CN111397761A - 一种荧光寿命信号处理及解调方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种荧光寿命信号处理及解调方法，解决现有的荧光寿命信号测量结果不准确，导致荧光寿命不准确，从而使温度测量不准确的问题。该方法包括：步骤一、采集连续的荧光寿命信号与背景信号；步骤二、判断信号判断波形图中每个周期波形的起始点与终点；步骤三、将背景信号进行等分，获得均值背景信号；步骤四、将衰减信号减去均值背景信号，得到荧光寿命曲线；步骤五、对步骤四得到的荧光寿命曲线进行n等分，并求积分，再采集2T个时间，并求每一段时间T的积分；步骤六、得到n‑1个荧光寿命值，并对n‑1个荧光寿命值求均值，得到荧光寿命τ；步骤七、将得到的荧光寿命τ与现有标准荧光寿命表进行对比，得到温度值。

Description

一种荧光寿命信号处理及解调方法
技术领域
本发明涉及荧光光纤测温技术，具体涉及一种荧光寿命信号处理及解调方法。
技术背景
荧光光纤测温原理是敏感材料在受到激励光照射后，敏感材料中的电子吸收光子从低能级跃迁到激发态高能级，然后从高能级返回低能级的辐射跃迁，高能级返回低能级放出的辐射能使荧光物质发出荧光，激励光消除之后，荧光持续发射时间依赖于激发态的寿命，该发射时间常以指数形式衰落，指数形式衰落的时间常数可以用于测量激发态的寿命，该寿命称为荧光寿命或荧光衰落时间，荧光寿命的长短决定与温度的高低。
在实际应用中，荧光材料的衰减曲线并不完全满足指数衰减等式，存在背景信号和很多噪声信号的干扰，导致采集到的荧光寿命曲线不稳定，传统的单指数1/e的方法解析荧光寿命，会存在很大的误差，从而导致测温不准确。
发明内容
为了解决现有的荧光寿命信号测量结果不准确，导致荧光寿命不准确，从而使温度测量不准确的问题，本发明提供了一种荧光寿命信号处理及解调方法。
为实现以上发明目的，本发明的技术方案如下：
一种荧光寿命信号处理及解调方法，包括以下步骤：
步骤一、间隔设定时间采集连续的荧光寿命信号与背景信号；
步骤二、对步骤一采集的荧光寿命信号求一阶导数，得到信号判断波形图，并判断信号判断波形图中每个周期波形的起始点与终点；
步骤三、将与周期波形的起始点与终点对应的背景信号进行等分，并对等分后的每一段背景信号求积分后取平均值，获得均值背景信号；
步骤四、将步骤一采集的荧光寿命信号中的衰减信号减去步骤三获取的均值背景信号，得到荧光寿命曲线；
步骤五、对步骤四得到的荧光寿命曲线进行n等分，并分别求积分，得到Sa1、Sa2、……、San，每段时间为T，且在荧光信号消失后，再采集2T个时间，并求每一段时间T的积分，得到Sb1、Sb2；
Sa1为等分后第1段荧光寿命曲线的积分值；
Sa2为等分后第2段荧光寿命曲线的积分值；
San为等分后第n段荧光寿命曲线的积分值；
Sb1为再采集第1段信号的积分值；
Sb2为再采集第2段信号的积分值；
步骤六、将荧光寿命信号得到的n个积分分别与荧光信号消失后的两个积分进行对比，并进行算数运算，得到n-1个荧光寿命值，并对n-1个荧光寿命值求均值，得到荧光寿命τ；
6.1)((Sa1+Sa2)-Sa1)/((Sb1+Sb2)-Sb1)＝(1-e-T/τ)/(1-e-2T/τ)
式中，Sa1、Sa2、Sb1、Sb2与T均为已知量，带入即可求得荧光寿命τ1；
6.2)重复步骤6.1)，依次可以求得Sa2与Sa3、Sa3与Sa4、Sa4与Sa5、……、San-1与San分别与S1、S2对比的τ2、τ3、τ4、……、τn值；
6.3)将所得的n-1个荧光寿命值求平均值，得到最终的荧光寿命τ；
步骤七、将得到的荧光寿命τ与现有标准荧光寿命表进行对比，得到温度值。
进一步地，步骤一中，通过数据采集卡采集连续的荧光寿命信号与背景信号。
进一步地，步骤五中，n＝6。
与现有技术相比，本发明技术方案具有如下优势：
本发明提供的荧光寿命信号处理及解调方法能够消除背景信号的影响、排除噪声的干扰，能充分利用荧光寿命曲线所包含的信息，使得测得的温度值更加准确稳定。
附图说明
图1为本发明荧光寿命信号示意图；
图2为本发明荧光寿命的背景信号示意图；
图3为本发明背景信号进行等分示意图
图4为本发明荧光寿命信号求一阶导数示意图；
图5为本发明去除背景信号的荧光寿命信号示意图；
图6为本发明六等分荧光寿命信号并在信号消失后进行积分示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
本发明涉及一种荧光寿命信号处理及解调方法，解决现有荧光寿命检测过程中荧光曲线呈多指数变化、存在背景信号和噪声信号从而导致测温不准确的问题，该方法包含以下几个步骤：
步骤一、通过数据采集卡采集连续(两个信号之间间隔一定时间)的荧光寿命信号(如图1所示)与背景信号(如图2所示)；
步骤二、对步骤一采集的荧光寿命信号求一阶导数，得到信号判断波形图，并判断信号判断波形图中每个周期波形的起始点与终点(如图4所示)；
步骤三、将与周期波形的起始点与终点对应的背景信号进行等分(如图3所示)，并对等分后的每一段背景信号求积分后取平均值，获得均值背景信号；
步骤四、将步骤一采集的荧光寿命信号中的衰减信号减去步骤三获取的均值背景信号(如图5所示)，从而降低背景信号对于荧光寿命的干扰，进而得到荧光寿命曲线；
步骤五、对步骤四得到的荧光寿命曲线进行n等分，并分别求积分，得到Sa1、Sa2、……、San，每段时间为T，且在荧光信号消失后，再采集2T个时间，并求每一段时间T的积分，得到Sb1、Sb2；
其中，Sa1为等分后第1段荧光寿命曲线的积分值；Sa2为等分后第2段荧光寿命曲线的积分值；San为等分后第n段荧光寿命曲线的积分值；Sb1为再采集第1段信号的积分值；Sb2为再采集第2段信号的积分值；
在本发明实施例中，将荧光寿命信号进行六等分并求积分，分别为Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sa5、Sa6，每段时间为T，并在荧光寿命信号消失后再采集两段相同时间的信号，并求积分，得到Sb1、Sb2(如图6所示)；
步骤六、将荧光寿命信号得到的n个积分分别与荧光信号消失后的两个积分进行对比并进行算数运算，得到n-1个荧光寿命值，并对n-1个荧光寿命值求均值，得到荧光寿命τ；
6.1)((Sa1+Sa2)-Sa1)/((Sb1+Sb2)-Sb1)＝(1-e-T/τ)/(1-e-2T/τ)
式中，Sa1、Sa2、Sb1、Sb2与T均为已知量，带入即可求得荧光寿命τ1；
6.2)重复步骤6.1)，依次可以求得Sa2与Sa3、Sa3与Sa4、Sa4与Sa5、……、San-1与San分别与S1、S2对比的τ2、τ3、τ4、……、τn值；
6.3)将所得的荧光寿命求平均值，得到最终的荧光寿命τ；
在本发明实施例中，将荧光寿命信号得到的Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sa5、Sa6与荧光信号消失后的进行Sb1、Sb2对比并进行算数运算，得到5个荧光寿命，并求均值，得到荧光寿命τ，具体操作如下：
①((Sa1+Sa2)-Sa1)/((Sb1+Sb2)-Sb1)＝(1-e-T/τ)/(1-e-2T/τ)
②重复步骤①，依次可以求得Sa2与Sa3、Sa3与Sa4、Sa4与Sa5、Sa5与Sa6分别与(Sb1、Sb2)对比的τ值；
③将所得的五个τ值求平均值，得到最终的荧光寿命τ；
步骤七、将得到的荧光寿命τ与现有标准荧光寿命表进行对比，得到温度值。
以上方法可以消除背景信号等干扰并能充分利用荧光寿命曲线中的信息，有效提高荧光测温的准确度。

Claims (3)

1.一种荧光寿命信号处理及解调方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、间隔设定时间采集连续的荧光寿命信号与背景信号；
步骤二、对步骤一采集的荧光寿命信号求一阶导数，得到信号判断波形图，并判断信号判断波形图中每个周期波形的起始点与终点；
步骤三、将与周期波形的起始点与终点对应的背景信号进行等分，并对等分后的每一段背景信号求积分后取平均值，获得均值背景信号；
步骤四、将步骤一采集的荧光寿命信号中的衰减信号减去步骤三获取的均值背景信号，得到荧光寿命曲线；
步骤五、对步骤四得到的荧光寿命曲线进行n等分，并分别求积分，得到Sa1、Sa2、……、San，每段时间为T，且在荧光信号消失后，再采集2T个时间，并求每一段时间T的积分，得到Sb1、Sb2；
Sa1为等分后第1段荧光寿命曲线的积分值；
Sa2为等分后第2段荧光寿命曲线的积分值；
San为等分后第n段荧光寿命曲线的积分值；
Sb1为再采集第1段信号的积分值；
Sb2为再采集第2段信号的积分值；
步骤六、将荧光寿命信号得到的n个积分分别与荧光信号消失后的两个积分进行对比，并进行算数运算，得到n-1个荧光寿命值，并对n-1个荧光寿命值求均值，得到荧光寿命τ；
6.1)((Sa1+Sa2)-Sa1)/((Sb1+Sb2)-Sb1)＝(1-e-T/τ)/(1-e-2T/τ)
式中，Sa1、Sa2、Sb1、Sb2与T均为已知量，带入即可求得荧光寿命τ1；
6.2)重复步骤6.1)，依次可以求得Sa2与Sa3、Sa3与Sa4、Sa4与Sa5、……、San-1与San分别与S1、S2对比的τ2、τ3、τ4、……、τn值；
6.3)将所得的n-1个荧光寿命值求平均值，得到最终的荧光寿命τ；
步骤七、将得到的荧光寿命τ与现有标准荧光寿命表进行对比，得到温度值。
2.根据权利要求1所述的荧光寿命信号处理及解调方法，其特征在于：步骤一中，通过数据采集卡采集连续的荧光寿命信号与背景信号。
3.根据权利要求1或2所述的荧光寿命信号处理及解调方法，其特征在于：步骤五中，n＝6。
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