饱和脉冲三维激光荧光效率谱活体浮游植物分类研究

三维荧光谱技术是适于活体浮游植物原位监测和识别的方法，但藻种分类精度仍仅限于门的级别。本研究中，增加吸收光谱的测量，并应用饱和脉冲技术，获得浮游植物饱和脉冲三维激光荧光效率谱。不仅提高了荧光谱信号的测量灵敏度，而且比原有的三维谱有更多的分类特征。基于上述测量，还能计算出藻种光合作用研究中重要的含光谱信息的最大量子产量等参数。利用这些参数，不仅可以探寻新的藻种分类思路和特征，还可以得到藻种的光合作用和生长与光谱的关系，研究光照对海洋生态环境的影响，为监测、改善海洋生态环境提供依据和技术。为了实现以上目的，在实验室中建立饱和脉冲三维激光荧光效率谱系统。系统中光源采用光学参量振荡器和大功率LED，利用专门设计的传导光纤束和单光电倍增管同步测量所有通道的光信号，在简化测量系统的同时，提高数据的精度和可比性。

根据项目申请书，本项目主要研究内容包括四个方面：建立一套饱和脉冲三维激光荧光测量系统；进行浮游植物饱和脉冲三维激光荧光效率谱测量的实验研究；进行藻种分类和识别算法研究；获取不同藻种的光谱最大量子产量等参数。. 经过三年的努力，首先成功研制了一套饱和脉冲三维激光荧光测量系统。该系统以OPO（光学参量放大）主要为光源，输出波长从410nm到590nm，间隔5nm；辅助光源为大功率LED，分别为405nm、470nm、532nm和650nm；系统中采用光栅进行光谱分光，32通道光电倍增管作为光电探测器，光谱接收范围为630nm到726nm，间隔3nm；以FPGA为核心的电路以50MHz、14bits进行同步数据采集，并实时处理和显示获取的三维激光荧光光谱数据；系统由基于CompactPCI平台的工控机控制。. 利用研制的系统，选取和测量了7个门类30余种中国海域主要赤潮藻种的饱和脉冲三维激光荧光谱。基于测量的光谱数据，进行了上述藻种的分类和识别算法研究，如2维主成分分析法（2D PCA）、小波算法、各种图像模式识别算法等。基于经典的2D PCA算法，识别的成功率超过95%。该结果优于基于分光光度计测量的三维荧光光谱数据的分类识别结果，显示了饱和脉冲三维激光荧光谱的优势。. 项目实施中，调整了饱和脉冲三维激光荧光测量系统中光谱信号传输和光电数据采集的方案。因为一方面光纤中荧光信号的衰减明显；另一方面各光谱通道间的有串扰，所以采用了并行光纤传输光谱信号、32通道光电数据采集的方案。. 本项目中，对藻种光谱最大量子产量等测量研究没有达到预期的成果。主要原因是OPO脉冲激光能量密度高，难以测量藻种的一般荧光；光谱数据采集系统中的信号增益、脉冲工作方式等设计，不适合采集基于LED光源的荧光信号。为此项目组设计了基于微脉冲激光器的一套测量系统和基于LED光源和CCD线阵的一套测量系统，预计 2013年上半年能研制完成。. 基于研究的成果，发表了6篇SCI、EI检索的文章。在第26届国际激光雷达会议上，进行了三维激光荧光测量的口头报告。同时申请了一项国家发明专利，目前正在审查阶段。基于本项目，主要培养了4名硕士研究生。