基于激光诱导叶绿素荧光寿命成像技术的植物荧光特性研究

针对植物荧光遥感探测中信号易受干扰的问题, 提出了一种用于评估植物生长状况及环境监测的荧光寿命成像技术. 采用凹透镜对355 nm波长的激光扩束, 再照射植物激发叶绿素荧光, 由增强型电荷耦合器件接收荧光信号. 采用时间分辨测量法, 连续用相同激光脉冲照射植物以激发相同的荧光信号, 同时不断改变激光脉冲触发探测器启动的延时时间, 从而能够得到完整的离散荧光信号分布图像. 对植物特定位置点产生的离散荧光信号进行拟合, 再运用一种改进型的迭代解卷积法可反演高精度的荧光寿命; 进而反演图像各点的荧光寿命以生成植物的荧光寿命分布图. 该方法所绘制的荧光寿命图比荧光强度图能更准确地反映植物内部的叶绿素含量, 并对活体植物叶绿素荧光寿命的物理特性进行了初步研究, 证明叶绿素荧光寿命与植物生理状态存在一定关联; 并且叶绿素荧光寿命与活体植物所处环境存在着复杂的关系. 未来将与生物物理学家们合作, 继续探寻叶绿素荧光寿命与植物生存环境的关系.     

激光诱导叶绿素荧光寿命的测量及其特性分析

提出了一种用于评估植物生长状况及环境监测的激光诱导叶绿素荧光寿命测量方法. 采用波长355 nm的激光作为光源激发叶绿素荧光, 由光电倍增管接收其荧光信号, 由于被测叶绿素荧光衰减函数与激光脉冲、仪器响应函数卷积在一起, 根据它们的特性, 运用时间分辨测量法分别测得叶绿素荧光及其背景信号, 并结合一种新型解卷积算法可分离出真实的叶绿素荧光衰减函数, 从而获取叶绿素的荧光寿命. 测试结果表明: 该方法能够实现叶绿素荧光寿命的高精度实时监测, 对不同叶绿素含量的溶液荧光寿命进行了测试, 证明叶绿素含量与其荧光寿命具有相关性, 并且拟合了叶绿素含量与荧光寿命的标定曲线. 关键词： 荧光寿命 激光诱导荧光 时间分辨测量法 叶绿素含量     

荧光激光雷达技术探测水面油污染系统仿真研究

为实现对水面油污染的探测, 根据荧光激光雷达系统的发展趋势, 采用激光诱导荧光技术, 建立了适用于水面油污染探测荧光激光雷达的系统模型. 提出采用单激光器结合增强电荷耦合器件的小型荧光激光雷达探测系统, 通过分析激光器单脉冲能量与探测浓度之间的关系, 结合荧光激光雷达系统参数, 对系统模型的探测能力与信噪比等进行了数值仿真. 结果表明, 系统选用单脉冲能量50 μJ的355 nm Nd:YAG激光器作为激发光源, 白天在7 m的距离处探测信噪比可以达到10, 满足实验室搭建模拟系统的要求. 针对实际探测水面油污染, 提出采用增大激光器功率的方法, 并通过模拟计算验证了采用50 mJ的单脉冲能量激光器在230 m的探测距离处可得到与实验室相同的结果, 对实际系统的搭建具有指导意义.     

激光诱导荧光雷达探测系统仿真研究

激光诱导荧光技术是一种应用广泛的新型遥测技术,为了指导实际激光诱导荧光探测系统的搭建,介绍了荧光检测原理,设计了激光诱导荧光雷达探测系统。以测量水面石油类污染物为例,通过分析激光诱导荧光雷达探测系统中发射系统及接收系统主要参数对系统信噪比的影响,可根据测量条件选择合适的系统参数。在实验室条件下,选用单脉冲能量为50 μJ的Nd:YAG激光器,接收视场角0.1 mrad,滤光片带宽60 nm的接收系统,可以检验浓度为10个/L的粒子。     

基于神经网络的叶绿素含量精细测量建模方法研究

活体植物叶片叶绿素含量SPAD值易受叶片厚度、水分等影响,提出了基于多参数神经网络建模的叶绿素含量精细反演方法。通过测量叶片在中心波长分别为650,940和1 450 nm光照射下的透过率,获得叶片的SPAD值和水分指数WI(water index),同时用数字螺旋测微仪测量相应的叶片厚度并用分光光度法测得其叶绿素含量。利用建模集样本分别建立SPAD值与实测叶绿素含量之间的单参数模型和基于BP神经网络的WI、厚度及SPAD值与实测叶绿素含量之间的非线性模型。利用这两种模型分别计算获得验证集样本的叶绿素含量预测值,对预测值和实测值进行了相关分析和相对误差的分析。实验以340个三种不同植物叶片为样本,用以上方法进行了分析。结果表明,利用BP神经网络建模后,每种植物样本的叶绿素含量预测精度都有不同程度的提高,尤其对于叶片厚度值较大的样本,效果更为明显。数据显示所有混合样本平均相对误差绝对值由单参数模型的7.55%降低到5.22%,实测值与预测值的拟合决定系数由0.83提高到0.93。验证了利用多参数BP神经网络模型可以有效地提高活体植物叶绿素含量预测精度的可行性。     

双波长荧光雷达探测大气生物气溶胶的性能分析

生物气溶胶在大气中扩散极易传播和发生各种流行疾病,也是生物武器投放的主要形式,实现生物气溶胶实时、远距离的探测显得尤为重要。构建了一台双波长荧光雷达用于大气中生物气溶胶的预警和识别。该雷达系统采用Nd∶YAG固体激光器作为激励光源,基频1 064 nm、四倍频266 nm作为工作波长。基于激光诱导荧光雷达探测原理,对红外波段的弹性散射信号和紫外波段诱导的荧光信号进行数值分析。结果显示,在探测误差小于10%的情况下,距离为1.0 km时,单激光脉冲测量得到白天和夜晚细菌孢子的最小探测浓度分别为15 100个颗粒·L-1和8 386个颗粒·L-1;当脉冲数累加到10 000时,白天和夜晚的细菌孢子最小探测浓度显著改善,分别为144个颗粒·L-1和77个颗粒·L-1。分析结果还表明,通过红外波段确定细菌孢子云团位置后,为了提高系统对细菌孢子的探测性能,可增加紫外激光脉冲数量,延长荧光信号采集时间。