CN106290271A - 一种基于正交m序列调制的离散三维荧光光谱快速测量方法及测量系统 - Google Patents

Abstract

一种基于正交m序列调制的离散三维荧光光谱快速测量方法及测量系统，该方法采用5个分别经5个正交伪随机序列调制且不同波长LED作为激发光源，采用5个探测器分别探测5个不同波长的荧光，测量时5个不同波长LED同时激发，5个探测器同时探测，经过一次激发过程，即可测量得到每个激发波长激发产生的5个不同波长的荧光信号序列，实现5激发/5发射波长同时测量，该系统包括正交m序列发生单元、光源驱动单元、LED光源阵列、样品池、多通道荧光探测单元、数据采集单元及数据处理与分析单元。本发明利用正交m序列的自相关特性和正交性，能够实现多激发/发射波长同时测量，有效克服流动或者悬浮被测对象的测量偏差，并快速准确计算离散三维荧光光谱。

Description

一种基于正交m序列调制的离散三维荧光光谱快速测量方法 及测量系统

技术领域：

本发明属于环境监测技术与分析技术领域，具体讲是一种基于正交m序列调制的离散三维荧光光谱快速测量方法及测量系统。

背景技术：

三维荧光光谱是近几十年发展起来的一种新的荧光分析技术，相较于普通的发射光谱或激发光谱等二维荧光光谱，三维荧光光谱是激发波长和发射波长的二元函数，该技术的优点在于能够获得激发波长与发射波长同时变化时的荧光强度信息，可以提供在普通的发射或激发谱中所得不到的信息，具有很高的选择性。

三维荧光可通过荧光分光光度计、荧光光谱仪等获得，但这些分析方法均需进行采样后进行实验室分析，无法满足现场实时在线测量的需要。离散三维荧光光谱是根据被测物光谱特征，选取若干特定激发/发射波长进行测定得到的光谱。实际测量中仅需要若干激发波长和发射波长，能够实现现场实时在线测量。

目前对于离散三维荧光的研究多集中于算法分析，即从普通三维荧光光谱中选取若干激发/发射波长进行算法研究，在测量方法和技术方面研究较少。目前存在的一种离散三维荧光光谱测量装置是采用若干LED作为离散激发光源，接收端采用滤光片轮进行不同发射波长的切换。对于流动或悬浮的被测对象，该测量方法存在一定的局限性，因为滤光片轮的转动需要一定的时间，在这期间被测对象的状态已经发生了变化，从而使得获取的离散三维荧光光谱发生了偏差，无法准确反映被测对象的状态。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是，提供一种基于正交m序列调制的离散三维荧光光谱快速测量方法及测量系统，该测量方法和及测量系统利用正交m序列的自相关特性和正交性，能够实现多激发/发射波长同时测量，即通过一次激发/发射过程，即可获取离散三维荧光光谱，有效克服流动或者悬浮被测对象的测量偏差，并快速准确计算离散三维荧光光谱。该方法与系统既可应用于实验室，也可实现对流动水体等介质的离散三维荧光光谱现场实时在线测量。

本发明的技术解决方案是，提供一种基于正交m序列调制的离散三维荧光光谱快速测量方法，该方法包括以下内容：

①在激发端，采用5个不同波长的LED作为激发光源，每个LED采用一个m序列进行调制，且5个m序列相互正交；

②5个经调制的LED激发样品，诱导产生分别与5个LED对应的调制荧光光谱序列；

③在发射端，选取λ₁，λ₂，λ₃，λ₄，λ₅5个发射波长，分别由探测器APD₁，APD₂，APD₃，APD₄，APD₅完成探测，波长的选择通过窄带滤光片实现；

④探测器APD_i探测到的荧光信号序列F_i是由5个LED激发光源激发产生的、波长为λ_i的荧光信号序列之和，其中i∈(1,2,3,4,5)。

F_i＝S_f1(λ_i)+S_f2(λ_i)+S_f3(λ_i)+S_f4(λ_i)+S_f5(λ_i) (1)

其中，在式(1)中，S_f1(λ_i)，S_f2(λ_i)，S_f3(λ_i)，S_f4(λ_i)，S_f5(λ_i)分别为由5个不同波长的LED激发产生的波长为λ_i的荧光信号序列，i∈(1,2,3,4,5)，通过解析F_i，可获得S_f1(λ_i)，S_f2(λ_i)，S_f3(λ_i)，S_f4(λ_i)，S_f5(λ_i)，i∈(1,2,3,4,5)；

⑤对5个正交m序列S₁～S₅进行移相，使之分别与LED激发光源诱导产生的荧光信号序列S_f1(λ_i)，S_f2(λ_i)，S_f3(λ_i)，S_f4(λ_i)，S_f5(λ_i)同步；

⑥最后采用矩阵式计算方式，将荧光信号序列F_i与m序列进行互相关运算，求出各荧光序列的荧光强度，获得5激发/5发射波长离散三维荧光光谱。

采用上述方法后，与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明测量方法利用正交m序列良好的自相关性和正交性，实现多波长激发/发射光谱同时测量，有效克服流动或者悬浮被测对象的测量偏差。本发明测量方法既可应用于实验室，也可实现对流动水体等介质的离散三维荧光光谱现场实时在线测量。

优选地，矩阵式计算方式可以荧光信号序列F₁～F₅组成列向量[F₁ F₂ F₃ F₄ F₅]^T，5个正交m序列(S₁～S₅)组成行向量[S₁ S₂ S₃ S₄ S₅]，二者相乘，最终得到5激发/5发射波长的离散三维荧光光谱。矩阵式计算方式不但简化了计算过程，而且实现快速准确地计算离散三维荧光光谱。

本发明还提供一种基于正交m序列调制的离散三维荧光光谱快速测量系统，该系统包括正交m序列发生单元、光源驱动单元、LED光源阵列、样品池、多通道荧光探测单元、数据采集单元以及数据处理与分析单元，正交m序列发生单元两端分别与光源驱动单元和数据采集单元连接，光源驱动单元与LED光源阵列连接，数据采集单元两端分别与多通道荧光探测单元和数据处理与分析单元连接，样品池两端分别与LED光源阵列和多通道荧光探测单元配合。该测量系统可以实现离散三维荧光光谱的快速准确获取，而且测量系统既可应用于实验室，也可实现对流动水体等介质的离散三维荧光光谱现场实时在线测量。

附图说明：

图1是m序列自相关函数示意图；

图2是本发明一种基于正交m序列调制的离散三维荧光光谱快速测量方法示意图；

图3是荧光发射波长λ₁测量示意图；

图4是本发明一种基于正交m序列调制的离散三维荧光光谱快速测量系统原理框图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明一种基于正交m序列调制的离散三维荧光光谱快速测量方法及测量系统作进一步说明：

一、一种基于正交m序列调制的离散三维荧光光谱快速测量方法

(1)m序列的自相关特性

如图1所示，m序列具有非常好的自相关特性，其自相关函数具有典型的二值性，近似δ(τ)函数。具体特性如下：

自相关函数：

(2)正交m序列产生

对于两个周期为N的序列，如果这两个序列的同相周期互相关值为0，则称这两个序列是正交的。

多种方法可以得到正交序列集，本发明中采用移位正交m序列。具体实现方法为：码长为N的m序列在一个周期内每次循环移位C个码片构成一个移位m序列集，在每一个构造的移位m序列后，添加+1码元，得到一个新的序列集合，序列码长为N+1。当相位偏移量k＝0时，序列集合中各序列两两之间的互相关值为0，即得到一个移位正交m序列集合。

(3)离散三维荧光光谱测量方法

如图2所示，本发明一种基于正交m序列调制的离散三维荧光光谱快速测量方法包括以下内容：

①在激发端，采用5个不同波长的LED L₁、L₂、L₃、L₄、L₅作为激发光源，每个LED采用一个m序列进行调制，且5个m序列S₁、S₂、S₃、S₄、S₅相互正交；

②5个经调制的LED激发样品，诱导产生分别与5个LED L₁、L₂、L₃、L₄、L₅对应的调制荧光光谱序列S_f1、S_f2、S_f3、S_f4、S_f5；

③在发射端，选取λ₁，λ₂，λ₃，λ₄，λ₅5个发射波长，分别由探测器APD₁，APD₂，APD₃，APD₄，APD₅完成探测，波长的选择通过窄带滤光片实现；

④探测器APD_i探测到的荧光信号序列F_i是由5个LED激发光源L₁、L₂、L₃、L₄、L₅激发产生的、波长为λ_i的荧光信号序列之和，其中i∈(1,2,3,4,5)。

F_i＝S_f1(λ_i)+S_f2(λ_i)+S_f3(λ_i)+S_f4(λ_i)+S_f5(λ_i) (1)

其中，在式(1)中，S_f1(λ_i)，S_f2(λ_i)，S_f3(λ_i)，S_f4(λ_i)，S_f5(λ_i)分别为由5个不同波长的LEDL₁、L₂、L₃、L₄、L₅激发产生的波长为λ_i的荧光信号序列，i∈(1,2,3,4,5)，通过解析F_i，可获得S_f1(λ_i)，S_f2(λ_i)，S_f3(λ_i)，S_f4(λ_i)，S_f5(λ_i)，i∈(1,2,3,4,5)；

⑤对5个正交m序列S₁、S₂、S₃、S₄、S₅进行移相，使之分别与LED激发光源L₁、L₂、L₃、L₄、L₅诱导产生的荧光信号序列S_f1(λ_i)，S_f2(λ_i)，S_f3(λ_i)，S_f4(λ_i)，S_f5(λ_i)同步；

⑥最后采用矩阵式计算方式，将荧光信号序列F_i与m序列S₁、S₂、S₃、S₄、S₅进行互相关运算，求出各荧光序列的荧光强度，获得5激发/5发射波长离散三维荧光光谱。

在现有技术中，各荧光序列的荧光强度的计算方式如下：

首先，以获取荧光发射波长λ₁的离散激发谱为例，进行说明。如图3所示，发射波长λ₁的荧光信号序列F₁由APD₁测量得到。

F₁＝S_f1(λ₁)+S_f2(λ₁)+S_f3(λ₁)+S_f4(λ₁)+S_f5(λ₁) (2)

由于5个激发光源分别受正交m序列S₁～S₅调制，因此激发产生的荧光信号序列S_f1(λ₁)，S_f2(λ₁)，S_f3(λ₁)，S_f4(λ₁)，S_f5(λ₁)分别具有S₁～S₅的调制特性，即相互正交。S_f1(λ₁)，S_f2(λ₁)，S_f3(λ₁)，S_f4(λ₁)，S_f5(λ₁)可表示为：

S_f1(λ₁)＝A_1,1·S₁ (3)

S_f2(λ₁)＝A_2,1·S₂ (4)

S_f3(λ₁)＝A_3,1·S₃ (5)

S_f4(λ₁)＝A_4,1·S₄ (6)

S_f5(λ₁)＝A_5,1·S₅ (7)其中，A_j,1为荧光信号强度，下标j(j＝1,2,3,4,5)对应激发波长L₁～L₅，下标1对应发射波长λ₁。

将APD₁测得的荧光信号序列F₁与m序列S₁进行互相关运算，得：

$R_{S_{f1}\left({\mathrm{\λ}}_1\right),F_1}=R_{S_{f1}\left({\mathrm{\λ}}_1\right),S_1}+R_{S_{f2}\left({\mathrm{\λ}}_1\right),S_1}+R_{S_{f3}\left({\mathrm{\λ}}_1\right),S_1}+R_{S_{f4}\left({\mathrm{\λ}}_1\right),S_1}+R_{S_{f5}\left({\mathrm{\λ}}_1\right),S_1}---\left(8\right)$

由于S_f1(λ₁)，S_f2(λ₁)，S_f3(λ₁)，S_f4(λ₁)，S_f5(λ₁)相互正交，通过移相将S₁与S_f1(λ₁)调整至同步，则S₁与S_f2(λ₁)，S_f3(λ₁)，S_f4(λ₁)，S_f5(λ₁)分别正交，即有：

又有因此：

$\begin{array}{c}{R}_{S_{f1}\left({\mathrm{\λ}}_1\right),F_1}=A_{1,1}{R}_{S_1,S_1}+R_{S_{f2}\left({\mathrm{\λ}}_1\right),S_1}+R_{S_{f3}\left({\mathrm{\λ}}_1\right),S_1}+R_{S_{f4}\left({\mathrm{\λ}}_1\right),S_1}+R_{S_{f5}\left({\mathrm{\λ}}_1\right),S_1}\\ =A_{1,1}\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\τ}\right)\end{array}---\left(9\right)$

由(9)式可以看出，荧光信号序列F₁与m序列S₁互相关运算的结果与荧光信号强度A_1,1成正比，因此通过将荧光信号序列F₁与m序列S₁进行互相关运算，即可求出荧光信号序列S_f1(λ₁)的荧光强度A_1,1。

同理，将荧光信号序列F₁分别与m序列S₂，S₃，S₄，S₅进行互相关运算，即可分别求出荧光信号序列S_f2(λ₁)，S_f3(λ₁)，S_f4(λ₁)，S_f5(λ₁)的荧光强度A_2,1，A_3,1，A_4,1，A_5,1。由此，即可获取荧光发射波长λ₁的离散激发谱[A_1,1，A_2,1，A_3,1，A_4,1，A_5,1]。

以上是以发射波长λ₁为例，求得其离散激发谱[A_1,1，A_2,1，A_3,1，A_4,1，A_5,1]；采用同样过程，可求得发射波长λ_i(i∈(,2,3,4,5))对应的离散激发谱[A_1,i，A_2,i，A_3,i，A_4,i，A_5,i]。

但是，现有技术对各荧光序列的荧光强度计算的步骤比较繁琐。鉴于两个伪随机序列的互相关运算可通过序列相乘的方法实现，本发明提出了一种矩阵式计算方法，极大简化了计算过程，如式(10)所示，本发明提出的矩阵式计算方法是以荧光信号序列F₁～F₅组成列向量[F₁ F₂ F₃ F₄ F₅]^T，5个正交m序列S₁～S₅组成行向量[S₁ S₂ S₃ S₄ S₅]，二者相乘，即可得到5激发/5发射波长的离散三维荧光光谱。

$\left[\begin{array}{c}{F}_1\\ F_2\\ F_3\\ F_4\\ F_5\end{array}\right]\[\begin{array}{ccccc}{S}_1& S_2& S_3& S_4& S_5\end{array}\]=\left[\begin{array}{ccccc}{A}_{1,1}& A_{2,1}& A_{3,1}& A_{4,1}& A_{5,1}\\ A_{1,2}& A_{2,2}& A_{3,2}& A_{4,2}& A_{5,2}\\ A_{1,3}& A_{2,3}& A_{3,3}& A_{4,3}& A_{5,3}\\ A_{1,4}& A_{2,4}& A_{3,4}& A_{4,4}& A_{5,4}\\ A_{1,5}& A_{2,5}& A_{3,5}& A_{4,5}& A_{5,5}\end{array}\right]---\left(10\right)$

采用矩阵式计算方式不但能够简化计算过程，而且可以快速准确地计算离散三维荧光光谱。

二、一种基于正交m序列调制的离散三维荧光光谱快速测量系统

本发明基于正交m序列调制的离散三维荧光光谱快速测量方法可通过如图4所示的测量系统实现。该测量系统包括正交m序列发生单元1、光源驱动单元2、LED光源阵列3、样品池4、多通道荧光探测单元5、数据采集单元6以及数据处理与分析单元7。正交m序列发生单元1两端分别与光源驱动单元2和数据采集单元6连接，光源驱动单元2与LED光源阵列3连接，数据采集单元6两端分别与多通道荧光探测单元5和数据处理与分析单元7连接，样品池4两端分别与LED光源阵列3和多通道荧光探测单元5配合。

正交m序列发生单元1主要由FPGA组成，产生5个相互正交的m序列S₁～S₅。5个相互正交的m序列S₁～S₅有两方面作用：一是传送给光源驱动单元，分别调制L1～L5 5个波长LED；二是经数据采集单元采集后，送至数据处理与分析单元用于离散三维荧光光谱计算。

光源驱动单元2采用恒流源模式驱动LED阵列，该单元实现L₁至L₅ 5个波长LED的调制。

多通道荧光探测单元5由5个雪崩二极管探测器APD及相应的光电转换模块组成，探测器前面分别设置窄带滤光片，对应5个荧光发射波长λ₁～λ₅，发射波长根据被测物质特征选定。多通道荧光探测单元输出的荧光序列F₁～F₅经数据采集单元采集后送至数据处理与分析单元。

数据处理与分析单元6采用工控机，首先对5个正交m序列S₁～S₅进行移相，使之分别与L₁～L₅诱导产生的荧光信号序列S_f1(λ_i)，S_f2(λ_i)，S_f3(λ_i)，S_f4(λ_i)，S_f5(λ_i)同步，随后进行矩阵式计算，获得5激发/5发射波长离散三维荧光光谱。

以上所述的实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于正交m序列调制的离散三维荧光光谱快速测量方法，其特征在于：该测量方法包括以下内容：

①在激发端，采用5个不同波长的LED(L₁～L₅)作为激发光源，每个LED采用一个m序列进行调制，且5个m序列(S₁～S₅)相互正交；

②5个经调制的LED激发样品，诱导产生分别与5个LED(L₁～L₅)对应的调制荧光光谱序列(S_f1～S_f5)；

③在发射端，选取λ₁，λ₂，λ₃，λ₄，λ₅ 5个发射波长，分别由探测器APD₁，APD₂，APD₃，APD₄，APD₅完成探测，波长的选择通过窄带滤光片实现；

④探测器APD_i探测到的荧光信号序列F_i是由5个LED激发光源(L₁～L₅)激发产生的、波长为λ_i的荧光信号序列之和，其中i∈(1,2,3,4,5)。

F_i＝S_f1(λ_i)+S_f2(λ_i)+S_f3(λ_i)+S_f4(λ_i)+S_f5(λ_i) (1)

其中，在式(1)中，S_f1(λ_i)，S_f2(λ_i)，S_f3(λ_i)，S_f4(λ_i)，S_f5(λ_i)分别为由5个不同波长的LED(L₁～L₅)激发产生的波长为λ_i的荧光信号序列，i∈(1,2,3,4,5)，通过解析F_i，可获得S_f1(λ_i)，S_f2(λ_i)，S_f3(λ_i)，S_f4(λ_i)，S_f5(λ_i)，i∈(1,2,3,4,5)；

⑤对5个正交m序列(S₁～S₅)进行移相，使之分别与LED激发光源(L₁～L₅)诱导产生的荧光信号序列S_f1(λ_i)，S_f2(λ_i)，S_f3(λ_i)，S_f4(λ_i)，S_f5(λ_i)同步；

⑥最后采用矩阵式计算方式，将荧光信号序列F_i与m序列(S₁～S₅)进行互相关运算，求出各荧光序列的荧光强度，获得5激发/5发射波长离散三维荧光光谱。

2.根据权利要求1所述的基于正交m序列调制的离散三维荧光光谱快速测量方法，其特征在于：所述矩阵式计算方式是以荧光信号序列F₁～F₅组成列向量[F₁ F₂ F₃ F₄ F₅]^T，5个正交m序列(S₁～S₅)组成行向量[S₁ S₂ S₃ S₄ S₅]，二者相乘，最终得到5激发/5发射波长的离散三维荧光光谱。

3.一种基于正交m序列调制的离散三维荧光光谱快速测量系统，其特征在于：该系统包括正交m序列发生单元(1)、光源驱动单元(2)、LED光源阵列(3)、样品池(4)、多通道荧光探测单元(5)、数据采集单元(6)以及数据处理与分析单元(7)，所述正交m序列发生单元(1)两端分别与光源驱动单元(2)和数据采集单元(6)连接，所述光源驱动单元(2)与LED光源阵列(3)连接，所述数据采集单元(6)两端分别与多通道荧光探测单元(5)和数据处理与分析单元(7)连接，所述样品池(4)两端分别与LED光源阵列(3)和多通道荧光探测单元(5)配合。