全光纤荧光海水中叶绿素a和DOM浓度测量系统的研究

　　1　引言

　　海洋污染不仅制约着海洋产业经济与海洋生态环境的协调持续发展,而且危及到人类的生存空间。海洋环境的恶化迫使人们发展海洋环境监测技术。水质 生物状态参数中叶绿素a含量、有机物含量是目前海洋环境监测主要参数,并且海洋中藻类的生长状况及群类结构影响着海水的水质。长期以来对这些参数的测量主 要是通过现场采样和实验室化学分析。但是面对海洋污染现状的复杂性,要求必须对这些参数进行现场测量,才能探索海水的细微结构及海洋污染程度。随着荧光技 术和光纤传感技术的迅速发展,光纤荧光分析仪成为海洋环境监测仪器研究上的一个热点。这些仪器能进行现场测量,具有极高的检测灵敏度,能够鉴别物质,但这 些仪器大部分采用卤乌灯和氙灯为光源,这些光源体积大,耗能多,热稳定性差、使用寿命短。以光电倍增管作光电转换器,对荧光光谱不能实时观察,亦不能进行 多波长的同时测定,阻碍了仪器向便携式、实时测量分析方向的发展。并且在光谱数据的平滑上多应用采样平均技术,这在抑制测量噪声,减少随机误差方面效果不 佳,得到的光谱有一定变形。

　　2　系统原理

　　2.1　荧光测量法原理

　　物质在一定波长的光波激励下,会发出一种波长比激励波长要长的荧光。根据理论推导,物质所发出的荧光强度除和激励光光强有关外,还和物质的浓度 有关,只要激励光的光强稳定,则荧光光强仅与物质的浓度有关。在中心波长为355 nm附近的激励光激励下,叶绿素a和DOM能发出峰值分别在680nm和450 nm左右的荧光,检测接收到的荧光的光强就能检测到叶绿素a和DOM两种物质的浓度。

　　物质经某一特定波长的光激发后,所发射的荧光强度为

　　式中:k为仪器常数;Q为物质荧光效率;I0为激励光光强;c为物质浓度;b为样品光程差;ε为摩尔吸收系数。

　　只要确定,则c与F成一定数学关系。由于被测量浓度将跨越多个数量级。因此,该仪器采用对数工作方式。将式(1)取对数得:

　　当所测量的荧光物质确定后,A、B、D均为常数。由式(2)可知,物质浓度C仅与荧光强度F有关。所以,选择波长为355 nm的光作为激发光,通过测量海水中叶绿素a和DOM的荧光峰值处的荧光强度,可得出它们的浓度。

　　2.2　小波平滑原理

　　由于测得的数据除有用信号外还包含噪声,这表现为谱图上的毛刺,具有高频特征。传统的平均法会使噪声得到缓解,但光谱也会出现较大变形。目前小波变换在信号处理方面得到广泛应用,它具有多分辨分析的特点,能有效地去除信号中的高频噪声,得到平滑、不失真的信号。