CN115060659B - 基于比例法和快速数字锁相解调算法的旋光角测量方法 - Google Patents

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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/21—Polarisation-affecting properties

Abstract

本发明公开了基于比例法和快速数字锁相解调算法的旋光角测量方法，包括以下步骤：在利用调制线偏振光照射被测物的情况下，获得含有被测物信息的线偏振光；利用线偏振分光器件将所述含有被测物信息的线偏振光分解为两束正交光束，分别为P光和S光；调用快速数字锁相解调算法分别解调所述P光和所述S光，获得解调后的P光方向所包含的被测物信息SP以及解调后的S光方向所包含的被测物信息SS，并基于解调后的SP和解调后的SS，利用比例法计算被测物的旋光角。本发明利用快速数字锁相算法和比例法计算旋光角，简化了检测电路，克服了测量过程中光源的不稳定等外部干扰因素，可以实现旋光角的高精度测量。

Description

基于比例法和快速数字锁相解调算法的旋光角测量方法
技术领域
本发明涉及旋光角测量领域，尤其涉及基于比例法和快速数字锁相解调算法的旋光角测量方法。
背景技术
物质的浓度测量是食品加工、有机化工和生化分析等领域十分重要的一个环节。偏振光照射在旋光物质上，会产生一定的旋光角，在偏振光波长和光程一定的条件下，旋光角的大小与旋光物质的浓度呈正比例关系，因此常常使用旋光仪测量旋光物质的旋光角来间接测量旋光物质的浓度。
目前的旋光仪大多使用法拉第磁光调制。中国发明专利CN107966413A公布了一种基于光纤直流调制系统测量旋光角度的旋光仪；中国发明专利CN106841048B公布了基于偏振光磁光效应的血糖浓度检测方法及装置；中国发明专利CN205941338U公布了一种利用磁光光纤测量旋光溶液浓度的旋光仪。以上方法均使用电机调整检偏器或者法拉第补偿器，实现旋光角的测量。磁光法测量旋光角均需要精密的反馈调节系统，同时由于电机的存在，长时间的工作也会出现机械磨损影响测量结果。因此，如何降低旋光角测量过程中的误差干扰，使得提高旋光仪的测量精度是目前亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明提供了基于比例法和快速数字锁相解调算法的旋光角测量方法，结构简单，设计巧妙，运用比例法求取旋光角，能够消除测量过程中光源的波动带来的影响，实现旋光角的高精度测量，详见下文描述：
S1：在利用调制线偏振光照射被测物的情况下，获得含有被测物信息的线偏振光；
S2：利用线偏振分光器件将所述含有被测物信息的线偏振光分解为两束正交光束，分别为P光和S光，以及利用光电转换电路和模数转换器分别将P光和S光由模拟信号转换为数字信号；
S3：调用快速数字锁相解调算法分别解调所述P光和所述S光，获得解调后的P光方向所包含的被测物信息SP以及解调后的S光方向所包含的被测物信息SS，并基于解调后的SP和解调后的SS，利用比例法计算被测物的旋光角。
其中，所述调制线偏振光的产生方式为：
可调恒流驱动电路产生恒流驱动信号，恒流驱动信号驱动光源产生调制偏振光，调制偏振光通过线偏振片后成为调制线偏振光。
其中，所述光电转换电路具体工作为：
将P光和S光，由光信号转换为电信号。
其中，所述模数转换器具体工作为：
将转换为电信号的P光和S光，转换为数字信号，转换过程中使用过采样技术。
其中，所述快速数字锁相解调算法具体为：
将转换为数字信号的P光和S光，下抽样到调制线偏振光信号的4k倍，然后按采样的先后顺序依次分为4组，每组k个数据点，然后对这四组数据做加减运算，得到解调后的SP和SS，其中，k为正整数。
其中，所述利用比例法计算被测物的旋光角的计算过程为：
计算SS/SP的值；然后求SS/SP的反正切，则含有被测物信息线偏振光与分光器件的入射面夹角为α=arctan(SS/SP)；保持测量系统不变，去除被测物，重复测量步骤，获得不含被测物信息线偏振光与分光棱镜的夹角α，=arctan(S， S/S， P)，计算α与α，之间的差值，即为被测物的旋光角。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
本发明设计了基于比例法和快速数字锁相解调算法的旋光角测量方法，使用恒流驱动电路对光源进行调制，省去了法拉第调制器和补偿器或者斩波器等机械结构，简化了测量系统；快速数字锁相解调算法，使用数字解调来代替传统的模拟解调，有效滤除带外噪声，同时克服了模拟锁相环长时间工作时放大器和电阻等温漂和时漂的影响；使用比例法计算旋光角，从测量原理上解决了测量过程中光源的不稳定对旋光角的影响，提高了旋光角的测量精度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于比例法和快速数字锁相解调算法的旋光角测量方法流程图。
图2为本发明实施例提供的含有被测物信息的调制线偏振光获取流程图。
图3为本发明实施例提供的含有被测物信息的可调线偏振光分正交分解，并转换为数字信号流程图。
图4为本发明实施例提供的被测物旋光角计算流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
为了进一步降低旋光角测量过程中的误差干扰，提高旋光角的测量精度，本发明实施例提供了基于比例法和快速数字锁相解调算法的旋光角测量方法，参见图1，详见下文描述。
101：在利用调制线偏振光照射被测物的情况下，获得含有被测物信息的线偏振光；
该步骤具体包括步骤1011-1014，参见图2，详见下文描述。
1011：可调恒流驱动电路产生恒流信号；
其中，恒流驱动信号，可以为正弦波、或其他波形，具体实现时，本发明实施例对此不作限制；
1012：恒流信号驱动光源产生调制偏振光信号；
其中，光源可以为激光或者其他类型偏振光源，本发明实施例对此不作限制；
1013：调制偏振光信号透过线偏振片后变为调制线偏振光信号；
调制偏振光透过线偏振片后，其偏振方向与线偏振片不同的光会被吸收或反射，偏振方向与线偏振片一致的光，会透过线偏振片，使得透过线偏振片的光变为调制线偏振光。
1014：调制线偏振光信号透射经过被测物，获得含有被测物信息的可调线偏振光；
其中，被测物为含有旋光性性的溶液或其他类型物体；调制线偏振光垂直照射被测物，调制线偏振光透过被测物后，其偏振方向会发生改变，变化的大小和方向与被测物的浓度有关，获得含有被测物浓度信息的可调线偏振光。
102：利用线偏振分光器件将所述含有被测物信息的线偏振光分解为两束正交光束，分别为P光和S光，以及利用光电转换电路和模数转换器分别将P光和S光由模拟信号转换为数字信号；
该步骤具体包括步骤1021-1023，参见图3，详见下文描述。
1021：使用线偏振分光器件将含有被测物信息的线偏振光分解为两束正交光束，分别为P光和S光；
其中，线偏振分光器件可以为线偏振分光棱镜或其他器件；线偏振光光按照一定角度照射到线偏振分光棱镜的入射面，然后分光器件会将照射到入射面的线偏振光分解为两束正交线偏振光P光和S光。
1022：光电转换电路分别将P光和S光由光信号转换为电信号，对转换后的电信号进行滤波放大；
其中，P光和S光分别照射到各自支路上光电转换电路的光敏器件上，将光信号转换为电流信号，电流信号流经电阻器件后转换为电压信号；然后使用滤波放大电路对转换后的电信号进行滤波放大。
1023：使用模数转换器将转换为电信号并滤波放大后的P光和S光由模拟信号转换为数字信号，转换过程中使用过采样技术；
其中，使用过采样技术，以远大于P光和S光的调制频率的采样率对P光和S光信号分别采样，将P光和S光由模拟电信号转换为数字信号。
103：调用快速数字锁相解调算法分别解调所述P光和所述S光，获得解调后的P光方向所包含的被测物信息SP以及解调后的S光方向所包含的被测物信息SS，并基于解调后的SP和解调后的SS，利用比例法计算被测物的旋光角。
该步骤具体包括步骤1031-1033，参见图4，详见下文描述。
1031：使用快速数字锁相解调算法分别解调P光和S光，分别获得P光和S光两个方向所包含的被测物信息：SP和SS；
其中，将转换为数字信号的P光和S光，下抽样到调制线偏振光信号的4k倍，然后按采样的先后顺序依次分为4组，每组k个数据点，然后对这四组数据做加减运算，得到解调后的SP和SS；
1032：计算SS/SP的值，并求取求SS/SP的反正切：arctan(SS/SP)，获得含有被测物信号线偏振光与分光器件的夹角α=arctan(SS/SP)；
其中， P光和S光为两束正交光束，SP和SS为两个方向分别包含的被测物浓度信息。计算SS/SP的值，并求取求SS/SP的反正切：arctan(SS/SP)，即可得到调制线偏振振光与分光棱镜入射面的夹角α=arctan(SS/SP)。
1033：保持测量系统不变，去除被测物，重复测量步骤，获得不含被测物信息线偏振光与分光棱镜的夹角α，=arctan(S， S/S， P)，计算α与α，之间的差值，即为被测物的旋光角。
其中，被测物的旋光角与被测物的浓度呈正相关，通过计算被测物的旋光角可以间接获得被测物的浓度。测量过程中的光源不可避免的会产生波动，会影响SP和SS的测量结果，与传统磁光法相比，计算SS/SP的比值，可以有效的抑制光源的波动对测量旋光角测量的影响。
本发明实施例方法中应用到的恒流驱动电路、光电转换电路、模数转换器等均为数据处理方法中的公知技术，为本领域工程技术人员所公知。
综上所述，本发明实施例提供了基于比例法和快速数字锁相解调算法的旋光角测量方法，该方法与现有技术相比，使用恒流驱动电路对光源进行调制，省去了传统技术所需要的法拉第调制器和补偿器或者斩波器等机械结构，简化了测量系统；使用快速数字锁相解算法代替传统的模拟解调，有效滤除带外噪声，同时克服了模拟锁相环长时间工作时放大器和电阻等温漂和时漂的影响；使用比例法计算旋光角，从测量原理上解决了测量过程中光源的不稳定对旋光角的影响，提高了旋光角的测量精度。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于比例法和快速数字锁相解调算法的旋光角测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：在利用调制线偏振光照射被测物的情况下，获得含有被测物信息的线偏振光；
S2：利用线偏振分光器件将所述含有被测物信息的线偏振光分解为两束正交光束，分别为P光和S光，以及利用光电转换电路和模数转换器分别将P光和S光由模拟信号转换为数字信号；
S3：调用快速数字锁相解调算法分别解调所述P光和所述S光，获得解调后的P光方向所包含的被测物信息SP以及解调后的S光方向所包含的被测物信息SS，并基于解调后的SP和解调后的SS，利用比例法计算被测物的旋光角；
所述快速数字锁相解调算法具体为：
将转换为数字信号的P光和S光，下抽样到调制线偏振光信号的4k倍；
按采样的先后顺序依次分为4组，每组k个数据点，以及对该4组数字信号的的P光和S光均做加减运算，得到解调后的SP和SS，其中，k为正整数；
所述被测物的旋光角的计算过程为：
计算SS/SP的值；
求SS/SP的反正切，则得到线偏振光与分光器件的入射面夹角为α=arctan(SS/SP)；
保持测量系统不变，去除被测物，重复测量步骤，获得不含被测物信息线偏振光与分光棱镜的夹角α，= arctan(S， S/S， P)，计算α与α，之间的差值，即为被测物的旋光角。
2.根据权利要求1所述的基于比例法和快速数字锁相解调算法的旋光角测量方法，其特征在于，所述调制线偏振光的产生方式为：
利用可调恒流驱动电路产生恒流驱动信号，并基于所述恒流驱动信号驱动光源产生调制偏振光，其中，所述调制偏振光通过线偏振片后成为调制线偏振光。
3.根据权利要求1所述的基于比例法和快速数字锁相解调算法的旋光角测量方法，其特征在于，所述光电转换电路具体工作为：
将所述P光和所述S光，由光信号转换为电信号。
4.根据权利要求1所述的基于比例法和快速数字锁相解调算法的旋光角测量方法，其特征在于，所述模数转换器具体工作为：
利用过采样技术，将转换为电信号的P光和S光转换为数字信号。
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