CC BY
33
УДК 681.723.26
ВОПРОСЫ ОПТИМАЛЬНОГО ПОСТРОЕНИЯ МНОГОВОЛНОВОЙ СИСТЕМЫ ЛАЗЕРНО-ФЛУОРЕСЦЕНТНОГО АНАЛИЗА ЗАГРЯЗНЕННОСТИ МОРСКИХ ВОД
л л о *>
А.Г. Мамедбейли1, Н.М. Пашаев1, Н.Г. Джавадов2, В.В. Протасов3
НИИ Аэрокосмической Информатики, г. Баку, Азербайджан, AZ1106, ул. С.С. Ахундова, стр. 1, [email protected]
2 ПО «Промавтоматика», [email protected]
3 Юго-Западный государственный университет, 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94.
Общеизвестно, что факторы, такие как соленость, температура и циркуляция воды, значительно влияют на изменения концентрации фитопланктоновой биомассы на поверхностном слое воды. Лазерные системы дистанционного зондирования позволяют обнаруживать в воде наличие флуоресцентных содержимых, обнаружить и охарактеризовать загрязнителей в виде растворенных органических веществ. В результате проведенных исследований предложен новый показатель - динамический диапазон флуоресцентного сигнала многоволновых лидарно-флуоресцентных систем. Обоснована задача минимизации знаменателя этого показателя для улучшения его «контрастности». Определена оптимальная взаимосвязь между показателем поглощения лазерного луча в воде применительно к многоволновой системе и толщиной исследуемого водного слоя, которая минимизирует знаменатель предложенного показателя динамического диапазона. Ил. 3. Библиогр. 8 назв.
Ключевые слова: флуоресценция; морские воды; оптимизация; лазер; спектр; динамический диапазон.
QUESTIONS ON OPTIMAL CONSTRUCTION OF MULTIWAVELENGTHS SYSTEM OF LASER - FLUORESCENT ANALYSIS OF SEA WATER POLLUTION
A.H. Mamedbeyli1, N.M. Pashaev1, N.H. Javadov2, V.V. Protasov3
1
Research Institute of Aerospace Informatics, 1, S.S. Akhundov St., Baku, AZ1106, Azerbaijan, [email protected]
2 Industrial Association "Promavtomatica",
1, Achundov St. Baku, AZ1106, Azerbaijan Azerbaijan, [email protected]
3 Southwest State University,
94, 50 let Oktyabra St., Kursk, 305040, Russia.
It is well-known, that such factors as salinity, temperature, and water circulation significantly effects on variation of phytoplankton's biomass concentration at the sea surface. The laser systems of remote sensing make it possible to detect presence of fluorescent content in the water. These systems allow detecting and characterizing the pollutants as dissolved organic matter. As a result of held researches the new parameter - dynamic band of fluorescent signal of multi - wavelengths lidar - fluorescent systems has been suggested. The task of minimization of denominator of this parameter to improve its "contrast" has been grounded. An optimal interrelation between laser beam absorption in water in multi - wavelengths system and depth of examined water layer is found, which minimizes the denominator of suggested dynamic band. 3 figures. 8 sources.
Key words: fluorescence; sea water; optimization; laser; spectrum, dynamic band.
ВВЕДЕНИЕ
Хорошо известно, что факторы, такие как соленость, температура и циркуляция воды, значительно влияют на изменения концентрации фитопланктоновой биомассы на поверх-
ностном слое морей, что подчеркивает актуальность исследования состояния поверхности моря [1].
Согласно работе [2], лазерные системы
дистанционного зондирования позволяют обнаруживать наличие в воде флуоресцентных содержимых, которые не могут быть достоверно и надежно обнаружены другими методами. Эти системы позволяют обнаружить и охарактеризовать загрязнителей в виде растворенных органических веществ с высокой разрешающей способностью. В настоящее время лазерно-индуцированный флуоресцентный метод широко применяется в Италии, России, Эстонии для исследования качества вод Атлантического и Тихого океанов, Адриатического, Балтийского, Средиземноморского и Северного морей [3-5]. В ходе таких исследований определяется распределение и временная эволюция фитопланктона, уровень загрязненности морских вод и гидрологические параметры. Схема проведения измерений показана на рис. 1. Как указывается в работе [6], отраженный от морской воды сигнал в таких системах представляет собой множество флуоресцентных эмиссий, излучаемых от растворенных в воде органических веществ, различаемых по спектральному признаку. Существующие различия в их молекулярных весах практически не позволяет охарактеризовать и идентифицировать их, используя традиционные методы.
В качестве примера на рис. 2 приведены спектральные кривые флуоресцентного сигнала одноволновой лидарно-флуоресцентной системы, полученные при исследовании моря [7].
Как видно из представленных кривых, анализ их формы на фиксированных длинах волн позволяет четко отличить чистую воду от загрязненной.
Очевидно, что эффективность функционирования лазерно-флуоресцентных систем за-
висит от организации и проведения мероприятий по оптимальному построению систем ла-зерно-флуоресцентной диагностики с учетом воздействия физической среды на распространение как лазерного, так и флуоресцентного сигнала. В настоящей статье мы проанализируем возможность оптимизации аналогичных систем путем использования в них многоволновых перестраиваемых лазерных излучателей, генерирующих оптические лучи на разных длинах волн.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Прежде всего, вкратце рассмотрим физические основы построения одноволновой ла-зерно-флуоресцентной системы.
Как указывается в работе [1], для импульсной моностатической одноволновой системы интенсивность приемного сигнала лидара определяется как
d|f = афг И-Ь. в~(*-х'1а>+а), (1)
х2
где бф - эффективность процесса флуоресценции;
R - функция, характеризирующая показатели системы и среды;
10 - исходная интенсивность луча;
х - х0 - глубина воды, на которой формируются флуоресцентный сигнал;
а - коэффициент ослабления;
10 и f- индексы, обозначающие длины волн лазерного и флуоресцентного излучения.
Эффективность процесса флуоресценции
из
1
Дно
Рис. 1. Схема проведения лидарно-флуоресцентных измерений: 1 - приемо-излучатель лидарной аппаратуры; 2 - уровень поверхности воды; 3 - вода; 4 - исследуемый слой воды; 5 - вода; 6 - дно
Дп и н а е олны. нг.1 Дп и н а в олны. ни
а) б)
Рис. 2. Флуоресцентные спектры, полученные при исследовании воды: а - чистой морской; б - загрязненной; А и В - характерные участки, пригодные для идентификации загрязненности морских вод
бф = бЫг < = пг •<• Б • бх ,
(2)
где бЩ - количество флуоресцентирующих молекул в заданном объеме воды V , где V = Б • бх;
П - концентрация исследуемых молекул; < - поперечное сечение флуоресценции этих молекул.
Интенсивность флуоресцентного излучения со слоя воды между уровнями х0 и х (уровень поверхности воды) определяется следующим выражением [2]:
¡(2) = П„ • |
1 е~(х-хо Ха1 +а),
Хо (х0 + 2 )2
бх. (3)
Если выполняется условие х0 >> 2 , то интенсивность флуоресцентного сигнала определится как
и \ о 1 ¡(2) = Пг,2 •<--
х02 а1 +аг
|1- е ~2(а'+а)] (4)
Таким образом, выражение (4), полученное в [2], позволяет оценить интенсивность флуоресцентного сигнала с фиксированного уровня
2 .
Однако, общая слабая сторона методики одноволновых измерений, разработанной в [2], заключается в отсутствии какого-либо опорного уровня сигнала для сравнения флуоресцентно-
го сигнала при совместном использовании лазерных источников с различными длинами волн. Дело в том, что при изменении длины волны возбуждающего пучка спектр получаемого флуоресцентного сигнала сильно изменяется. При этом изменяется интенсивность пика комбинационного рассеяния (рис. 3).
В качестве примера на рис. 3 приведены спектры флуоресцентного сигнала для длин волн лазера 308 нм и 460 нм. Такое сильное изменение спектра флуоресцентного сигнала имеет свои преимущества и недостатки. Преимущество в том, что появляется возможность в отдельности исследовать такие различные факторы как хлорофилл, растворенные органические вещества и т.д.
Недостаток проведения многоволновых измерений заключается в отсутствии какого-либо общего опорного уровня выходного сигнала, по сравнению с которым можно было бы оценить информативность всех сигналов. С этой целью нами предлагается (для оценки флуоресцентного сигнала) применить показатель «динамический диапазон» в многоволновых системах в виде следующего отношения:
Р =
_ I (Л,Я) _
¡ср(Я1 там Л )
(5)
где I(Л,Л) - интенсивность флуоресцентного сигнала на длине волны Л , при длине волны лазера Л;
¡ср(Л таг, Л) - усредненная величина интен-сивностей флуоресцентного сигнала на длине
403
Длина еолны. нг.1
а)
б)
Рис. 3. Спектры флуоресцентного сигнала для длин волн лазера: а - 308 нм; б - 460 нм
волны А при изменении длины волны возбуждающего лазерного пучка А/таг в заданном
диапазоне Дт!п -Атаж .
При этом показатель 1ср(Атаг,А) по возможности должен быть минимизирован, чтобы получить максимально контрастные оценки па-рамет ра р. Далее, в настоящей статье мы рассмотрим вопрос о формировании оценки / (Л/уагА/), а также возможность минимизации
такой оценки.
Хорошо известно, что коэффициент ослабления лазерного луча — зависит от длины волны генерируемого лазерного оптического света [8].
Вышеуказанный показатель средней оценки флуоресцентного сигнала при многоволновых измерениях может быть сформирован в следующей форме:
¿2!
1ср
ви
¿2! -А1! I, а1(А)+а
|1- в-2[а'(л)+а]]бА. (6)
Однако требование минимизации оценки 10р приводит к необходимости введения
функции связи А = А(г), что фактически равносильно применению различных длин волн лазерного пучка при изменении величины г. Таким образом, знаменатель в формуле (5) может быть сформирован в следующем виде:
ФвА) = f 1 - е-г[аб (7)
гт о а (г) + —
Далее следует определить оптимальную функцию взаимосвязи — = — (г), при которой усредненный суммарный сигнал, получаемый с промежутка г = 0+гт , достиг бы минимальной величины. Физически сформированная оптимизационная задача реализуется с помощью перестраиваемого импульсного лазера. При этом каждый импульс лазерного луча с определенной длиной волны А вызывает соответствующую флуоресценцию, которая исследуется в момент приема флуоресцентного сигнала с учетом зависимости 1А= 2(аА).
Таким образом, в принципе, ставится вопрос об оптимальном выборе длины волны лазера в зависимости от величины Z, т.е. заданного уровня слоя морской воды с целью достижения минимальной величины суммарного выходного сигнала. Сформированная выше задача математически выражается следующим образом: следует найти такую оптимальную функцию — =— (г), при которой функционал
1 =1
в1п
а (г)+—
1- в-г\-а!в(г)+-]]б2 , (8)
где
в =
Ъ Л ,г • R
Хо
достиг бы экстремальной величины.
Для решения данной задачи примем условие интегральной стабилизации мультиплика-
тивного множителя у [е
\р-г[а,(г)+а] ]
1
о
Следовательно, допускаем
F2 = jVz[a'(z)+a<]dz = C , 0
(9)
где C = const.
С учетом выражений (8) и (9) составляем функционал безусловной вариационной оптимизации:
rzm rzm
F3 = F0dz = -Jo Jo al
al0
it (z) + af
- [l _e-zkfe)+o/]jdz+y f e-z[a[fe)+a/]z
,(10)
где у - множитель Лагранжа.
Согласно формуле Эйлера, оптимальная функция ае (г) должна удовлетворить условию
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Отметим, что особенность предлагаемой оптимизации заключается в интегральной стабилизации мультипликативного множителя, приводящей с вычислению такой функций —(г), при которой функционал (10) достигает минимума. Это подтверждается тем, что производная выражения (9) при этом оказывается положительной величиной.
Однако нетрудно показать, что всегда имеется возможность увеличения Я путем снижения С .
Так, с учетом выражений (5) и (15) при условии г[а!(г) + аf] << 1 можно получить следующее выражение для вычисления Я :
F1opt = {
ain
0 аI +af +-
2c
dz.
(16)
dFо dat (z)
= 0 .
(11)
Получив первую производную выражения (10) по — (г) и приравняв ее к нулю, имеем
aioz -/[1- z[a, (z) + af Ц = 0 .
(12)
Отметим, что при получении выражения (12), учтено условие г[а!(г) + аf] << 1.
С помощью выражений (12) и (9) нетрудно вычислить у :
/ =
ai0zm
2C
(13)
С учетом выражения (12) и (13) решение задачи имеет следующий вид:
а,(z) = - --af. (14)
z /
С учетом выражений (13) и (14) имеем
1 2C
a, (z) =----af. (15)
z zm
Как видно из окончательного выражения (15), а,(г) имеет обратную зависимость от ъ и инверсную зависимость от —.
Как видно из выражения (16) при уменьшении значения С происходит увеличение Я следовательно, оценка (5) оказывается регулируемой, что еще подтверждает удобство использования этой оценки.
Таким образом, показано, что в многоволновых лидарно-флуоресцентных системах имеется возможность формирования единого минимального опорного уровня сигнала, что открывает новые возможности для эффективной эксплуатации многоволновых лидарно-флуоресцентных систем.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Проанализирован принцип работы одно-волновых лазерно-флуоресцентных систем, предназначенных для определения степени загрязнения морских вод, показаны преимущества и недостатки таких систем.
2. Предложен новый показатель - динамический диапазон флуоресцентного сигнала многоволновых лидарно -флуоресцентных систем. Обоснована задача минимизации знаменателя этого показателя для улучшения его «контрастности».
3. Определена оптимальная взаимосвязь между показателем поглощения лазерного луча в воде применительно к многоволновой системе и толщиной исследуемого водного слоя, которая минимизирует знаменатель предложенного показателя динамического диапазона.
m
1. Fluorescence characterics of the upper water layer of the arctic seas besed on lidar, spectrophometric, and optical methods / V. Drozdowska [et al.] // EARSeL eProceedings 3. 2004. № 1. P. 136-142.
2. Using active Remote sensing to asses the seawater quality / J. Vasilescu [et al.] // U.P.B. Sci. Bull. Series A. 2008. Vol. 70. Iss. 4. P. 41-48.
3. Real abilities and problems of laser monitoring (in situ) of oil pollution in coastal marine waters / I.V. Boychuk [et al.] // Proc. EARSeL-SIG-Workshop LIDAR. 2000. P. 115-122.
4. Drozdowska V., Babichenko S., Lisin A. Natural water fluorescence characteristics based on lidar investigations of surface water layer polluted by an oil film: the Baltic cruise // Oceanologia. 2002. 44, 3. P. 339-354/
ЖИЙ СПИСОК
5. Oil spill fluoresensing lidar for inclined onshore or shipboard operation / R. Karpicz ^t al.] // Applied Optics. 2006. 25. 45. P. 6620-6625.
6. Remonte estimation of fluorescence marine components distribution / J. Vasilescu [et al.] // Romanian Reports in Physics. 2009.Vol. 61, No. 3. P. 721-729.
7. Locating water pollution and shore discharges in coastal zone and inland waters with fls lidar / S. Babichenko [et al.] // EARSeL eProceedinds 5. 1/2006. P. 32-41.
8. Pegau W., Gray D., Zaneveld J. R.V. Absorption and attenuation of visible and near-infrared light in water: dependence on temperature and salinity // APPLIED OPTICS. Vol. 36, № 24.
Поступило в редакцию 22 ноября 2013 г.
