Пассивные и активные оптические методы зондирования биооптических полей верхнего слоя океана тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правахр^риси

ПАВЛОВ АНДРЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

ПАССИВНЫЕ И АКТИВНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ЗОНДИРОВАНИЯ БИООПТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ВЕРХНЕГО СЛОЯ ОКЕАНА

01.04.05 -от-ика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Хабаровск - 2004

Работа выполнена в Тихоокеанском океанологическом институте ДВО РАН им. В.И. Ильичева

Официальные оппоненты: доктор физ.-мат. наук

Маричев Валерий Николаевич

доктор физ.-мат. наук, профессор

чл.- корр. РАН

Кульчин Юрий Николаевич

доктор физ.-мат. наук, профессор Каневский Игорь Николаевич

Ведущая организация: Институт автоматики и процессов управления ДВО

Защита состоится 30 ноября 2004 г. в 13 часов на заседании регионального диссертационного совета ДМ218.003.01 при Дальневосточном государственном университете путей сообщения по адресу: 680021, Хабаровск, ул. Серышева 47, ауд. 230

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ДВГУПС.

Автореферат разослан 27 октября 2004 года.

РАН

Ученый секретарь диссертационного совета

ЪОЪОЪ

///Ж

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы обусловлена быстрым развитием оптических дистанционных методов зондирования окружающей среды и их широким использованием для решения фундаментальных и прикладных проблем исследования океана и атмосферы. Особое место среди этих методов занимают активные и пассивные методы мониторинга фитопланктона в океане, что обусловлено ключевой ролью фитопланктона в формировании биооптических полей верхнего слоя океана (ВСО) Пространственное распределение фитопланктона и состояние фитопланктонных сообществ -основные элементы в решении фундаментальных научных проблем таких, как кругооборот органического углерода, воспроизводство кислорода водами Океана и оценка биопродуктивности морских вод. Успешное решение этих проблем во многом зависит от разработки новых методов, которые обеспечивают восстановление распределения биооптических характеристик морской воды по глубине, позволяют проводить оценку состояния фитопланктонных сообществ, повышают точность оптических дистанционных измерений. В этой связи актуальной является разработка новых лазерных методов зондирования, обеспечивающих регистрацию динамических процессов в ВСО, исследование вертикальной структуры светорассеивающих слоев, оперативное измерение концентрации хлорофилла «а». Использование лазерной индуцированной флуориметрии (ЛИФ) в этих задачах дает возможность измерения оптических параметров, характеризующих функционирование отдельных клеток фитопланктона, что позволяет проводить мониторинг фитопланктонных сообществ на новом качественном уровне и расширяет возможности активных лазерных методов зондирования океана. Повышение точности пассивного дистанционного зондирования - одна из актуальных задач, частным решением которой является разработка новых поляризационных методов, обеспечивающих корректные измерения спектров восходящего излучения при наклонном

РОС НАЦИОНАЛЫ БИБЛИОТЕКА

зондировании и в условиях взволнованной морской поверхности. Одним из источников ошибок спутникового зондирования цвета океана является несовершенство глобальных биооптических алгоритмов. В этой связи актуальность приобретает разработка методов совместного активного и пассивного зондирования океана, которые позволяют значительно повысить достоверность спутниковых измерений концентрации хлорофилла «а» путем соответствующей корректировки глобальных биооптических алгоритмов. Цель работы - это разработка новых методов пассивного и активного оптического зондирования биооптических полей (т.е. пространственного распределения оптических характеристик, которые определяются биологическими процессами, протекающими в морских водах) ВСО, для исследования процессов их формирования, а так же структурирования и трансформации оптически эффективных компонент морской воды. В работе решались следующие задачи:

1. Разработка метода лидарного зондирования ВСО для исследования процессов, влияющих на вертикальное распределение оптических характеристик морской воды.

2. Исследование структурных особенностей ЛИФ спектров для установления корреляционных связей между оптически эффективными компонентами морских вод. Использование функциональных связей параметров спектров ЛИФ для определения величин, характеризующих процессы воспроизводства органического вещества клетками фитопланктона и определяющих состояние фитопланктонных сообществ.

3. Исследование возможности использования функциональных зависимостей между биооптическими компонентами ЛИФ спектров (т.е. линий флуоресценции пигментов клеток фитопланктона и растворенного органического вещества морской воды) для оптической классификации морских вод.

4. Разработка метода совместного использования пассивного и активного оптического в задачах исследования структурных

особенностей распределения концентрации хлорофилла «а» в верхнем слое океана.

5. Разработать новую поляризационную методику измерения коэффициента яркости моря в случае наклонного пассивного зондирования и в условиях случайного распределения углов уклона морской поверхности с целью повышения точности измерения концентрации хлорофилла «а» в морской воде.

6. Разработать процедуру верификации и адаптации биооптических алгоритмов восстановления концентрации хлорофилла «а» из данных спутникового зондирования на основе совместных измерений пассивного зондирования цвета океана и лазерной индуцированной флуориметрии морской воды.

Научная новизна. Впервые проведено исследование структурных особенностей распределения биооптических компонент ЛИФ спектров в ВСО и определение их корреляционных связей для вод различных оптических типов. На основе результатов этих исследований предложена классификация морских вод, учитывающая тип корреляционных связей биооптических компонент.

Впервые проведено совместное использование пассивного оптического и ЛИФ методов для восстановления биооптических характеристик ВСО, что обеспечило возможность более достоверного восстановления полей концентрации хлорофилла «а» и исследования процессов влияющих на их структуру в ВСО.

Получены новые результаты при проведении глубинного лидарного зондирования ВСО, которые состоят в том, что осуществлена регистрация динамических процессов, модулирующих светорассеивающие свойства морской воды, и проведено качественное восстановление структуры светорассеивающих слоев в океане.

Практическая значимость работы. Разработка методов и технических средств, проведенных в работе, значительно расширяют круг задач, решаемых методами дистанционного зондирования океана. Результаты исследований функциональных связей биооптических компонент спектров ЛИФ морской воды дают возможность использовать ЛИФ для мониторинга процессов воспроизводства растворенного органического вещества живыми клетками фитопланктона. Совместное использование этих результатов с данными пассивного зондирования полей концентраций хлорофилла «а» позволяет проводить мониторинг состояния фитопланктонных сообществ. Метод глубинного лазерного зондирования позволяет провести оценку распределения коэффициента обратного рассеянии лазерного излучения до глубин порядка 40 метров, это дает возможность выбрать соответствующие модели вертикального распределения фитопланктона при интерпретации данных спутникового зондирования. Результаты, полученные при разработке метода глубинного лазерного зондирования, могут быть использованы для дистанционных измерений параметров динамических процессов, протекающих в ВСО. Методика поляризационных измерений коэффициента яркости моря может быть использована в подспутниковых измерениях концентрации хлорофилла «а», с целью верификации спутниковых данных и разработки новых биооптических алгоритмов. Разработанная аппаратура и алгоритмы обработки позволяют повысить точность восстановления коэффициента яркости моря, в условиях наклонного зондирования при наличии взволнованной морской поверхности в среднем на 30%.

Достоверность результатов, приведенных в работе, подтверждена многократными измерениями, проведенными в различных районах океана, а так же сравнением результатов, полученных различными методами измерений, включая стандартные методы.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ СЛЕДУЮЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ:

1. Поляризационные измерения коэффициента яркости моря повышают точность определения концентрации хлорофилла «а» в случае пассивного наклонного к надиру зондирования в условиях случайного распределения уклонов морской поверхности.

2. Наличие функциональной зависимости между биооптическими компонентами спектра лазерной индуцированной флуоресценции морской воды, позволяет производить оценку степени связи основных оптически эффективных компонентов морской воды (флуоресцирующей части РОВ -Q и концентрации хлорофилла «а» - С). Степень связи определяется коэффициентами корреляции между величинами Q и С, величина коэффициента корреляции является критерием в классификации морских вод на два оптических класса.

3. Анализ сопоставимых по времени и координатам измерений пространственных распределений концентрации хлорофилла «а» полученных методом ЛИФ и пассивным зондированием цвета морской поверхности позволяет проводить коррекцию существующих глобальных биооптических алгоритмов, используемых при спутниковом зондировании ВСО.

4. Исключение влияния состояния морской поверхности на форму сигнала обратного рассеяния при лидарном зондировании позволяет осуществлять регистрацию динамических процессов, модулирующих распределение оптических характеристик ВСО, и проводить оценку вертикального распределения показателя рассеяния лазерного излучения.

Основные результаты работы опубликованы в 32 научных работах. Личный вклад автора. Автор участвовал в разработке всех экспериментальных комплексов, описанных в работе, а так же в морских экспедициях, где проводились натурные измерения с использованием гидролидара, пассивных судовых методов зондирования и ЛИФ измерения. Им предложен и использован для обработки экспериментальных данных

метод поляризационных измерений коэффициента яркости моря. Автор принимал участие в разработке метода использования ЛИФ спектров для классификации морских вод, коррекции глобальных биооптических алгоритмов, а так же в написании всех научных работ, которые приводятся им в соавторстве.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на:

- П-ой Всесоюзной конференции «Использование современных физических методов в неразрушающем контроле и исследованиях» (Хабаровск 1981);

- П-ом «Всесоюзном съезде океанологов» (Москва, 1982);

- Х-ом «Всесоюзном симпозиуме по акустическому и лазерному зондированию» (Томск, 1988);

- XIII - ой международной конференции по «Когерентной и нелинейной оптике» (Минск, 1988);

- Всероссийской межвузовской научно-технической конференции (Владивосток, 1999);

- Региональной научно-технической конференции «Наука - морскому флоту» (Владивосток, 1998);

- П-ой «Всесоюзной конференции по теплофизике» (Хабаровск, 1985);

- Международном симпозиуме «Тропическая метеорология» (Ленинград, 1982);

- "The second China-Russian joint oceanographic symposium". (Dalian, Chine,1992);

- Всесоюзной конференции «Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле» (Хабаровск, 1984);

- International symposium "Marine sciences" (Bussan, Korea, 1994);

- VIII Joint international symposium. "Atmosphere and ocean optic" (Irkutsk.2001);

- SPIE's Second international Asia-Pacific symposium on Remote Sensing of

Atmosphere, Environment and Space (Senday, Japan, 2000). Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 272 страницы машинописного текста, 10 таблиц и 87 рисунков. Список литературы содержит 158 наименований.

Содержание введения диссертации в основном отражает предыдущую часть настоящего автореферата, а так же в нем вводится определение понятий биооптических полей и биооптических компонент спектров ЛИФ.

В первой главе приводится описание методов пассивного зондирования биооптических характеристик морской воды на основе анализа литературных данных. Рассматриваются основные оптически эффективные компоненты морской воды, определяющие ее биооптические свойства. Описывается полуаналитический биооптический алгоритм, который был модифицирован для обработки экспериментальных измерений коэффициента яркости моря, проведенных в данной работе.

В параграфе 1.1 Описаны основные принципы дистанционного, пассивного зондирования спектров восходящего из морской толщи излучения, определяются основные первичные и вторичные оптические характеристики морской воды, используемые в биооптических алгоритмах пассивного зондирования цвета океана для расчета концентрации хлорофилла «а».

В параграфе 1.2 рассмотрены основные факторы, определяющие оптические свойства морской воды. Показано, что по современным представлениям, в формирование спектральной кривой абсорбции морской воды вносят основной вклад 3 оптически эффективные компоненты -пигменты фитопланктона, растворенное органическое вещество и детриты. Раздел 1.2.1 посвящен анализу моделей, описывающих спектральную форму коэффициента абсорбции пигментов фитопланктона с учетом эффекта «упаковки». В разделе 1.2.2 рассмотрено поглощение желтым веществом и

детритами, содержащимися в морской воде, приведен обзор работ посвященных разработке моделей, описывающих спектральную форму коэффициентов поглощения желтым веществом и детритами. Раздел 1.2.3 посвящен обзору работ, в которых приводятся модели коэффициента рассеяния и индикатрисы рассеяния оптически эффективными компонентами морской воды. Приведена обобщенная модель светорассеяния морской воды, основанная на статистическом анализе оптических свойств морских вод.

В параграфе 1.3 рассмотрена связь первичных и вторичных гидрооптических характеристик морской воды. Приведены модели описывающие связь коэффициента яркости моря с первичными гидрооптическими характеристиками в приближении квазиоднократного рассеяния теории переноса излучения в воде, предложенные различными авторами.

Параграф 1.4 посвящен обзору биооптических алгоритмов расчета концентрации хлорофилла «а» в морской воде по спектральным характеристикам коэффициента яркости моря. Рассмотрены общие подходы к разработке полуэмпирических и эмпирических алгоритмов. Показано, что полуэмпирические алгоритмы, в основе которых лежит теоретически обоснованная модель аналитической связи коэффициента яркости моря с гидрооптическими характеристиками и эмпирические модели биооптических характеристик морской воды, более информативны и их использование в задачах пассивного зондирования ВСО позволяет оценивать не только концентрацию хлорофилла «а», но и пигментный состав клетки фитопланктона.

Показаны преимущества судовых гиперспектральных (более 1000 спектральных каналов) измерений коэффициента яркости моря, позволяющих в полной мере использовать преимущества полуаналитического биооптического алгоритма. Приводится обзор литературы, посвященной задачам оптимизации полуаналитических

биооптических алгоритмов с целью их использования в дистанционном зондировании верхнего слоя океана.

В параграфе 1.5 на основе литературных данных проводится анализ ошибок измерения концентрации хлорофилла «а» методом пассивного зондирования цвета морской поверхности со спутника.

Параграф 1.6 посвящен описанию применяемой в работе методики проведения судового дистанционного пассивного зондирования цвета моря, которая была адаптирована для экспериментальной аппаратуры, используемой для решения задач, поставленных в работе. Специфика данной методики состоит в одновременном измерении ЛИФ спектров и спектров восходящего излучения. Был разработан модифицированный гиперспектральный биооптический алгоритм расчета концентрации хлорофилла «а» по измеренным величинам коэффициента яркости моря. В отличии от большинства аналогичных работ, для определения неизвестных параметров модели использован метод наименьших модулей с дополнительным интегральным условием и использованием случайного поиска начального приближения в предварительно оцениваемых пределах, что значительно повысило устойчивость численных расчетов по модели.

Этот алгоритм использовался в дальнейшем для обработки экспериментальных данных.

Во второй главе приводится описание использования активного лазерного зондирования для исследования пространственной и временной изменчивости биооптических характеристик ВСО.

В параграфах 2.1 - 2.3 описаны различные приложения лидарных методов для решения океанологических задач, использование лидаров для измерения первичных гидрооптических параметров морской воды и восстановления их глубинного распределения.

Параграф 2.4 посвящен описанию методики проведения исследований гидрофизических процессов протекающих в ВСО методом лидарного зондирования. Обсуждается вопрос о применимости различных схем

лидарного зондирования в задачах регистрации динамических процессов, модулирующих оптические свойства светорассеивающих слоев. Для бистатической схемы лидарного зондирования с малой базой разработана процедура измерения и алгоритм восстановления коэффициента рассеяния, зависимость которого от глубины зондирования, в приближении квазиоднократного рассеяния, описывается формулой:

где = ^ехр(2аг), z - глубина зондирования, г- параметр

ассиметрии индикатрисы рассеяния, S - площадь приемной апертуры, Ро -мощность зондирующего импульса, с - скорость света, т- длительность лазерного импульса. Приведены модельные расчеты влияния внутренних волн на форму сигнала обратного рассеяния, в случае третьего типа распределения показателя ослабления по глубине. Показано, что описанный выше алгоритм позволяет в приближении квазиоднократного рассеяния восстановить профиль коэффициента рассеяния и его временную изменчивость в поверхностном слое океана. Приведено сравнение модельных расчетов и результатов натурных измерений изменчивости профиля рассеяния под воздействием внутренней волны. На рис. 1а,б приведены примеры регистрации временной изменчивости профиля коэффициента рассеяния 1а, и пространственного распределения светорассеивающего слоя 16, полученные при лидарном зондировании ВСО. Относительная величина коэффициента рассеяния приведена в градациях серого. Справа (рис. 1а) приведено распределение температуры с глубиной, измеренное с помощью контактных датчиков.

Приведены результаты регистрации опускания светорассеивающего слоя в утренние часы, обусловленное биологическими процессами, протекающими в ВСО.

Рис.1а,б. По вертикальной оси - глубина в метрах, по горизонтальной -время.

На основе экспериментальных результатов, полученных при лидарном зондировании через морскую поверхность, исследуется возможность регистрации динамических процессов в такой схеме. Показаны те ограничения, которые возникают в результате влияния состояния морской поверхности на сигнал обратного рассеяния. На рис.2 приведены результаты регистрации внутренней волны лидаром и контактными температурными датчиками в случае зондирования через поверхность при наличии мелкомасштабной ветровой ряби.

Анализ экспериментальных данных полученных при глубинном зондировании через морскую поверхность показывает, что основными причинами, ограничивающими возможности лидарного зондирования в этом случае являются: наличие блика от морской поверхности, который приводит к появлению послеимпульса ФЭУ и сильно влияет на форму импульса обратного рассеяния; большая величина дисперсии интенсивности сигнала обратного рассеяния. Наблюдалась практически линейная зависимость между интенсивностями бликовой вспышки и сигналом «послеимпульса» ФЭУ. В параграфе приводятся результаты исследования величины сигнала обратного рассеяния с глубины в зависимости от параметров, характеризующих состояние морской поверхности. Проведен анализ

применимости калибровки сигнала обратного рассеяния на интенсивность линии комбинационного рассеяния воды, для уменьшения влияния состояния

• -1-'-Г—---г—---1 I-Р—-—I--—Т-

I К М W 40 » И ТО Ю т.мт aXjTM.

О 10 Э0 30 40 90 10 70 ЮТ, mm

Рис. 2. Регистрация внутренней волны лидаром через поверхность (1) и контактным температурным датчиком (2).

морской поверхности на результаты зондирования. Обнаружено, что одной из причин, ограничивающих использование калибровочного сигнала КР, является вынужденное комбинационное рассеяния воды, которое наблюдается при использовании лазеров с высокими значениями импульсной мощности.

В главе III приведено описание экспериментальных комплексов, разработанных для решения задач, поставленных в работе. В параграфе 3.1 приведено описание судового лазерного флуориметра и его характеристики. Флуориметр использовался для измерения ЛИФ спектров по ходу судна, на рис.3 приведена его схема. Вода забиралась с глубины 4 метра (помпа 2), прокачивалась по пластиковому трубопроводу в оптическую кювету (3), где возбуждались спектры флуоресценции второй гармоникой излучения Nd.YAG лазера(4) регистрация проводилась с использованием сканирующего

□

Рис.3. Схема судового проточного флуориметра.

монохроматора (5), ФЭУ (6) и блока обработки сигнала (7). Обсуждаются результаты калибровки ЛИФ метода для измерения абсолютных концентраций хлорофилла «а» на стандартные методы измерения. Описаны результаты таких калибровок, полученные на акваториях Тихого океана, Японского и Охотского морей. Анализируются ошибки измерения величин концентрации хлорофилла «а» по ЛИФ спектрам, показано, что ошибка измерения концентрации не превышает 35% (с учетом ошибки измерения интенсивности линии флуоресценции и ошибки калибровки) при концентрациях порядка 0,3 мкг/л.

В параграфе 3.2 описаны судовые гидролидарные комплексы, предназначенные для зондирования через морскую поверхность и через погружаемый иллюминатор в гидрооптической шахте НИС «Академик Лаврентьев». На рис. 4 приведена схема гидролидара для зондирования по схеме, исключающей влияние состояния морской поверхности на результаты зондирования (через погружаемый иллюминатор).

Рис.4. Схема гидролидара, установленного в гидрооптической шахте. 1 - лазер №:УАв; 2 - защитный световод; 3 - поворотное зеркало; иллюминатор защитного световода; 5 иллюминатор приемного тракта; 6 -объектив приемника лидара; 7 - делительная пластина; 8,9 - фотоприемники верхнего и нижнего канала зондирования; 10, И - блоки аналого-цифровой обработки сигналов с фотоприемников; 12 - блок управления лидаром; РС -компьютер.

Разработанная схема лидара позволяла проводить измерения по ходу судна и исключала влияние состояния морской поверхности на результаты зондирования. Параметры лидара приведены в таблице I.

В параграфе приводится подробное описание лазерного излучателя, блоков питания лазера, быстродействующей системы регистрации, оптической приемной схемы, в разработке которых автор принимал участие.

Параграф 3.3 посвящен описанию спектрометров восходящего излучения, используемых для пассивного зондирования с судна:

гиперканальный спектрометр "POLAS" и шестиканальный поляризационный спектрометр. Приведена поляризационная методика измерения

Таблица I.

Длина волны зондирующего излучения 532 нм

Длительность импульса (по полуширине) 10 нс

Энергия лазерного импульса 200 мДж

Частота повторения лазерных импульмов 0.5 -10 Гц

Диаметр приемной линзы 0.3 м

Угол поля зрения 1.50

коэффициента яркости моря, позволяющая уменьшить ошибки измерения в случае наклонного зондирования взволнованной морской поверхности. В таблице 2 и 3 приведены результаты сравнения измерения концентраций хлорофилла «а» обычной методикой и поляризационной. Таблица 2. Сравнение результатов оптического зондирования хлорофилла

«А» в условиях отсутствия облачности.

Условия измерений, измеряемые величины Поляриза- Естествен-

ционные ный свет

Время измерений 14:00 14.00

Степень поляризации неба 60% 60%

Угол визирования(от нормали к поверхности) 70° 70°

Высота солнца над горизонтом 60° 60°

Концентрация хлорофилла «А» (стандартные измерения) 0.1 мкг/л 0.1 мкг/л

Концентрация хлорофилла «А» (оценка по формуле 1.6.2) 0.15мкг/л 0.19 мкг/л

Относительное отклонение от стандартного 50% 90%

измерения

Таблица 3. Сравнение результатов оптического зондирования хлорофилла «А» в условиях сплошной облачности.

Условия измерений, измеряемые величины Поляризационные Естественный свет

Время измерений 10 00 10.00

Степень поляризации неба 6% 6%

Угол визирования(от нормали к поверхности) 53° 53°

Высота солнца над горизонтом 35° 35°

Концентрация хлорофилла «А» (стандартные измерения) 0.1 мкг/л 0.1 мкг/л

Концентрация хлорофилла «А» (оценка по формуле 1.6.2) 0.13 мкг/л 0.21 мкг/л

Относительное отклонение от стандартного измерения 30% 110%

В главе 4 описаны основные результаты, полученные при исследовании биооптических полей в ВСО разработанными методами и аппаратурными комплексами.

В параграфах 4 1, 4.2 описываются спектры ЛИФ оптически эффективных компонент морской воды, метод разложения спектров на биооптические компоненты, соответствующие линиям флуоресценции пигментов хлорофилла «а» и растворенного органического вещества. На рис 5 приведен спектр ЛИФ и соответствующие биооптические компоненты.

740 1 м

0_ Г 'гост

Вводится параметр который описывает

560

флюоресцентную часть РОВ, воспроизведенную клетками фитопланктона.

-г—— I, отн. ед | • 1 Г' " 1 1 { I 1 I

1 1 ..... 1 | \ 1 | г ц г » 1 1 1

{ „ 1 V 2 1 \ 1 / 1ИА < / \1/ } 1 \ Л 1 с V 1 % А "ш" 1сы\\1 /М 1 1 ~...... 1 » 1

560 600 640 680 720 X, нм

Рис. 5. Разложение спектра ЛИФ на биооптические компоненты. Далее анализируется связь между концентрацией хлорофилла «а» - С и

параметром С, и в случае линейной связи вводятся параметры V и СЬ. Высказывается предположение, что при наличии высоких корреляций между С и С параметрами, величины V и ро возможно использовать для описания процессов воспроизводства флуоресцирующей части РОВ этими параметрами, в частности, параметр V можно рассматривать как удельное воспроизводство РОВ живыми клетками фитопланктона.

Проводится анализ 0-С диаграмм рассеяния, которые получены в морских экспедициях выполненных в период 1997-1998 гг., 2000 - 2003 г.г. на акватории Тихого океана, Охотского и Японского морей. Пример таких диаграмм для некоторых районов Тихого океана приведен на рис. 6. Описаны результаты исследования диаграмм рассеяния, полученных в различные периоды развития клеток фитопланктона. На основе анализа более чем 95000 ЛИФ спектров выполненных в различных районах Мирового океана делается вывод о том, что линейная зависимость с высокими коэффициентами корреляции между С и С наблюдается в период цветения водорослей. На рис.

Р(ССыа)=РО + у-Ссыа

7 приведены результаты, полученные при измерении ЛИФ спектров в наиболее биопрдуктивных районах Мирового океана (маршруты судна в

каждом из районов приведены в верхней части), в средней части приведены величины концентраций хлорофилла «а» (вертикальные оси), восстановленные по данным SeaWiFS в различные месяцы года (горизонтальные оси), время наших измерений отмечено широкими столбцами. Внизу рисунка соответствующие Q-C диаграммы рассеяния. Для первых двух районов, когда измерения приходятся практически точно на период цвета, коэффициенты корреляции высокие, в то время как для Охотского моря, где измерения выполнены практически через два месяца после цветения водорослей, коэффициенты корреляции ниже 0,5 практически для всех выделенных районов.

Рис 6 С?-С диаграммы для различных районов Океана и в различные периоды развития клеток фитопланктона

Подобная ситуация была зарегистрирована и для вод Восточно и ЮжноКитайского морей Таким образом 0-С диаграммы возможно использовать для характеристики связей между основными оптически эффективными компонентами (хлорофилл «а» и растворенное органическое вещество)

Предложено так же использовать 0-С диаграммы для проведения классификации морских вод по биооптическим компонентам спектров ЛИФ на два класса К первому типу отнесены воды, в которых коэффициенты корреляции между 0 и С превышают 0 5 (где возможно сделать предположение о том, что флуоресцирующая часть РОВ воспроизводится в основном живыми клетками фитопланктона), второй тип морских вод определяется как воды, в которых коэффициенты корреляции менее 0 5

В параграфе 4.3 рассматриваются вопросы разработки региональных алгоритмов восстановления концентрации хлорофилла «а» из спутниковых данных о цвете моря с использованием ЛИФ метода и приводятся результаты сравнительного анализа судовых и спутниковых измерений. Описаны результаты, полученные при проведении подспутниковых измерений в Тихом океане и для вод Охотского моря с использованием судовых активных и пассивных методов. На рис. 7 приведены результаты сравнения концентраций хлорофилла «а», по данным спутникового сканера ,

ЛИФ измерениям и судовым измерениям цвета морской поверхности, восстановленные с использованием различных биооптических алгоритмов.

Рис.7. Результаты измерения концентрации с судна и со спутника в Тихом океане.

В таблице 4 приведено соответствие между концентрациями хлорофилла «а», измеренными POLAS (двухполосный алгоритм - □), SeaWiFS (0), POLAS (гиперспектральный алгоритм - ♦), и флуориметром (Д) д ля различных районов Тихого океана. На основе проведенного анализа проводился поиск новых регрессионных коэффициентов в ОС - подобных глобальных биооптических алгоритмов для их адаптации к региональным особенностям распределения биооптических характеристик исследуемых вод

Таблица 4.

Район □-Д 0-Д ♦-Д

1 (0.06 мкг/л) 0.18 0.09 0.05

2 (0.04 мкг/л) 0.12 0.11 0.02

3 (0.25 мкг/л) 0.13 0.14 0.12

4 (0.85 мкг/л) 0.2 0.1 0.2

Подобные алгоритмы были разработаны и для некоторых районов Охотского моря.

В параграфе 4.4 описано использование пассивно-активных методик оптического зондирования для измерения структурных особенностей распределения биооптических характеристик в верхнем слое океана. Приведены результаты восстановления структуры поля концентрации хлорофилла «а», полученные в Тасмановом море в 1997г. Анализировались спутниковые данные (снимки цвета морской поверхности 8еаШР8) и ЛИФ измерения, выполненные в этом районе. Вид двумерной автокорреляционных функций поверхностного распределения концентрации хлорофилла «а», восстановленный по спутниковым измерениям, скорректированным на ЛИФ измерения приведен на рис.8. Ее анализ позволяет говорить об анизотропности поля хлорофилла на масштабах более 20 км. Так, изолинии значений функции остаются симметричными до расстояний примерно 20 км, далее происходит заметное вытягивание окружностей в эллипс. При этом ориентация больших осей эллипсов корреляций на расстояниях 50-60 км примерно совпадает с направлением движения судна (направлением ветра). Масштабы порядка 20-30 км являются типичными для верхнего слоя океана летом в средних широтах обоих полушарий и соответствуют известному внутреннему масштабу Россби, определяющему характерные размеры синоптической изменчивости гидрологических характеристик верхнего квазиоднородного слоя.

" -100 -80 -60 -40 -20 О 70 40 60 80 100

Рис. 8. Двухмерная корреляционная функция по спутниковым данным.

Описываются результаты восстановления параметров ЛИФ спектров во фронтальных зонах, где обнаруживается хорошая корреляция с температурными фронтами.

В параграфе 4.5 описаны основные результаты полученные при регистрации динамика светорассеивающих слоев по результатам глубинного гидролидарного зондирования.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в работе:

1. Проведена разработка методики и аппаратурных комплексов для зондирования динамических процессов, протекающих в ВСО и исследования структуры светорассеивающих слоев. Методика позволяет исключать влияние состояния морской поверхности на результаты глубинного зондирования и качественно восстанавливать распределение коэффициента обратного рассеяния лазерного излучения до глубин порядка 40 м с пространственным разрешением 1,2 м. Проведена регистрация внутренних волн и процессов опускания биомассы в

верхнем слое океана, данные лидарного зондирования подтверждены сравнением с контактными измерениями температуры и результатами акустического зондирования.

2. Проведена разработка судового лазерного флуориметра для измерения спектров ЛИФ морской воды и органического вещества, присутствующего в морской воде в различных формах. Проведена калибровка метода ЛИФ для измерения абсолютных значений концентрации хлорофилла «а» на стандартные методы измерения. Предложена методика разложения ЛИФ спектра на биооптические компоненты.

3. Исследована связь между биооптическими компонентами спектра ЛИФ, которые определяются линиями флуоресценции хлорофилла «а» (параметр С) и растворенного органического вещества (параметр 0). Предложено описывать процесс воспроизводства живыми клетками фитопланктона флуоресцирующей части органического вещества регрессионными параметрами 0-С диаграмм , в случае морских вод, где наблюдаются высокие коэффициенты корреляции между 0 и С,

4. На основе анализа 0-С диаграмм рассеяния, который был проведен для различных районов мирового океана в различные периоды развития клеток фитопланктона, показано, что линейные зависимости между этими биооптическими параметрами спектров ЛИФ наблюдаются в период цвета водорослей на больших пространственных масштабах. Предложена оптическая классификация морских вод по величине коэффициента корреляции между 0 и С биооптическими параметрами ЛИФ спектров.

5. Разработана поляризационная методика измерения коэффициента яркости моря при наклонном к надиру пассивном зондировании и при наличии волнения морской поверхности. Показано, что данная методика позволяет более точно определять концентрации хлорофилла «а» в

морской воде при использовании эмпирических биооптических алгоритмов.

6. Проведена коррекция глобальных биооптических алгоритмов восстановления концентрации хлорофилла «а» из спутниковых данных о цвете морской поверхности с использованием активных и пассивных судовых измерений для некоторых районов Тихого океана и Охотского моря.

7. Показана возможность восстановления пространственных структур распределения концентраций хлорофилла «а» в ВСО при совместном использовании метода ЛИФ и спутникового зондирования цвета морской поверхности.

Список основных публикаций:

1. Bukin O.A., Pavlov A.N. et al. Continous measurement of chlorophyll-a concentration in the Pacific Ocean by shipborne laser fuorometer and radiometer: comparison with SeaWiFS data // Int. J. Remote Sens., 2001, vol. 22, №2-3, p. 415-427.

2. M.S. Permyakov, OA Bukin, A.Yu. Mayor, A.V. Maleenok, A.N. Pavlov, G.S. Skorokhod, T.I. Tarhova. Statistical futures of the space distribution of chlorophyll a concentration in South Pacific using the SeaWiFS data and shipborne laser fluorimeter measurements. Proceedings SPffi # 4154-27.2001.pp.188-192.

3. O.A.Bukin, A.N. Pavlov, M.S. Permyakov, A.Yu. Mayor, O.S. Tsareva, O.G. Konstantonov, D.A. Akmaykin. Comparison of some results of pigment concentration measured by satellite and shipborne remote sensing methods. Proceedings SPIE #4154-10.2001.p.p. 74-82.

4. O. A. Bukin, A. Yu Major, A. N. Pavlov, V. D. Kiselev Investigation of the Laser-inducted fluorescence spectra for different sea water. Proceedings SPIE #4154-25. 2001. p. 174-178.

5. O.A. Bukin, A.N. Pavlov, M.S. Permyakov, A.Yu. Mayor. Joint analysis ship and satellite chlorophyll a data. Procedings VIII Joint international symposium. Atmosphere and ocean optics. Atmosphere physics Irkutsk.2001 .p. 166.

6. О. А. Букин, А. Ю. Майор, А. Н. Павлов, В.Д. Киселёв Судовой лазерный флюориметр для исследования спектров флюоресценции морской воды. Приборы и техника эксперимента. № 4,2001, с. 151-154.

7. Букин ОА., Павлов А.Н. и др. Связь параметров спектров флуоресценции морской воды, возбуждаемых лазерным излучением, с типом морских вод // Оптика атмосферы и океана, 2000, Т. 13, № 11, с. 1011 - 1014.

8. О. А. Букин, М. С. Пермяков, А. Ю. Майор, А. Н. Павлов, Г.В. Скороход, А. В. Малеёнок, Т.И. Тархова, Д.А. Акмайкин Использование пассивно-активных методик зондирования для измерения структурных особенностей распределения биооптических характеристик в верхнем слое океана. Оптика атмосферы и океана, т. 13, № 09,2000, с 847-851.

9. О. Г. Константинов, А. Н. Павлов, О. А. Букин, М. С. Пермяков, А. Ю. Майор, А. В. Малеёнок, Использование поляризационных характеристик восходящего излучения для выделения диффузной компоненты коэффициента яркости моря. Оптика атмосферы и океана, т. 13, № 2,2000. р. 161-165.

10.О.А. Букин, А.Н. Павлов, М.С. Пермяков и др. Некоторые результаты сравнения концентрации хлорофилла «А», полученных при дистанционном зондировании цвета моря с использованием различных двухполосых алгоритмов // Оптика атмосферы и океана, 1999, Т. 12, № 8, с. 715-720.

11.А. Н. Павлов, О. Г. Константинов, А. Ю. Майор, А. В. Малеёнок, Применение метода поляризационной спектроскопии в задаче дистанционного зондирования океана. Труды Всероссийской межвузовской научно-технической конференции. Владивосток, ТОВМИ, 1999 г. стр. 107-109.

12.Bukin OA, Pavlov A.N. et al. Measurement of the lightscatteiing layers structure and detection of the dynamic processes in the upper ocean layer by shipborne lidar// Int. J. Remote Sens., 1998, vol. 19, № 4, p. 707-715.

13.OA Букин, О.Г. Константинов, А.Ю. Майор, СА Огай, АН. Павлов, Н.В. Сушилов, АН. Трофимов. Мониторинг хлорофилла «а» в акватории залива Петра Великого и устье реки Туманная. Тезисы научно -технической конференции ДВГМА 1998. Владивосток, с. 5 - 8.

14.0. А. Букин, О. Г. Константинов, А. Ю. Майор, С. А. Огай, А. Н. Павлов, Н. В. Сушилов, А. Н. Трофимов. Аппаратурный судовой комплекс экологического мониторинга океана. Тезисы региональной научно -технической конференции «Наука морскому флоту на рубеже XXI века», ДВГМА, Владивосток. 1998. с. 13-18.

15.0. А. Букин, В. И. Ильичев, А. Ю. Майор, А.Н. Павлов, А.Г. Стафиевский, В.А. Тяпкин. Судовой гидролидарный комплекс для зондирования верхнего слоя океана. Оптика атмосферы и океана. Т7. №10. 1994. 14031409.

16А V. Alekseev, О. A Bukin, A. Yu. Major, A. N. Pavlov, V. A. Tyapkin. Monitoring of marine pollution by modern physical methods. International symposium of marine sciences. Abstracts. P.5.1994. Pussan. Korea.

17.A.V.Alekseev, OABukin, N.V.Sushilov, A.N.Pavlov, A.Yu.Major Ocean atmospheric interection monitoring by laser spark spectroscopy. The Second China-Russia Joint Oceanographic Symposium,Dallian, P.R. China, Absract of papers, 1992,p.60-61.

18.0. А Букин, А. Н. Павлов, Н.В. Сушилов, С. Л. Эдуардов. Использование ' спектроскопии лазерной искры для анализа элементного состава водных сред. ЖПС. Т.52. № 5.1990. с. 736-738.

19. ОАБукин, В.И.Ильичев, ИАКритский, А.Н.Павлов Стратификация коэффициента ослабления лазерного излучения в верхнем слое океана по данным лидарного зондирования. Доклады АН СССР.т.312,№4,1990,с.972-973.

20.OABukin, V.I.H'ichev.IAKritsky, AN.Pavlov Lidar sounding of the upper ocean layer. Fiftinth International Laser Radar Conference. Abstract of papers, Part 2, Tomsk 1990, USSR, p.52-56.

21.0.АБукин, ВДКиселев, САКленин, АН. Павлов и др. Комплексное опто-акустическое зондирование ВСО. ДЕПОН ВИНИТИ i8118-B88,1989.

22.0.АБукин, В.И.Ильичев, ИАКритский, АН.Павлов Некоторые результаты лидарного зондирования ВСО. ДЕПОН ВИНИТИ Í6502-B89, 1989.

23.В. И. Ильичев, О. А. Букин, А. Н. Павлов и др. Применение глубинного лазерного зондирования для исследования динамических процессов в океане. Доклады АН СССР, Т. 303, №6,1988, с. 1482-1485.

24.В.И.Ильичев, ОАБукин, В.Н.Лысун, АН. Павлов и др. Автоматизированный лазерный комплекс для исследования параметров верхнего слоя океана. Тихоокеанский Ежегодник. Владивосток, 1988, с. 185-190.

25.В.И.Ильичев, ОАБукин, АН. Павлов и др. Регистрация динамики светорассеивающих слоев в океане методом глубинного лазерного зондирования. Тезисы докладов 13 международной конференции по когерентной и нелинейной оптике, Минск, 1988, с. 218-219.

26.0АБукин, В.И.Ильичев, В.Д. Киселёв, А.Н. Павлов и др. Комплексные исследования лидарным и сонарным методами процессов рассеяния в ВСО. Труды X Всесоюзного Симпозиума по Лазерному и Акустическому Зондированию Атмосферы, Томск, 1988, с. 118-123.

27.0А.Букин, В.И.Ильичев, АН.Павлов и др. Лазерное зондирование светорассеивающих слоев в океане. Труды X Всесоюзного Симпозиума по Лазерному и Акустическому Зондированию Атмосферы, Томск, 1988, с. 123-128

28.0АБукин, АН.Павлов, Н.В.Сушилов и др. Исследование спектрального состава лазерной искры в воде. Труды X Всесоюзного Симпозиума по

Лазерному и Акустическому Зондированию Атмосферы, Томск, 1988, с. 244-248.

29.Тяпкин ВА, Лысун В.Н., Букин О.А., Столярчук С.Ю., Павлов А.Н. Малогабаритный блок питания для твердотельного лазера и оптического усилителя // Приборы и техника эксперимента, 1986, № 2, с. 176-178.

30.С.С.Богданов, О.АБукин, Е.Н.Краев, А.Н. Павлов и др. Регистрация волновых процессов в верхнем слое океана методами лазерного зондирования. Материалы Всесоюзной Школы-Семинара "Методы гидрофизических исследований" Секция Неконтактные Методы в Гидрофизике, Солнечногорск, 1986, с. 19.

31.А.Н. Павлов Определение температуры жидкости методом Фурье-спектроскопии. Тезисы Всесоюзной конференции по теплофизике, Хабаровск, 1985.С.84.

32.А.Н. Павлов О точности дистанционного определения профилей температуры по спектрам обратного комбинационного рассеяния с использованием лазерного зондирования. Тезисы докладов Всесоюзной конференции " Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле", Хабаровск, 1984.С.91.

Павлов Андрей Николаевич

Автореферат

Пассивные и активные оптические методы зондирования биооптических полей верхнего слоя океана

Подписано в печать 16.09.2004 Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,82 Тираж 70 экз. Заказ 45

Отпечатано в ТОЙ ДВО РАН 690041, Владивосток, ул. Балтийская, 43

Р20 37 2

РНБ Русский фонд

2005-4 20303

Введение

Глава I. Пассивные методы зондирования биооптических характеристик верхнего слоя океана.

1.1 Общие принципы пассивного оптического зондирования верхнего слоя океана.

1.2 Факторы, влияющие на оптические свойства морской воды.

1.2.1 Поглощение клетками фитопланктона.

1.2.2 Поглощение желтым веществом и детритами.

1.2.3 Рассеяние оптически эффективными компонентами морской воды.

1.3 Связь вторичных и первичных гидрооптических характеристик. Коэффициент яркости моря.

1.4 Биооптические алгоритмы.

1.5 Анализ ошибок биооптических алгоритмов.

1.6 Методика судового дистанционного пассивного зондирования.

Глава II. Активное, лазерное зондирование пространственной и временной изменчивости биооптических характеристик ВСО.

2.1 Океанологические лидары.

2.2 Лидарные методы определения первичных гидрооптических характеристик.

2.3 Лидары упругого рассеяния для исследования горизонтальной изменчивости первичных гидрооптических характеристик.

2.4 Исследование гидродинамических процессов методом лидарного зондирования ВСО.

Глава III. Экспериментальные установки для активного и пассивного зондирования биооптических характеристик ВСО.

3.1 Проточный лазерный флуориметр для измерения спектров лазерной индуцированной флуоресценции.

3.2 Судовые гидролидарные комплексы для зондирования ВСО.

3.2.1 Лазер для океанологического лидара.

3.2.2 Блок питания твердотельного лазера и оптического усилителя

3.2.3 Лидары для зондирования ВСО через открытую морскую поверхность и оптическую шахту.

3.2.4 Электронные системы обработки сигнала обратного рассеяния.

3.3 Судовые спектрометры для регистрации спектрального состава восходящего излучения моря.

3.3.1 6-канальнЬш поляризационный спектрометр восходящего излучения моря.

3.3.2 Гиперспектральный спектрометр «POLAS».

Глава IV. Использование пассивного и активного оптического зондирования для исследования пространственно-временного распределения биооптических характеристик ВСО.

4.1 Спектры ЛИФ оптически эффективных компонент морской воды.

4.2 Оптическая классификация морских вод с использованием

ЛИФ спектров.

4.3 Разработка региональных алгоритмов восстановления концентрации хлорофилла «а» из спутниковых данных о цвете моря с использованием ЛИФ метода и результаты сравнительного анализа судовых и спутниковых измерений.

4.4 Пассивно-активные методики оптического зондирования для измерения структурных особенностей распределения биооптических характеристик в верхнем слое океана. 231 4.5 Динамика светорассеивающих слоев по результатам глубинного гидролидарного зондирования.

Быстрое развитие оптических дистанционных методов зондирования (как пассивных, так и активных) окружающей среды, которое наблюдается в последние десятилетия, определяется с одной стороны теми возможностями, которые обеспечивают данные методы, а с другой стороны теми трудностями, с которыми сталкивается использование других методов при решении задач исследования океана. Наибольшее внимание в настоящее время уделяется развитию методов, которые обеспечивают измерения параметров морских экосистем, особенно фитопланктонных сообществ, поскольку они содержат фотосинтезирующие пигменты, которые участвуют в процессах воспроизводства органического вещества на планете и поддержании постоянства соотношения основных компонент газового состава атмосферы. Однако, в настоящее время, остро встает вопрос о влиянии различных процессов, протекающих в океане и атмосфере (включая антропогенное воздействие) не только на концентрационные характеристики фитопланктонных сообществ, но и на возможности определения состояния клеток фитопланктона. Для решения таких задач, как например, реакция фитопланктонных сообществ на климатические изменения, необходимо, кроме этого восстанавливать исследуемые параметры в глобальных масштабах. Оптические методы сочетают в себе возможности измерения параметров, характеризующих функционирование отдельных клеток фитопланктона, концентрационные параметры, а также обеспечивают возможность оперативного измерения этих параметров на больших пространственных масштабах. Развитие пассивных оптических методов, основанных на регистрации спектров восходящего из морской толщи излучения, привели к значительным успехам в измерении цвета моря с использованием спутниковых оптических сканеров и в исследовании пространственных распределений полей хлорофилла «а», однако дальнейшее развитие этого направления связано с рядом трудностей, для решения которых требуется разработка как методов зондирования, включая активные методы, так и технических средств измерения биооптических полей верхнего слоя океана.

Научная проблема, на решение которой направлена работа - это разработка новых оптических методов зондирования биооптических полей верхнего слоя океана (ВСО) и их использование для дистанционного зондировании динамических процессов, протекающих в океане и мониторинга фитопланктонных сообществ. В рамках этой проблемы, в работе проводится разработка активных методов зондирования верхнего слоя океана, таких как лазерное зондирование светорассеивающих слоев ВСО, которое обеспечивает регистрацию динамических процессов протекающих в ВСО и качественное восстановление структуры светорассеивающих слоев с пространственным разрешением, а так же методов лазерной флуориметрии морской воды и органического вещества, присутствующего в ней в различных формах. Проведена разработка поляризационных методов оптического, пассивного дистанционного зондирования цвета морской поверхности.

Актуальность работы обусловлена быстрым развитием оптических дистанционных методов зондирования окружающей среды и их широким использованием для решения фундаментальных и прикладных проблем исследования океана и атмосферы. Создание лазерных методов, обеспечивающих регистрацию динамических процессов в ВСО, исследование структуры светорассеивающих слоев с разрешением по глубине, а так же измерение оптических параметров, характеризующих функционирование отдельных клеток фитопланктона, позволяет проводить мониторинг фитопланктонных сообществ на новом качественном уровне и расширяет возможности активных лазерных методов зондирования океана. Разработка новых поляризационных методов пассивного дистанционного зондирования цвета морской поверхности обеспечивает возможность проведения корректных измерений спектров восходящего излучения при наклонном зондировании. Совместное использование активных и пассивных методов зондирования позволяет значительно повысить достоверность спутниковых данных, извлекаемых из цвета морской поверхности и обеспечивает соответствующую корректировку глобальных алгоритмов восстановления концентрации хлорофилла «а» по спутниковым данным о цвете морской поверхности.

В задачу исследований входило:

1. Разработать аппаратурные комплексы и метод обработки сигнала обратного рассеяния лазерного излучения, позволяющий регистрировать динамические процессы, протекающие в верхнем слое океана до глубин порядка 60 метров, и модулирующие параметры сигнала обратного рассеяния.

2. Исследовать функциональные связи биооптических параметров спектров лазерной индуцированной флуоресценции для различных оптических типов морских вод с целью определения возможности проведения мониторинга состояния фитопланктонных сообществ с использованием метода ЛИФ.

3. Использовать пассивные и активные методы оптического зондирования для измерения структурных особенностей распределения биооптических параметров в верхнем слое океана.

4. Разработать новую методику восстановления спектров восходящего из морской толщи излучения в случае наклонного пассивного зондирования и случайном распределение углов уклона морской поверхности, которая обеспечивает повышает точность измерения коэффициентов яркости моря.

5. Провести совместное использование пассивных и активных методов зондирования биооптических параметров морской воды и цвета морской поверхности для сравнительного анализа результатов восстановления хлорофилла «а» судовыми и спутниковыми методами и разработки методики коррекции глобальных алгоритмов восстановления концентрации хлорофилла «а» по данным сканеров цвета морской поверхности.

Научная новизна. Впервые проведено исследование структурных особенностей распределения биооптических компонент ЛИФ спектров в ВСО и определение их корреляционных связей для вод различных оптических типов. На основе результатов этих исследований предложена классификация морских вод, учитывающая тип корреляционных связей биооптических компонент.

Впервые проведено совместное использование оптических пассивных и лазерных методов восстановления биооптических параметров ВСО, что обеспечило возможность более достоверного восстановления полей концентрации хлорофилла «а» и исследования процессов влияющих на их распределение в ВСО.

Получены новые результаты при проведении глубинного лидарного зондирования ВСО, которые позволили провести регистрацию динамических процессов, модулирующих светорассеивающие свойства морской воды и качественно восстанавливать структуру светорассеивающих слоев в океане.

Научная значимость. Использование оптических методов как пассивных, так и активных, при исследовании океана, сталкивается с определенными трудностями, связанными как с интерпретацией результатов зондирования, так и с отсутствием необходимых для этого новых методов и технических средств. Разработка методов и технических средств, проведенных в работе, значительно расширяют круг задач, решаемых методами дистанционного зондирования. Результаты исследований функциональных связей биооптических компонент спектров ЛИФ морской воды дает возможность исследовать процессы воспроизводства флуоресцирующей части растворенного органического вещества живыми клетками фитопланктона, совместное использование этих результатов с данными пассивного зондирования полей концентраций хлорофилла «а» позволяет проводить мониторинг состояния фитопланктонных сообществ. Восстановление глубинной структуры светорассеивающих слоев позволяет выбрать соответствующие модели их распределения по глубине в верхнем слое океана, и использовать эти модели при интерпретации спутниковых данных о цвете морской поверхности.

Практическая ценность. Полученные результаты значительно повышают точность восстановления коэффициентов яркости моря при наклонном зондировании, обеспечивают основу для коррекции глобальных алгоритмов евосстановления концентрации хлорофилла «а» по спутниковым данным о цвете морской поверхности для различных районов океана, с учетом биооптических особенностей морской воды в этих районах. Результаты полученные при разработке метода глубинного лазерного зондирования могут быть использованы для дистанционных измерений параметров динамических процессов, протекающих в ВСО.

Достоверность результатов, приведенных в работе, подтверждена многократными измерениями, проведенными в различных районах океана, а так же сравнением результатов, полученных различными методами измерений, включая стандартные методы.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на:

- И-ой Всесоюзной конференции по « Неразрушающему контролю» (Хабаровск 1981);

- И-ом «Всесоюзном съезде океанологов» (Москва, 1982);

- Х-ом «Всесоюзном симпозиуме по акустическому и лазерному зондированию» (Томск, 1988);

- XIII - ой международной конференции по «Когерентной и нелинейной оптике» (Минск, 1988);

Всероссийской межвузовской научно-технической конференции (Владивосток, 1999)

- Региональной научно-технической конференции «Наука - морскому флоту» (Владивосток, 1998);

- И-ой «Всесоюзной конференции по теплофизике» (Хабаровск, 1985);

Международном симпозиуме «Тропическая метеорология» (Ленинград, 1982);

- Всесоюзной конференции «Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле» (Хабаровск, 1984);

- International symposium "Marine sciences" (Bussan, Korea, 1994);

- VIII Joint international symposium. "Atmosphere and ocean optic" (Irkutsk.2001);

- SPIE's Second international Asia-Pacific symposium on Remote Sensing of Atmosphere, Environment and Space (Senday, Japan, 2000).

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ:

1.Измерение поляризации (S и Р компонент) восходящего из морской толщи излучения расширяет возможности дистанционного измерения концентрации хлорофилла «а» в случае приповерхностного зондирования под углом к морской поверхности. Разработанная аппаратура и алгоритмы обработки позволяют повысить точность восстановления коэффициента яркости моря, в условиях наклонного зондирования при наличии взволнованной морской поверхности на 40%.

2. Наличие линейной функциональной зависимости между биооптическими компонентами спектра лазерной индуцированной флуоресценции морской воды и органического вещества, присутствующего в ней в различных формах, позволяет производить оценку степени связи основных оптически эффективных компонентов морской воды (флуоресцирующей части РОВ и концентрации хлорофилла «а»). Степень связи определяется коэффициентами корреляции между величинами Q и С, величина коэффициента корреляции является критерием классификации морских вод на два оптических класса.

3. Новый метод адаптации глобальных биооптических эмпирических алгоритмов восстановления концентрации хлорофилла «а» из данных спутникового зондирования цвета морской поверхности, основанный на измерении ЛИФ спектров морской воды и построении регрессионных соотношений между спектральными характеристиками восходящего излучения и параметрами ЛИФ спектров. Метод состоит в анализе сопоставимых по времени и координатам измерений пространственного распределения концентрации хлорофилла «а» полученного методом ЛИФ и распределений концентраций, восстановленных из данных спутникового зондирования, последующего использования процедур минимизации разности значений концентраций путем расчета регрессионных коэффициентов в биооптических алгоритмах, учитывающих соотношение биооптических компонент спектров ЛИФ по Q-C диаграммам.

4. Метод лазерного зондирования в котором исключено влияние состояния морской поверхности на величину сигнала обратного рассеяния и обеспечено пространственное разрешение позволяет проводить регистрацию динамических процессов, протекающих в верхнем слое океана и модулирующих параметры сигнала обратного рассеяния.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении сформулируем основные результаты, которые были получены в работе:

1. Проведена разработка методики и аппаратурных комплексов для зондирования динамических процессов, протекающих в ВСО и исследования структуры светорассеивающих слоев. Методика позволяет исключать влияние состояния морской поверхности на результаты глубинного зондирования и качественно восстанавливать распределение коэффициента обратного рассеяния лазерного излучения до глубин порядка 40 м с пространственным разрешением 1,2 м. Проведена регистрация внутренних волн и процессов опускания биомассы в верхнем слое океана, данные лидарного зондирования подтверждены сравнением с контактными измерениями температуры и результатами акустического зондирования.

2. Проведена разработка судового лазерного флуориметра для измерения спектров ЛИФ морской воды и органического вещества, присутствующего в морской воде в различных формах. Выполнена калибровка метода ЛИФ на стандартные методы измерения концентрации хлорофилла «а» для получения абсолютных значений. Калибровки проводились в различных районах Тихого океана, Охотского и Японского морей. С помощью судового флуориметра осуществлены непрерывные измерения по ходу судна, что позволило перейти от трудоемких точечных измерений концентрации хлорофилла «а» к непрерывным измерениям вдоль маршрута судна. Преимущество таких измерений состоит в возможности получения большого числа пространственно усредненных концентраций хлорофилла «а» по сравнению со стандартным методом. Предложена методика разложения ЛИФ спектра на биооптические компоненты, которая позволят определять соотношение между основными оптически эффективными компонентами морской воды, такими как хлорофилл «а» и растворенное органическое вещество.

3. Исследована связь между биооптическими компонентами спектра ЛИФ, которые определяются линиями флуоресценции хлорофилла «а» (параметр С) и растворенного органического вещества (параметр Q). Предложено описывать процесс воспроизводства живыми клетками фитопланктона флуоресцирующей части органического вещества регрессионными параметрами Q-C диаграмм, в случае морских вод, где наблюдаются высокие коэффициенты корреляции между Q и С. Предложена оптическая классификация морских вод по величине коэффициента корреляции между Q и С биооптическими параметрами ЛИФ спектров.

4. На основе анализа Q-C диаграмм рассеяния, который был проведен для различных районов мирового океана в различные периоды развития клеток фитопланктона, показано, что линейные зависимости между этими биооптическими параметрами спектров ЛИФ наблюдаются в период цвета водорослей на больших пространственных масштабах.

5. Разработана методика выделения диффузной компоненты коэффициента яркости моря на основе измерений S и Р поляризационных компонент восходящего излучения. Данная методика значительно расширяет возможности дистанционного измерения концентрации хлорофилла «а» при наклонном зондировании с борта судна. В частности методика позволяет проводить измерения при значительном волнении морской поверхности, в условиях сплошной облачности и при различных углах визирования. Показано, что данная методика позволяет более точно определять концентрации хлорофилла «а» в морской воде при использовании эмпирических биооптических алгоритмов.

6. Проведена коррекция глобальных биооптических алгоритмов восстановления концентрации хлорофилла «а» из спутниковых данных о цвете морской поверхности с использованием активных и пассивных судовых измерений для некоторых районов Тихого океана и Охотского моря.

Показана возможность восстановления пространственных структур распределения концентраций хлорофилла «а» в ВСО при совместном использовании метода ЛИФ и спутникового зондирования цвета морской поверхности.

1. Preisendorfer R. W. On the existence of characteristic diffuse light in natural sea waters.// Journal of Marine Research, 1959, vol. 18, p. 1-9.

2. Morel A. and Prieur L. Analysis of variations in ocean color // Limnol. Ocanogr., 1977, vol. 22, p. 709-722.

3. Gordon H.R., Clark D.K., Brown J.W. Phytoplankton pigment concentrations in the Middle Atlantic Bight // Appl. Opt., 1983, vol. 22, № 1, p. 20-36.

4. Morel A. Optical modeling of the upper ocean in relation to its biogenous matter content (Case 1 waters) // J. Geophys. Res., 1988, vol. 93, p. 1090910924.

5. Gordon H.R., Brown O.B., Evans R.H., Brown J.W., Smith R.C., Baker K.S., Clark D.K. A semianalytic radiance model of ocean color // Journal of Geophysical Research, 1988, vol. 93, p. 10909-10924.

6. Andre J.M., Morel A. Atmospheric corrections and interpretation of marine radiances in CZCS imagery // Oceanologica Acta, 1991, vol. 14, p. 3-22.

7. Diehl P., Haardt H. Measurement of the spectral attenuation to support biological research in a "plankton tube" experiment // Oceanologica Acta,1980, vol.3, p. 89-96

8. Bricaud A., Morel A., Prieur L. Absorption by dissolved organic matter of the sea (yellow substance) in the UV and visible domains // Limnol.Oceanogr.,1981, vol. 26, № l,p. 43.53.

9. Carder K.L., Hawes S.K., Baker K.A., Smith R.C., Steward R.G., Mitchell B.G. Reflectance model for quantifying chlorophyll a in the presence of productivity degradation products // Journal of Geophysical Research, 1991, vol. 96, p. 599-611.

10. Chen R.F., Bada J.L. The fluorescence of dissolved organic matter in seawater // Marine Chemistry, 1992, vol. 37, p. 191-221.

11. Hayase К., Yamamoto M., Nakazawa I., Tsubota H. Behavior of natural fluorescence in Sagami Bay and Tokyo Bay, Japan-vertical and lateral distributions // Marine Chemistry, 1987, vol. 20, p. 265-276.

12. Willey J. D., Atkinson L.P. Natural fluorescence as a tracer for distinguishing between Piedmont and coastal plain river water in the nearshore waters of Georgia and North Carolina // Estuarine, Coastal and Shelf Science, 1982, vol. 14, p. 49-59.

13. Hooker S.B., McClain C.R. The calibration and validation of SeaWiFS data // Progress in Oceanography, 2000, vol. 45, p. 427-465.

14. Kishino M. Interrelationships between light and phytoplankton in the sea // Ocean Optics, Oxford University Press New York, 1994, p. 73-92.

15. Gordon H.R., Brown O.B., Evans R.H. et al. A semianalytic radiance model of ocean color // J. Geophys. Res., 1998, vol. 93, p. 10909-10924.

16. Piatt T. and Sathyendranath S. Oceanic primary production: Estimation by remote sensing at local and regional scales // Science, 1988, vol. 241, p. 16131620.

17. Ciotti A.M., Lewis M.R., Cullen J.J. Assessment of the relationships between dominant cell size in natural phytoplankton communities and spectral shape of the absorption coefficient // Limnology and Oceanography, 2003, vol. 47, p. 404-417.

18. Sathyendranath S., Lazzara L., Prieur L. Variations in the spectral values of specific absorption of phytoplankton // Limnology and Oceanography, 1987, vol. 32, p. 403-415.

19. Joint I., Stephen B. Groom Estimation of phytoplankton production from space: current status and future potential of satellite remote sensing // Journal of Experimental Marine Biology and Ecology, 2000, vol. 250, № 1-2, p. 233255.

20. Hoepfiner N., Sathyendranath Effect of pigment composition on absorption properties of phytoplankton // Mar. Ecology Prog., 1991, № 73, p. 11-23.

21. Буренков В.И., Гуревич И.Я., Копелевич О.В., Шифрин К.С., Спектры яркости восходящего излучения и их изменение с высотой измерения // В кн.: Оптические методы изучения океанов и внутренних водоемов, Новосибирск: Наука, 1979, с. 41-58.

22. Монин А.С. Оптика океана.-М.: Наука, 1983.- Т.2.- с. 203.

23. Bricaud A., Babin М., Morel A., Claustre Н. Variability in the chlorophyll-specific absorption coefficients of natural phytoplankton: Analysis and parameterisation// J. Geophys. Res., 1995, vol. 100, № C7, p. 1321-1332.

24. Majchrows R., Wozniak В., Dera J., Fice D., Kaczmarek S., Ostrowska M., Koblentz-Mishke O. Model of the in vivo spectral absorption of algal pigments. Part 2. Practical applications of the model // OCEANOLOGIA,

25. NK 2000, vol. 42, № 2, p. 191-202.

26. Lee Z.P., Carder K.L. Absorption spectrum of phytoplankton pigments derived from hyperspectral remote-sensing reflectance // Remote Sensing of environment, 2004, vol. 89, p. 361-368.

27. Carder K.L., Chen F.R., Cannizzaro J.P., Campbell J.W., Mitchell B.G. Performance of the MODIS semi-analytical ocean color algorithm for chlorophyll-a // Advances in Space Research, 2004, vol. 33, p. 1152-1159.

28. Thingstad T.F., Hagstreom A., Rassoulzadegan F. Accumulation of degradable DOC in surface waters: is it caused by a malfunctioning microbial loop? // Limnol. Oceanogr., 1997, vol. 42, № 2, p. 398-404.

29. Moran M.A., Sheldon Jr.W.M., Zepp R.G. Carbon loss and optical property changes during long-term photochemical and biological degradation of estuarine dissolved organic matter // Limnol. Oceanogr., 2000, vol. 45, № 6, p. 1254-1264.

30. McCarthy M., Pratum Т., Hedges J., Benner R. Chemical composition of dissolved nitrogen in the ocean // Nature, 1997, vol. 390, p. 150-153.

31. Kowalczuk P. Seasonal variability f yellow substance absorption in the surface layer of the Baltic Sea // J. Geophys. Res., 1999, vol. 104, № CI 2, p. 30047-30058.

32. Hojerslev N.K., Aas E. Spectral light absorption by yellow substance in the Kattegat-Skagerrak area // Oceanologia, 2001, vol. 43, № 1, p. 39-60.

33. Gege P. Gaussian model for yellow substance absorption spectra // Proc. Ocean Optics XV, Monaco, France, 2000.

34. Korshin G.V., Chi-Wang L., Benjamin M.M. Monitoring the properties of natural organic matter through UV spectroscopy: a consistent theory // Water Res., 1997, vol. 31 N7, p. 1787-1795.

35. Kirk J.T.O., Light and photosynthesis in aquatic ecosystems. // Cambridge University Press, New York, 1994, 509 p.

36. Schwarz J.N., Kowalczuk P., Cota G.F. et al. Two models for absorption by colored dissolved organic matter (CDOM) // Oceanologia, 2002, vol. 44, № 2, p. 209-241.

37. Bricaud A., Stramski D. Spectral absorption coefficients of living phytoplankton and non-algae biogeneous matter: A comparison between the Peru upwelling area and the Sargasso Sea // Limnol. Oceanogr., 1990, vol. 35, p. 562-582.

38. Roesler C.S., Perry M.J and Carder K.L. Modeling in situ phytoplankton absorption from total absorption spectra in productive inland marine waters // Limnol. Oceanogr., 1989, vol. 34, № 8, p. 1510-1523.

39. Nelson J. R. and Guarga S. Particulate and dissolved spectra absorption on the continental shelf of the southeastern United States // J. Geophys. Res., 1995, vol. 100, № C5, p. 8715-8732.

40. Roesler C.S., Perry M.J. In situ Phytoplankton absorption, fluorescence emission, and particulate backscattetering spectra determined from reflectance // J. Geophys. Res., 1995, vol. 100, № C7, p. 13279-13294.

41. Шифрин Jl.C., Копелевич O.B., Буренков В.И. Использование индикатрис рассеяния для исследования морской взвеси. // В кн.: Оптика океана и атмосферы. Ленинград.: Наука, 1972, с. 25-44.

42. Копелевич О.В., Гущин О.А. О статистических и физических моделях светорассеивающих свойств морской воды // Изв. АН СССР, ФАО, 1978, Т. 14, №9, с. 967-973.

43. Morel A., Loisel Н. Apparent optical properties of oceanic waters: dependence on the molecular scattering contribution // Appl. Opt., 1998, vol. 37, p. 4765-4776.

44. Gordon H.R. Modeling and simulating radiative transfer in ocean // Ocean Optics, Oxford University Press, New York, 1994, p. 73-92.

45. Gordon H.R. Inverse methods in hydrologic optics // OCEANOLOGIA, 2002, vol. 44, № l,p. 9-58.

46. Morel A. Optical properties of pure water and pure seawater. Optical aspects of oceanography // N.G. Jerlov and E. Steemann-Nielsen eds. Academic Press, New York, 1974, p. 1-24.

47. Ю.П. Доронин. Физика океана. Лен.: Гидрометеоиздат 1978, 293 с.

48. Smith R.C., Baker K.S. Optical properties of the clearest natural waters // Appl. Opt., 1981, vol. 20, p. 177-184.

49. Morel A. In-water and remote measurement of ocean color // Boundary-Layer Meteorology, 1980, vol. 18, p. 177-201.

50. Mobley C.D., Gentili В., Gordon Z., Jin Z., Kattawar G.W., Morel A., Reeinersman P., Stamnes K., Stavn R.H. Comparison of numerical models for computing underwater light fields // Appl. Opt., 1993, vol. 32, p. 7484- 7504.

51. Mobley C.D. Light and water: radiative transfer in natural waters // Academic Press. New York, 1994.

52. Kirk J.T.O. Volume scattering function, average cosines, and the underwater light field // Limnol.Oceanogr., 1991, vol. 36, p. 455-467.

53. Kirk J.T.O. Estimation of absorption and the scattering coefficients of natural waters by use of underwater irradiance measurements // Appl. Opt., 1994, vol. 33, № 15.

54. Gordon H.R., Brown O.B., Jacobs M.M. Computed relationship between the inherent and apparent optical properties of a flat homogeneous ocean // App. Opt., 1975, № 14, p. 417-427.

55. Morel A., Gentili, Diffuse reflectance of oceanic waters (2): Bi-directional aspects // Appl. Opt., 1993, vol. 32, p. 6864-6879.

56. Lee Z., Carder K.L., Mobley C.D. et al. Hyperspectral remote sensing for shallow waters. A semianalytical model // Appl. Opt., 1998, vol. 37, № 27, p. 6329-6338.

57. Буренков В.И., Ведерников В.И., Ершова C.B., Копелевич О.В., Шеберстов С.В. Использование данных спутникового сканера цвета океана SeaWiFS для оценки биооптических характеристик вод Баренцева моря // Океанология, 2001, Т. 42, с. 485-492.

58. Lee Z.P., Carder K.L., Mobley C.D., Steward R.G., Patch J.S. A semi-analytical model for remote sensing over shallow waters // Proceedings of "The 4th Pacific Ocean Remote Sensing Conference", Qingdao, China, 1998, p. 59-62.

59. Cota G.F., Wang J., Comiso J.C. Transformation of global satellite chlorophyll retrievals with a regionally tuned algorithm // Remote Sensing of Environment, 2004, vol. 90, № 3, p. 373-377.

60. Lee Z.P., Carder K.L., Peacock T.G., Davis C.O., Mueller J.I. Method to derive ocean absorption coefficients from remote-sensing reflectance // Applied Optics, 1996, vol. 35, № 3, p. 453-462.

61. O.A. Букин, A.H. Павлов и др. Аппаратурный судовой комплекс экологического мониторинга океана.//Тезисы региональной научно-технической конференции «Наука морскому флоту на рубеже XXI века», ДВГМА, Владивосток, 1998, с. 13-18.

62. Robinson I.S. Satellite observations of ocean color // Philo. Trans. Royal. Soc. of London, Series A, 1983, vol. 309, p. 338-347.

63. Мудров В.И., Кушко В.И., , Методы обработки данных. Москва: Советское радио, 1976.

64. Huber R.J. Robust Statistics // New York: John Wilay and Sons, 1981.

65. Tassan S. Local algorithm using SeaWiFS data for retrieval phytoplankton, pigments, suspended sediment, and yellow substance in coastal waters // Appl. Opt., 1994, vol. 33, p. 2369-2378.

66. Bukin O.A., Pavlov A.N. et al. Continous measurement of chlorophyll-a concentration in the Pacific Ocean by shipborne laser fluorometer and radiometer: comparison with SeaWiFS data // Int. J. Remote Sens., 2001, vol. 22, №2-3, p. 415-427.

67. Mesures R.M., Bristow H. The development of laser fluoresensor for remote environmental probing // Can. Aeron. Space J., 1971, vol. 17, p. 421-429.

68. Barbini R., Colao F., Fantoni R., Micheli C., Palucci A. and Ribezzo S. Design and application of a lidar fluorosensor system for remote monitoring of phytoplankton // ICES Journal of Marine Science, 1998, vol. 55, p. 793802.

69. Reuter R., Diebel D., Hengstermann T. Oceanographic laser remote sensing: measurements of hydrographic fronts in the German Bight and in the northern Adriatic Sea// International Journal of Remote Sensing, 1993, vol. 14, p. 823848.

70. Фадеев В.В., Чекалюк А.Н., Чубаров В.В. Нелинейная лазерная флуориметрия сложных органических соединений // ДАН СССР, 1982, Т. 263, №2, с. 338-341.

71. Власов Д.В. Лазерное дистанционное зондирование верхнего слоя океана // Докторская диссертация, Москва, 1986.

72. Leonard D.A., Capito В., Hoge F.R. Remote sensing of subsurface mater temperature by Raman scattering // Appl. Opt., 1979, vol. 18, p. 1732-1745.

73. Фадеев B.B. Лазерная спектроскопия водных сред // Докторская диссертация, МГУ, Москва, 1983, 455 с.

74. Dylis D.D. A Raman technique for measurement of aqueous acid solution // Optical Ingeneering, 1974, vol. 13, № 6, p. 502-505.

75. Бекиев А.Ю., Фадеев В. В. Влияние температуры, солей, кислот на форму линии комбинационного рассеяния воды // ДАН СССР, 1982, Т. 262, №2, с. 328-331.

76. Chang С.Н., Young L.A. Remote measurement of ocean temperature from depolarization in Raman scattering // NASA conference on use of lasers for hydrosphere, 1973, SP 375, p. 105-113.

77. Levis C.A., Swamer W.G., Prettyman H. An optical radar for airbom use over natural waters // NASA conference on use of lasers for hydrosphere, 1973, SP-375, p. 67-68.

78. Межерис Р. Применение лазеров для дистанционного зондирования в аналитических целях // Аналитическая лазерная спектроскопия, М:Мир, 1982, с. 325-443.

79. Hickman G.D. Recent advanced in tlie application of pulsed lasers to the hydrosphere // NASA conference on use of lasers, 1973, SP 375, p. 81-88.

80. White H.B. Lasers for Ocean-Deepth Mapping // Laser applications, 1982, № 9, p. 39-43.

81. Bright D. Hydrographic airbom laser sounder // Waval Engineer Journal, 1980, №4, p. 54-62.

82. Власов В.Д., Горбунов А.Д., Миркамилов Д.М. О возможности измерений параметров волнения по сигналам объемного рассеяния // Тезисы докладов на Всесоюзном семинаре-совещании "Проблемы лазерного аэрозондирования поверхности Земли", Ташкент, 1984, с. 3132.

83. Пелевин В.Н., Кагайн В.Э., Лурье A.M. Дистанционные измерения параметров морского волнения методом лазерной локации // Труды конференции "Оптические методы изучения океанов и внутренних водоемов", Таллин, 1986, с. 46-48.

84. Власов Д.В., Стрельцов В.Н. Флуктуации интенсивности эхо-сигнала при крупномасштабном волнении поверхности // Тезисы докладов на Всесоюзном семинаре-совещании "Проблемы лазерного аэрозондирования поверхности Земли", Ташкент, 1984, с. 22-23.

85. Неуймин Г.Г., Сорокина Н.А. Статистические связи поля прозрачности в океане с гидрологическими и биологическими характеристиками // Изв. АН СССР, 1979, Т. 15, Серия Физика атмосферы и океана, № 2, с. 233236.

86. Неуймин Г.Г., Сорокина Н.А. О корреляции между вертикальными распределениями оптических и гидрологических характеристик // Океанология, 1976, Т. 16, № 3, с. 441-450.

87. Hoge F.E., Swift R.N. Airborne simultaneous spectroscopic detection of laser-induced water Raman backscatter and fluorescence of chlorophyll a and other naturally occurring pigments // Appl. Opt., 1981, vol. 20, p. 3197-3205.

88. Billard В., Wilsen PJ. Sea Surface and Deptly Detection in the WRELADS Airborne Depth Sounder// Appl. Opt., 1986, vol. 25, p. 2059.

89. Billard B. Estimation of a Mean Sea Surface Reference in the WRELADS Airborne Depth Sounder // Appl. Opt., 1986, vol. 25, p. 2067.

90. Bunkin A.F., Suruvegin A.F. Lidar-aided measurement of phytoplankton chlorophyll and underwater scattering layers // EARSeL Workshop. Lidar remote sens, land and sea. Firanze. Vay. 1991. EARSeL Adv. Remote Sens, 1992, vol. 1, # 2, p. 101-105.

91. Иванов А.П. Физические основы гидрооптики, Минск: Наука и техника, 1975.- 504 стр.

92. Браво-Животовский Д.М., Долин JI.C., Лучинин А.Г., Савельев В.А. О структуре узкого пучка света в морской воде // Изв. АН СССР, 1969, Т. 5, Физика атмосферы и океана, №2, с. 160.

93. Маньковский В. И. Экспериментальные и теоретические данные о точке пересечения индикатрис рассеяния света морской взвесью // Изв. АН СССР, 1975, Т. 11, Физика атмосферы и океана, № 6, с. 1284-1293.

94. Войтов В.И., Копелевич О.В., Шифрин К.С. Задачи и основные результаты исследований оптических свойств вод Индийского океана // Гидрофизические и оптические исследования в Индийском океане.- М: Наука, 1975, с. 32-42.

95. Долин Л.С., Савельев В.А. О характеристиках сигнала обратного рассеяния при импульсном облучении мутной среды узким направленным световым пучком // Изв. АН СССР, 1971, Т. 7, Серия Физика атмосферы и океана, № 5, с. 505-510.

96. Романова JI.M. Нестационарное световое поле в глубине мутной среды, освещаемой узким пучком // Изв. АН СССР, ФАО, 1965, Т. 1, № 6, с. 599-605.

97. Зеге Э.П., Иванов А.П., Кацев И.Л. и др. Световая дымка от ограниченного импульсного источника // Изв. АН СССР. ФАО, 1973, Т. 9, № 10, с. 1054-1062.

98. Романова Л.М. Нестационарное световое поле в пограничном слое мутной среды с сильно анизотропным рассеянием при освещении узким пучком // Изв. АН СССР. ФАО, 1970, Т. 6, № 5, с. 489-498.

99. Measures R.M. Laser Remote Sensing, Fundamentals and Applications, New York: Wilay, 1984.

100. Иванов А.П., Калинин И.И., Колесник А.И., Бондаренко П.П. Особенности измерения показателей ослабления и поглощения воды методом импульсного зондирования // Журнал прикладной спектроскопии, 1986, Т. 29, № 4, с. 710-716.

101. Ю4.Браво-Животовский Д.М., Гордеев Л.Б., Долин Л.С. Определение показателей поглощения света морской водой // Океанология, 1979, Т. 19, № 1, с. 168-174.

102. Гольдин Ю.А., Бачериков В.В., Войтов В.И. и др. Некоторые результаты лазерного зондирования поверхностных вод на ходу судна // Гидрофизические и оптические исследования в Индийском океане. -М.: Наука, 1975, с. 160-163.

103. Юб.Вортман М.И., Гольдин Ю.А., Гуреев Б.А. и др. Судовой лидар для измерения оптических характеристик морской воды // Тезисы докладов на конференции "Оптические методы изучения океанов и внутренних водоемов", Таллин, 1980, с. 276-279.

104. Браво-Животовский Д.М., Гордеев Л.Б., Долин Л.С. Определение показателей поглощения и рассеяния морской воды по некоторым характеристикам светового поля искусственных источников света //

105. Гидрооптические и гидрооптические исследования в Атлантическом и Тихом океанах, М.: Наука, 1974, с. 153 156.

106. Hoge F.E, Wriglit C.W., Krabill W.B., Buntzen R.R. Airborne lidar detection of subsurface oceanic scattering layers // Applied Optics, 1988, vol. 27, № 19, p. 3969-3977.

107. Hoge F.E., Berry R.E, Swift R.N. Active-passive airborne ocean color measurement // Appl. Opt., 1986, vol. 25, № 1, p. 39-57.

108. M.S. Permyakov, A.N. Pavlov et al. Statistical futures of the space distribution of chlorophyll a concentration in South Pacific using the SeaWiFS data and shipborne laser fluorimeter measurements.// Proceedings SPIE #4154-27, 2001,p. 188-192.

109. Smith R.C, Brown O.B., Hoge F.E. Multiplatform sampling (ship, aircraft, and satellite) of a Gulf Stream warm core ring // Appl. Opt., 1988, vol. 26, № 11, p. 2068-2080.

110. Bukin О.A., Pavlov A.N. et al. Measurement of the lightscattering layers structure and detection of the dynamic processes in the upper ocean layer by shipborne lidar // Int. J. Remote Sens., 1998, vol. 19, № 4, p. 707-715.

111. Тарчевский B.M. Основы фотосинтеза. M: Высшая школа. 1977

112. Серов Н.Я., Фадеев В.В., Чекалюк A.M. Насыщение флюоресценции растворов в сложных органических соединениях при импульсном лазерном возбуждении // Квантовая электроника, 1991, Т. 18, № 4, с. 425429.

113. Клышко Д.Н., Фадеев В.В. Дистанционное определение концентрации примеси методом лазерной спектроскопии по комбинационному рассеянию // ДАН СССР, 1978, Т. 238, с. 320-328.

114. Букин О. А., Павлов А.Н. и др. Связь параметров спектров флуоресценции морской воды, возбуждаемых лазерным излучением, с типом морских вод // Оптика атмосферы и океана, 2000, Т. 13, № 11, с. 1011 1014.

115. Тяпкин В.А., Лысун В.Н., Букин О.А., Столярчук С.Ю., Павлов А.Н. Малогабаритный блок питания для твердотельного лазера и оптического усилителя // Приборы и техника эксперимента, 1986, № 2, с. 176-178.

116. Ильичёв В.И., Букин О.А., Павлов А.Н. и др. Автоматизированный лазерный комплекс для исследования параметров верхнего слоя океана. //Тихоокеанский ежегодник Владивосток, 1988.- с. 185-190.

117. Ильичёв В.И., Букин О.А., Павлов А.Н. Лазерное зондирование светорассеивающих слоев в океане. // Труды 10 Всесоюзного симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. -Томск, 1988.-е. 123-128.

118. Pavlov A.N., Bukin O.A., Il'ichev V.I., Critsky I.A. Lidar sounding of the oceanic layer. // 15-th International Laser Radar Conference. Abstract of papers. Part 2. Tomsk. USSR, 1990 - p. 52-56.

119. Ильичёв В.И., Букин O.A., Павлов А.Н. и др. Применение глубинного лазерного зондирования для исследования динамических процессов в океане. // ДАН СССР. 1988. - Т. 303 - № 6. - с. 1482-1485.

120. Ананьев Ю.А. Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения. М.: Наука, 1979. 328 с.

121. О.A. Bukin, A.N. Pavlov, M.S. Permyakov et al. Joint analysis ship and satellite chlorophyll a data.// Proceedings VIII Joint international symposium Atmosphere and ocean optics. Atmosphere physics Irkutsk. 2001. p. 166.

122. О.А. Букин, В.И. Ильичев, А.Н. Павлов и др. Стратификация коэффициента ослабления лазерного излучения в верхнем слое океана по данным лидарного зондирования.// Доклады АН СССР, 1990, т.312, №4, с. 972-973.136. http://seabass.gsfc.nasa.gov/

123. O.A. Bukin, A.N. Pavlov et al. Comparison of some results of pigment concentration measured by satellite and shipborne remote sensing methods.// Proceedings SPIE #4154-10, 2001,p. 74-82.

124. Карабашев Г.С., Агатова А.И. О соотношении интенсивности флуоресценции и концентрации растворенных органических веществ в водах океана// Океанология, 1984, т. 24, №6, с. 906-909.

125. О.А. Букин, В.И. Ильичев, А.Н. Павлов и др. Судовой гидролидарный комплекс для зондирования верхнего слоя океана.// Оптика атмосферы и океана. 1994, т.7, №10, с. 1403-1409.

126. О.А. Букин, В.И. Ильичев, А.Н. Павлов и др. Комплексные исследования лидарным и сонарным методами процессов рассеяния в ВСО. // Труды X Всесоюзного симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы, 1988, Томск, с. 123-128

127. A.V. Alekseev, A.N. Pavlov et al. Monitoring of marine pollution by modern physical methods. // International symposium of marine sciences. Abstract of papers, 1992, p. 60-61.

128. O.A. Букин, А.Н. Павлов и др. Мониторинг хлорофилла «а» в акватории залива Петра Великого и устье реки Туманная.// Тезисы научно-технической конференции ДВГМА, 1998, Владивосток, с. 5-8.

129. А.Н. Павлов, О.Г. Константинов и др. Применение метода поляризационной спектроскопии в задаче дистанционного зондирования океана.// Труды Всероссийской межвузовской научно-практической конференции. Владивосток, ТОВМИ, 1999, с. 107-109.

130. Spinrad R.W., Carden К. L., Parry M. J. Ocean Optics. Oxford University press: New York. Clarendon press: Oxford. 1994. 283 p.

131. Norrman В., Zweifel U.L. Production and utilization of dissolved organic carbon during an experimental diatom bloom // Limnology and Oceanography. 1995. V. 40. № 5. p. 898-907.

132. Глушков C.M., Фадеев B.B., Чубаров B.B. Лазерные спектрометры для диагностики органических примесей в природных водах // Оптика океана и атмосферы. 1994. Т. 7. № 4. С. 454-473.

133. Глушков С.М., Фадеев В.В., Филиппова Е.М., Чубаров В.В. Проблемы лазерной флюорометрии органических примесей в природных водах // Оптика атмосферы и океана. 1994. Т. 7. № 4. С. 433-449.

134. Chen R.F. In situ fluorescence measurements in coastal waters // Organic Geochemistry. 1999. № 30. P.397-409.

135. О.А.Букин, A.H. Павлов и др. Использование спектроскопии лазерной искры для анализа элементного состава водных сред.//ЖПС, т. 52,№5, с.736-738.

136. Exton R.J., Houghton W.M., Esais W., Harriss R.C., Farmer F.H., White H.H. Laboratory analysis of techniques for remote sensing of estuarine parameters using laser excitation // Applied Optics. 1983. V. 22. № 1. P. 54-64.

137. Balch W., Evans R., Brown J., et al. The remote sensing of ocean primary productivity: use of a new data compilation of test satellite algorithms // J. Geophys. Res., 1992, vol. 97, № C2, p. 2279-2293.

138. Букин О.А., Майор А.Ю., Павлов А.Н. и др. Судовой лазерный флуориметр для исследования спектров флюоресценции морской воды // ПТЭ, 2001, №4, с. 151-154.

139. Иванов И.Г., Фадеев В.В. Лазерная флуоресцентная диагностика фитопланктона в режиме насыщения // Квантовая электроника, 1988, Т. 15, № 1, с. 191-197.

140. O'Reilly J.E., Maritorena S., Mitchell B.G. et al. Ocean color chlorophyll algorithms for SeaWiFS // J. Geophys. Res., 1998, vol. 103, № CI 1, p. 2493724953.

141. Campbell J.W., Blaisdell J.M., Darzi M. Lavel-3 SeaWiFS Data Products: Spatial and Temporal Binning Algorithms // NASA Technical Memorandum 104566, 1995, vol. 32, p.73.

142. Гидрометеорология и гидрохимия морей. Т. 9. Охотское море. Под редакцией Терзиева Ф.С. СПб: Гидрометеоиздат, 1993. 167 с.