飽和脈衝三維雷射螢光效率譜活體浮游植物分類研究

《飽和脈衝三維雷射螢光效率譜活體浮游植物分類研究》是依託中國海洋大學，由劉金濤擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：飽和脈衝三維雷射螢光效率譜活體浮游植物分類研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉金濤
• 依託單位：中國海洋大學

中文摘要

三維螢光譜技術是適於活體浮游植物原位監測和識別的方法，但藻種分類精度仍僅限於門的級別。本研究中，增加吸收光譜的測量，並套用飽和脈衝技術，獲得浮游植物飽和脈衝三維雷射螢光效率譜。不僅提高了螢光譜信號的測量靈敏度，而且比原有的三維譜有更多的分類特徵。基於上述測量，還能計算出藻種光合作用研究中重要的含光譜信息的最大量子產量等參數。利用這些參數，不僅可以探尋新的藻種分類思路和特徵，還可以得到藻種的光合作用和生長與光譜的關係，研究光照對海洋生態環境的影響，為監測、改善海洋生態環境提供依據和技術。為了實現以上目的，在實驗室中建立飽和脈衝三維雷射螢光效率譜系統。系統中光源採用光學參量振盪器和大功率LED，利用專門設計的傳導光纖束和單光電倍增管同步測量所有通道的光信號，在簡化測量系統的同時，提高數據的精度和可比性。

結題摘要

根據項目申請書，本項目主要研究內容包括四個方面：建立一套飽和脈衝三維雷射螢光測量系統；進行浮游植物飽和脈衝三維雷射螢光效率譜測量的實驗研究；進行藻種分類和識別算法研究；獲取不同藻種的光譜最大量子產量等參數。經過三年的努力，首先成功研製了一套飽和脈衝三維雷射螢光測量系統。該系統以OPO（光學參量放大）主要為光源，輸出波長從410nm到590nm，間隔5nm；輔助光源為大功率LED，分別為405nm、470nm、532nm和650nm；系統中採用光柵進行光譜分光，32通道光電倍增管作為光電探測器，光譜接收範圍為630nm到726nm，間隔3nm；以FPGA為核心的電路以50MHz、14bits進行同步數據採集，並實時處理和顯示獲取的三維雷射螢光光譜數據；系統由基於CompactPCI平台的工控機控制。利用研製的系統，選取和測量了7個門類30餘種中國海域主要赤潮藻種的飽和脈衝三維雷射螢光譜。基於測量的光譜數據，進行了上述藻種的分類和識別算法研究，如2維主成分分析法（2D PCA）、小波算法、各種圖像模式識別算法等。基於經典的2D PCA算法，識別的成功率超過95%。該結果優於基於分光光度計測量的三維螢光光譜數據的分類識別結果，顯示了飽和脈衝三維雷射螢光譜的優勢。項目實施中，調整了飽和脈衝三維雷射螢光測量系統中光譜信號傳輸和光電數據採集的方案。因為一方面光纖中螢光信號的衰減明顯；另一方面各光譜通道間的有串擾，所以採用了並行光纖傳輸光譜信號、32通道光電數據採集的方案。本項目中，對藻種光譜最大量子產量等測量研究沒有達到預期的成果。主要原因是OPO脈衝雷射能量密度高，難以測量藻種的一般螢光；光譜數據採集系統中的信號增益、脈衝工作方式等設計，不適合採集基於LED光源的螢光信號。為此項目組設計了基於微脈衝雷射器的一套測量系統和基於LED光源和CCD線陣的一套測量系統，預計 2013年上半年能研製完成。基於研究的成果，發表了6篇SCI、EI檢索的文章。在第26屆國際雷射雷達會議上，進行了三維雷射螢光測量的口頭報告。同時申請了一項國家發明專利，目前正在審查階段。基於本項目，主要培養了4名碩士研究生。