CN103674916B - 新型荧光信号解调装置以及荧光信号解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明的新型荧光信号解调装置以及荧光信号解调方法，包括荧光光纤探头、脉冲激发光源、激发脉冲光源控制驱动单元、用于反射脉冲激发信号以及将荧光信号与脉冲激发信号分离的分光镜、用于对脉冲激发信号、荧光受激信号进行聚焦的聚光透镜、用于荧光光纤探头与聚光透镜之间光传输的光纤耦合器、用于将分离出来的荧光信号转换成荧光电信号的光电管及跨阻抗放大器、带模数转换器的微处理器，微处理器的驱动控制输出端与激发脉冲光源控制驱动单元的输入端连接，带模数转换器的微处理器用于将光电管及跨阻抗放大器转换得到的荧光电信号，利用非迭代快速自然对数函数进行解调处理，从而得到实际待测的环境物理量。本发明降低了对微处理器性能的需求。

Description

新型荧光信号解调装置以及荧光信号解调方法

技术领域

本发明涉及利用荧光余辉原理的荧光传感系统检测技术领域，具体地指一种新型荧光信号解调装置以及荧光信号解调方法。本发明涉及到具有不同时间衰减特性的各种荧光材料与物理参数，如温度、湿度、压力、气体浓度，或类似的系统测量和运算解调方法。

技术背景

快速准确地求得荧光余辉时间常数τ，或称荧光指数时间衰变常数τ，是提高利用荧光余辉原理的传感系统检测性能的关键。计算荧光材料荧光指数时间衰减常数，首先需要进行精确自然对数运算。现有的高精度荧光寿命自然对数的获取方法中，微处理器每获得一个荧光信号，就需执行多次自然对数计算，明显增加了微处理器的运算负担。由于普通低成本微处理器受运算能力限制，尤其是当每个荧光脉冲信号要求多重运算，或当单一微处理器承担获取多个感应通道荧光信号并同时计算，或者当脉冲频率大于10Hz以及延迟时间近于1000微秒时，微处理器需要执行大量复杂的自然对数运算，因此限制了系统的整体表现。

当微处理器需要同时处理多个不同任务时，它必须把计算荧光的指数时间衰减常数放在首位，因为这正是检测与其相关联的物理参数的关键所在。荧光指数时间衰减常数，经常被引用为τ，这是基于以下在数学上普遍熟悉的指数衰减等式而确定的：

I_(t)＝I₀e^-t/τ

对上述公式两边取自然对数得如下公式：

㏑[I_(t)]＝㏑(I₀)-t/τ

其中，I_(t)表示时间t时的荧光强度值,I₀表示t＝0时的荧光强度值，e表示欧拉(Euler)自然常数，t表示时间，τ表示荧光指数时间衰减常数。

在实际应用中，荧光材料的荧光时间衰减曲线，并不一定能够完美地吻合理想化的指数衰减等式。这时，初始时间t₀计算出的荧光时间衰减常数τ，会与在稍微延迟的t₀+t时计算出的荧光时间衰减常数τ’略有不同。除此之外，叠加于信号的噪声及背景信号也会产生偏移量。为了更好地计算荧光时间衰减常数τ，一般将采用曲线拟合算法。为简化计算的复杂性，通常的方法是，对在衰减曲线上可用部分的一系列数据中的每一个点计算自然对数。对于更高脉冲频率的数据采样，这种计算会很快消耗掉微处理器的所有资源，限制了整个传感系统的表现，以及/或者要求更昂贵的高性能信号处理电子设备。

先前的美国专利技术5107445揭示了一种传感系统，其荧光传感器探头被LED(Light-EmittingDiode，发光二极管)发出的连续光脉冲激活，产生一组重复的荧光衰减信号传给光检测器，输出的电信号被数值化。之后荧光衰减的数字样本通过曲线拟合技术，例如一个最小二乘算法进行运算处理。该荧光时间衰减指数曲线，首先通过引入延迟函数的自然对数来处理，从而获取一条有某一斜率的直线，显示荧光强度的自然对数对于荧光信号的衰减时间成比例减少。在计算之前，背景噪声信号将从全部被处理的信号中减去。系统的精确度，是通过在计算时间衰减常数前，对一组庞大的脉冲测量数据进行平均计算来提高的。

上述美国专利技术揭示了通过在一个微处理器或者DSP(DigitalSignalProcessing，数字信号处理器)中，运行一个自然对数函数来计算指数时间衰减常数的方法。这种典型的函数由更高级别的代码语言，例如C或者C++自带的数学函数库提供。这些编辑过的函数库，因为使用迭代算法，将需要耗费较多的时钟周期来计算自然对数函数，以及/或者为大部分荧光传感应用计算了超出应用精度需求的超精确的值。该方法的一个不利之处在于，系统必须执行一组庞大的自然对数计算。为了取得线性化斜率，就需要对衰减曲线上的每一个样本点执行自然对数计算。该操作增加了数据处理成本，可能还需要外部的数据处理资源的支持，例如数字信号处理器芯片，而且极大地限制了脉冲和检测频率。

发明内容

本发明的目的就是要为荧光传感器提供一种新型荧光信号解调装置以及荧光信号解调方法，该装置和方法在同等情况下显著地缩短了处理器的处理时间，在降低了对微处理器性能需求的同时，还减少了噪声对系统的影响，最大限度地消除背景和噪声对信号的干扰，降低测量标准误差，提升了传感系统的整体表现。运算处理时间减少了，就能够使用更快的脉冲频率和更高的采样频率，得到测量样本间更小的偏离。这些方法使得使用单一的带ADC(模数转换)功能的低成本微处理器，就能够支持更多的传感通道。

为实现此目的，本发明所设计的新型荧光信号解调装置，它包括端部安装有荧光材料的荧光光纤探头、用于发出脉冲激发信号的脉冲激发光源、用于控制脉冲激发光源的激发脉冲光源控制驱动单元、用于反射脉冲激发信号以及将荧光信号与脉冲激发信号分离的分光镜、用于对脉冲激发信号和荧光受激信号进行聚焦的聚光透镜、用于荧光光纤探头与聚光透镜之间光传输的光纤耦合器、用于将分离出来的荧光信号转换成荧光电信号的光电管及跨阻抗放大器，其特征在于：它还包括带模数转换器的微处理器，所述带模数转换器的微处理器的驱动控制输出端与激发脉冲光源控制驱动单元的输入端连接，所述带模数转换器的微处理器用于将光电管及跨阻抗放大器转换得到的荧光电信号进行解调运算处理，从而得到荧光指数时间衰减常数τ，并通过查询标准荧光指数时间衰减常数τ与环境物理量的核对表，得到实际待测的环境物理量。

所述荧光材料安装在荧光光纤探头顶端。所述荧光材料为在被特定波长的激发光激发后，退激辐射分离波长的次生光波的材料(退激指从激发态返回基态的物理过程，次生光波即被激发辐射出的荧光，分离波长指荧光波长与激发光的波长不同)。例如，红宝石是一种荧光材料。

所述脉冲激发光源为LED(LightEmittingDiode，发光二极管)光源。

一种利用上述新型荧光信号解调装置进行荧光解调的方法，它包括如下步骤：

步骤1：由激发脉冲光源控制驱动单元控制的脉冲激发光源发出规则的脉冲激发信号，该脉冲激发信号经过分光镜全反射传输到聚光透镜的一侧，并通过聚光透镜聚光和光纤耦合器耦合至荧光光纤探头的荧光材料部位；

步骤2：荧光材料受脉冲激发信号激发，发出荧光受激信号，该荧光受激信号通过荧光光纤探头及光纤耦合器输送到聚光透镜的另一侧；

步骤3：上述荧光受激信号经过聚光透镜聚焦后，通过分光镜将荧光信号与被反射回的激发光脉冲分离，并将荧光信号传送至光电管及跨阻抗放大器；

步骤4：光电管及跨阻抗放大器将分离出来的荧光信号转换成荧光电信号；

步骤5：所述荧光电信号被送至带模数转换器的微处理器进行分段积分采样，获得荧光电信号的分段采样数值，各分段采样的时间相等；荧光电信号的背景信号数值在荧光电信号完全衰减后测得，采样所用的时间与各分段采样的时间相同，上述分段采样的各时段数值分别减去荧光电信号的背景信号数值得到荧光衰减各个时段的荧光强度特征数值；

步骤6：采用多次连续采样脉冲，利用步骤5的方法获得多组荧光衰减各个时段的荧光强度特征数值，对荧光衰减每个时段的荧光强度特征数值取平均值，这样，由于高斯噪声导致的测量误差将显著降低，而完成快速自然对数算法计算的数目并没有改变；

还有一个改进是，仅需在若干连续的脉冲之后，一次性采集背景噪声补偿信号，这样减少了脉冲间的间隔，进一步提升了系统表现；

步骤7：在带模数转换器的微处理器中，将步骤6中得到荧光衰减每个时段的荧光强度特征值的平均值代入自定义非迭代快速自然对数函数中，计算相应的自然对数函数值；自然对数函数是对荧光指数时间衰减函数等式两边分别取自然对数得到的，此时，所得是关于时间变量t的一次直线方程，其斜率由荧光指数时间衰减常数τ决定；

步骤8：在带模数转换器的微处理器中，采用最小二乘法对步骤7中得到的自然对数函数值拟合求得荧光指数时间衰减常数τ；

步骤9：在带模数转换器的微处理器中，调取现有的通过实验获得的标准荧光指数时间衰减常数τ与环境物理量的核对表，将步骤8中得到的荧光衰减常数τ与该核对表中的现有的标准荧光指数时间衰减常数τ值进行对比，当步骤8中得到的荧光指数时间衰减常数τ在上述核对表中有相同的标准荧光指数时间衰减常数τ值对应时，该标准荧光指数时间衰减常数τ在上述核对表中对应的环境物理量即为实际待测的环境物理量；当步骤8中得到的荧光指数时间衰减常数τ夹在上述核对表中相邻的两个标准荧光指数时间衰减常数τ值之间时，采用线性内插值法得出相应的实际待测的环境物理量；当步骤8中得到的荧光指数时间衰减常数τ在上述核对表中所有标准荧光指数时间衰减常数τ值之外时，采用线性外推值法得出相应的实际待测的环境物理量，最后完成待测环境物理量的输出。

步骤7中，所述自定义非迭代快速自然对数函数为有限项幂级数展开式近似代替自然对数函数；

其中，当-1＜x＜1时，ln(1+x)≈x-x²/2(1)

误差＜1/3︱x³︱；

当1＜x＜2时，设y＝x‐1.5，有

ln(x)＝0.4054651+(0.6666667+(‐0.2222222+(0.0987654+(‐0.0493827+(0.0263374+(‐0.0146319+(0.008361+(‐0.0048773+(0.0028903+(‐0.001734+(0.00105*y)*y)*y)*y)*y)*y)*y)*y)*y)*y)*y)*y(2)

其中，x为荧光衰减每个时段的荧光强度特征值的平均值，y为公式2计算得到的相应自然对数函数值，自然对数函数是对荧光指数时间衰减函数等式两边分别取自然对数得到的。

公式2仅通过12次加法及12次乘法，即可达到最大误差小于2.3E‐07的计算结果，E为欧拉常数，公式2确保每次计算周期中，始终使用固定次数的运算处理。

亦即，用一个非迭代的自定义函数，为减少运算时间，它只产生期望达到的计算精度。举例来说，以上非迭代函数计算的是自然对数，仅使用加法和乘法关系即可达到足够的计算精度。

而更进一步的优势，是当在单个微处理器上处理多个传感通道信息时，能够精确地为微处理器规划中断时间。

所述现有的荧光指数时间衰减常数τ与环境物理量的核对表为荧光指数时间衰减常数τ与温度的核对表，或荧光指数时间衰减常数τ与湿度的核对表，或荧光指数时间衰减常数τ与气压的核对表，或荧光指数时间衰减常数τ与气体浓度的核对表；荧光光纤探头为对应的荧光光纤温度探头或荧光光纤湿度探头或荧光光纤气压探头或荧光光纤气体浓度探头。

所述步骤5中，荧光衰减每个采样时段的时间相等，每个时段内所采集到的荧光强度数值的样本数相等。

所述步骤9中，对于线性内插值法和线性外推值法，使用与步骤7相同的快速自然对数计算法，将荧光时间衰减常数从对数关系转变至线性关系。

本发明的有益效果为：本发明通过设计上述脉冲激发光源、分光镜、光电管及跨阻抗放大器、带模数转换器的微处理器、激发脉冲光源控制驱动单元、聚光透镜和光纤耦合器以及集成在带模数转换器的微处理器内的荧光解调步骤，可以在同等测量数据量的情况下显著地缩短处理时间。本发明采用具有模数转换器的低成本微处理器，大量减少自然对数运算，执行最小二乘法拟合，并且得到更精确的荧光指数时间衰减常数τ，同时还减少了噪声对系统的影响，最大限度地消除背景偏差和噪声对信号的干扰，降低测量标准误差。

另外，本发明在降低了对微处理器性能以及/或者更昂贵的高性能信号处理电子设备需求的同时，提升了传感系统的整体表现。运算处理时间减少了，就能够使用更快的脉冲频率和更高的采样频率，得到测量样本间更小的偏离。这些方法使得带模数转换器的低成本微处理器能够支持更多的传感通道。

本发明可以直接采用汇编语言以取得最高的计算速率。

本发明采用通过查询内存的标准荧光指数时间衰减常数τ与环境物理量的核对表，结合线性内插法或线性外推法，用更少的计算量即可得到实际待测的环境物理量。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图中：1—荧光光纤探头、1.1—荧光材料、2—脉冲激发光源、3—分光镜、4—光电管及跨阻抗放大器、5—带模数转换器的微处理器、6—激发脉冲光源控制驱动单元、7—聚光透镜、8—光纤耦合器。

图2为本发明中激发信号及受激荧光信号的波形图；

图3为本发明中荧光强度指数衰减及等时分段采样曲线图；

图3-1为本发明中荧光强度时间衰减曲线各点的自然对数与时间的线性函数关系图；

图3-2为本发明中信号时序图；

图4是一个代表与温度相关的荧光时间衰减常数的图示。

图4中响应曲线通过例举方式，荧光材料的荧光时间衰减常数，在对数刻度上与温度变化呈线性比例关系。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

图中1所示的新型荧光信号解调装置，它包括端部安装有荧光材料1.1的荧光光纤探头1、用于发出脉冲激发光信号的脉冲激发光源2、用于控制脉冲激发光源2的激发脉冲光源控制驱动单元6、用于反射脉冲激发信号以及将荧光信号与脉冲激发信号分离的分光镜3、用于对脉冲激发信号、荧光受激信号进行聚焦的聚光透镜7、用于荧光光纤探头1与聚光透镜7之间光传输的光纤耦合器8、用于将分离出来的荧光信号转换成荧光电信号的光电管及跨阻抗放大器4，它还包括带模数转换器的微处理器5，所述带模数转换器的微处理器5的驱动控制输出端与激发脉冲光源控制驱动单元6的输入端连接，所述带模数转换器的微处理器5用于将光电管及跨阻抗放大器4转换得到的荧光电信号进行解调运算处理，从而得到荧光指数时间衰减常数τ，并通过查询标准荧光指数时间衰减常数τ与环境物理量的核对表，得到实际待测的环境物理量。

上述技术方案中，所述荧光材料1.1安装在荧光光纤探头1顶端，所述荧光材料1.1为在被特定波长的激发光激发后，退激辐射分离波长的次生光波的材料。

上述技术方案中，所述脉冲激发光源2为LED光源。

一种根据上述新型荧光信号解调装置进行荧光解调的方法，它包括如下步骤：

步骤1：由激发脉冲光源控制驱动单元6控制的脉冲激发光源2发出规则的脉冲激发信号，该脉冲激发信号经过分光镜3全反射传输到聚光透镜7的一侧，并通过聚光透镜7聚光和光纤耦合器8耦合至荧光光纤探头1的荧光材料1.1部位；

步骤2：荧光材料1.1受脉冲激发信号激发，发出荧光受激信号，该荧光受激信号通过荧光光纤探头1及光纤耦合器8输送到聚光透镜的另一侧；

步骤3：上述荧光受激信号经过聚光透镜7聚焦后，通过分光镜3将荧光信号与被反射回的激发光脉冲分离，并将荧光信号传送至光电管及跨阻抗放大器4；

步骤4：光电管及跨阻抗放大器4将分离出来的荧光信号转换成荧光电信号；

步骤5：所述荧光电信号被送至带模数转换器的微处理器5进行分段积分采样，获得荧光电信号的分段采样数值，各分段采样的时间相等，一种典型的分段方式是将一个荧光信号顺序分成六段，荧光电信号的背景信号数值在荧光电信号完全衰减后测得，采样所用的时间与各分段采样的时间相同，上述分段采样的各时段数值分别减去荧光电信号的背景信号数值得到荧光衰减各个时段的荧光强度特征数值；

步骤6：采用多次连续采样脉冲，利用步骤5的方法获得多组荧光衰减各个时段的荧光强度特征数值，对荧光衰减每个时段的荧光强度特征数值取平均值；这样，由于高斯噪声导致的测量误差将显著降低，而完成快速自然对数算法计算的数目并没有改变；

还有一个改进是，仅需在若干连续的脉冲之后，一次性采集背景噪声补偿信号，这样减少了脉冲间的间隔，进一步提升了系统表现；

步骤7：在带模数转换器的微处理器5中，将步骤6中得到的荧光衰减每个时段的荧光强度特征值的平均值代入自定义非迭代快速自然对数函数中，计算相应的自然对数函数值；自然对数函数是对荧光指数时间衰减函数等式两边分别取自然对数得到的，此时，所得是关于时间变量t的一次直线方程，其斜率由荧光指数时间衰减常数τ决定；

步骤8：在带模数转换器的微处理器5中，采用最小二乘法对步骤7中得到的自然对数函数值拟合求得荧光指数时间衰减常数τ；(最小二乘法对自然对数函数值拟合的过程见高等教育出版社，徐勇勇主编，医学统计学，2001年2月出版，第7章)

步骤9：在带模数转换器的微处理器5中，调取现有的通过实验获得的标准荧光指数时间衰减常数τ与环境物理量的核对表，将步骤8中得到的荧光衰减常数τ与该核对表中的现有的标准荧光指数时间衰减常数τ值进行对比，当步骤8中得到的荧光指数时间衰减常数τ在上述核对表中有相同的标准荧光指数时间衰减常数τ值对应时，该标准荧光指数时间衰减常数τ值在上述核对表中对应的环境物理量即为实际待测的环境物理量；当步骤8中得到的荧光指数时间衰减常数τ夹在上述核对表中相邻的两个标准荧光指数时间衰减常数τ值之间时，采用线性内插值法得出相应的实际待测的环境物理量；当步骤8中得到的荧光指数时间衰减常数τ在上述核对表中所有标准荧光指数时间衰减常数τ值之外时，采用线性外推值法得出相应的实际待测的环境物理量，最后完成待测环境物理量的输出。

上述技术方案的步骤7中，所述自定义非迭代快速自然对数函数为有限项幂级数展开式近似代替自然对数函数；

其中，当-1＜x＜1时，ln(1+x)≈x-x²/2(1)

误差＜1/3︱x³︱；

当1＜x＜2时，设y＝x‐1.5，有

ln(x)＝0.4054651+(0.6666667+(‐0.2222222+(0.0987654+(‐0.0493827+(0.0263374+(‐0.0146319+(0.008361+(‐0.0048773+(0.0028903+(‐0.001734+(0.00105*y)*y)*y)*y)*y)*y)*y)*y)*y)*y)*y)*y(2)

其中，x为荧光衰减每个时段的荧光强度特征值的平均值，y为公式2计算得到的相应自然对数函数值，自然对数函数是对荧光指数时间衰减函数等式两边分别取自然对数得到的。

公式(2)仅通过12次加法及12次乘法，即可达到最大误差小于2.3E‐07的计算结果，E为欧拉常数，公式(2)确保每次计算周期中，始终使用固定次数的运算处理。

亦即，用一个非迭代的自定义函数，为减少运算时间，它只产生期望达到的计算精度。举例来说，以上非迭代函数计算的是自然对数，仅使用有限次加法和乘法关系即可达到足够的计算精度。

上述公式(1)和(2)可以直接采用汇编语言以取得最高的计算速率。

而更进一步的优势，是当在单个微处理器上处理多个传感通道信息时，能够精确地为微处理器规划中断时间。

上述技术方案中，所述现有的荧光指数时间衰减常数τ与环境物理量的核对表为荧光指数时间衰减常数τ与温度的核对表，或荧光指数时间衰减常数τ与湿度的核对表，或荧光指数时间衰减常数τ与气压的核对表，或荧光指数时间衰减常数τ与气体浓度的核对表；荧光光纤探头1为对应的荧光光纤温度探头或荧光光纤湿度探头或荧光光纤气压探头或荧光光纤气体浓度探头等。

上述技术方案中，所述步骤5中，荧光衰减每个采样时段的时间相等，每个时段内所采集到的荧光强度数值的样本数相等。通过增加统计窗口的数量，可获得更好的计算精度。

所述步骤9中，对于线性内插值法和线性外推值法，使用与步骤7相同的快速自然对数计算法，将荧光时间衰减常数从对数关系转变至线性关系。

图3所示的时间指数衰减曲线为一个在脉冲光源激发导致的荧光信号被激活后，被带模数转换器的微处理器5获取的真实的荧光时间衰减信号图示。该信号与理想的指数曲线比较，相差了一个随机起伏的噪声分量，并包括了背景信号的直流分量。我们将采样窗口“A”至“F”分为等分的时间段，这是获取荧光衰减信号的采样区间。采集窗口“G”为在荧光信号衰减为“0”时的背景噪声信号采样区间。

I_(t)＝I₀e^-t/τ

其中，I_(t)表示时间t时的荧光强度值,I₀表示t＝0时的荧光强度值，e表示欧拉(Euler)自然常数，t表示时间，τ表示荧光指数时间衰变常数。

图3-1所示荧光时间衰减曲线各点的自然对数与时间的函数曲线图，显然，该图呈直线。

I(t)＝I₀e^-t/τ,等式两边取自然对数：lnI(t)＝lnI₀-t/τ，若令y＝lnI(t),lnI₀＝a,即:y＝a-t/τ，是时间t的直线方程，其中a是t＝0时的荧光强度值的对数，为某一常量，直线斜率取决于τ为(-1/τ)。

本发明的更深一个层次，是运用集成的检测与计算技术，预先统计一系列的数据点数据，再执行自然对数运算。就图3而言，我们将指数衰减曲线的可用部分，分割成了由A直到F的多重求和(集成)窗口，它们有着一样的时间域宽度。积分分别代表各窗口的曲线面积，通过带模数转换器的微处理器5采样数据总和计算。背景信号代表DC(直流)偏移，由带模数转换器的微处理器5在窗口区域G采样数据总和计算得到，在这一区间实质上已经没有荧光信号的影响了。这样，最终的自然对数是通过从集成窗口A到F的检测信号，分别减去从窗口G取得的背景信号之后再计算获得的。

在本例中，用这种方法建立了上述A～F六个数据点，通过线性回归技术来计算斜率。由于在每一个集成窗口整合数据，使异常测量的误差被平均掉，信号噪声的影响被显著地降低。此外，由于多重数据点被用于回归拟合，对于非理想的荧光衰减曲线的时间衰减常数能够更精确地被确定。

显然，最少的计算曲线拟合点数是2个，因此需要最少3个合计窗口。通常采用6个点即可确保在非理想的指数衰减曲线情况下，获得精确的衰减时间常数。增加统计窗口的数量，可以获得更好的计算精度，但同时应使执行快速自然对数计算的微处理器的负担最小化。

更深一层改进是在进行快速自然对数计算之前，利用多次连续采样脉冲，对上述每一个采样窗口取得平均数值。这样，由于高斯噪声导致的测量误差将显著降低，而完成的快速自然对数算法计算的数目并没有改变。

还有一个改进是，仅需在若干连续的脉冲之后，一次性采集背景噪声补偿信号。这样减少了脉冲间的间隔，进一步提升了系统表现。

可将以上过程用图3-2信号时序图表示。

在上述步骤9中，本发明另一个进步是，使用一个业已确定校准值的对照表，储存在微处理器的内存中，用来计算环境物理参数值。如图4所示，通过例举方式，荧光材料的荧光时间衰减常数，在对数刻度上与温度变化呈线性比例关系。这意味着对于线性内插法和线性外推法，能够使用与步骤7相同的快速自然对数计算法，将荧光时间衰减常数从对数关系转变至线性关系，因此可以用简单的线性内插法和线性外推法获得被测物理参数。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种利用新型荧光信号解调装置进行荧光解调的方法，新型荧光信号解调装置包括端部安装有荧光材料(1.1)的荧光光纤探头(1)、用于发出脉冲激发信号的脉冲激发光源(2)、用于控制脉冲激发光源(2)的激发脉冲光源控制驱动单元(6)、用于反射脉冲激发信号以及将荧光信号与脉冲激发信号分离的分光镜(3)、用于对脉冲激发信号、荧光受激信号进行聚焦的聚光透镜(7)、用于荧光光纤探头(1)与聚光透镜(7)之间光传输的光纤耦合器(8)、用于将分离出来的荧光信号转换成荧光电信号的光电管及跨阻抗放大器(4)，它还包括带模数转换器的微处理器(5)，所述带模数转换器的微处理器(5)的驱动控制输出端与激发脉冲光源控制驱动单元(6)的输入端连接，所述带模数转换器的微处理器(5)用于将光电管及跨阻抗放大器(4)转换得到的荧光电信号进行解调运算处理，从而得到荧光指数时间衰减常数τ，并通过查询标准荧光指数时间衰减常数τ与环境物理量的核对表，得到实际待测的环境物理量；

利用上述新型荧光信号解调装置进行荧光解调的方法，包括如下步骤：步骤1：由激发脉冲光源控制驱动单元(6)控制的脉冲激发光源(2)发出规则的脉冲激发信号，该脉冲激发信号经过分光镜(3)全反射传输到聚光透镜(7)的一侧，并通过聚光透镜(7)聚光和光纤耦合器(8)耦合至荧光光纤探头(1)的荧光材料(1.1)部位；

步骤2：荧光材料(1.1)受脉冲激发信号激发，发出荧光受激信号，该荧光受激信号通过荧光光纤探头(1)及光纤耦合器(8)输送到聚光透镜(7)的另一侧；

步骤3：上述荧光受激信号经过聚光透镜(7)聚焦后，通过分光镜(3)将荧光信号与被反射回的激发光脉冲分离，并将荧光信号传送至光电管及跨阻抗放大器(4)；

步骤4：光电管及跨阻抗放大器(4)将分离出来的荧光信号转换成荧光电信号；

步骤5：所述荧光电信号被送至带模数转换器的微处理器(5)进行分段积分采样，获得荧光电信号的分段采样数值，各分段采样的时间相等；荧光电信号的背景信号数值在荧光电信号完全衰减后测得，采样所用的时间与各分段采样的时间相同，上述分段采样的各时段数值分别减去荧光电信号的背景信号数值得到荧光衰减各个时段的荧光强度特征数值；

步骤6：采用多次连续采样脉冲，利用步骤5的方法获得多组荧光衰减各个时段的荧光强度特征数值，对荧光衰减每个时段的荧光强度特征数值取平均值；

步骤7：在带模数转换器的微处理器(5)中，将步骤6中得到荧光衰减每个时段的荧光强度特征值的平均值代入自定义非迭代快速自然对数函数中，计算相应的自然对数函数值；自然对数函数是对荧光指数时间衰减函数等式两边分别取自然对数得到的，此时，所得是关于时间变量t的一次直线方程，其斜率由荧光指数时间衰减常数τ决定；所述自定义非迭代快速自然对数函数为有限项幂级数展开式近似代替自然对数函数；

步骤8：在带模数转换器的微处理器(5)中，采用最小二乘法对步骤7中得到的自然对数函数值拟合求得荧光指数时间衰减常数τ；

步骤9：在带模数转换器的微处理器(5)中，调取现有的通过实验获得的标准荧光指数时间衰减常数τ与环境物理量的核对表，将步骤8中得到的荧光指数时间衰减常数τ与该核对表中的现有的标准荧光指数时间衰减常数τ值进行对比，当步骤8中得到的荧光指数时间衰减常数τ在上述核对表中有相同的标准荧光指数时间衰减常数τ值对应时，该标准荧光指数时间衰减常数τ值在上述核对表中对应的环境物理量即为实际待测的环境物理量；当步骤8中得到的荧光指数时间衰减常数τ夹在上述核对表中相邻的两个标准荧光指数时间衰减常数τ值之间时，采用线性内插值法得出相应的实际待测的环境物理量；当步骤8中得到的荧光指数时间衰减常数τ在上述核对表中所有标准荧光指数时间衰减常数τ值之外时，采用线性外推值法得出相应的实际待测的环境物理量，最后完成待测环境物理量的输出。

2.根据权利要求1所述的荧光解调的方法，其特征在于：所述荧光材料(1.1)安装在荧光光纤探头(1)顶端，所述荧光材料(1.1)为在被特定波长的激发光激发后，退激辐射分离波长的次生光波的材料。

3.根据权利要求1或2所述的荧光解调的方法，其特征在于：所述脉冲激发光源(2)为LED光源。

4.根据权利要求1所述的荧光解调的方法，其特征在于：步骤7中，所述自定义非迭代快速自然对数函数为有限项幂级数展开式近似代替自然对数函数；

其中，当-1＜x＜1时，ln(1+x)≈x-x²/2(1)

误差＜1/3︱x³︱；

当1＜x＜2时，设y＝x‐1.5，有

ln(x)＝0.4054651+(0.6666667+(‐0.2222222+(0.0987654+(‐0.0493827+(0.0263374+(‐0.0146319+(0.008361+(‐0.0048773+(0.0028903+(‐0.001734+(0.00105*y)*y)*y)*y)*y)*y)*y)*y)*y)*y)*y)*y(2)

其中，x为荧光衰减每个时段的荧光强度特征值的平均值，y为公式2计算得到的相应自然对数函数值，自然对数函数是对荧光指数时间衰减函数等式两边分别取自然对数得到的。

5.根据权利要求1所述的荧光解调的方法，其特征在于：所述现有的荧光指数时间衰减常数τ与环境物理量的核对表为荧光指数时间衰减常数τ与温度的核对表，或荧光指数时间衰减常数τ与湿度的核对表，或荧光指数时间衰减常数τ与气压的核对表，或荧光指数时间衰减常数τ与气体浓度的核对表；荧光光纤探头(1)为对应的荧光光纤温度探头或荧光光纤湿度探头或荧光光纤气压探头或荧光光纤气体浓度探头。

6.根据权利要求1所述的荧光解调的方法，其特征在于：所述步骤5中，荧光衰减每个采样时段的时间相等，每个时段内所采集到的荧光强度数值的样本数相等。

7.根据权利要求1所述的荧光解调的方法，其特征在于：所述步骤9中，对于线性内插值法和线性外推值法，使用与步骤7相同的快速自然对数计算法，将荧光时间衰减常数从对数关系转变至线性关系。