相位型表面等离子共振传感系统中的干涉光信号处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光信号处理技术领域，涉及到光-电信号的转换，信号的提取、锁定、 预处理、精确处理的方法，特别涉及到经典马赫一泽德干涉仪结构的光路装置。
【背景技术】
[0002] 表面等离子体共振传感技术是一种高精度的光学折射率传感技术，以高灵敏度、 所需待测样品少、响应速度快等优势，被广泛应用于化学和生物的传感应用领域中。传统的 表面等离子体共振传感器主要基于对光的振幅信息的检测来实现折射率传感，包括强度 型、角度型和波长型等几种类型。新型的相位型表面等离子体共振传感器基于相位信息检 测，其传感分辨率优于传统的振幅检测的传感器2-3个数量级，因此在生物小分子相互作 用和微量样品检测中有着巨大的应用潜力，其传感器构架和相位信号提取方式也是各种各 样的。常见的几种提取方式为：光偏振测定法（检测激发光经过表面等离子体共振传感面 发射前后的偏振状态改变来提取表面等离子体相位信号）、光外差法（通过光学拍频将电 场振荡频率降低到几十kHz的低频振荡同时保留相位信息，然后用相位计读取低频振荡的 相位信息）、光干涉法（检测表面等离子体共振中信号光的相位）。无论采取何种提取方式， 其目的都是为了实现相位型传感器的高分辨率。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是为了提高相位型表面等离子体共振传感器的分辨率。本发明要解 决的技术问题是精确提取经过传感器两路干涉光信号之间的相位差信息。
[0004] 本发明的技术方案是：
[0005] 相位型表面等离子共振传感系统中的干涉光信号处理方法，
[0006] 结合数学理论和信号处理知识，基于马赫一泽德干涉仪结构的光路，He-Ne激光器 发出的激光经过表面等离子共振传感层后，会携带着传感信号。在光路的输出端采用光电 探测器将光信号接收，然后通过数据采集板将信号输入电脑。自主设计并编写算法将得到 的信号连续地经过提取、锁定、预处理、精确处理等步骤，进而解调出了高精度、高稳定性的 相位信息。
[0007] 相位型表面等离子共振传感系统中的干涉光信号处理方法，步骤如下：
[0008] 1、提取信号
[0009] 信号发生器中产生的三角波作为激励信号，将其采入系统，若第一个三角波波谷 在波峰前面，则直接选取第一个波谷三角波到第一个三角波波峰之间对应的正弦波形。若 第一个三角波波峰在第一个波谷三角波前面，则选取第一个三角波波谷和第二个三角波波 峰之间对应的正弦波形，并选取三角波，采入系统中的第一个三角波完整上升沿所对应的 正弦波形（干涉信号）作为步骤2处理的信号。循环采入三角波信号，并得到一系列干涉 信号。
[0010] 2、信号锁定
[0011] 为了使每次采入系统中的干涉信号都在同一个相位处，确定锁定信号的方法使得 每次开始采集干涉信号的位置随着随机直流分量的变化而变化，从而保证初始的相位是确 定值。锁定信号的方法：找到步骤1中所选取的一列正弦波，并确定该列正弦波中接近中间 位置的一个波峰。第一次循环结束后，记录上述波峰对应的初相值，以后每次循环均以第一 次循环时记录的初相值为基准调整开始循环的位置，保证了每次循环的初始相位在较小的 区间内变动，可得到多个正弦周期。例：本发明中，在步骤1中共选取了 13个正弦波形，选 取第6个正弦波形波峰的位置为基准位置，然后以这个波峰位置为基准，找到此波峰位置 向前40个点位置。
[0012] 3、信号的预处理
[0013] 步骤2得到的信号波形包含多个正弦周期，在同一上升沿，压电陶瓷依然有非线 性和系统噪声的干扰，使得采集的各正弦周期的波峰和波谷值依然具有细微的偏差。记录 得到的各正弦周期的波峰值和波谷值，然后对正弦周期进行采样和插值，得到信号波形的 上下包络面（上包络面对应波峰，下包络面对应波谷值），再根据上下包络面的值将波形归 一化为标准正弦波形。
[0014] 4、精确处理信号以及对相位的提取
[0015] 将归一化后的标准正弦波形逐点进行反正弦运算，并将运算的结果存入数组中， 将数组中的数据持续同时进行以下运算：
[0016] 1)将两路标准正弦波形进行反正弦运算，并逐点做差并求绝对值，其中一路标准 正弦波形反正弦运算后用arcsinp表示，另一路标准正弦波形反正弦运算后用arcsinS 表示，的表示计算的到的相位差值。
[0017] 当arcsinp和arcsins处于相同的单调变化趋势时
【主权项】
1. 一种相位型表面等离子共振传感系统中的干涉光信号处理方法，其特征在于，步骤 如下： (1) 提取信号 信号发生器中产生的三角波作为激励信号，将其采入系统，选取的原则：若第一个三 角波波谷在波峰前面，直接选取第一个波谷三角波到第一个三角波波峰之间对应的正弦波 形；若第一个三角波波峰在第一个波谷三角波前面，选取第一个三角波波谷和第二个三角 波波峰之间对应的正弦波形，并选取三角波，采入系统中的第一个三角波完整上升沿所对 应的正弦波形即干涉信号作为步骤（2)处理的信号；循环采入三角波，得到一系列干涉信 号； (2) 信号锁定 确定步骤（1)中所选取的一列正弦波，并确定该列正弦波中接近中间位置的一个波 峰；第一次循环结束后，记录上述波峰对应的初相值，每次循环均以第一次循环时记录的初 相值为基准调整开始循环的位置，保证每次循环的初始相位在较小的区间内变动，得到多 个正弦周期； (3) 信号预处理 记录步骤（2)得到的各正弦周期的波峰值和波谷值，对正弦周期进行采样和插值，得 到信号波形的上下包络面，上包络面对应波峰，下包络面对应波谷值，再根据上下包络面的 值将波形归一化为标准正弦波形； (4) 精确处理信号以及对相位的提取 将归一化后的标准正弦波形逐点进行反正弦运算，并将运算的结果存入数组中，将数 组中的数据持续同时进行以下运算： 1) 将两路标准正弦波形进行反正弦运算，并逐点做差并求绝对值，其中一路标准正弦 波形反正弦运算后用arcsin p表示，另一路标准正弦波形反正弦运算后用arcsin s表示， 仍表示计算的到的相位差值； 当arcsin p和arcsin s处于相同的单调变化趋势吭
2) 将两路标准正弦波形进行反正弦运算，并逐点求和，再用π减去和值， 当arcsin ρ和arcsin s处于不同的单调变化趋势时
； 3) 将步骤1)和步骤2)求得的图像合并，并得到合并图像后的水平线； 4) 将步骤3)水平线上的点求平均值作为最后的相位值，
对于arcsin ρ和arcsin s处于相同的单调变化趋势的曲线，选取水平部分的方法：先 将整个波形中的峰值选出，再找到峰值中的最小值，将大于最小值的波形中的点组成水平 部分；对于arcsin ρ和arcsin s处于不同的单调变化趋势曲线，选取水平部分的方法：先 将波形中的谷值选出，再找到谷值中的最大值，将小于最大值的波形中的点组成水平部分， 最后将两路的水平部分合在一起处理。
【专利摘要】本发明提供了一种相位型表面等离子共振传感系统中的干涉光信号处理方法，属于光信号处理技术领域。搭建基于马赫—泽德干涉仪结构的光路，He-Ne激光器发出的激光经过表面等离子共振传感层后，激光携带着传感信号。在光路的输出端采用光电探测器将光信号接收，然后通过数据采集板将信号输入电脑。结合数学理论和信号处理知识，自主设计并编写算法将得到的信号精确地处理，进而解调出了高精度、高稳定性的相位信息。本发明的效果和益处是发明了一种新的检测和处理相位型表面等离子共振传感信号的方法，并实现了传感器的高精度测量，使得信号采集和信号处理实时进行，抑制了相位的漂移，提高了采集系统的角度分辨率。
【IPC分类】G06F19-00, G01N21-01
【公开号】CN104535496
【申请号】CN201410817251
【发明人】荆振国, 彭伟, 王斌, 梁翠翠
【申请人】大连理工大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年12月24日