源，使用低電壓（單個(gè)LED只需1. 5～4. 0 V的直流電壓） ,、低電流驅(qū)動,，使用壽命可高達(dá)6萬～10萬h;也是一種全固體結(jié)構(gòu)，能經(jīng)得起震動,、沖擊而不至于損壞,，非正常報(bào)廢率很小，維護(hù)極為方便,。
3 LED水下集魚燈的應(yīng)用
生產(chǎn)實(shí)踐表明,，影響光誘集魚效果的首要因素是光源，它包括光源強(qiáng)度、燈光顏色,、燈具的配置等,。例如，在暗適應(yīng)條件下,，藍(lán)圓鲹幼,、成魚對藍(lán)、綠色光的趨光率最高,，對紅光的趨光率最低,。由暗適應(yīng)向明適應(yīng)過渡后，引起趨光率最高的顏色光移向黃,、綠色光,。在暗適應(yīng)和明適應(yīng)條件下，鮐魚都對紫光和紅光有最大的趨光率,。
LED水下集魚燈通電工作后,，整個(gè)系統(tǒng)由軟件控制運(yùn)行。根據(jù)不同漁場的客觀情況,、誘集目標(biāo)魚類的生理和生態(tài)的不同特點(diǎn),，來配置光源的亮度、顏色以及動態(tài)變化效果來誘魚,。用戶通過遙控器,，或者通過LED水下集魚燈上的控制鍵來設(shè)定集魚燈顯示內(nèi)容，以便符合實(shí)際需要,。LED水下集魚燈能顯示出魚喜歡的食物,、同類、各種事物的圖像等來誘集魚群,，還能顯示出魚的天敵等相關(guān)圖像來驅(qū)集魚群,、控制魚群。實(shí)行科學(xué)捕撈,，合理開發(fā)利用漁業(yè)資源,，保護(hù)魚類繁衍增殖，達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo),。
目前,，LED水下集魚燈的成本較高， LED 光源的光通量,、一致性,、可靠性還有待提高。LED集魚燈節(jié)能效果在日本魷釣業(yè)已經(jīng)得到證實(shí),，但是LED集魚燈的普及情況仍然不佳,。改用LED集魚燈的魷釣船，是否具長期、持續(xù)性的漁獲效果,，還需要確認(rèn),。對于LED水下集魚燈應(yīng)用研究目前還處于起步階段，缺乏系統(tǒng)的研究資料和成果,。但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,，各種技術(shù)的完善，LED水下集魚燈將會成為一種主要的助漁設(shè)備,，具有廣闊的應(yīng)用前景,。