Судовой флуориметр для измерения биооптических характеристик морской воды

Майор А.Ю., Крикун В.А. (kv99@mail.ru), Ластовская И.А., Киселев В.Д.

Тихоокеанский Океанологический Институт

Получение экспресс - информации о состоянии морских акваторий является важной задачей экологического мониторинга. Одним из методов получения такой информации является, метод лазерной индуцированной флуоресценции, основанный на исследовании спектров флуоресценции фитопланктона и растворенного органического вещества, содержащегося в морской воде. Спектры флуоресценции несут информацию о концентрации хлорофилла А [1], содержании других пигментов фитопланктона [2], о типе морских вод [3] и т.д. При исследовании фитопланктона мы имеем дело с живыми клетками, и параметры спектров флуоресценции очень сильно зависят от условий, в которых находится фитопланктон, поэтому измерения нужно проводить in situ. Среди устройств, предназначенных для исследования спектров флуоресценции водных сред, можно выделить три типа: лидарные устройства, некогерентные флуориметры и когерентные флуориметры.

Наиболее подходящими для данной задачи системами, являются лидарные системы [4,5,6], позволяющие проводить измерения непосредственно с борта корабля или с самолета. Однако, длина волны линии флуоресценции хлорофилла А равна 675нм и излучение данного спектрального диапазона значительно поглощается морской водой, таким образом, получение информации о хлорофилле А возможно только с самого верхнего слоя морской поверхности. Кроме того, при регистрации флуоресценции по лидарной схеме имеет место существенное влияние состояния морской поверхности и погодных условий на дисперсию интенсивности сигнала флуоресценции.

Описанных недостатков лишены когерентные и некогерентные флуориметры, измеряющие флуоресценцию забортной воды в прокачиваемом варианте (проточный флуориметр) [7], или измеряющие флуоресценцию забортной воды посредством погружаемого зонда (погружаемые флуориметры) [8].

Ранее нами был разработан сканирующий проточный флуориметр [7], который обеспечивал высокое спектральное разрешение и высокую чувствительность. Однако, пространственное разрешение системы (в случае проведения измерений с борта движущегося судна) определялось временем сканирования по всему спектральному диапазону и при скорости судна порядка 8 узлов составляло величину 250 метров. Для решения некоторых задач, требуется иметь большее пространственное разрешение, в связи с чем, был разработан новый вариант судового флуориметра, в котором отсутствует сканирующие части, а используется полихроматор и система регистрации, обеспечивающая одновременное измерение всего спектрального интервала.

Блок схема флуориметра представлена на фиг.1. В качестве излучателя используется вторая гармоника излучения ND:YAG (1) с длиной волны 532нм. Излучение, генерируемое лазером, проходит через отклоняющую призму (2) и попадает в окно проточной кюветы (4), через которую посредством внешнего насоса (12) непрерывно прокачивается забортная вода. В проточной кювете (3) индуцируется сигнал флуоресценции, попадающий через боковое окно (5) на светофильтр(6), установленный для подавления рассеянного лазерного излучения. Пройдя светофильтр сигнал попадает

на входную щель полихроматора (7) ОС-6 (МДП-1), обеспечивающего регистрацию спектра в диапазоне 530нм-700нм без наложения порядков, обратной линейной дисперсией порядка 10-40 нм/мм и размером изображения 5х25. Разложенное в спектр полихроматором (7), излучение попадает на электронно-оптический преобразователь(8) (ЭОП), который усиливает изображение спектров флуоресценции, после чего оптическая система(9) переносит изображения с выходного окна ЭОП на черно - белую цифровую камеру (10), сигнал с которой в оцифрованном виде передается на ЭВМ (11). Кроме того, оптическая кювета имеет отток в измерительную кювету(13), снабженную датчиками измерения температуры и солености морской воды.

Использование такой компоновки флуориметра позволило значительно уменьшить габаритные размеры устройства. Использование многоканального анализатора на базе полихроматора, позволяющего получить все линии спектра исследуемого потока жидкости за одно измерение позволило улучшить пространственное разрешение прибора, повысить надежность процесса измерения.

8 И

Фиг.1 Блок схема устройства

Литература

1) Мажерис Р. Лазерное дистанционное зондирование. М.:МИР, 1987.

2) Hoge F.E., Berry R.E.,Swift R.N., Appl.Opt.1986 V.25 P.39.

3) Букин О.А., Пермяков М.С., Майор А.Ю. и др. Оптика атмосферы и океана. 2000 Т.13.№11.

4) Sathyenranath S., Hoge F.E., Appl.Opt., 1994, v.33, p.1081

5) Babin M., Morel A., Gentili B. Remote sensing of sea surface Sun-induced chlorophyll fluorescence: consequences of natural variations in the optical characteristics of phyto-plankton and the quantum yield of chlorophyll a fluorescence , J. Remote Sens., 1996,17 (1), 2417-2448.

6) Demidov A.A., Chekaluk A.M., Lapthenkova T.V., Fadeyev V.V. Remote laser monitoring of organic components of seawater from the ships side Meteor. i Gidrol., 1988,

6, 62-70.

7) Майор А.Ю., Букин О.А., Павлов А.Н., Киселев В.Д. Судовой лазерный флуори-метр для исследования спектров флуоресценции морской воды , Приборы и техника эксперимента, 2001.№4, с 151-154.

8) Маторин Д.Н., Казимирко Ю.В., Анкори Ф., Рубин А.Б. Использование двухлуче-вого импульсного погружного флуориметра для биомониторинга фотосинтетической активности фитопланктона http: www.library.biophys.msu.ru/gettext?Serial=789