CN106770146A - 一种生物气溶胶本征荧光峰值波长检测系统及其检测方法 - Google Patents

一种生物气溶胶本征荧光峰值波长检测系统及其检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种生物气溶胶本征荧光峰值波长检测系统，包括二维旋转平台，二维旋转平台上设有支架，支架上沿水平方向依次设有若干分光镜片，二维旋转平台依次连接主控制系统、数据采集系统、放大电路及光电探测器，二维旋转平台还连接上位机。本发明还公开了上述检测系统的检测方法，本发明能够大大减少分光片的更换时间和降低人为操作产生的偏差，并实现荧光峰值波长的自动确定。

Description

一种生物气溶胶本征荧光峰值波长检测系统及其检测方法
技术领域
本发明属于激光诱导荧光雷达主动遥感技术领域，具体涉及一种生物气溶胶本征荧光峰值波长检测系统，还涉及上述检测系统的检测方法。
背景技术
在荧光激光雷达系统信号接收中，需对回波信号中的荧光信号进行分光提取，由于激光诱导荧光波长的不确定性，对荧光信号提取调试时，往往需要频繁的更换分光片；更换的过程中，由于人为操作等原因，容易产生光路偏差及分光片损伤，从而导致荧光信号不能正确的被探测器接收。而且随着波长分辨率的进一步增加，分光片的更换频率也会随之增加，受实验环境条件的限制，不能人为的频繁换取分光片。因此，为了能快速、准确和高效且不影响实验环境的情况下对荧光峰值波长进行检测，成为一个需要重点解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种生物气溶胶本征荧光峰值波长检测系统，能够大大减少分光片的更换时间和降低人为操作产生的偏差，并实现荧光峰值波长的自动确定。
本发明的另一个目的在于提供上述检测系统的检测方法。
本发明所采用的第一种技术方案是，一种生物气溶胶本征荧光峰值波长检测系统，包括二维旋转平台，二维旋转平台上设有支架，支架上沿水平方向依次设有若干分光镜片，二维旋转平台依次连接主控制系统、数据采集系统、放大电路及光电探测器，二维旋转平台还连接上位机。
本发明第一种技术方案的特点还在于，
所述光电探测器通过光电倍增管实现探测，数据采集系统通过数据采集卡实现数据采集，主控制系统中包括ARM或DSP微处理器。
本发明所采用的第二种技术方案是，一种生物气溶胶本征荧光峰值波长检测方法，具体包括如下步骤：
步骤1，令分光镜片的个数为N，将每个分光镜片标记为Mi，将二维旋转平台顺时针转动的位置记为Pj；
步骤2，将二维旋转平台的初始位置记为P1，j＝1，初始位置P1处的第M1个分光镜片，i＝1将荧光信号分离、提取并反射进入光电探测器，光电探测器将接收到的荧光信号转换为电信号发送给放大电路，放大电路将电信号进行放大处理后发送给数据采集系统，数据采集系统对放大后的电信号进行采集得到荧光信号电压值Vy，y＝1，电压值Vy存储在数据采集系统中；
步骤3，主控制系统控制二维旋转平台在上一步骤位置的基础上顺时针进一个位移量，二维旋转平台的位置记为Pj+1，此时Pj+1位置处的第Mi+1个分光镜片将荧光信号分离、提取并反射进入光电探测器，光电探测器将接收到的荧光信号转换为电信号发送给放大电路，放大电路将电信号进行放大处理后发送给数据采集系统，数据采集系统对放大后的电信号进行采集得到荧光信号电压值Vy+1，电压值Vy+1存储在数据采集系统中；
步骤4，令j+1＝j、i+1＝i、y+1＝y，主控制系统控制二维旋转平台在上一步骤位置的基础上顺时针进一个位移量，此时二维旋转平台的位置记为Pj+1，此时Pj+1位置处的第Mi+1个分光镜片将荧光信号分离、提取并反射进入光电探测器，光电探测器将接收到的荧光信号转换为电信号发送给放大电路，放大电路将电信号进行放大处理后发送给数据采集系统，数据采集系统对放大后的电信号进行采集得到荧光信号电压值Vy+1，电压值Vy+1存储在数据采集系统中；
步骤5，重复执行步骤4，直至第MN个分光镜片将荧光信号分离、提取并反射进入光电探测器，光电探测器将接收到的荧光信号转换为电信号发送给放大电路，放大电路将电信号进行放大处理后发送给数据采集系统，数据采集系统对放大后的电信号进行采集得到荧光信号电压值VN，电压值VN存储在数据采集系统中；
步骤6，将存储在数据采集系统中的N个荧光信号电压值进行比较，得到最大电压值Vmax，根据最大电压值Vmax确定分光镜片在二维旋转平台上的相应位置Pmax；
步骤7，主控制系统控制二维旋转平台逆时针转动，使二维旋转平台转动到最大电压值Vmax的分光镜片位置Pmax，此时，位置Pmax对应的分光镜片的波长即为生物气溶胶荧光峰值波长。
本发明的有益效果是：本发明借鉴了光电倍增管重量轻、结构紧凑和光电转换效率高的特点、提出利用数据采集卡对电压值进行数值采集和进行差值比较的方法，采用精密旋转轴承对分光镜片自动、快速更换的方法，实现对生物气溶胶本征荧光信号准确提取及荧光峰值波长的自动确定，以解决由于人为操作等的原因，使光路产生偏差及分光片损伤，从而导致荧光信号不能正确的被探测器接收的问题，最终实现在不影响实验环境的情况下对荧光信号进行分离提取并确定其荧光峰值波长。该系统结构紧凑、性能稳定、成本低，为提高生物气溶胶荧光信号分离、提取及荧光峰值波长确定提供了一种全新的解决方案。
附图说明
图1是本发明一种生物气溶胶本征荧光峰值波长检测系统的结构示意图；
图2是本发明一种生物气溶胶本征荧光峰值波长检测系统中分光镜片对荧光信号分光的示意图。
图中，1.分光镜片，2.支架，3.二维旋转平台，4.光电探测器，5.放大电路，6.数据采集系统，7.主控制系统，8.上位机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种生物气溶胶本征荧光峰值波长检测系统，结构如图1所示，包括二维旋转平台3，二维旋转平台3上设有支架2，支架2上沿水平方向依次设有若干分光镜片1，二维旋转平台3依次连接主控制系统7、数据采集系统6、放大电路5及光电探测器4，二维旋转平台3还连接上位机8。
光电探测器4通过光电倍增管实现探测，数据采集系统6通过数据采集卡实现数据采集，主控制系统7中包括ARM或DSP微处理器。
采用上述检测系统进行的生物气溶胶本征荧光峰值波长检测方法，具体包括如下步骤：
步骤1，令分光镜片1的个数为N，将每个分光镜片1标记为Mi，将二维旋转平台3顺时针转动的位置记为Pj(相应有N个Pj)；
步骤2，将二维旋转平台3的初始位置记为P1，j＝1，初始位置P1处的第M1个分光镜片1，i＝1将荧光信号分离、提取并反射进入光电探测器4(激光雷达发射的激光束与大气中的生物气溶胶颗粒相互作用，产生后向散射回波信号及荧光信号被激光雷达系统接收后，射向分光镜片1)，光电探测器4将接收到的荧光信号转换为电信号发送给放大电路5，放大电路5将电信号进行放大处理后发送给数据采集系统6，数据采集系统6对放大后的电信号进行采集得到荧光信号电压值Vy，y＝1，电压值Vy存储在数据采集系统6中；
步骤3，主控制系统7控制二维旋转平台3在上一步骤位置的基础上顺时针进一个位移量，二维旋转平台3的位置记为Pj+1，此时Pj+1位置处的第Mi+1个分光镜片1将荧光信号分离、提取并反射进入光电探测器4，光电探测器4将接收到的荧光信号转换为电信号发送给放大电路5，放大电路5将电信号进行放大处理后发送给数据采集系统6，数据采集系统6对放大后的电信号进行采集得到荧光信号电压值Vy+1，电压值Vy+1存储在数据采集系统6中；
步骤4，令j+1＝j、i+1＝i、y+1＝y，主控制系统7控制二维旋转平台3在上一步骤位置的基础上顺时针进一个位移量，此时二维旋转平台3的位置记为Pj+1，此时Pj+1位置处的第Mi+1个分光镜片将荧光信号分离、提取并反射进入光电探测器4，光电探测器4将接收到的荧光信号转换为电信号发送给放大电路5，放大电路5将电信号进行放大处理后发送给数据采集系统6，数据采集系统6对放大后的电信号进行采集得到荧光信号电压值Vy+1，电压值Vy+1存储在数据采集系统6中；
步骤5，重复执行步骤4，直至第MN个分光镜片1将荧光信号分离、提取并反射进入光电探测器4，光电探测器4将接收到的荧光信号转换为电信号发送给放大电路5，放大电路5将电信号进行放大处理后发送给数据采集系统6，数据采集系统6对放大后的电信号进行采集得到荧光信号电压值VN(电压值的个数与分光镜片1的个数相同)，电压值VN存储在数据采集系统中；
步骤6，将存储在数据采集系统6中的N个荧光信号电压值进行比较，得到最大电压值Vmax，根据最大电压值Vmax确定分光镜片1在二维旋转平台3上的相应位置Pmax；
步骤7，主控制系统7控制二维旋转平台3逆时针转动，使二维旋转平台3转动到最大电压值Vmax的分光镜片1位置Pmax，此时，位置Pmax对应的分光镜片1的波长即为生物气溶胶荧光峰值波长。
本发明一种生物气溶胶本征荧光峰值波长检测系统的原理为：在同一激光的诱导下，不同类型的生物气溶胶粒子，产生的荧光峰值波长存在较大差异。如不能准确的了解荧光波长，在对荧光分光时，需要反复更换分光镜片，直至将荧光信号分离。尤其在多种生物气溶胶的情况下，如需分离出某一探测目标的荧光信号，则要更换更多的分光镜片进行实验。此外，在系统分光的过程中，只有在荧光进入光电倍增管的情况下，才能够产生电信号；然而，由于分光镜片本身具有反射光的能力，在实验的过程中，当没有生物气溶胶粒子荧光信号反射进入光电倍增管时，仍存在少部分非生物气溶胶粒子荧光的光信号进入光电倍增管，从而产生微弱的电信号偏差，所以，需对1至N个分光镜片分离出的光信号所产生的电压值进行逐一比较。
首先，生物气溶胶荧光强度为：
式中，E0为激光输出脉冲能量，c为光速，A0为望远镜接收面积，z为探测距离，α为大气消光系数，λ1为激发波长，λ2为荧光波长，ξ(R)为几何重叠因子，η0为光学系统对荧光波长的接收效率，S为荧光非弹性散射的有效截面积，Δλ为滤光片带宽，N(z)为生物气溶胶粒子数密度。
荧光经过分光镜片反射进入光电倍增管，光电倍增管对进入的荧光信号进行光电转换，得到电流信号：
式中，ηpmt为光电探测器的探测效率，e为电子电荷，h为普朗克常数，电流信号经过运放电路处理，得到电压值：
Vs＝is·R (3)；
最后，数据采集卡对各分光镜片反射的荧光信号产生的电压值V1、V2、….VN数据进行采集、处理及差值比较得到荧光信号最大电压值Vmax。
附图2中，分光镜片1直径为250mm，反射率95％；分光镜片1与回波光路成45度夹角，荧光反射光路与回波光路成90度直角。

Claims (3)

1.一种生物气溶胶本征荧光峰值波长检测系统，其特征在于：包括二维旋转平台(3)，二维旋转平台(3)上设有支架(2)，支架(2)上沿水平方向依次设有若干分光镜片(1)，二维旋转平台(3)依次连接主控制系统(7)、数据采集系统(6)、放大电路(5)及光电探测器(4)，二维旋转平台(3)还连接上位机(8)。
2.根据权利要求1所述的一种生物气溶胶本征荧光峰值波长检测系统，其特征在于：所述光电探测器(4)通过光电倍增管实现探测，数据采集系统(6)通过数据采集卡实现数据采集，所述主控制系统(7)中包括ARM或DSP微处理器。
3.一种生物气溶胶本征荧光峰值波长检测方法，其特征在于：采用一种生物气溶胶本征荧光峰值波长检测系统，包括二维旋转平台(3)，二维旋转平台(3)上设有支架(2)，支架(2)上沿水平方向依次设有若干分光镜片(1)，二维旋转平台(3)依次连接主控制系统(7)、数据采集系统(6)、放大电路(5)及光电探测器(4)，二维旋转平台(3)还连接上位机(8)；
所述光电探测器(4)通过光电倍增管实现探测，数据采集系统(6)通过数据采集卡实现数据采集，所述主控制系统(7)中包括ARM或DSP微处理器；
具体包括如下步骤：
步骤1，令分光镜片(1)的个数为N，将每个分光镜片(1)标记为Mi，将二维旋转平台(3)顺时针转动的位置记为Pj；
步骤2，将二维旋转平台(3)的初始位置记为P1，j＝1，初始位置P1处的第M1个分光镜片(1)，i＝1将荧光信号分离、提取并反射进入光电探测器(4)，光电探测器(4)将接收到的荧光信号转换为电信号发送给放大电路(5)，放大电路(5)将电信号进行放大处理后发送给数据采集系统(6)，数据采集系统(6)对放大后的电信号进行采集得到荧光信号电压值Vy，y＝1，电压值Vy存储在数据采集系统(6)中；
步骤3，主控制系统(7)控制二维旋转平台(3)在上一步骤位置的基础上顺时针进一个位移量，二维旋转平台(3)的位置记为Pj+1，此时Pj+1位置处的第Mi+1个分光镜片(1)将荧光信号分离、提取并反射进入光电探测器(4)，光电探测器(4)将接收到的荧光信号转换为电信号发送给放大电路(5)，放大电路(5)将电信号进行放大处理后发送给数据采集系统(6)，数据采集系统(6)对放大后的电信号进行采集得到荧光信号电压值Vy+1，电压值Vy+1存储在数据采集系统(6)中；
步骤4，令j+1＝j、i+1＝i、y+1＝y，主控制系统(7)控制二维旋转平台(3)在上一步骤位置的基础上顺时针进一个位移量，此时二维旋转平台(3)的位置记为Pj+1，此时Pj+1位置处的第Mi+1个分光镜片将荧光信号分离、提取并反射进入光电探测器(4)，光电探测器(4)将接收到的荧光信号转换为电信号发送给放大电路(5)，放大电路(5)将电信号进行放大处理后发送给数据采集系统(6)，数据采集系统(6)对放大后的电信号进行采集得到荧光信号电压值Vy+1，电压值Vy+1存储在数据采集系统(6)中；
步骤5，重复执行步骤4，直至第MN个分光镜片(1)将荧光信号分离、提取并反射进入光电探测器(4)，光电探测器(4)将接收到的荧光信号转换为电信号发送给放大电路(5)，放大电路(5)将电信号进行放大处理后发送给数据采集系统(6)，数据采集系统(6)对放大后的电信号进行采集得到荧光信号电压值VN，电压值VN存储在数据采集系统(6)中；
步骤6，将存储在数据采集系统(6)中的N个荧光信号电压值进行比较，得到最大电压值Vmax，根据最大电压值Vmax确定分光镜片(1)在二维旋转平台(3)上的相应位置Pmax；
步骤7，主控制系统(7)控制二维旋转平台(3)逆时针转动，使二维旋转平台(3)转动到最大电压值Vmax的分光镜片(1)位置Pmax，此时，位置Pmax对应的分光镜片(1)的波长即为生物气溶胶荧光峰值波长。
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