CN1575411A - 包含信号匹配滤波的分光计 - Google Patents

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布鲁斯·W·亚当斯
彼得·R·H·麦克康耐尔
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Abstract

本发明可提供一种对测试样本执行光谱分析的光学系统。此光学系统包括：一个用于发射电磁辐射的光子能源；一个光学发射处理装置；一个接收光光学处理装置；一个光学检测器；以及数字信号处理装置。光子能源发射电磁辐射，并且是由数字信号处理装置控制的。光学发射处理装置接收光子能源发出的电磁辐射并将一个或多个照射波长传送到测试样本，其中光学发射处理装置是由数字信号处理装置控制的。接收光光学处理装置收集和隔离所接收到的来自测试样本的电磁辐射的一个或多个波长并将所接收到的电磁辐射的隔离的一个或多个波长传送到一个光学检测器，其中所述接收光光学处理装置是由数字信号处理装置控制的。光学检测器感知所接收到的电磁辐射的一个或多个隔离的波长并将其转换成电信号。数字信号处理装置对从光学检测器接收到的电信号进行匹配滤波并且还控制光子能源、光学发射处理装置和接收光光学处理装置的功能。

Description

包含信号匹配滤波的分光计
技术领域
本发明涉及光学检测器领域，特别是涉及分光计。
背景技术
有许多分光光度计或分光计用于检测测试样本的光谱特性，比如美国专利No.4330207公开了一种荧光分光光度计，它包括一个光源；一个激发侧单色器，用来使光源发出的光经受光谱分析作为光化学光用于照射样本；一个荧光侧单色器，用来使样本发出的光经受光谱分析；一个检测器，用来检测来自荧光侧单色器的光；一个扫描装置，用来将两个单色器都调整到待扫描的光化学光和荧光的波长。这些单色器的被排列为使其中之一可自动设定到通过其本身的简单和自动的波长扫描操作检测到的波长峰值的位置，而另一个单色器用于激发光谱或荧光光谱测量的波长扫描。此设备设计用于检测光子辐射波长范围并在一个存储装置中保存具有较高峰值的波长。
此外，美国专利No.5194916描述了一种荧光分光计，它包括一个激发单色光发生装置，用于向待测定样本发射激发单色光；一个发射单色器，用于从样本发射的荧光中选择单色光；一个发射光度计，用于生成一个相应于通过发射单色器选择出来的单色光强度的初级输出信号；一个滤波装置，用于消除初级输出的噪声并生成次级输出，此滤波装置由响应值表述其特征；一个确定装置，用来根据次级输出确定样本的内容；和一个响应设定装置，用来根据初级输出设定滤波装置的响应值。一个表包括初级信号和相应的响应值，该初级信号和响应值是预先通过实验并且在某些情况下这一关联可利用数学式确定。
在美国专利No.6002477中公开了一种分光计，它包括一个可发射光束的光源；一个把光束指向待分析的样本的光学系统；以及一个检测器，用来检测光束与样本作用之后的光束强度。此光源可发射光脉冲串(burst of light)，各个光脉冲串之间由没有光发射的间隔分隔。为此目的，例如，可使用氙气管。这个分光光度计测定在光束作用于样本后每一个光脉冲串产生的光束强度。每一个这样的光束在与样本作用之前可以分成第一和第二部分，并且将此光学系统安排成使第一部分射到样本，而使第二部分射到第二检测器进行基准测定。在每一个光脉冲串之前或之后，立即进行暗信号测定。因此通过基准信号确定系统中的噪声就可提供一个用来隔离接收信号的装置。然而，确定扫描测试样本时的基准信号对本系统的功能是关键，因为“暗噪声”在很小的时间周期内可以有极大的变化。
提供这个背景信息目的是申请人所认为的公知信息可能与本发明相关。但是，既不一定必需承认，也不应该理解为任何前面的信息会构成破坏本发明的先有技术。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种包含信号匹配滤波器的分光计。根据本发明的一个方面，可提供一种对测试样本执行光谱分析的光学系统，包括：一个用于发射电磁辐射的光子能源，其中所述光子能源是由数字信号处理装置控制的；一个光学发射处理装置，用来接收光子能源发出的电磁辐射并将一个或多个照射波长传送到测试样本，其中光学发射处理装置是由数字信号处理装置控制的；一个接收光光学处理装置，用来收集和隔离所接收到的来自测试样本的电磁辐射的一个或多个波长并将所接收到的电磁辐射的隔离的一个或多个波长传送到一个光学检测器，其中所述接收光光学处理装置是由数字信号处理装置控制的；一个光学检测器，用来感知所接收到的电磁辐射的一个或多个隔离的波长并将其转换成电信号；以及数字信号处理装置，用来对从光学检测器接收到的电信号进行匹配滤波以及控制光子能源、光学发射处理装置和接收光光学处理装置的功能。
根据本发明的另一个方面，可提供一种对流体进行光学分析的系统，包括：一个带有一个照射系统的光学探头，该照射系统包含一个发射电磁辐射的光子能源和将所述电磁辐射射向测试样本的光学设备，所述光学探头还包含用于收集和使测试样本发射的电磁辐射射向光检测器的检测器光学器件，其中所述的光学探头插入到流体流或一个包含有流体样本的样本室中；一个激发光子能源的控制装置；一个用来感知由测试样本发射的电磁辐射并且将其转换成电信号的光检测器；以及数字信号处理装置，用来对从光学检测器接收到的电信号进行匹配滤波，所述数字信号处理装置还控制光子能源的激发和射向测试样本的电磁辐射的编码。
附图说明
图1是相应于本发明的一实施例的光学系统部件的示意图。
图2是根据本发明另一实施例的光学系统的示意图。
图3是根据结合有匹配滤波器接收器的本发明的再一个实施例的扫描分光计的示意图。
图4是数字信号处理装置光脉冲处理系统的示意图。
图5示出使用脉冲振幅调制检测的信噪比为0dB的启闭键控信号。
图6示出使用频域检测的信号检测。
图7示出二进制脉冲编码信号检测发出的时间域相关输出的结果。
图8是一个脉冲编码信道模型的示意图。
图9示出使用一个脉宽125msec的矩形函数的线性频率调制脉冲的检测器的输出，采样频率为每秒8000次，扫描区间为从500Hz到3500Hz。
图10示出使用一个线性FM脉冲编码方法的示例，其中脉冲持续时间为0.125秒，而对时间带宽乘积(TBP)为200的带宽是1600Hz。检测器的对数标度的计算式为：P＝20×logs，其中s是匹配滤波器的时间域输出。
图11示出对一个800的TBP使用如图10的线性FM脉冲编码方法的示例。
图12示出对一个2250的TBP使用如图10的线性FM脉冲编码方法的示例。
图13是对2250的TBP的时间域曲线图，其中绘出检测器振幅。
图14为示出结合有一个匹配滤波器接收器的分光计的示意图。
图15示出记录从图14中的分光计发出的λi和λe的检测器输出及其曲线表示。
图16示出根据本发明一个实施例的可应用于检测水质的光学系统。
图17示出的是一条使用图16中示出的光学系统在水检测现场获得的混浊度读数的曲线。
图18示出的是一条使用图16中示出的光学系统在水检测现场获得的生物量读数的曲线。
具体实施方式
定义
术语“电子光调制器”表示声光调制器，机械斩光器，全息图(hologram)或电驱动的光电子设备或类似设备。
术语“照射光源”表示发光二极管(LED)，白炽灯，激光器，气体放电灯，激光二极管，弧光灯，X射线源或类似设备。
术语“单色器”表示光分散仪器，用来取得基本上是一个波长或至少是谱带很窄的光，并且例如可以是干涉滤波器，截止滤波器，衍射棱镜，衍射光栅，干涉仪，全息图或类似设备。
术语“光检测器设备”表示光检测设备或光学检测器，并且包含发光二极管，光电倍增器，电荷耦合器件(CCD)和类似设备。
术语“结果辐射”(resultant radiation)表示当实验对象受到照射辐照时所产生的反射光、透射光、吸收光和荧光中的每一个或全部。
短语“弱信号检测”表示可用来测定测试样本发出的低强度发射辐射的方法。对于任何给定的信噪比，可以通过增加用来传送信息的带宽而降低信息差错率。在有噪信道中传送之前对信号带宽进行扩展，之后在接收时解扩。此过程产生的结果称为处理增益。
术语“信号扩展”指的是多种扩展信号的方式，包括线性频率调制(Linear Frequency Modulation)(有时称为Chirp Modulation)和直接序列法和其他技术。
术语“信号解扩”指的是利用相关接收器或匹配滤波器接收器技术将接收到的信号与类似的本地基准信号相关联而完成的过程。当这两个信号匹配时，扩展信号分解为扩展前的原始带宽，而任何不匹配信号则由本地基准扩展为实际上的传送带宽。此滤波器将会将所需信号以外的所有信号抑制。于是，为在其干扰(比如，检测系统中的热噪声、环境光引起的噪声、AC线噪声)内对所需信号进行优化，匹配滤波接收器使此信号增强而抑制所有其他输入，包括噪声的影响。
除非另有说明，此处使用的所有科学技术术语的意义与本发明所属的技术领域中的普通专业人士通常理解的意义相同。
本发明的各个方面，参照下面的详细说明，将更易于了解和理解。
根据本发明的系统可提供一种结合光学信号编码和匹配滤波并且可检测测试样本对其照射的响应的光学扫描系统，其中此响应可包含反射、荧光、传送和/或吸收。由于此系统的信噪比提高，本发明可检测到测试样本中的细微的光学变化。
参照图1，本发明的光学系统包括一个分光计及一个数字信号处理装置5，包括：光子能源15，此光子能源15由数字信号处理装置5控制(具体说是发射器控制电子设备(emitter control electronics)10)发射从紫外到远红外(或带宽为从150nm到3000nm)的电磁辐射；以及发光处理装置20，此发光处理装置(optical emission processingmean)20由数字信号处理装置5控制(具体说是发射器控制电子设备10)接收光子能源15发出的光并将一个或多个照射波长以脉冲序列提供给测试样本25。发光处理装置20可包括一个用来隔离一个或多个照射波长的装置和将发射波长指向和聚焦到测试样本25的发射器光学器件。此系统还包括接收光光学处理装置30，此接收光光学处理装置30由数字信号处理装置5控制(具体说是发射器控制电子设备10)收集并隔离由于照射测试样本25产生的接收光的一个或多个波长。接收光光学处理装置30可包括用来收集来自测试样本25的接收光的检测器光学器件和隔离接收光的一个或多个波长的装置。此外，本系统包括：一个光学检测器35用来感知由接收光光学处理装置30传送的接收光并将其转换为电信号；和一个DSP接收信号处理装置40，此DSP接收信号处理装置40是数字信号处理装置5的一个部件，用来执行对光学检测器35的输出的匹配滤波。接收信号的匹配滤波的执行是根据来自光学检测器35的接收电信号和来自发射器控制电子设备10的控制参数。
根据本发明，有多个位置噪声和干扰可进入本系统，这种干扰降低了对于接收到的由于照射而从测试样本发出的信号的检测能力。比如和参照图1，环境光可通过接收光光学处理装置30进入此系统，并且电噪声可通过DSP接收信号处理装置40进入系统。结合一种数字信号处理装置可提供一种用来对照射信号进行编码和与编码的照射信号有关的接收信号的匹配滤波的装置。由此，数字信号处理装置能够改进对由于对测试样本的照射而得到的接收信号的检测。
为了描述这些部件如何一起工作，在图2中示出根据本发明的系统的一个实施方式的概述。在此实施方式中，照射光源100由数字信号处理装置300控制发射辐射带宽，比如，从250nm到1000nm。准直器110使照射光线性化并使其射向光调制器200，其中准直器110可以是，比如，一根长而窄的管子，在此管子中的强烈吸收或反射的管壁只允许平行管子轴线的辐射通过整个长度。光调制器200可以是一个编码盘(如图2所示)、声光调制器或电子调制器，可进行，比如，实质上扩展光学信号的振幅调制或频率调制。照射单色器120由数字信号处理装置300控制接收发自照射光源100的光并将第Nth个波长以脉冲序列提供给一个光学探头，该光学探头将第Nth个波长提供给测试样本140比如，流体样本。将由于对测试样本的照射而获得的结果辐射进行收集并提供给发射单色器160。检测到的来自实验对象的辐射信号仍然是以扩展函数编码进行编码的，并且强度与反射系数和荧光系数成正比。由数字信号处理装置300控制的发射单色器160，以光学方式将反射光谱和荧光光谱分离，其方法是执行特定的数字处理任务对特定照射波长的第Nth个波长反应特性通过以使这些经过编码的光学信号中的每一个都可以由光检测器170检测到。光检测器170检测此光学信号并将其转换为电信号，再由带通滤波器180进行处理(实质上是一个模数转换器)并将其传送到数字信号处理装置300。数字信号处理装置300执行匹配滤波，以便识别测试样本对照射辐射的响应并将其与从各种来源进入光学系统的噪声隔离。
在另一个实施方式中，此光学系统可配置成为具有图3所示的部件。光源100生成由准直器110指向编码盘200的光子能量。接受指向的编码光子能量通过一个照射棱镜520将照射辐射分离成为不同的波长。分离的照射辐射被指向狭缝(slit)530，狭缝530的取向可使所要求的波长或波长带传送到测试样本140。作为对测试样本照射的结果，由测试样本140发射的辐射由透镜150收集并传送到发射棱镜540，而发射棱镜540将此发射辐射分离成为不同波长。发射棱镜540使此发射辐射指向狭缝550，狭缝550的取向可使所要求的波长或波长带指向检测器170。检测器170将此发射辐射变换为电信号并使其指向匹配滤波器接收器560以对所收集的有关测试样本照射的信息进行处理。
本光学系统的实施方式有多种，表现在具体的部件不同。不过，每一个实施方式，都具有这些部件中的每一个的一种形式。下面将描述选择一个具体实施方式应该包含哪些部件的一些准则。
光子能源
每个实施方式都包含光子能源，此光子能源由数字信号处理装置控制发射从紫外到远红外(或带宽为从150nm到3000nm)的电磁辐射。
结合本发明可使用的光子能源可从下面这一组中选择：激光器，激光二极管，发光二极管(LED)，弧光闪光灯，连续波灯，电子控制闪光灯，任何气体放电灯，或任何本专业领域中的工作人员公知的其他光子能源。选择用于本发明的具体实施方式中的光子能源可由所要求的对测试样本的光谱分析决定。比如，设备的功能可能要求测试样本的宽光谱分析或可能要求窄带宽光谱特性曲线或甚至特定波长的光谱特性曲线。
比如，激光具有很窄的光谱(高度相干“单”波长)，窄空间光束和高脉冲功率。白炽光灯具有宽光谱，宽光束和连续传送。
在本发明的一个实施方式中，由光子能源生成的电磁辐射可以是脉冲电磁辐射的形式。
发光处理装置
发光处理装置接收从光子能源发出的光并可以将一个或多个照射波长以脉冲序列方式提供给测试样本，其中此发光处理装置可包括一个用来分离一个或多个照射波长的装置和将发射波长指向和聚焦到测试样本的发射器光学器件。此接收光光学处理装置由包含在数字信号处理装置中的发射器控制电子设备控制，其中此发射器控制电子设备可执行的功能包括脉冲编码和脉冲成形，比如，可对照射能量进行调制。
为了区别从测试样本接收到的由反射和荧光产生的光波长和环境光噪声，对测试样本的照射应该采用窄带照射。
在本发明的一个实施方式中，通用设备可能要求能够很容易地改变照射光谱特性，以便可对于照射波长的范围确定测试样本的光谱特性。这可以通过采用宽带光源，如卤素灯或氙气管，并在之后采用波长分离光学器件来度发射光进行滤波并从而将用来照射测试样本的窄光谱部分隔离出来。另外一种方法是采用多窄带或中带光源阵列(比如，激光二极管和/或各种彩色LED)，其中每一个都具有所要求的特定光谱特性，并且其后每次激发其中的一个，从而可以有效地遍历宽光谱并在照射这些器件时将特定的照射波长隔离出来。
此光学控制处理装置还包括光控制器件，用来提供对照射测试样本的光进行调制的装置，比如，可产生光发射的脉冲序列。光控制器件可以是间接光调制器，比如，波斩光器，光闸，液晶滤波器，电流扫描器或声光器件。此外，光调制也可以采用振幅调制电路或频率调制电路直接进行。本领域的专业人员应该了解调制照射光发射的其他方法。
波长分离光学器件可从固定光调节光学器件中选择，包括光学滤波器，折射光学器件，衍射光学器件和可变光调节子系统，包括其光学中心波长是在光通过固定光调节光学器件后利用位置控制反射表面选择的折射或衍射光学系统。此固定光调节光学器件也可以是其光学中心波长是利用位置控制器移动固定光调节光学器件选择的折射或衍射光学系统。波长分离光学设备的一个例子是单色器。其他形式的波长分离光学设备对本领域的专业人员应该是公知的。
发射器光学器件可用来在发光处理装置的各个部件中间传送光子能量，并且也可以将照射光传送到测试样本。发射器光学器件可从下面一组中选择：聚光器，聚焦器件，光纤光学器件，孔径器件以及其他对本领域的专业人员应该是公知的器件。
在本发明的一个实施方式中，其中要进行分析的是流体，比如，与此光学系统结合的是一个水密(water tight)光学探头，其中此光学探头可插入到流体测试盒中。此光学探头包括用来照射测试样本的部件和用来收集测试样本受到照射时发出的光的部件。由于此光学探头是插入到流体样本中，样本的表面边界层的反射效应将会实现。在本实施方式中，光学探头包括光子能源，比如，LED或激光二极管，用于使照射辐射指向流体样本的照射光学器件以及用来收集反射光及荧光的检测光学器件。光学探头连接到此光学系统的其他部件，比如，DSP装置和光检测器，用来在其间传送指令和收集的数据。照射光学器件和光检测光学器件在光学探头内的定向应该可使流体与照射光的相互作用足以被检测到。在本发明的一个实施方式中，光学探头还包括一个自清洁部件，比如，一个擦拭机构，可将粘附在检测器表面的流体残留物去除。
接收光光学处理装置
接收光光学处理装置收集并隔离测试样本发出的一个或多个接收光波长，接收光与测试样本的照射关系与上述相同。接收光光学处理装置可包括用来收集测试样本发出的接收光的检测光学器件和用来隔离接收光的一个或多个波长供光学检测器检测。接收光光学处理装置由包含在数字信号处理装置中的发射器控制电子设备进行控制，并且从而其功能可与光学发射处理装置相关联，此光学发射处理装置可提供对接收的光谱发射进行高效分析的装置。
在本发明的一个实施方式中，接收光光学处理装置可利用波长分离光学器件将接收光的特定波长隔离，它可以提供将接收光的一个或多个波长隔离并从而允许接收光与照射波长相关联的装置。波长分离光学器件可从固定光调节光学器件中选择，包括光学滤波器，折射光学器件，衍射光学器件和可变光调节子系统，包括其光学中心波长是在光通过固定光调节光学器件后利用位置控制反射表面选择的折射或衍射光学系统。此固定光调节光学器件也可以是其光学中心波长是利用位置控制器移动固定光调节光学器件选择的折射或衍射光学系统。波长分离光学设备的一个例子是单色器。其他形式的波长分离光学设备对本领域的专业人员应该是公知的。
在本发明的另一实施方式中，可能要求接收光光学处理装置隔离一个选定的波长。比如，如果测试样本是由特定波长的光照射并且要求此照射光子能量由此测试样本的反射达到一定水平，接收光光学处理装置可具有一个固定光分离装置。这样，就只对特定的接收光波长进行评估。
检测器光学器件可用来在接收光光学处理装置的各个部件之间传送光子能量，并且也可以将接收光传送到光学检测器。检测器光学器件可从下面一组中选择：聚光器，聚焦器件，透镜，光纤光学器件以及孔径器件。在本发明的一个实施方式中，光学滤波器可提供此功能，其中光学滤波器可包含低带通、高带通滤波器或其他对本领域的专业人员应该是公知的其他兼容的滤波器。
光学检测器
每个实施方式都包含一个光学检测器用来感知由接收光光学处理装置传送的接收光并将此接收光转换为电信号供数字信号处理装置并且特别是DSP接收信号处理装置，进行处理。
适合的光学检测器，比如，可以是二极管，光电倍增器或排列成直线阵列或面积阵列的电荷耦合器件(CCD)。光学检测器的具体例子是蓝色增强砷化镓光电二极管，硫化镉(CdS)光电二极管或硅雪崩二极管。
数字信号处理装置
数字信号处理(DSP)装置可用来控制光子能源，发光处理装置和接收光光学处理装置以便可以检测与照射辐射的一个或多个波长相关的结果辐射的一个或多个波长，其中这种检测是在存在引入此系统的噪声的条件下进行的。此数字信号处理装置包括发射器控制电子设备，可提供用来控制照射辐射(光学发射处理系统)和接收光光学处理系统的装置。此外，此DSP装置包括可使DSP将接收到的光辐射与照射辐射相关的接收信号处理装置，该装置可提供一种可识别由于照射从测试样本产生的反射、荧光和吸收的装置。
控制照射辐射的发射器控制电子设备执行的任务包括：供应电功率并对电路进行驱动将电能变换为光子能量，控制光源脉冲的振幅及定时，控制用来对照射辐射进行滤波、聚集和以机械方式脉冲化的光学设备，比如，光滤波器，单色器，准直器和/或斩光器。此外，此发射器控制电子设备提供一种用来控制接收光光学处理装置能够将由于照射测试样本产生的反射光和荧光波长隔离的装置。比如，在接收光光学处理装置结合一个单色器就可提供一种可隔离所需要的波长的装置，并且单色器的这种功能是由接收光光学处理系统进行控制。
为了在与测试样本相互作用之前，对照射信号进行编码而由发射器控制电子设备应用的编码函数(function)，可由多种信号调制方式提供。比如，脉冲编码软件可用来生成同步脉冲用来对光控制设备频率(脉冲频率调制，PFM)进行直接调制。采用PFM时，对脉冲频率进行调制是为了对所需要的信息进行编码。脉冲编码软件可用来生成同步脉冲用来对光控制设备振幅(脉冲振幅调制，PAM)进行直接调制，其中采用PAM时，对脉冲振幅进行调制是为了对所需要的信息进行编码。此外，脉冲编码软件可用来生成同步脉冲用来对光控制设备脉冲宽度(脉宽调制，PWM)进行直接调制。采用PWM时，对脉冲宽度进行调制是为了对所需要的信息进行编码。最后，在用来生成供间接光调制器(比如，斩光器，光闸，检流计反射镜(galvomirror)等等)使用的机械编码器驱动器之外，同步脉冲照射信号可利用函数发生器进行编码以生成可进行脉冲重复频率和振幅调制的固定同步脉冲。
在本发明的一个实施方式中，由发射器控制电子设备应用的编码函数是二进制移相键控(BPSK)，其是一种数字调制格式。BPSK是一种极为有效的接收弱信号的调制方式。利用BPSK调制，按照数字位流载波信号的相位偏移180°。BPSK的数字编码方案如下：“1”使载波信号产生相移(180°)，而“0”不产生相移。采用这种调制方案时，接收器执行差分相干检测过程，在此过程中每一个位的相位都与前一个位的相位进行比较。采用BPSK调制，与其他调制方式，比如启闭键控，相比，具有信噪比提高的优点。
此DSP接收信号处理装置，使得在从光学检测器接收到的电信号和由发射器控制电子设备确定的相应的时间周期之间建立匹配滤波相关。在传送信号和接收信号之间的这一相关可提供一种对可能进入本发明的光学系统的噪声(比如，环境光或电噪声)提高接收信号的识别的手段。对与发射脉冲序列同步且匹配的接收信号的滤波及时间平均可提高信噪比(SNR)及增强对有关一个波长或多个波长的样本响应的测定的置信度。
匹配滤波器是有关信号的准确复制。此滤波器与输入信号相关，此过程基本上是在整个滤波器期间信号与滤波器的乘积的和。在滤波器与有关信号匹配时，相关(卷积)和相对非匹配和一般为峰值，提供识别信号与在光学系统中的外噪声的手段。在本发明的一个实施方式中，位于脉冲频率区间中心的一组窄带滤波器可从脉冲光谱俘获更多的谱线，并且从而可提供用来提高光脉冲能量估计和其后对检测到的波长的识别的装置。
在本发明的一个实施方式中，如果时间域扩展函数以F(ω)表示，并且接收到的信号以H(ω)表示，则匹配滤波器接收器的输出可利用数字信号处理器取得：
s ( t ) = ∫ - ∞ + ∞ F ( ω ) H ( ω ) e jωt df
其中：ω＝2πf
在此方程式中，F(ω)是输入信号f(t)的傅里叶变换，而H(ω)是接收器线性滤波器h(t)的傅里叶变换。在匹配滤波器中，对接收器线性滤波器H(ω)进行调整以优化接收器对特定输入信号f(t)的输出s(t)的峰值信噪比。当接收器线性滤波器响应H(ω)由下式给出时：
H ( ω ) = KF * ( ω ) e - jωt 0
则输出信噪比最大，而接收器滤波器响应H(ω)与输入信号f(t)匹配，其中f(t)具有傅里叶变换F(ω)。上述两个方程式取自“InformationTransmission，Modulation and Noise，A Unified Approach toCommunication Systems”；Schwartz，Mischa；Third Edition。匹配滤波器接收器可使要检测的输出信号s(t)的信噪比可能变为最大。这样，匹配滤波器接收器可提供输出信号的最优检测。由于匹配滤波器接收器是一个线性系统，s(t)与检测器上的反射强度和荧光照度成正比。采用匹配滤波器使得可在存在噪声(光学系统的外噪声和内噪声)时检测弱信号，这种弱信号在采用其他光学系统时可能检测不到。
在本发明的一个实施方式中，信号处理系统涉及到模拟前端和数字后端任务两者。一般，模拟处理任务涉及复原小传感器信号和应用高选择性的滤波操作。数字域任务涉及与能量检测和数据输出相关的进一步的信号滤波以及分析函数。为了使干扰最小并且提供对散粒噪声的抗扰性，照射信号一般利用通常为数百Hz的频率进行调制。模拟部分设计成为对光电二极管输出进行高增益放大和前置滤波并且复原调制频率。利用这些信号，窄带跟踪滤波器可为调制信号复原提供很高的选择性。窄带滤波器的输出，在放大之后，经模拟/数字变换而输入到DSP(数字信号处理器)，此数字信号处理装置可实时执行以下的后端任务：滤波、能量检测、平均和将结果转换为可用数据。这一滤波将进一步增强对可能引入到模拟处理的最后级的a/c噪声和谐波失真的抑制。滤波是在对能量检测器进行平均之后进行，该能量检测器输出的值正比于传感器信号的能量。在短时间间隔内这些值发送到主计算机，可在其中储存并供进一步分析使用。
在本发明的另一个实施方式中，数字信号处理装置可设计成为如图4所示。开始时，脉冲序列发生器450将一个脉冲周期计数器传送到脉冲周期缓冲器440并进一步将一个确定生成的序列的数字信号传送到数模变换器460。将得到的模拟脉冲通过模拟低通滤波器470发送到光源，而其后光源根据这些脉冲对测试样本进行照射。当收集并检测到测试样本由于受到照射而发出的发射辐射时，就将光检测器生成的脉冲作为光子辐射检测的结果传送到模拟低通滤波器(LPF)400，而模拟低通滤波器(LPF)400将滤波信息传送到模数变换器(ADC)410。模拟LPF可抑制比如超过10kHz的频率，从而提供图形保真。此数字化信息发送到一组窄带有限脉冲响应(FIR)滤波器420，在其中每个滤波器与脉冲序列光谱(输入信号脉冲)中的谱线(line)中的一根匹配。这就可提供一种对光学系统中的外噪声识别信号而对脉冲光谱进行匹配的手段(匹配滤波)。滤波器输入信号相关之和430，通过脉冲周期缓冲器440和480传送到峰值检测器490，并且之后将测定的平均光发送到DSP的控制逻辑500。控制逻辑500提供一种执行数字信号处理(DSP)装置的调度控制和配置控制的手段。之后将平均测定光信号，比如经过RS232串口510，传送到位于个人计算机中的计算设备，以便组织成为可用和可表示格式，比如，生成所收集的信息的图形表示。
在本发明的一个实施方式中，DSP装置的功能可以还包括建立告警装置(setting)的能力，其中一个或多个动作可在启动一个告警装置时采取。比如，DSP装置可经常对所处理的数据进行关联和执行统计分析，并且一旦接收到的光的改变达到预定程度，DSP装置就将启动此告警装置。启动告警装置的结果可以将一个消息发送给监控此光学系统的人员，比如，以报警灯或噪声的形式。在一个实施方式中，测试样本是流动的流体样本，启动告警装置的结果可以是从流体流中抽取流体样本，比如，通过阀门将流体从流体流中传送到收集器。此流体样本，比如，以后可在实验室接受细致分析来对其内容进行评估。在监控流动的流体的示例中，加进一个告警装置使得有可能在检测到流体受到光照射而发生的反应的改变达到特定水平时，通过对流体样本可捕获流体内容的重大改变。与对流体进行周期定时采样相比，这一步骤可提供对流体内容改变的更好的评估。
利用先进的信号处理方法，可使通常不能检测的光学反射和荧光发射得到检测。
此外，信号处理算法可使用标准数字信号处理芯片实现，可使基于此项技术的设备的总成本变得比较低。
此DSP装置可以以能够安装到计算机中的电路板形式结合到计算机系统中，其中计算机可提供一种手段用来在匹配滤波之后对接收到的信息进行处理和组织成为，比如，系统操作员易于解读的格式。另外，DSP可包含为DSP独立工作提供一种手段的独立(stand alone)的硬件。
独立的DSP系统
在本发明的一个实施方式中，数字信号处理装置与子系统一起被设计成为独立的配置。在这类独立配置中，DSP系统还可包含与全球通信系统，比如互联网，进行互联或与局域网(LAN)联网的能力。这种与通信网络互联的能力使得可由一个中心站收集来自多个检测现场的信息，从而可减少收集此检测数据所需人员。
正如本专业领域中的工作人员所公知，取决于通过其光学系统发出的信息被传送的通信系统(LAN、WAN、因特网)的不同和信息所希望的安全性程度，对数据的编码的等级的要求可能不同。
在此实施例中，独立的DSP包括收发块、微控制器块(MCU)、联网块和数字及模拟电源块。
在此实施例中，此DSP块包括：数字信号处理芯片和附加的外部静态随机存储器(SRAM)。此DSP块对于从光学检测器传送的光谱数据的快速实时处理执行计算算法。此块也生成可以调制光子能源的信号，其中此调制信号可在需要时对多光子能源进行复用。然而，如果检测器在一个以上时，每个检测器都具有一个单独的信道进入DSP块以便传送与所接收到的信息有关的信息。此外，此DSP块可控制以机械方式使照射辐射脉冲化的光学设备，比如，斩光器。正如本专业领域中的工作人员所公知，对DSP芯片要求的处理速度，比如，可通过要处理的输入数据的估计数量和频率来确定。这样就可以根据其处理速度，比如，DSP的工作的赫兹数，40Hz、60Hz等等，确定合适的芯片。
根据此实施方式，此收发块包括模数转换器(ADC)，数模转换器(DAC)和低通滤波器，其中这些滤波器可为接收到的信号提供图形保真。如果发光二极管(LED)或激光二极管用作光学系统的光子能源，则此块还包括复用器和大电流放大器。此复用器使得用于激发多光子能源的信号独立传送成为可能，并且使大电流放大器可提供一个为激发这些光子能源提供足够能量的装置，以便得到其最大光谱功率输出。
独立的DSP装置的联网块包括一块网卡，比如，一个以太网芯片或无线网芯片，这些芯片可使独立的DSP系统连接到通信网络，比如，局域网(LAN)，广域网(WAN)或无线网(比如，蓝牙(BluetoothTM)或IEEE 802.11)。本专业领域中的工作人员了解为了进行所希望的网络连接所要求的芯片或网卡的格式和种类。此外，网络块还包括串行接口芯片，比如，RS-232端口，可提供与其他部件或系统，比如，计算机或串行调制解调器，的串行接口，比如，拨号或无线类型的调制解调器或到单色器的串行连接。
另外，在此独立的实施方式中，微控制单元块(MCU)包括一个MCU芯片，此芯片，比如，可以是8位、16位或32位芯片，一个外部SDRM和一个外部闪存单元。此MCU块管理DSP块及联网块，其中MCU块收集来自DSP块的经过处理的数据并将此信息转送到联网块。滤波和/或聚焦照射辐射和接收到的光的光学设备，比如，光滤波器或单色器，可由MCU块控制。此MCU块还可以对数据执行统计分析并还可能启动警告装置。比如，如果测试样本的荧光水平超过预定水平，就会启动此告警装置，其中此告警启动可包括收集样本供以后进行更详细的分析或通知人员告警启动。在需要对DSP块进行软件更新，比如，需要修改匹配滤波过程时，MCU块，比如，可管理对DSP代码的远程软件更新。结合在MCU块中的MCU芯片的类型，正如本专业领域中的工作人员所公知的，可随着，比如，待处理的信息量而变化。
独立的DSP系统的数字及模拟电源块可提供各种电平的稳定的DC电源，依独立的DSP系统的部件的要求而定。在一个实施方式中，进入到此独立的DSP系统中的输入功率可由非调节的或变化的电源，如墙壁上的插头，供给。此数字及模拟电源块包括可调节输入功率并在其后生成独立的DSP系统的各个部件所要求的模拟和数字电压电平的元件。比如，可调节输入功率的元件包括变压器，AC-DC变换器或任何其他本专业领域中的工作人员所公知的功率调节元件。
测试样本盒(housing)
作为任选方案，此光学系统可包括测试样本盒，此测试样本盒可提供一种能够对测试样本进行定向从而可对样本执行样本照射和样本结果发射检测的装置。比如，正如使用显微镜时，测试样本盒可包括一个盖片和一个固定测试样本的玻璃片，并且在测试时可以使用一组夹具来定向和保持此玻璃片和盖片的移动。
在本发明的一个实施方式中，其中的测试样本是流动的流体，测试样本盒可以是插入到流体流中并在其中进行适当定位的管子，其中此测试样本盒为光学探头提供了定位其中的装置。此测试样本盒可设计成为使其可以将对流体的流动的影响减少到最小并从而可使对以检测的流体对其照射的响应的影响减小。测试样本盒的大小，特别是其剖面面积，可设计成为使测试样本盒的表面区域在光学检测器的视场之外。这样一来，就可以将检测到的测试样本盒的反射减小到最小。为了可能进一步减小测试样本盒对响应的影响，测试样本盒的表面区域可以利用或喷涂不反光的吸收光的材料制成。另外，在此实施方式中，测试样本盒可制作成为光学探头在需要时可取下进行清洗并在而后再按照原样重装。可以采用某种形式的标度来使光学探头在测试样本盒中重装时进行再对准。
考虑
在一个实施方式中，对此光学系统的要求是：1)可在250nm至800nm范围内多光谱进行分解；2)光谱分辨率约为5nm或更高；以及3)对照射及发射单元其杂散光抑制为10-5或以上。此外，5至10nm的光谱分辨率可容许对在大约30至50nm的荧光峰进行合理的采样。然而，更精细的分辨率在某些应用中可能有用。所要求的杂散光抑制因数取决于想要检测的接收光的区域小到何种程度。实质上杂散光将确定系统的光学噪声本底(noise floor)，并且设定光学可检度的极限。
在选择照射波长时，需要平衡的因素是对给定的区域或测试样本进行扫描的总扫描时间和扫描分辨率。照射光和接收光光谱需要扫描的总步数N为：
N＝ni·nd/2
其中：
ni＝照射单色器的步数
nd＝接收光单色器的步数
因子1/2确定，只有照射光/接收光矩阵的对角线上的项是所关心的，另外仅仅还有在对角线一侧的项。此外，N正比于Δλ/2，其中的Δλ是单色器的光谱分辨率。由于扫描时间正比于N，所以在Δλ和扫描时间之间存在折衷。
微弱信号检测
在一个实施方式中，采用音调编码法进行信号编码，因为其简单并且与复杂性相比较可生成合理程度的噪声抑制。在此实施方式中，关键的考虑是进行一次测定所需要的时间量。这由以下因素决定：1)对一个频域传送进行采样所需的时间量，其大小基本上等于所需采样数除以采样率；2)在采用低通滤波器技术时的滤波器带宽，其大小基本上等于滤波器的带宽的倒数(reciprocal)。
与电信号带宽的折衷是观察时间比噪声。随着带宽的增加和观察时间的减少，噪声功率与带宽成正比增加。噪声的任何增加都会减少检测器的灵敏度。扫描给定区域的总处理时间可由T＝Nτ确定，其中τ是在一个波长上一次测定的时间。观察时间中的两个关键变量是光学滤波器的带宽和电滤波器的带宽。
通过下面的假设可对T进行粗略的一阶计算：1)在250nm至800nm范围上对光谱进行分解；2)采用10nm的光学分解带宽；3)采用10Hz的电带宽滤波器BW，从而τ＝0.10sec。通过采用这些假设，扫描时间为121.25秒，或大约2.5分钟。
当待检查的测试样本暴露于照射辐射下时，反应辐射特性的检测是目标。总地说来，荧光比反射光弱得多。所要求的光谱分辨率由光学分光计系统鉴别反射和荧光的带宽的能力决定。这可以通过采用一个棱镜和/或带有可变孔径的光栅单色器(可抑制杂散辐射)而实现。
要使光学签名(signature)得到充分的分解，此系统必须能够检测很微弱的电信号，这些信号是由发光二极管检测到的光辐射产生的。归根结底，目标是在由于电噪声、光学背景辐射和测试样本的带外发射产生的噪声的背景中检测很微弱的信号(由于分光计光谱分辨率引起的)。
光谱签名测定中的另一个变量包括：a)测试样本受照射的时间长度；b)在测试样本第一表面上的照射的振幅；c)噪声变量的振幅；d)照射器中光谱随时间的偏移；e)在对测试样本的照射停止后测试样本发射的荧光的衰减。在比较各种不同的检测方案时需要考虑这些变量。
在本发明的一个实施方式中，接收光的自适应滤波能够检测在对测试样本的照射停止后测试样本发射的荧光的衰减强度。停止照射可以是彻底终止光子能量的传送或停止某一照射波长。利用根据本发明的设备测定测试样本发射的荧光的衰减可提供用来识别测试样本的手段。
应用于此种情况下的脉冲振幅调制技术可以是照射启闭键控法。这种检测是基于在环境噪声中检测信号存在的能力。信号检测能力取决于鉴别信号和噪声的能力，并且一般要求信号功率比噪声功率大得多(通常＞10dB)。启闭键控信号的一个例子示于图5。在此场合的信噪比(SNR)为0dB，并且不可能将信号的噪声部分与包含信号加噪声部分区分开。
频域检测机制是基于采用固定频率调制的信号频率调制。与时域检测装置，如启闭键控，相比较，这种方法具有巨大的优点。即使是信号和噪声的RMS振幅可以相等(SNR＝0dB)，受到调制的信号的功率光谱密度通常比宽带噪声的功率光谱密度大很多。可利用很多手段将载波与噪声隔离，包含：a)光谱测定技术，如DFT(离散傅里叶变换)或FFT(快速傅里叶变换)；以及b)滤波器的中心频率位于频率调制上的窄带滤波。
其一例示于图6。在此场合，第一信号和噪声的RMS振幅相等(SNR＝0dB)。增加了两个其他信号，其各自的量值相对第一信号分别为0.50和0.1。时域信号正好与图5所示的样子相同。不过，在此时域中，对于第一和第二信号，光谱峰值是明显的。此信号的光谱签名淹没在噪声之中而不能分辨。这一检测技术在实际中使用比较简单，可应用于光学分光计中。
脉冲编码技术(二进制，线性，增强)是检测的一种替代手段。脉冲编码技术经常用来在存在噪声时检测很微弱的信号。与传统的技术，如音调检测和脉冲振幅检测，相比较，脉冲编码技术复杂得多，不过有时在待检测信号的振幅与噪声相比很微弱并且除了脉冲编码技术之外没有办法提高信噪比时，这种技术是唯一的选择。两种示例性的脉冲编码是二进制脉冲编码和线性频率调制(FM)编码。这两种技术属于脉冲压缩和扩展光谱类，并且在大量参考文献中有充分的描述(Barton，DK(1978)，Radars Volume 3：Pulse Compression，Artech House Inc.)。
二进制脉冲编码，作为一个示例，采用1000位同步字，这可以借助统一随机数字生成器产生并且从该数据构造一个二进制序列。脉冲在时域中的特定位置生成并且测定相对振幅。时域相关输出的结果示于图7。在一振幅图中，所有三个脉冲都可以检测到。第三个并且是最小的信号刚好可以与噪声区别开。
线性FM脉冲压缩方案传统上使用于雷达系统中用来减小传送的信号的总峰值功率，而同时仍然可以达到很大的检测范围。这些方案也在用于机载和空间船载成像雷达的合成孔径雷达处理中发挥重要作用。这种形式的编码是通过从f1至f2线性扫描载波信号(对于扫描带宽Δf)时间τ实现的。总之，线性FM编码信号的“输出功率”增加了时间带宽乘积(TBP)Δfτ，此量是以秒计的脉冲宽度和以Hz计的扫描带宽的乘积。此检测过程实质上是一个与线性FM传送脉冲相匹配的匹配滤波器检测器。总过程示于图8中。信号s(t)通常是狄拉克δ函数，此函数实际上就是用于编码器h(t)的触发脉冲，该编码器生成传送信号U(τ，Δf)，此信号是线性FM编码脉冲(或线性频率调制脉冲(chirp))，此脉冲的持续时间为τ，而带宽为Δf。这是可驱动光学发射器对测试样本进行照射的信号。在光学器件和电子设备中都有噪声n(t)增加到编码信号之上。此光学信号由光学检测器检测，其电输出信号包括所关心的实际的光学信号，光学检测器和电子设备中的光背景噪声和电噪声。于是匹配滤波器检测器就处理此电信号。由于所关心的光学信号只是与匹配滤波器相匹配的三个分量中的一个，此信号是由于线性FM脉冲编码而受到增益的唯一的分量。此光学和电学噪声分量相对编码信号实质上受到抑制。这是此方案的优点。在图9中示出一个线性FM脉冲输出。在此振幅曲线图中，只有最大的两个脉冲可检测到，第三个实际上淹没在噪声之中。此示例以图形方式示出线性FM脉冲压缩方法提供的编码增益。
增强脉冲编码技术利用了下面这一点：增加时间带宽乘积可以得到更大的编码增益。采用这一技术可以使最微弱的时间域脉冲刚好可以看到。
在图10中示出原来的TBP为200的曲线图，而在图11中示出新的TBP为800的曲线图。时间带宽乘积的增加使编码增益获得足够的增加而使第三个并且是最微弱的脉冲变得大于噪声本底而成为可见。编码增益从23.0dB增加到29.0dB，及总增加量为6.0dB。在两个曲线图中，功率都已经针对位于采样100的峰进行归一化。在从TBP为200到800时，噪声本底的下降很明显。
为进一步明确这一点，在图12中示出TBP为2250时的曲线图。为了比较此高时间带宽乘积检测方案与其他编码技术，在图13中示出时间域量值的曲线，其中绘出检测器振幅。噪声振幅应该受到抑制减小√2250，即大约47.4。脉冲1的峰值振幅是2505，脉冲2是1252，而脉冲3是250。噪声的量值与峰1信号的相同，从而噪声量值应该被抑制到大致为52的水平。从图13可知，差不多就是这种情况。由于可以得到的噪声抑制的水平很高，脉冲3的信号相对噪声背景看得很清楚。很明显，在图9中TBP＝375时脉冲3是看不见的，而在图13中当TBP＝2250时脉冲3是可以看见的。
较高的时间带宽乘积可用于取得较高的编码增益，不过，这些可能受到限制，依获得信号编码所使用的手段不同而异。机械斩光器会受到将线性FM编码复制到斩光轮上的能力的限制，同时声光调制器可以获得高得多的TBP，不过要付出高得多的代价。
扫描方法
对于手动扫描，探头是由手移动通过待分析表面，并且只分析直接受到观察的区域。对光谱特性是在空间固定点(x0，y0)进行观察。这样，就可以对每个点(x0，y0)得到光谱响应的一维曲线图。如果荧光材料在整个被观察的介质中是散射分布的或如果要求进行局部定位分析，则这种操作模式是有用的。
对于二维扫描，流体流过样本室并且可以获得对时间中的每个点(t，λ)的光谱响应。如果荧光材料是周期的，就像在一个开放系统，如城市供水系统，之中，或用于流体处理的封闭系统之中，则这种操作模式是有用的。
对于三维扫描，对于闭环反馈控制和检测对象物质中的物理和光学特性可以取得定性和定量的数据。当此探头通过二维表面扫描时，就可以对每个点(xi，yi，zi，λ)得到光谱响应。
为了获得对此处所描述的本发明更好的了解，下面举出实施例进行说明。应当理解，这些实施例仅仅是为了说明目的。因此，这些实施例丝毫不应该限制本发明的范围。
示例
示例I：用于分析流体样本的光学系统
在本发明的一个实施方式中，此光学系统可设计成为用来分析流体样本，比如，用来检测流水样本中的混浊度和/或生物量。本发明的这种形式也可应用于，比如，石油样本的分析。在本光学系统的此实施方式中，可对测试样本的光谱特性的变化进行检测和评估。
在图16中示出根据本发明一个实施例的可应用此目的光学系统。此示例是针对水分析，但是也可以同样有效地应用于其他流体的分析。此光学系统包括数字信号处理器600，LED控制系统610，照射系统620，采样盒或探头700可以放入其中的水流630，检测器光学器件640，光检测器650，光检测器电子设备660及DSP600与其相连接的网络670。可插入到流水中的光学探头700既包括照射系统620也包括检测器光学器件640，两者可以对准以便在水样本受到照射时可以使其发射的辐射被最大限度地得到检测。
数字信号处理器600包括集成于一起的软件和硬件，这种集成使得可以通过采用控制逻辑和与外部网络，比如，因特网或局域网(LAN)通信，执行包含信号处理、数据处理、系统控制等任务。由DSP执行的信号处理包含信号发生器启动的照射信号(辐射)的编码的操作。此外，由DSP启动的此信号处理包含接收的光信号(检测到的由水样本发射的辐射)的FIR匹配滤波和相关滤波。由DSP执行的数据处理可包含对收集的数据的收集，处理和分析。也可由DSP执行数据的统计分析，以便确定，比如，检测到的辐射的某一特定水平的返回周期。为了从水流中将样本抽取到采样盒而进行的控制和对LED进行控制并从而控制LED的激发，都是由包含到DSP中的控制逻辑提供的。控制逻辑还可以控制一个光学擦拭器来去除可能在光学探头上聚集和生长的生物污物。加进一个擦拭器可减少从采样盒或水流中取出探头减小清洁的频率。此DSP还包含一个通信系统，此通信系统可使其与网络连接以便从而使收集的信息传送到其他地点而不需要人员访问测试现场去收取数据。在此实施方式中，这种通信是由可建立以太网链接的软件和硬件提供的。
此LED控制系统610包含LED开关和大电流放大器，其中LED开关启动所要求的LED并且大电流放大器将可使用的电源变换到与启动LED达到所需要的强度级相匹配的电平。
光学探头700既包括照射系统620，也包括检测器光学器件640，其中上述探头可直接插入到水流或包含从水流中抽取的水样的样本室中。如果探头插入到移动的水流中，则探头的形状应该设计成为对水流的干扰最小。照射系统包括LED阵列和用来对此LED阵列产生的光子辐射进行聚焦的LED光学器件。此LED阵列可以是单个的二极管或覆盖预定的波长带的二极管集合。在一个实施方式中，在光学系统中采用发射绿光和蓝光的二极管。此检测器光学器件包括用来收集水样发射的辐射的透镜，以及光学带通滤波器，用来对收集到的辐射进行预滤波，并在其后由光检测器650将检测到的辐射转换为电信号。
此光检测器电子设备660包括一组滤波器，用来对收集到的信息在由DSP对其进行处理之前进行预滤波，比如，与水样照射有关的收集到的信息进行匹配滤波。
在本发明的此实施方式中，此DSP是独立的系统，此系统可包含内部电源或可将此DSP连接到标准AC电源，比如，墙壁上的插座的电源变换器。此外，此独立系统可将此光学系统分布设置在多个地点，比如，供水系统中的不同的位置。通过将此组光学系统与通信网络，比如，因特网或局域网，相连接，可将由这些光学系统收集并处理的信息传送到一个中心站，就不需要人员来访问每个测试现场来收集信息。此类系统可提供一种高效而物美价廉的供水系统评估装置。此光学系统能够检测反射和荧光，其中反射是水样的混浊度的指示，而荧光是水样内包含生物物质(bio-matter)的指示。正如本专业领域中的工作人员所公知，生物物质在受到照射时将会发出荧光，并且对荧光强度的检测可以确定在水系统内的生物物质水平。光学系统的本实施方式可评估水流内的反射和荧光的变化，从而可以识别可能具有特定关系的情况。这样一来，当检测到水流的光学签名的改变达到特定水平时，DSP可能会启动取样过程，其中收集水流样本供进行实验室分析。这一类几乎是经常的检测和选择性的实验室分析可以降低监测供水系统的费用和增加可能存在的问题的识别。
比如，图17示出的是以图形格式示出的由本光学系统在一天的过程中收集到的混浊度读数。图18示出的也是由本光学系统在一天的过程中检测到的生物量读数的曲线。
示例II：包含匹配滤波器接收器的分光计
在图14中示出一个实施方式，包括光源，比如，一个小型氙灯，此氙灯的发射光谱大致等于6000°K黑体的发射光谱，带有一些分立谱线。此光线经过准直和光调制盘(chopper wheel)的调制，提供的是500Hz对进入照射单色器的光线的启闭调制(On-Off modulation)。在CPU控制下工作的照射单色器以步长10nm扫描从250nm到800nm的照射波长。此照射聚焦到所关心的区域。在CPU控制下工作的接收光单色器以步长10nm扫描从250nm到800nm的接收光波长。其控制方式是对每个照射波长采样λi，对大于或等于λi的波长范围进行扫描。采用Ga-As发光二极管作为光学检测器，从光检测器发出的信号由低噪声放大器(LNA)进行放大。LNA的输出可利用模拟滤波器进行滤波，或可利用模数转换器(ADC)数字化并利用IIR(无限脉冲响应)或FIR(有限脉冲响应)数字滤波器进行数字处理。对每个λi和λe，记录检测器输出，并且可绘出曲线进行显示，如图15所示。
一个有待处理的重要问题是系统的量值对波长的定标(calibration)，因为氙灯光源的光谱不是平直的。这可以利用标准漫射反射源完成，其光谱在光学波长意义上是平直的。于是此定标因子就可应用于收集的数据而可以将照射光源的光谱染色从数据中去掉。这一过程实质上是数据的光谱均衡。
一旦数据经过均衡，就可利用多种方式将其显示，比如，轮廓曲线，表面曲线，使照射/发射光谱易于观察。这可能要求，比如，对于在固定波长位置的某种响应的最强光谱峰的某种规范化。这要通过实验确定。在图15中示出表面型曲线的一个示例。
示例III
本发明的一个实施方式包括一个光学系统，此光学系统包括：a)发光二极管(LED)，作为照射光源，由数字信号处理装置控制发射辐射带宽为从380nm到500nm；b)由步进电动机控制的，光栅照射单色器，通过数字信号处理装置的控制接收照射设备发出的光并以脉冲序列形式提供第Nth个波长；c)一个光纤探头，利用准直之和聚焦元件与单色器耦合，向对象区域提供第Nth个波长。此光学探头位于一个组件之中，该组件定位照射光学器件与检测光学器件的取向使两者互相保持固定的角度；d)用于汇聚第Nth个波长的结果辐射和经集光透镜及耦接到步进电动机控制的光栅检测单色器的光纤提供信息的收集装置；以及e)光检测器，如Ga-As集成发光二极管和放大器。此步进电动机控制的光栅单色器(照射单色器和发射单色器两者)，是由数字信号处理装置控制来执行在特定的时间使第Nth个波长反应特性通过的任务。
通常，Ga-As集成发光二极管和放大器是由叠层电子部件制作的，而该叠层电子部件包括同一芯片上的发光二极管和互阻抗放大器。这由数字信号处理装置抽样去感知特定时间的辐射。使用一个发光二极管作为光学检测器，利用低噪声放大器(LNA)将来自发光二极管的信号放大。利用一个模拟滤波器对LNA的输出进行滤波来调节来自光检测器的信号，采用运算放大器将信号放大到规定的范围并利用模数转换器(ADC)数字化，并利用FIR数字滤波器和数字信号编码软件技术以数字方式进行处理以使时间/带宽乘积可利用相关接收器进行测定。
本系统还包括一个DSPS设备，在其中利用脉冲压缩的32位线性FM编码技术生成照射调制编码信号，检测脉冲编码利用匹配相关接收器分解时间带宽乘积，并且检测特定辐照度可促使DSPS运行特定的例程来测试特定的信号响应特性，在此场合，取决于照射波长的限制可以测定荧光和反射。单色器光栅可工作通过可见光光谱，并且可以以其他波长代替UV(紫外)或IR(红外)；以及一种数字信号处理技术，其可使识别数据峰值及其基于规则的加权相关性的软件可以控制照射器和检测器单色器。
示例IV
在本发明的一个实施方式中，光学系统可设计成为具有控制扫描(照射辐射)波长的能力，包含调制技术。此类光学系统可提供最大光学灵活性，这种灵活性对于包含研究红外诊断的应用可能最需要的。针对这种场合设计的光学系统的一个实施例包括：集成到计算设备中的数字信号处理装置，此装置具有发射器控制电子设备，其中包含脉冲编码软件，此软件用于生成同步脉冲供直接调制光学发射处理装置频率使用，以及包含信号相关匹配滤波器的接收信号处理装置；提供光子能源的闪光灯；包含用来调制发射辐射的频率调制器电路、折射或衍射光学系统的光学发射处理装置，其中光学中心波长是利用位置控制器移动发射光学系统的固定光调节光学器件进行选择的；包含折射或衍射系统的接收光光学处理装置，其中光学中心波长是利用位置控制器移动检测光学系统的固定光调节光学器件进行选择的；以及一个用作光学检测器的硅APD光检测器。
在此实施方式中，对闪光灯的发射光谱的校正可能不只是像示例II那样要求简单地将其与标准漫射反射源进行比较。峰发射的高度特定波长可能要求对孔径和检测系统增益进行调节以便保持准确的信噪比规范化。这些调节，理想情况是自动进行并在规范化过程中作为数据变量记录。特别是在采样吸收和反射在峰发射波长上是高度可变的场合尤其如此。设定为在非峰值波长上进行最大荧光检测的系统很容易由于峰波长的响应而过饱和。
示例V
在本发明的一个实施方式中，光学系统可以设计为对利用已知光波波长对测试样本进行照射的结果而得到的结果辐射具有最高灵敏度。此类光学系统对于荧光分析可能有用，特别是如果光谱探头是附加在研究对象上并且已知光谱性质，使得荧光、吸收或反射的特定波长可以测定时。
针对这种场合设计的光学系统的一个示例包括：集成到计算设备中的数字信号处理装置，此装置具有发射器控制电子设备，其中包含脉冲编码软件，此软件用于生成同步脉冲供直接调制光学发射处理装置频率使用，以及包含信号相关匹配滤波器的接收信号处理装置；提供光子能源的激光器；包含声光扫描器和固定发射光学系统的光学发射处理装置；包含固定光调节光学器件的接收光光学处理装置；以及一个用作光学检测器的光电倍增器。本系统的这一实施方式可应用于直接感知来自测试样本或对象物体中的生物分子的特定荧光响应。
示例VI
在本发明的另一个实施方式中，一种光学系统可以应用于低成本的污物计测学或反射测量学的应用中，包含，比如，微粒测量，如水的混浊度。在此示例中，此光学设备可设计成为利用特定波长的光照射测试样本并可检测由于流体中的微粒受到刺激而发射的同一或不同波长的反射或反射波长带。
与此类设备有关系的光学系统的一个实施方式包括：一个独立的数字信号处理装置，此装置具有发射器控制电子设备，其中包括脉冲编码软件，此软件用于生成同步脉冲供直接调制光学发射处理装置振幅使用，以及包括信号相关匹配滤波器的接收信号处理装置；用作光子能源的发光二极管(LED)；包括振幅调制电路和固定光调节发射光学系统的光学发射处理装置；包含固定光调节光学器件的接收光光学处理装置以及用作光检测器的硅光电二极管。
在此实施方式中，光学系统直接向流体发射并且检测器接收流体中发出的光。这是借助光纤或通过直接将光学系统插入到对象流体中而实现的。此类过程可减少表面边界层的反射效果，从而可提高光学系统的信噪比。
对于如上描述的本发明的实施方式，很显然，其内容可以有多种改变。此种变化不能看作是脱离本发明的精神或范围，并且所有这些修改，正如本专业领域中的工作人员清楚了解那样，包括在下面的权利要求的范围内。

Claims (14)

1.一种对测试样本执行光学分析的系统，包括：
a)一个用于发射电磁辐射的光子能源，其中所述光子能源是由数字信号处理装置控制的；
b)一个光学发射处理装置，用来接收光子能源发出的电磁辐射并将一个或多个照射波长传送到测试样本，其中光学发射处理装置是由数字信号处理装置控制的；
c)一个接收光光学处理装置，用来收集和隔离所接收到的来自测试样本的电磁辐射的一个或多个波长并将所接收到的电磁辐射的隔离的一个或多个波长传送到一个光学检测器，其中所述接收光光学处理装置是由数字信号处理装置控制的；
d)一个光学检测器，用来感知所接收到的电磁辐射的一个或多个隔离的波长并将其转换成电信号；以及
e)数字信号处理装置，用来对从光学检测器接收到的电信号进行匹配滤波以及控制光子能源、光学发射处理装置和接收光光学处理装置的功能。
2.如权利要求1所述的对测试样本执行光学分析的系统，其中光学发射处理系统对传送到测试样本上的照射波长进行编码。
3.如权利要求2所述的对测试样本执行光学分析的系统，其中编码是利用从下面一组中选择的调制方法执行的：脉冲振幅调制，脉冲频率调制，脉宽调制，二进制移相键控或函数发生器。
4.如权利要求1所述的对测试样本执行光学分析的系统，其中数字信号处理装置是独立的系统。
5.如权利要求1所述的对测试样本执行光学分析的系统，其中数字信号处理装置是集成到计算系统的电路板。
6.如权利要求4所述的对测试样本执行光学分析的系统，其中数字信号处理装置能够与通信网络相连接，所述通信网络是从下面一组中选择的：局域网，广域网，无线网因特网或以太网。
7.如权利要求1所述的对测试样本执行光学分析的系统，其中光子能源是从下面一组中选择的：激光器，激光二极管，发光二极管，弧光闪光灯或连续波灯。
8.如权利要求1所述的对测试样本执行光学分析的系统，其中光学发射处理装置和接收光光学处理装置包含一个或多个从下面一组中选择的光学器件：聚光器，聚焦器件，光纤光学器件，孔径器件和单色器。
9.如权利要求1所述的对测试样本执行光学分析的系统，其中光学检测器是从下面一组中选择的：砷化镓光电二极管，硫化镉光电二极管或硅雪崩二极管。
10.一种对流体进行光学分析的系统，包括：
a)一个带有一个照射系统的光学探头，该照射系统包含一个发射电磁辐射的光子能源和将所述电磁辐射射向测试样本的光学设备，所述光学探头还包含用于收集和使测试样本发射的电磁辐射射向光检测器的检测器光学器件，其中所述的光学探头插入到流体流或一个包含有流体样本的样本室中；
b)一个激发光子能源的控制装置；
c)一个用来感知由测试样本发射的电磁辐射并且将其转换成电信号的光检测器；以及
d)数字信号处理装置，用来对从光学检测器接收到的电信号进行匹配滤波，所述数字信号处理装置还控制光子能源的激发和射向测试样本的电磁辐射的编码。
11.如权利要求10所述的对流体执行光学分析的系统，其中编码是利用从下面一组中选择的调制方法执行的：脉冲振幅调制，脉冲频率调制，脉宽调制，二进制移相键控或函数发生器。
12.如权利要求10所述的对流体执行光学分析的系统，其中数字信号处理装置是独立的系统。
13.如权利要求10所述的对流体执行光学分析的系统，其中数字信号处理装置是集成到计算系统的电路板。
14.如权利要求10所述的对流体执行光学分析的系统，其中数字信号处理装置能够与通信网络相连接，所述通信网络是从下面一组中选择的：局域网，广域网，无线网因特网或以太网。
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