基于长光程技术的痕量海水营养盐自动分析仪的设计与测试

海水中可溶性的营养盐浓度是海洋监测的常规项目之一;大洋水体中的营养盐含量很低,使用传统的分光光度计难于定量测量。文章基于液芯波导长光程技术,设计了高灵敏度的痕量海水营养盐光谱分析仪。分析仪以1.02 nm的光谱分辨率实现350～900 nm光谱范围的水样吸光度连续光谱测量,并由嵌入式PC104微机自动实现了水样采集、吸光度测量和数据分析的功能。针对亚硝酸盐的测试实验结果表明,仪器检出限达到nmol·L-1的量级,比传统分光光度计的检测限提高了三个量级,且显色反应时间可缩短到3 min,能适用于大洋水体中营养盐的现场痕量分析。     

海洋光学浮标实时图像监测系统的设计与实现

设计了依托于海洋光学浮标平台的图像监测系统,可实时采集浮标点海面与水体的图像数据。采用新型的图像采集装置,解决了图像监测系统因浮标浮动而导致的图像失真问题,克服了在DOS系统下对USB设备存储介质读取的难题,运用两种无线网络的同时传输增大了实验室与浮标数据交换的可靠性,举例分析了图像监测系统所获得的实时数据,验证了其正确性。     

基于shifrin变换反演粒度分布的理论分析

理论上验证了shifrin变换粒度反演算法。采用Fraunhofer衍射理论计算前向散射光强,并利用shifrin变换进行了粒径反演。模拟结果发现,shifrin变换算法能够反演出被测单一或多分散颗粒群的粒径峰值位置,且随着接收CCD像元总数的增加,反演的准确度也会增大,但是在被反演的峰值周围会存在一定数量的小峰。随着接收衍射角的增大,也能相应地增大反演的粒径范围。中心涂黑一定数目的CCD像元并不会对反演结果造成很大的影响。     

海洋高光谱辐射实时观测系统的研制

研制了海洋水色高光谱辐射实时观测系统.该系统主要包括用于现场测量海面与海水近表层上行辐亮度和下行辐照度的高光谱光纤辐射计,装载高光谱光纤辐射计及其它辅助设施的海上观测平台,数据采集、实时通讯的控制系统.采用6通道光纤光谱仪解决了多参数测量同步性问题,通过自动调整光谱仪CCD积分时间提高其测量的动态范围;采用光纤光谱仪减小了光接收器的体积,减小了自阴影效应的影响;采用防污染装置解决了光学探头水下防污染问题.对系统的性能进行了室内测试及近海36 d试验.结果表明,光学系统零漂误差小于±5%,光学系统稳定可靠;浮标性能可很好地满足水下光辐射测量对浮标体姿态和稳定性的要求;控制系统的数据采集和通讯可靠有效.     

CDOM走航式测量仪的设计与应用

海水中的有色溶解有机物(CDOM)对海洋生态系统具有重要影响。针对当前CDOM测量的问题,基于Teflon AF 液芯波导(LWCC/LCW)技术,设计了一套全自动CDOM走航式测量仪。该仪器具有光程可调、测量动态范围广、灵敏度高等特点,适合于各类水体。其过滤和进样系统,实现了水样的自动过滤、进样和样品池清洗。基于LabVIEW语言开发的软件控制平台,可高效地控制仪器的运行状态和数据(光谱数据、GPS数据及海水温盐数据)的采集。通过对照实验和现场海上测试,证实了测量数据的可靠性和仪器的稳定性。     

海水硝酸盐/亚硝酸盐原位快速测量仪

基于SIA顺序注射法以及分光光度原理研制了海水硝酸盐/亚硝酸盐原位快速测量仪。对最佳不完全显色反应时间以及硝酸盐镉铜柱还原速度进行了实验优化筛选,采用液芯波导替代比色皿作为样品池,在实现原位快速测量(测量时间可短至4 min)的同时也大大减少了样品量,缩小了仪器体积、 重量,降低了仪器功耗,提高其灵敏度(nmol·L-1),使其更适于原位测量。仪器具有良好的通用性和可扩展性,稍作调整,即可用于不同海域各种营养要素的剖面及定点测量。     

海水中极低浓度营养盐在线测量仪

设计了海水中极低浓度营养盐在线测量仪,测量方法采用吸收光度法。采用长光程液芯波导作为样品池,光信号由光纤收集、光谱仪分光。线阵CCD探测器测量样品吸光度,可以实现多种营养要素的快速检测。检测极限达到了0.2 nmol/dm3;分液泵、注射泵、电磁阀及过滤网等构成了现场自动进样系统;电子学系统由PC104工控机、CCD数据采集卡及自动进样控制电路组成,实现了水样的提取及在线过滤、样品与试剂的精密配比和混合反应以及光谱测量及分析的自动化。该仪器不仅可用来作为剖面测量,而且也可用于定点长时间序列测量。     

辽东湾海冰有色溶解有机物和颗粒物的光学特性

针对有色溶解有机物(CDOM)和颗粒物在短波波段的强吸收特性对海冰内部及下层海水生物的区大影响,研究了辽东湾海冰内部CDOM和颗粒物的吸收特性.海冰内部CDOM的吸收为下层海水CDOM吸收的1/5～1/2,海冰内部CDOM吸收的最大值一般出现于海冰的表层和底层.由于大气的沉降作用,海冰内部颗粒物吸收的最大值出现于海冰表...     

由吸收系数和粒度分布计算浮游植物的散射光谱特征

散射特性在水色卫星遥感模式的开发、水下光辐射传输、优势藻光谱特征的提取以及赤潮监测等方面有着重要的应用价值.在假定藻细胞为均匀球形结构的条件下,建立了浮游植物的散射正演模型.模型输入参量为实际测量的藻细胞吸收系数和粒度分布,输出参量为浮游植物的散射效率和吸收效率光谱.对短伪海链藻和威氏海链藻进行实验,模拟结果与实验结果的比较发现:该模型估箅得到的散射光谱能与实验的散射光谱得到很好的吻合,两种藻的模拟散射效率相对实验散射效率的误差分别为7%和10.6%,吸收效率的误差分别为7.4%和13.4%.模拟与实验结果的吻合表明,由吸收系数和粒度分布可以模拟出藻类的散射光谱特性.单细胞近似球形藻类散射正演模型可行.     

海冰高光谱辐射测量系统的设计及应用

海冰是地球气候系统中的关键要素之一,为此设计了用于测量海冰光学特性的海冰高光谱辐射测量系统,可实现3个通道的同时测量,设计了2种类型的光学探头,解决了探头水密性的问题,搭配“L”型支架实现冰下辐射的现场测量。设计了双向反射率支架,搭配角度传感器可实现探头于任一角度位置对海冰双向反射率的测量。系统积分时间智能设定,实现了积分时间设定的最优化和自动化。解决了低温工作的难题。另外系统还集成了4个温度探头和1个全球定位系统GPS。通过在辽东湾附近海域对海冰的现场实验,验证了系统的可靠性及准确性。