一种基于荧光衰减信号的荧光寿命解调方法与流程

本发明涉及荧光光纤温度传感检测技术，具体涉及一种基于荧光衰减信号的荧光寿命解调方法。

背景技术：

1、传统的温度测量技术在各领域应用已较为成熟，但在易燃、易爆、高电压、强磁场的特殊工况和环境下，由于光纤本身的电磁绝缘特性以及宽频带的优点，使荧光光纤温度测量技术具有独到的优越性。

2、荧光光纤测温的基本原理是当发光材料受到某段波长的入射光照射，吸收光能后从基态进入激发态，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，衰减曲线(荧光衰减信号)类似于指数衰减的方式，衰减的时间常数(荧光寿命)是温度的单值函数，所以荧光衰减信号的荧光寿命的解调精度直接影响输出温度值的精度。

3、目前的荧光衰减信号解调荧光寿命的方法多为传统的单指数1/e法、积分法等方法，这类解调方法的优点是计算简单，但是存在解调精度低、误差大的致命缺点，导致测温不准确。

技术实现思路

1、为了解决现有的基于荧光衰减信号解调荧光寿命方法使得荧光寿命计算误差大，进而使荧光测量温度的解调精度低的问题，而提供了一种基于荧光衰减信号的荧光寿命解调方法。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种基于荧光衰减信号的荧光寿命解调方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

4、步骤一：利用数据采集卡对荧光衰减信号进行连续采样，采样间隔为ts，获取荧光衰减信号的荧光强度，荧光衰减信号模型周期为t；

5、步骤二：利用步骤一得到的荧光衰减信号的荧光强度，建立荧光衰减信号模型；

6、i(t)＝a×exp(-t/τ)+b   (1)；

7、其中，i(t)为t时刻荧光衰减信号的荧光强度，a为荧光衰减信号的荧光强度系数，τ为荧光衰减信号的荧光寿命值，b为直流分量；

8、步骤三：选取任意时刻t0，并截取时间段0～t0内的荧光衰减信号，0＜t0＜t；

9、步骤四：选取0～t0时间段内的两个时间点，0～t0内的荧光衰减信号曲线被两个时间点和荧光强度为0的时刻分为4个部分，利用步骤二的荧光衰减信号模型，分别计算4个部分的积分值，设定0～t0内的面积计算值s与4个部分积分值的关系式，当s趋于0时，得到t0与荧光寿命值τ的关系；

10、步骤五：将步骤四中计算得到的值s与面积目标值s0作差并取绝对值，判断选取的t0时刻是否准确；

11、差值δs为：

12、δs＝|s-s0|   (8)；

13、若δs≤q，则选取的t0时刻准确，进入步骤七；

14、若δs＞q，则选取的t0时刻不准确，进入步骤六；

15、其中，q为误差允许值；

16、步骤六：利用增量式pid算法，得到时刻t0的增量，进而得到准确的t0时刻；

17、步骤七：输出符合条件的t0；

18、步骤八：荧光衰减信号的荧光寿命τ为：

19、

20、进一步地，所述步骤四具体为：

21、步骤4.1、对步骤二的荧光衰减信号模型i(t)减去i(0)/2，得到消除荧光背景信号对荧光寿命的影响后的荧光衰减信号模型f(t)：

22、f(t)＝a×exp(-t/τ)+b-i(0)/2   (2)；

23、步骤4.2、选取两个时间点t1、t2，0＜t1＜t2＜t0，以t1、t2、θ三个时间点将0～t0内的荧光衰减信号模型划分为四部分p1、p2、p3、p4，满足f(θ)＝0，t1＜θ＜t2；

24、定义p1、p2、p3、p4四部分面积分别为s1、s2、s3、s4，其中s1＞0，s2＞0，s3＞0，s4＞0；

25、步骤4.3、定义0～t0内的荧光衰减信号的面积计算值为s，且s＝s1+s2-s3-s4，则：

26、

27、步骤4.4、对公式(3)做进一步推导：

28、

29、步骤4.5、将代入公式(4)则：

30、

31、步骤4.6、当面积计算值s趋于0，a与τ均不为0时，得到t0与τ的关系：

32、

33、步骤4.7、求解公式(6)可得：

34、t0≈4.875035τ   (7)。

35、进一步地，所述增量式pid算法，具体为：

36、步骤6.1、定义面积计算目标值为sr(n)，当前0～t0内的荧光衰减信号的面积计算值为sg(n)，则pid控制系统的控制量输入值为se(n)，

37、se(n)＝sg(n)-sr(n)   (9)

38、其中，n为采样时刻，n＝n*ts，n＝2，3，4…；

39、步骤6.2、计算n时刻的时刻控制量u[n]，

40、

41、其中，kp为比例参数，ti为积分参数，td为微分参数，ts为采样间隔；

42、步骤6.3、计算控制时间增量δu，

43、δu＝u[n]-u[n-1]   (11)

44、将公式(11)代入公式(10)可得：

45、

46、步骤6.4、计算准确的t0时刻；

47、t0[n]＝t0[n-1]+δu[n]   (13)。

48、进一步地，所述s0＝0，q＝10-5。

49、与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：

50、1、本发明提供的基于荧光衰减信号的荧光寿命解调方法，通过数据采集卡直接采集连续的荧光衰减信号并建立荧光衰减信号模型对荧光寿命解调，同时对荧光衰减信号模型减去i(0)/2，消除了荧光背景信号对荧光寿命解调精度的影响。

51、2、本发明提供的基于荧光衰减信号的荧光寿命解调方法，截取0～t0时间内的荧光衰减信号，计算此时间段内的积分值，通过判断面积计算值与面积目标值差值的误差范围，进而控制时间常量t0的误差范围，从而间接控制荧光寿命解调精度。

52、3、本发明提供的基于荧光衰减信号的荧光寿命解调方法，使用增量式pid控制时间t0的增量，可以准确获取满足条件的t0，保证了t0的解调精度，荧光寿命与时间t0为正比例关系，从而也保证了荧光寿命τ的解调精度，消除了误差大的问题，同时还可以缩减寻找合适t0的运行时间，提高运算效率。

技术特征：

1.一种基于荧光衰减信号的荧光寿命解调方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于荧光衰减信号的荧光寿命解调方法，其特征在于：所述步骤四具体为：

3.根据权利要求2所述的基于荧光衰减信号的荧光寿命解调方法，其特征在于：所述增量式pid算法，具体为：

4.根据权利要求1所述的基于荧光衰减信号的荧光寿命解调方法，其特征在于：

技术总结
本发明为解决现有的基于荧光衰减信号解调荧光寿命方法使得荧光寿命计算误差大，进而使荧光测量温度的解调精度低的问题，而提供了一种基于荧光衰减信号的荧光寿命解调方法。本发明包括以下步骤：步骤一：利用数据采集卡连续采集荧光衰减信号，获取荧光衰减信号的荧光强度；步骤二：建立荧光衰减信号模型；步骤三：截取时间段0～T<subgt;0</subgt;内的荧光衰减信号；步骤四：利用荧光衰减信号模型，得到T<subgt;0</subgt;与荧光寿命值τ的关系；步骤五：将计算得到的面积计算值S与面积目标值S<subgt;0</subgt;作差并取绝对值，判断选取的T<subgt;0</subgt;时刻是否准确；步骤六：利用增量式PID算法，得到时刻T<subgt;0</subgt;的增量，进而得到准确的T<subgt;0</subgt;时刻；步骤七：输出符合条件的T<subgt;0</subgt;；步骤八：得到荧光衰减信号的荧光寿命τ。

技术研发人员：周航,康利军,殷俊,屈衍衍,郑皓文,刘帆
受保护的技术使用者：西安和其光电科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15