CN111358440B - 利用锁相原理同时进行标定和测量的装置及方法 - Google Patents

利用锁相原理同时进行标定和测量的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种利用锁相原理同时进行标定和测量的方法及装置，通过利用锁相原理在同一组数据上同时进行标定和测量，不需要特别分配用于标定的时间。该方法彻底解决了需要在短暂的时间窗口中分配标定时间的弊端。该方法特别适用于测量窗口短暂且随机，测量条件随时间不断变化的应用领域。

Description

利用锁相原理同时进行标定和测量的装置及方法
技术领域
本发明涉及信号测量技术领域，更具体地说，涉及一种利用锁相原理同时进行标定和测量的装置及方法。
背景技术
对信号和待测物体进行测量是工程、工业实践和科学研究中的重要环节。针对不同目标和应用场景，需要提出相应的测量技术。
例如，在光镊实验中，利用一束被小球散射的探测激光将小球的位移转化成光电信号进行测量。
当待测物体或信号无法直接进行测量时，可采用间接测量方法，将待测物体或信号转换成另一种易于测量的物理量，如电压等，然后将测量得到的数据通过已知的函数关系转换成实验需要的测量值。为了实现间接测量，需要预先确定待测物体或信号与实际测量的物理量之间的函数关系，这一过程称之为标定。
在常规的标定过程中，首先需要在待测物体上引入一个或一组已知的变化，再利用仪器记录所选择物理量随待测物体产生的变化，从而建立起待测物体和仪器记录下来物理量之间的函数关系。这种方法需要在实际测量之前通过实验获得标定函数，因此，标定和测量必须分别进行。
但，在一些应用场合下，如在生物活体中进行测量时，可供测量的时间窗口非常短暂且无法预测时间窗口出现的时机。例如，光镊在动物血管内捕获细胞或微米小球，由于血管中大量快速流动细胞的干扰，无法预知细胞或微米小球被光镊捕获以及从光镊中脱离的准确时间。由于生物样品和环境之间的异质性，实践中还需要对每一个被捕获的细胞或者微米小球进行标定。因此，这类应用场景下的定量测量需要一种在短暂且随机出现的测量窗口中同时完成标定和测量的方法。
在用于光镊中小球位置探测的后焦面探测光路中，光电探测器对探测激光的入射角度不敏感，但对激光焦点和小球的相对位置很敏感。因此，采用偏转探测激光角度，精确改变探测激光焦点相对小球的距离的同时测量光电信号，就能够标定小球的位移与光电探测器电压之间的关系。这一技术虽然实现了在活体动物体内随时对光镊进行标定，但标定和测量在时间上仍然是分离的，并没有解决如何在随机发生的事件中对标定和测量时间进行合理分配的问题。
还有研究者利用图像追踪的方法在活体斑马鱼中定位血细胞，并结合光镊测量斑马鱼血管中的流动。该方法采用预先标定的成像系统放大倍率作为标定信息，因此避免了需要在短暂的时间窗口内完成标定和测量的问题。但是，该技术方案采用了昂贵的高速图像采集系统，实验中的时间分辨率仍然相对探测激光方法有明显的降低，不能充分满足在活体中进行测量的需要。
发明内容
有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种利用锁相原理同时进行标定和测量的装置及方法，技术方案如下：
一种利用锁相原理同时进行标定和测量的方法，所述方法包括：
通过将已知波形的调制波信号叠加到待测量对象上进行测量；
将测量结果与一列和所述调制波信号具有相同频率的锁相信号相乘，并在测量时间段内进行积分；
依据所述积分结果，获得所述测量信号和所述待测量对象的转换系数；
依据所述转换系数和所述调制波信号，获取所述测量结果中被所述调制波信号影响的第一测量结果；
将所述测量结果减去所述第一测量结果，获得没有所述调制波信号影响的第二测量结果；
依据所述第二测量结果和所述转换系数，获得所述待测量对象的目标测量结果。
优选的，在上述方法中，所述依据所述积分结果，获得测量信号和所述待测量对象的转换系数，包括：
将所述积分结果除以∫L2·dt·A，获得所述测量信号和所述待测量对象的转换系数k；
其中，L表示所述锁相信号；
A表示所述调制波信号W与所述锁相信号L的振幅比值。
优选的，在上述方法中，所述依据所述转换系数和所述调制波信号，获取所述测量结果中被所述调制波信号影响的第一测量结果，包括：
将所述转换系数k和所述调制波信号W进行相乘，得到所述第一测量结果M＝k·W。
优选的，在上述方法中，所述依据所述第二测量结果和所述转换系数，获得所述待测量对象的目标测量结果，包括：
将所述第二测量结果S*除以所述转换系数k，获得所述待测量对象的目标测量结果T＝S*/k。
一种利用锁相原理同时进行标定和测量的装置，所述装置包括：
光镊激光源、探测激光源、分束镜、显微镜、含有待测量对象的样品平台以及光电探测器；
其中，所述光镊激光源用于出射光镊激光，通过对所述光镊激光的光路进行调整，以使所述光镊激光入射至所述分束镜；
所述探测激光源用于出射探测激光，通过对所述探测激光的光路进行调整，以使所述探测激光入射至所述分束镜；
所述分束镜用于将所述光镊激光和所述探测激光合成一束激光，通过对其光路进行调整入射至所述显微镜的物镜；
其中，所述光镊激光在所述物镜的会聚作用下，在所述样品平台上形成光镊；所述探测激光通过控制其偏转方向，被所述待测量对象散射后作为探测光被所述光电探测器接收。
优选的，在上述装置中，所述装置还包括：
第一反射镜、第一偏振分光棱镜、第一压电转镜、第二偏振分光棱镜、第一扩束器和第二反射镜；
所述光镊激光依次通过所述第一反射镜、所述第一偏振分光棱镜、所述第一压电转镜、所述第二偏振分光棱镜、所述第一扩束器和所述第二反射镜入射至所述分束镜。
优选的，在上述装置中，所述装置还包括：
第二扩束器、反射镜和第二压电转镜；
所述探测激光依次通过所述第二扩束器、所述反射镜和所述第二压电转镜入射至所述分束镜；
所述第二压电转镜用于控制所述探测激光的偏转方向。
优选的，在上述装置中，所述装置还包括：
第一透镜、反射镜和第二透镜；
其中，通过所述分束镜的激光，依次通过所述第一透镜、所述反射镜和所述第二透镜入射至所述显微镜的物镜中。
优选的，在上述装置中，将锁相原理用于活体动物内的测量与标定。
优选的，在上述装置中，利用光镊后焦面探测原理，通过扫描探测激光引入调制信号。
相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：
本发明提供的一种利用锁相原理同时进行标定和测量的方法，通过利用锁相原理在同一组数据上同时进行标定和测量，不需要特别分配用于标定的时间。该方法彻底解决了需要在短暂的时间窗口中分配标定时间的弊端。该方法特别适用于测量窗口短暂且随机，测量条件随时间不断变化的应用领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种利用锁相原理同时进行标定和测量的方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种利用锁相原理同时进行标定和测量的装置的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种光镊激光、探测激光和待测量小球的相对位置关系示意图；
图4为本发明实施例提供的通过光电探测器得到的电压信号波形图；
图5为本发明实施例提供的通过锁相方法计算出D2所导致的电压变化波形图；
图6为本发明实施例提供的待测量小球相对光镊中心位移(D1)的电压信号的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图1，图1为本发明实施例提供的一种利用锁相原理同时进行标定和测量的方法的流程示意图。
所述方法包括：
S101：通过将已知波形的调制波信号叠加到待测量对象上进行测量。
在该步骤中，通过主动调制的形式将已知波形的调制波信号W叠加到待测量对象上，然后再进行测量。
S102：将测量结果与一列和所述调制波信号具有相同频率的锁相信号相乘，并在测量时间段内进行积分。
在该步骤中，将仪器得到的测量结果S与一列和所述调制波信号W具有相同频率的锁相信号L相乘，并在测量时间段内进行积分。
S103：依据所述积分结果，获得所述测量信号和所述待测量对象的转换系数。
在该步骤中，如果所述锁相信号L的波形和相位均与所述调制波信号W相同，则将所述积分结果除以∫L2·dt·A，获得所述测量信号和所述待测量对象的转换系数k(即标定系数)。
其中，L表示所述锁相信号；
A表示所述调制波信号W与所述锁相信号L的振幅比值。
需要说明的是，也可以采用与调制波信号W波形和相位不完全相同的锁相信号，通过数学变换得到测量信号与待测量对象的标定函数，例如可以采用例如周期性δ函数一类的特殊函数进行转换。
也就是说，锁相信号的位相与调制波信号既可以相同也可以不同，特别是两个信号波形不同时，可以通过移动锁相信号的位相来对非线性测量系统进行标定。
S104：依据所述转换系数和所述调制波信号，获取所述测量结果中被所述调制波信号影响的第一测量结果。
在该步骤中，将所述转换系数k和所述调制波信号W进行相乘，得到所述第一测量结果M＝k·W。
S105：将所述测量结果减去所述第一测量结果，获得没有所述调制波信号影响的第二测量结果。
在该步骤中，在测量结果S中减去调制波信号W的影响，从而提取出在没有调制波信号W影响的情况下的第二测量结果S*＝S-M。
S106：依据所述第二测量结果和所述转换系数，获得所述待测量对象的目标测量结果。
在该步骤中，将所述第二测量结果S*除以所述转换系数k，获得所述待测量对象的目标测量结果T＝S*/k；即为最终的测量结果。
在该实施例中，该方法通过利用锁相原理在同一组数据上同时进行标定和测量，不需要特别分配用于标定的时间。该方法彻底解决了需要在短暂的时间窗口中分配标定时间的弊端。该方法特别适用于测量窗口短暂且随机，测量条件随时间不断变化的应用领域。
基于本发明上述原理，本发明还提供了一种利用锁相原理同时进行标定和测量的装置，参考图2，图2为本发明实施例提供的一种利用锁相原理同时进行标定和测量的装置的结构示意图。
所述装置包括：
光镊激光源1、探测激光源2、分束镜3、显微镜4、含有待测量对象的样品平台5以及光电探测器6；
其中，所述光镊激光源1用于出射光镊激光，通过对所述光镊激光的光路进行调整，以使所述光镊激光入射至所述分束镜3；
所述探测激光源2用于出射探测激光，通过对所述探测激光的光路进行调整，以使所述探测激光入射至所述分束镜3；
所述分束镜3用于将所述光镊激光和所述探测激光合成一束激光，通过对其光路进行调整入射至所述显微镜4的物镜；
其中，所述光镊激光在所述物镜的会聚作用下，在所述样品平台5上形成光镊；所述探测激光通过控制其偏转方向，被所述待测量对象散射后作为探测光被所述光电探测器6接收。
在该实施例中，以所述待测量对象为待测量小球为例进行说明，参考图3，图3为本发明实施例提供的一种光镊激光、探测激光和待测量小球的相对位置关系示意图。
其中，D1为待测量小球相对光镊中心偏移的距离；D2为探测激光相对光镊中心的距离；D为光电探测器实际检测的探测激光中心相对待测量小球的距离，其中，D＝D1+D2。
在测量中利用第二压电转镜10偏振探测激光，使得探测激光的焦点在光镊中心左右以已知的振幅A做正弦振荡。
通过光电探测器6得到的电压信号波形图如图4所示，通过锁相方法计算出D2所导致的电压变化波形图如图5所示。
利用已知的振幅A和图5中正弦振荡的振幅计算出电压-位移的比例关系，即为标定系数k。
利用图4中的波形图减去图5中的波形图，即可得到待测量小球相对光镊中心位移(D1)的电压信号，如图6所示。
将图6中的电压信号除以标定系数k，即可得到待测量小球相对光镊中心的实际距离变化。
通过上述描述可知，可以通过锁相法在不知道测得电压信号与待测量小球相对光镊中心实际位移之间比例关系的情况下，通过一组数据既标定出待测量小球实际位移和电压信号的比例关系又测量得到待测量小球相对光镊中心的运动过程。
由于标定和测量在同一组数据上实现，从而解决了在不能确定测量时间窗口长度和出现时机的情况下分配标定时间和测量时间的难题。其特别适合在活体动物内进行精确测量。在另外一些应用场景下，例如无法将待测量小球固定于空间一点上以进行标定时，采用本本申请的锁相方法和装置也可以得到满意的标定结果。
进一步的，基于本发明上述实施例，通过偏转探测激光加载调制信号，然后通过后焦面探测方法过滤探测激光焦点绝对位置信号，只保留激光焦点与被光镊捕获目标之间的相对距离信息，通过上述锁相方法在活体动物体内进行同时标定和测量。
进一步的，基于本发明上述实施例，如图2所示，所述装置还包括：
第一反射镜M1、第一偏振分光棱镜PBS1、第一压电转镜7、第二偏振分光棱镜PBS2、第一扩束器8和第二反射镜M3；
所述光镊激光依次通过所述第一反射镜M1、所述第一偏振分光棱镜PBS1、所述第一压电转镜7、所述第二偏振分光棱镜PBS2、所述第一扩束器8和所述第二反射镜M3入射至所述分束镜3。
所述装置还包括：
第二扩束器9、反射镜M4和第二压电转镜10；
所述探测激光依次通过所述第二扩束器9、所述反射镜M4和所述第二压电转镜10入射至所述分束镜3；
所述第二压电转镜10用于控制所述探测激光的偏转方向。
所述装置还包括：
第一透镜L1、反射镜M5和第二透镜L2；
其中，通过所述分束镜3的激光，依次通过所述第一透镜L1、所述反射镜M5和所述第二透镜L2入射至所述显微镜4的物镜中。
所述装置还包括：灯泡11和反射镜M6，用于在测量过程中起到照明的作用。
需要说明的是，所述装置还包括：反射镜M2和遮光结构，用于在特定情况下实现双光镊激光的技术。
进一步的，基于本发明上述实施例，所述光镊激光源1包括但不限定为1064nm波长的光镊激光源。所述探测激光源2包括但不限定为940nm波长的探测激光源。
以上对本发明所提供的一种利用锁相原理同时进行标定和测量的装置及方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种利用锁相原理同时进行标定和测量的方法，其特征在于，所述方法包括：
通过将已知波形的调制波信号叠加到待测量对象上进行测量；
将测量结果与一列和所述调制波信号具有相同频率的锁相信号相乘，并在测量时间段内进行积分；
依据积分结果，获得测量信号和所述待测量对象的转换系数；
依据所述转换系数和所述调制波信号，获取所述测量结果中被所述调制波信号影响的第一测量结果；
将所述测量结果减去所述第一测量结果，获得没有所述调制波信号影响的第二测量结果；
依据所述第二测量结果和所述转换系数，获得所述待测量对象的目标测量结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依据所述积分结果，获得测量信号和所述待测量对象的转换系数，包括：
将所述积分结果除以∫L2·dt·A，获得所述测量信号和所述待测量对象的转换系数k；
其中，L表示所述锁相信号；
A表示所述调制波信号W与所述锁相信号L的振幅比值。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述依据所述转换系数和所述调制波信号，获取所述测量结果中被所述调制波信号影响的第一测量结果，包括：
将所述转换系数k和所述调制波信号W进行相乘，得到所述第一测量结果M＝k·W。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述依据所述第二测量结果和所述转换系数，获得所述待测量对象的目标测量结果，包括：
将所述第二测量结果S*除以所述转换系数k，获得所述待测量对象的目标测量结果T＝S*/k。
5.一种利用锁相原理同时进行标定和测量的装置，其特征在于，所述装置包括：
光镊激光源、探测激光源、分束镜、显微镜、含有待测量对象的样品平台以及光电探测器；
其中，所述光镊激光源用于出射光镊激光，通过对所述光镊激光的光路进行调整，以使所述光镊激光入射至所述分束镜；
所述探测激光源用于出射探测激光，通过对所述探测激光的光路进行调整，以使所述探测激光入射至所述分束镜；
所述分束镜用于将所述光镊激光和所述探测激光合成一束激光，通过对其光路进行调整入射至所述显微镜的物镜；
其中，所述光镊激光在所述物镜的会聚作用下，在所述样品平台上形成光镊；所述探测激光通过控制其偏转方向，被所述待测量对象散射后作为探测光被所述光电探测器接收。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
第一反射镜、第一偏振分光棱镜、第一压电转镜、第二偏振分光棱镜、第一扩束器和第二反射镜；
所述光镊激光依次通过所述第一反射镜、所述第一偏振分光棱镜、所述第一压电转镜、所述第二偏振分光棱镜、所述第一扩束器和所述第二反射镜入射至所述分束镜。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
第二扩束器、反射镜和第二压电转镜；
所述探测激光依次通过所述第二扩束器、所述反射镜和所述第二压电转镜入射至所述分束镜；
所述第二压电转镜用于控制所述探测激光的偏转方向。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
第一透镜、反射镜和第二透镜；
其中，通过所述分束镜的激光，依次通过所述第一透镜、所述反射镜和所述第二透镜入射至所述显微镜的物镜中。
9.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，将锁相原理用于活体动物内的测量与标定。
10.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，利用光镊后焦面探测原理，通过扫描探测激光引入调制信号。
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