CN111307327B - 用于红光激发荧光寿命解调温度的信号处理方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及荧光光纤温度传感检测技术，涉及一种用于红光激发荧光寿命解调温度的信号处理方法及系统，克服利用传统的方法解析红光激发荧光寿命，存在解析精度低、误差大的问题，包括采集数据、截取单个周期的红光激发荧光寿命信号、建立红光激发荧光寿命信号模型、获得消除红光激发荧光寿命背景信号及直流分量的红光激发荧光寿命信号强度I_m、获得最佳拟合段、求取荧光寿命及查表的过程，本发明能够降低红光激发荧光寿命背景信号对荧光寿命及温度解调精度的影响，并消除了直流分量对解调精度的影响，同时减小了非指数的影响。

Description

用于红光激发荧光寿命解调温度的信号处理方法及系统

技术领域

本发明涉及荧光光纤温度传感检测技术，具体涉及一种用于红光激发荧光寿命解调温度的信号处理方法及系统。

背景技术

荧光测温的基本原理是荧光物质在某一段温度范围内，它们的荧光寿命与温度表现出一定的相关性，因此可以通过测量计算不同温度下的荧光寿命来实现测量温度。根据电子跃迁原理，当光照射在荧光物质上时，其内部的电子获得能量从而从基态到激发态，从激发态返回基态放出的辐射能使荧光物质发出荧光，在激发光被移除后，荧光持续发射时间取决于激发态的寿命，最后的衰减曲线类似于指数衰减方式，衰减的时间常数即荧光寿命是温度的单值函数，通过对激发后产生的荧光的寿命进行检测，从而计算出相应的温度。

目前已有的激发光多为紫光激发，紫光激发通过光纤时能量衰减较大，而红光激发通过光纤时能量衰减较小。相同能量激发下，红光激发的荧光信号比紫光激发的荧光信号强。但是，红光激发也存在一定劣势，红光激发的荧光寿命短，不容易被检测到，一般只能达到微秒量级，而紫光激发的荧光寿命较长，一般可以达到毫秒量级。这样就造成红光激发荧光寿命波动较大，对应温度波动较大。因此对红光激发荧光寿命解析精度有着更高的要求。

同时，红光激发荧光寿命信号通过光电探测器得到，由于光电探测器存在一定的灵敏度，即红光激发荧光寿命信号存在一定的非指数化倾向。用传统的单指数1/e的方法解析红光激发荧光寿命，会造成很大的误差，从而影响测温精度。

发明内容

本发明涉及一种用于红光激发荧光寿命解调温度的信号处理方法，克服利用传统的方法解析红光激发荧光寿命，存在解析精度低、误差大的问题。

本发明的技术解决方案是提供用于红光激发荧光寿命解调温度的信号处理方法，包含以下步骤：

步骤一：采集连续红光激发荧光寿命信号与红光激发荧光寿命背景信号；

步骤二：对采集的连续红光激发荧光寿命信号求一阶导数，判断单个周期波形的起始点与最终点；截取单个周期的红光激发荧光寿命信号波形；

步骤三：建立单个周期的红光激发荧光寿命信号模型；

I(t)＝a×exp(-t/τ)+b+c (1)

其中，I为红光激发荧光寿命强度，t为连续采样时间，a、τ分别为红光激发荧光寿命的荧光强度系数、荧光寿命值，b为直流分量，c为红光激发荧光寿命背景信号；

步骤四：获得消除红光激发荧光寿命背景信号的红光激发荧光寿命强度I^*；

I^*(t)＝I(t)-c＝a×exp(-t/τ)+b (2)

使红光激发荧光寿命信号减去红光激发荧光寿命背景信号，能够降低红光激发荧光寿命背景信号对红光激发荧光寿命及温度解调精度的影响；

步骤五：获得离散化后消除红光激发荧光寿命背景信号及直流分量的红光激发荧光寿命信号强度I_m；

其中Δt为采样间隔，m为采样序号；

步骤六：对去除消除红光激发荧光寿命背景信号与直流分量的红光激发荧光寿命信号从起始点开始在固定步长下进行线性化拟合，获得最佳拟合段；

步骤七：在最佳拟合段中求取荧光寿命，与现有荧光寿命表进行对比，即可得到温度值。

进一步地，步骤六具体如下：

步骤6.1、设，红光激发荧光寿命信号一个周期内的采样点数为n(n为偶数)；

步骤6.2、从起始点逐一选取数据，共n/2+1段波形数据；即依次以第一采样点、第二采样点…为起始点，在一个周期内红光激发荧光寿命信号上截取多段波形，每一段波形均具有d个采样点，总共截取n/2+1段波形数据。

S₁,S₂,S₃,...S_n/2+1

步骤6.3、对其中的每一段波形进行如下操作：

对式(5)两边取以e为底的自然对数，即：

令lna＝u,-Δt/τ＝v,lnI_m＝y(m)，

则式(6)可写成：

y(m)＝u+v·m

式中，u与v是未知常数。

通过波形数据可得：[m,y(m)],(m＝0,1,2,...,d)，d＝n/2，m为采样序号；

设

为估计值，

y(m)为实测值；

则

对S₁,S₂,S₃,...S_n/2+1分别求min，并求min中的最小值，其对应的波形数据段为最佳拟合段。

进一步地，通过下述方式求取b：

对式(2)进行离散化操作，

将其中一个周期的红光激发荧光寿命信号按照横坐标时间均分为n等份。对第n等份的AD采样数据求加权平均值，即为直流分量b。

本发明还提供一种用于红光激发荧光寿命解调温度的信号处理系统，包括处理器及存储器，其特殊之处在于：所述存储器中存储计算机程序，计算机程序在处理器中运行时，执行上述的方法。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，其特殊之处在于：储存有计算机程序，计算机程序被执行时实现上述的方法。

本发明的有益效果是：

1、本发明利用红光激发荧光寿命信号减去红光激发荧光寿命背景信号，能够降低红光激发荧光寿命背景信号对荧光寿命及温度解调精度的影响；并通过计算直流分量，消除了直流分量对解调精度的影响，解调精度高，有效提高荧光寿命计算精度。

2、本发明从多段光谱数据段中筛选出拟合度最高的波形数据作为求解荧光寿命τ的根据，使荧光衰减趋势最接近标准指数模型，减小了非指数的影响，进一步提高了解调精度，消除了误差大的问题。

附图说明

图1为本发明红光激发荧光寿命信号示意图；

图2为本发明红光激发荧光寿命背景信号示意图；

图3为本发明红光激发荧光寿命信号求一阶导数示意图；

图4为本发明去除背景信号的红光激发荧光寿命信号示意图；

图5为本发明去除直流分量的红光激发荧光寿命信号示意图；

图6为本发明八等分红光激发荧光寿命信号示意图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。

本发明用于红光激发荧光解调温度的信号处理方法，包含以下步骤：

步骤一：通过数据采集卡采集连续红光激发荧光寿命信号(如图1所示)与红光激发荧光寿命背景信号(如图2所示)；

步骤二：通过对连续红光激发荧光寿命信号求一阶导数，从而可以判断每个周期波形的起始点与最终点(如图3所示)；截取单个周期的红光激发荧光寿命信号；

步骤三：建立单个周期的红光激发荧光寿命信号模型：

I(t)＝a×exp(-t/τ)+b+c (1)

其中，I为红光激发荧光寿命信号强度，t为连续采样时间，a、τ分别为红光激发荧光寿命的荧光强度系数、荧光寿命值，b为直流分量，c为红光激发荧光寿命背景信号；

步骤四：使红光激发荧光寿命信号减去红光激发荧光寿命背景信号(如图4所示)，能够降低红光激发荧光寿命背景信号对荧光寿命及温度解调精度的影响；

I^*(t)＝I(t)-c＝a×exp(-t/τ)+b (2)

其中，I^*为消除红光激发荧光寿命背景信号的红光激发荧光寿命强度；

步骤五：消除直流分量。

对式(2)两边进行求极限操作，得：

从式(3)可以看出，消除红光激发荧光寿命背景信号的红光激发荧光寿命信号强度会随着时间增长而衰减为0，此时I^*(t)中只剩直流分量b，这样可以减少直流分量对解调温度精度的影响。

因此通过下述方式求取b：

对式(2)进行离散化操作，

将其中一个周期的红光激发荧光寿命信号按照横坐标时间均分为n等份(如图6所示)。对第n等份的AD采样数据求加权平均值，即为直流分量b。根据经验，n可以取8。去除直流分量的红光激发荧光寿命信号，如图5所示。则红光激发荧光寿命信号模型为：

步骤六：对消除红光激发荧光寿命背景信号及消除直流分量的红光激发荧光寿命信号从起始点开始在固定步长下进行线性化拟合。具体操作如下：

设，红光激发荧光寿命信号一个周期内的采样点数为n，其中n为偶数；

1、择固定步长为d个采样点；

2、从起始点逐一选取数据，共n/2+1段波形数据；即依次以第一采样点、第二采样点…为起始点，在一个周期内红光激发荧光寿命信号上截取多段波形，每一段波形均具有d个采样点，总共截取n/2+1段波形数据。

S₁,S₂,S₃,...S_n/2+1

对其中的每一段波形进行如下操作：

对式(5)两边取以e为底的自然对数，即：

令lna＝u,-Δt/τ＝v,lnI_m＝y(m)，

则式(6)可写成：

y(m)＝u+v·m

式中，u与v是未知常数。

通过波形数据可得：[m,y(m)],(m＝0,1,2,...,d)，d＝n/2，m为采样序号；

设

为估计值，

y(m)为实测值；

则

对S₁,S₂,S₃,...S_n/2+1分别求min，并求min中的最小值，其对应的波形数据段为最佳拟合段，其荧光衰减趋势最接近标准指数模型，减少了非指数的影响。对该段数据求解荧光寿命。

首先求解下方程组：

可得：

其中，

代入公式lna＝u,-Δt/τ＝v，

即可求得荧光寿命τ。

步骤七：在最佳拟合段中求取荧光寿命与现有荧光寿命表进行对比，即可得到温度值。

本发明还公开一种用于红光激发荧光寿命解调温度的信号处理系统，包括处理器及存储器，存储器中存储计算机程序，计算机程序在处理器中运行时，执行上述信号处理的方法。

本发明还公开一种计算机可读存储介质，储存有计算机程序，计算机程序被执行时实现上述信号处理的方法。

用于实现上述方法的程序产品，其可以采用便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)并包括程序代码，并可以在终端设备，例如个人电脑上运行。然而，本发明的程序产品不限于此，在本发明中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。程序产品可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以为但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。

Claims (3)

1.一种用于红光激发荧光寿命解调温度的信号处理方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤一：采集连续红光激发荧光寿命信号与红光激发荧光寿命背景信号；

步骤二：对采集的连续红光激发荧光寿命信号求一阶导数，判断单个周期红光激发荧光寿命信号波形的起始点与最终点，截取单个周期的红光激发荧光寿命信号波形；

步骤三：建立单个周期的红光激发荧光寿命信号模型；

I(t)＝a×exp(-t/τ)+b+c (1)

其中，I为红光激发荧光寿命信号强度，t为连续采样时间，a、τ分别为红光激发荧光寿命的荧光强度系数、荧光寿命值，b为直流分量，c为红光激发荧光寿命背景信号；

步骤四：获得消除红光激发荧光寿命背景信号的红光激发荧光寿命强度I^*；

I^*(t)＝I(t)-c＝a×exp(-t/τ)+b (2)

通过下述方式求取b：

对式(2)进行离散化操作，

将其中一个周期的红光激发荧光寿命信号按照横坐标时间均分为n等份；对第n等份的AD采样数据求加权平均值，即为直流分量b；

步骤五：获得离散化后消除红光激发荧光寿命背景信号及直流分量的红光激发荧光寿命信号强度I_m；

其中Δt为采样间隔，m为采样序号；

步骤六：对去除消除红光激发荧光寿命背景信号与直流分量的红光激发荧光寿命信号从起始点开始在固定步长下进行线性化拟合，获得最佳拟合段；

步骤6.1、设，红光激发荧光寿命信号一个周期内的采样点数为n，其中n为偶数；

步骤6.2、依次以第一采样点、第二采样点…为起始点，在一个周期内的红光激发荧光寿命信号上截取多段波形，每一段波形均具有d个采样点，总共截取n/2+1段波形：

S₁,S₂,S₃,...S_n/2+1

步骤6.3、对其中的每一段波形进行如下操作：

对式(5)两边取以e为底的自然对数，即：

令lna＝u,-Δt/τ＝v,lnI_m＝y(m)，

则式(6)可写成：

y(m)＝u+v·m

式中，u与v是未知常数；

通过波形数据可得：[m,y(m)],(m＝0,1,2,...,d)，d＝n/2，d＝n/2+1；

设

为估计值：

则

对S₁,S₂,S₃,...S_n/2+1分别求min，并求min中的最小值，其对应的波形段为最佳拟合段；

步骤七：在最佳拟合段中求取荧光寿命，与现有荧光寿命表进行对比，即可得到温度值。

2.一种用于红光激发荧光寿命解调温度的信号处理系统，包括处理器及存储器，其特征在于：所述存储器中存储计算机程序，计算机程序在处理器中运行时，执行权利要求1所述的方法。

3.一种计算机可读存储介质，其特征在于：储存有计算机程序，计算机程序被执行时实现权利要求1所述的方法。

Images