CN111504496B - 一种用于荧光解调温度的信号处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于荧光解调温度的信号处理方法，解决现有荧光寿命衰减波形为微弱信号，导致荧光寿命解调结果波动大以及单指数拟合准确度低的问题，该方法包括以下步骤：步骤一：分别采集连续的荧光激发波形与荧光衰减波形；步骤二：得到各荧光激发波形的初始点和最终点；步骤三：得到完整的荧光衰减波形；步骤四：得到消除高斯白噪声后的荧光衰减波形；步骤五：建立双指数荧光衰减波形模型，步骤六：得到余辉强度a、b的初始值；步骤七：对双指数荧光衰减波形模型进行最小二乘法拟合，计算得到最佳拟合参数，荧光寿命即可通过参数计算得到；步骤八：将步骤七中得到的荧光寿命与现有荧光寿命表进行对比，得到温度值。
Description
技术领域
本发明涉及荧光光纤温度传感检测技术，具体涉及一种用于荧光解调温度的信号处理方法。
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，因而可通过不同温度下的荧光寿命来测量温度。根据原子跃迁原理，当光照射在荧光物质上时，其内部的电子获得能量从而由基态到激发态，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基发态的寿命，最后的衰减曲线类似与指数衰减方式，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。
快速准确求得荧光寿命，是荧光寿命测温的关键，在求解荧光寿命的过程中，由于荧光寿命衰减信号是通过光电探测器采集到的，其光电转换后的信号幅值小，一般在mV级别，从而荧光衰减信号很容易受到干扰信号的影响，导致其有效信号信噪比低，最终导致荧光寿命解调结果波动大。此外，荧光寿命衰减信号通过光电探测器采集得到，由于光电探测器存在一定灵敏度，即荧光寿命衰减信号前段存在一定的非指数化倾向。荧光材料受激发产生电子跃迁时，会有几个可能的能级，跃迁时会产生不同能量的光子，导致光谱出现多根谱线，即荧光衰减波形是几个荧光衰减波形叠加，所以也会导致荧光寿命非指数化倾向，所以单指数拟合准确度低。
发明内容
本发明的目的是解决现有荧光寿命衰减波形为微弱信号，导致荧光寿命解调结果波动大以及单指数拟合准确度低的问题，提供一种用于荧光解调温度的信号处理方法。
本发明的技术方案是：
一种用于荧光解调温度的信号处理方法，包括以下步骤：
步骤一：分别采集连续的荧光激发波形与荧光衰减波形；
步骤二：通过对采集到的荧光激发波形求微分，判断荧光激发波形的上升沿与下降沿，得到每个周期中各荧光激发波形的初始点和最终点；
步骤三：记录荧光激发波形的初始点与最终点序号，依据此序号划分荧光衰减波形，得到完整的荧光衰减波形；
步骤四：多次连续采集，完整叠加每个周期的荧光衰减波形，对每个荧光衰减波形进行叠加求平均，得到消除高斯白噪声后的荧光衰减波形；
步骤五：建立双指数荧光衰减波形模型，
I(t)＝a×exp(-t/τ1)+b×exp(-t/τ2)+c
将步骤四得到的荧光衰减波形通过双指数荧光衰减波形模型分为两个荧光寿命值不同的衰减波形，其中，I是荧光强度；a、τ1分别为其中一个衰减波形的余辉强度系数、荧光寿命值；b、τ2分别为另一个衰减波形的余辉强度系数、荧光寿命值，t为时间；c是直流分量；
步骤六：进行参数初始化，对余辉强度a、b初始化，在激励脉冲终止时刻，根据现有的多个荧光衰减波波形，连续记录100个荧光衰减数值，并求其平均值，作为余辉强度a、b的初始值；
步骤七：通过步骤六得到初始值，对双指数荧光衰减波形模型进行最小二乘法拟合，计算得到最佳拟合参数a、b、τ1、τ2，荧光寿命τ即可通过参数计算得到，
步骤八：将步骤七中得到的荧光寿命与现有荧光寿命表进行对比，得到温度值。
进一步地，步骤七中得到的荧光寿命常数在表中存在，则直接对应该荧光寿命常数对应的温度值。
进一步地，步骤七中得到的荧光寿命常数在核对表的相邻两个标准荧光寿命之间，则使用线性内插法得出相应的温度值。
进一步地，步骤七中得到的荧光寿命常数在上述核对表标准荧光寿命常数之外，采用线性外推值法得出相应的温度值。
进一步地，步骤一中，通过AD同步数据采集卡，分别采集连续的荧光激发波形与荧光衰减波形。
本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明提供一种用于荧光解调温度的信号处理方法，通过双指数拟合的方法可以很大程度上消除测量数据局部扰动对荧光寿命解调的影响，而且能够拟合荧光寿命衰减波形的非指数化趋势，减小拟合误差，提高拟合精度。该方法从而降低了干扰噪声对整个系统的影响，很大程度上限制了直流分量、背景噪声等对有效信号的干扰。
附图说明
图1为本发明荧光激发信号示意图；
图2为本发明荧光衰减信号示意图；
图3为本发明荧光激发信号求微分后的示意图；
图4为本发明荧光激发波形的初始点与最终点的示意图；
图5为本发明多个荧光衰减波形示意图；
图6为本发明消除高斯白噪声后的荧光衰减波形示意图。
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。
一种用于荧光解调温度的信号处理方法，包括以下步骤：
步骤一：如图1和图2所示，通过AD同步数据采集卡，分别采集连续的荧光激发波形与荧光衰减波形；
步骤二：如图3所示，荧光激发波形为E(t)，通过对采集到的荧光激发波形求微分，判断荧光激发波形的上升沿与下降沿，可以得到每个周期荧光激发波形的初始点和最终点；
e(tn)＝E(tn+1)-E(tn)
其中，n＝0,1,2,...；
步骤三：如图4所示，记录荧光激发波形的初始点○表示与最终点(
表示)序号，依据此序号划分荧光衰减波形，可以得到完整的荧光衰减波形；
步骤四：如图5和图6所示，多次连续采集，完整叠加每个周期的荧光衰减波形，对每个荧光寿命衰减波形的采集点进行叠加求平均，这样可以有效消除高斯白噪声引起的测量误差，得到消除高斯白噪声后的荧光衰减波形；
步骤五：建立双指数荧光衰减波形模型，
I(t)＝a×exp(-t/τ1)+b×exp(-t/τ2)+c
将步骤四得到的荧光衰减波形通过双指数荧光衰减波形模型分为两个荧光寿命值不同的衰减波形；其中，I是荧光强度；a、τ1分别为其中一个衰减波形的余辉强度系数(荧光衰减波的幅值)、荧光寿命值；b、τ2分别为另一个衰减波形的余辉强度系数(荧光衰减波的幅值)、荧光寿命值，t为时间；c是直流分量；
步骤六：进行参数初始化，对余辉强度a、b初始化，在激励脉冲终止时刻，根据现有的多个荧光衰减波波形，连续记录100个荧光衰减数值，并求其平均值，作为余辉强度a、b的初始值；
步骤七：通过步骤六得到初始值，对双指数荧光衰减波形模型进行最小二乘法拟合，计算得到最佳拟合参数a、b、τ1、τ2，荧光寿命τ即可通过参数计算得到，
最小二乘法拟合具体过程如下：
如6图所示为消除高斯白噪声后的荧光寿命衰减波形，设给定数据点为(ti,yi)i＝0,1,2,3...构造时间坐标数组，根据同步数据采集卡的采样率，计算采样间隔，建立一维数组；荧光波形采样点根据采样率计算得出，为时间横坐标ti；
现求I(t)＝a×exp(-t/τ1)+b×exp(-t/τ2)+c，使得
因此上述问题变为求
M＝M(a,b,τ1,τ2,c)
的极值问题；
上方程组的系数矩阵是一个对称正定矩阵，故存在唯一解；
步骤八：将步骤七中得到的荧光寿命与现有荧光寿命表进行对比，得到温度值。
如果计算得到的荧光寿命常数在表中存在，则直接对应该荧光寿命常数对应的温度值；当步骤七中得到的荧光寿命常数在上述核对表的相邻两个标准荧光寿命之间，则使用线性内插法得出相应的温度值；当步骤七中得到的荧光寿命常数在上述核对表标准荧光寿命常数之外，采用线性外推值法得出相应的温度值。
测量计算全温度段的荧光寿命，全温度段的荧光寿命与温度基本成线性关系。若为非线性关系，有可能会导致一个荧光寿命对应多个温度点，会造成输出温度错误的情况发生。
以上方法可以有效提高荧光寿命计算精确度。
Claims (5)
1.一种用于荧光解调温度的信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：分别采集连续的荧光激发波形与荧光衰减波形；
步骤二：通过对采集到的荧光激发波形求微分，判断荧光激发波形的上升沿与下降沿，得到每个周期中各荧光激发波形的初始点和最终点；
步骤三：记录荧光激发波形的初始点与最终点序号，依据此序号划分荧光衰减波形，得到完整的荧光衰减波形；
步骤四：多次连续采集，完整叠加每个周期的荧光衰减波形，对每个荧光衰减波形进行叠加求平均，得到消除高斯白噪声后的荧光衰减波形；
步骤五：建立双指数荧光衰减波形模型，
I(t)＝a×exp(-t/τ1)+b×exp(-t/τ2)+c
将步骤四得到的荧光衰减波形通过双指数荧光衰减波形模型分为两个荧光寿命值不同的衰减波形；其中，I是荧光强度；a、τ1分别为其中一个衰减波形的余辉强度系数、荧光寿命值；b、τ2分别为另一个衰减波形的余辉强度系数、荧光寿命值；t为时间；c是直流分量；
步骤六：进行参数初始化，对余辉强度a、b初始化，在激励脉冲终止时刻，根据现有的多个荧光衰减波波形，连续记录100个荧光衰减数值，并求其平均值，作为余辉强度a、b的初始值；
步骤七：通过步骤六得到初始值，对双指数荧光衰减波形模型进行最小二乘法拟合，计算得到最佳拟合参数a、b、τ1、τ2，荧光寿命τ即可通过参数计算得到，
步骤八：将步骤七中得到的荧光寿命与现有荧光寿命表进行对比，得到温度值。
2.根据权利要求1所述的用于荧光解调温度的信号处理方法，其特征在于：步骤七中得到的荧光寿命在现有荧光寿命表中存在，则直接获取该荧光寿命对应的温度值。
3.根据权利要求1所述的用于荧光解调温度的信号处理方法，其特征在于：步骤七中得到的荧光寿命在现有荧光寿命表中的相邻两个标准荧光寿命之间，则使用线性内插法得出该荧光寿命相应的温度值。
4.根据权利要求1所述的用于荧光解调温度的信号处理方法，其特征在于：步骤七中得到的荧光寿命在现有荧光寿命表中的标准荧光寿命之外，则采用线性外推值法得出该荧光寿命相应的温度值。
5.根据权利要求1至4任一所述的用于荧光解调温度的信号处理方法，其特征在于：步骤一中，通过AD同步数据采集卡，分别采集连续的荧光激发波形与荧光衰减波形。
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