本發(fā)明屬于環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)與分析
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體講是一種基于正交m序列調(diào)制的離散三維熒光光譜快速測(cè)量方法及測(cè)量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：：三維熒光光譜是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種新的熒光分析技術(shù)，相較于普通的發(fā)射光譜或激發(fā)光譜等二維熒光光譜，三維熒光光譜是激發(fā)波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)的二元函數(shù)，該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于能夠獲得激發(fā)波長(zhǎng)與發(fā)射波長(zhǎng)同時(shí)變化時(shí)的熒光強(qiáng)度信息，可以提供在普通的發(fā)射或激發(fā)譜中所得不到的信息，具有很高的選擇性。三維熒光可通過(guò)熒光分光光度計(jì)、熒光光譜儀等獲得，但這些分析方法均需進(jìn)行采樣后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析，無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)在線測(cè)量的需要。離散三維熒光光譜是根據(jù)被測(cè)物光譜特征，選取若干特定激發(fā)/發(fā)射波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)定得到的光譜。實(shí)際測(cè)量中僅需要若干激發(fā)波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)在線測(cè)量。目前對(duì)于離散三維熒光的研究多集中于算法分析，即從普通三維熒光光譜中選取若干激發(fā)/發(fā)射波長(zhǎng)進(jìn)行算法研究，在測(cè)量方法和技術(shù)方面研究較少。目前存在的一種離散三維熒光光譜測(cè)量裝置是采用若干LED作為離散激發(fā)光源，接收端采用濾光片輪進(jìn)行不同發(fā)射波長(zhǎng)的切換。對(duì)于流動(dòng)或懸浮的被測(cè)對(duì)象，該測(cè)量方法存在一定的局限性，因?yàn)闉V光片輪的轉(zhuǎn)動(dòng)需要一定的時(shí)間，在這期間被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)已經(jīng)發(fā)生了變化，從而使得獲取的離散三維熒光光譜發(fā)生了偏差，無(wú)法準(zhǔn)確反映被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：：本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種基于正交m序列調(diào)制的離散三維熒光光譜快速測(cè)量方法及測(cè)量系統(tǒng)，該測(cè)量方法和及測(cè)量系統(tǒng)利用正交m序列的自相關(guān)特性和正交性，能夠?qū)崿F(xiàn)多激發(fā)/發(fā)射波長(zhǎng)同時(shí)測(cè)量，即通過(guò)一次激發(fā)/發(fā)射過(guò)程，即可獲取離散三維熒光光譜，有效克服流動(dòng)或者懸浮被測(cè)對(duì)象的測(cè)量偏差，并快速準(zhǔn)確計(jì)算離散三維熒光光譜。該方法與系統(tǒng)既可應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)流動(dòng)水體等介質(zhì)的離散三維熒光光譜現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)在線測(cè)量。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，提供一種基于正交m序列調(diào)制的離散三維熒光光譜快速測(cè)量方法，該方法包括以下內(nèi)容：①在激發(fā)端，采用5個(gè)不同波長(zhǎng)的LED作為激發(fā)光源，每個(gè)LED采用一個(gè)m序列進(jìn)行調(diào)制，且5個(gè)m序列相互正交；②5個(gè)經(jīng)調(diào)制的LED激發(fā)樣品，誘導(dǎo)產(chǎn)生分別與5個(gè)LED對(duì)應(yīng)的調(diào)制熒光光譜序列；③在發(fā)射端，選取λ1，λ2，λ3，λ4，λ55個(gè)發(fā)射波長(zhǎng)，分別由探測(cè)器APD1，APD2，APD3，APD4，APD5完成探測(cè)，波長(zhǎng)的選擇通過(guò)窄帶濾光片實(shí)現(xiàn)；④探測(cè)器APDi探測(cè)到的熒光信號(hào)序列Fi是由5個(gè)LED激發(fā)光源激發(fā)產(chǎn)生的、波長(zhǎng)為λi的熒光信號(hào)序列之和，其中i∈(1,2,3,4,5)。Fi＝Sf1(λi)+Sf2(λi)+Sf3(λi)+Sf4(λi)+Sf5(λi)(1)其中，在式(1)中，Sf1(λi)，Sf2(λi)，Sf3(λi)，Sf4(λi)，Sf5(λi)分別為由5個(gè)不同波長(zhǎng)的LED激發(fā)產(chǎn)生的波長(zhǎng)為λi的熒光信號(hào)序列，i∈(1,2,3,4,5)，通過(guò)解析Fi，可獲得Sf1(λi)，Sf2(λi)，Sf3(λi)，Sf4(λi)，Sf5(λi)，i∈(1,2,3,4,5)；⑤對(duì)5個(gè)正交m序列S1～S5進(jìn)行移相，使之分別與LED激發(fā)光源誘導(dǎo)產(chǎn)生的熒光信號(hào)序列Sf1(λi)，Sf2(λi)，Sf3(λi)，Sf4(λi)，Sf5(λi)同步；⑥最后采用矩陣式計(jì)算方式，將熒光信號(hào)序列Fi與m序列進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，求出各熒光序列的熒光強(qiáng)度，獲得5激發(fā)/5發(fā)射波長(zhǎng)離散三維熒光光譜。采用上述方法后，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明測(cè)量方法利用正交m序列良好的自相關(guān)性和正交性，實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)激發(fā)/發(fā)射光譜同時(shí)測(cè)量，有效克服流動(dòng)或者懸浮被測(cè)對(duì)象的測(cè)量偏差。本發(fā)明測(cè)量方法既可應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)流動(dòng)水體等介質(zhì)的離散三維熒光光譜現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)在線測(cè)量。優(yōu)選地，矩陣式計(jì)算方式可以熒光信號(hào)序列F1～F5組成列向量[F1F2F3F4F5]T，5個(gè)正交m序列(S1～S5)組成行向量[S1S2S3S4S5]，二者相乘，最終得到5激發(fā)/5發(fā)射波長(zhǎng)的離散三維熒光光譜。矩陣式計(jì)算方式不但簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程，而且實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確地計(jì)算離散三維熒光光譜。本發(fā)明還提供一種基于正交m序列調(diào)制的離散三維熒光光譜快速測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括正交m序列發(fā)生單元、光源驅(qū)動(dòng)單元、LED光源陣列、樣品池、多通道熒光探測(cè)單元、數(shù)據(jù)采集單元以及數(shù)據(jù)處理與分析單元，正交m序列發(fā)生單元兩端分別與光源驅(qū)動(dòng)單元和數(shù)據(jù)采集單元連接，光源驅(qū)動(dòng)單元與LED光源陣列連接，數(shù)據(jù)采集單元兩端分別與多通道熒光探測(cè)單元和數(shù)據(jù)處理與分析單元連接，樣品池兩端分別與LED光源陣列和多通道熒光探測(cè)單元配合。該測(cè)量系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)離散三維熒光光譜的快速準(zhǔn)確獲取，而且測(cè)量系統(tǒng)既可應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)流動(dòng)水體等介質(zhì)的離散三維熒光光譜現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)在線測(cè)量。附圖說(shuō)明：圖1是m序列自相關(guān)函數(shù)示意圖；圖2是本發(fā)明一種基于正交m序列調(diào)制的離散三維熒光光譜快速測(cè)量方法示意圖；圖3是熒光發(fā)射波長(zhǎng)λ1測(cè)量示意圖；圖4是本發(fā)明一種基于正交m序列調(diào)制的離散三維熒光光譜快速測(cè)量系統(tǒng)原理框圖。具體實(shí)施方式：下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明一種基于正交m序列調(diào)制的離散三維熒光光譜快速測(cè)量方法及測(cè)量系統(tǒng)作進(jìn)一步說(shuō)明：一、一種基于正交m序列調(diào)制的離散三維熒光光譜快速測(cè)量方法(1)m序列的自相關(guān)特性如圖1所示，m序列具有非常好的自相關(guān)特性，其自相關(guān)函數(shù)具有典型的二值性，近似δ(τ)函數(shù)。具體特性如下：自相關(guān)函數(shù)：(2)正交m序列產(chǎn)生對(duì)于兩個(gè)周期為N的序列，如果這兩個(gè)序列的同相周期互相關(guān)值為0，則稱這兩個(gè)序列是正交的。多種方法可以得到正交序列集，本發(fā)明中采用移位正交m序列。具體實(shí)現(xiàn)方法為：碼長(zhǎng)為N的m序列在一個(gè)周期內(nèi)每次循環(huán)移位C個(gè)碼片構(gòu)成一個(gè)移位m序列集，在每一個(gè)構(gòu)造的移位m序列后，添加+1碼元，得到一個(gè)新的序列集合，序列碼長(zhǎng)為N+1。當(dāng)相位偏移量k＝0時(shí)，序列集合中各序列兩兩之間的互相關(guān)值為0，即得到一個(gè)移位正交m序列集合。(3)離散三維熒光光譜測(cè)量方法如圖2所示，本發(fā)明一種基于正交m序列調(diào)制的離散三維熒光光譜快速測(cè)量方法包括以下內(nèi)容：①在激發(fā)端，采用5個(gè)不同波長(zhǎng)的LEDL1、L2、L3、L4、L5作為激發(fā)光源，每個(gè)LED采用一個(gè)m序列進(jìn)行調(diào)制，且5個(gè)m序列S1、S2、S3、S4、S5相互正交；②5個(gè)經(jīng)調(diào)制的LED激發(fā)樣品，誘導(dǎo)產(chǎn)生分別與5個(gè)LEDL1、L2、L3、L4、L5對(duì)應(yīng)的調(diào)制熒光光譜序列Sf1、Sf2、Sf3、Sf4、Sf5；③在發(fā)射端，選取λ1，λ2，λ3，λ4，λ55個(gè)發(fā)射波長(zhǎng)，分別由探測(cè)器APD1，APD2，APD3，APD4，APD5完成探測(cè)，波長(zhǎng)的選擇通過(guò)窄帶濾光片實(shí)現(xiàn)；④探測(cè)器APDi探測(cè)到的熒光信號(hào)序列Fi是由5個(gè)LED激發(fā)光源L1、L2、L3、L4、L5激發(fā)產(chǎn)生的、波長(zhǎng)為λi的熒光信號(hào)序列之和，其中i∈(1,2,3,4,5)。Fi＝Sf1(λi)+Sf2(λi)+Sf3(λi)+Sf4(λi)+Sf5(λi)(1)其中，在式(1)中，Sf1(λi)，Sf2(λi)，Sf3(λi)，Sf4(λi)，Sf5(λi)分別為由5個(gè)不同波長(zhǎng)的LEDL1、L2、L3、L4、L5激發(fā)產(chǎn)生的波長(zhǎng)為λi的熒光信號(hào)序列，i∈(1,2,3,4,5)，通過(guò)解析Fi，可獲得Sf1(λi)，Sf2(λi)，Sf3(λi)，Sf4(λi)，Sf5(λi)，i∈(1,2,3,4,5)；⑤對(duì)5個(gè)正交m序列S1、S2、S3、S4、S5進(jìn)行移相，使之分別與LED激發(fā)光源L1、L2、L3、L4、L5誘導(dǎo)產(chǎn)生的熒光信號(hào)序列Sf1(λi)，Sf2(λi)，Sf3(λi)，Sf4(λi)，Sf5(λi)同步；⑥最后采用矩陣式計(jì)算方式，將熒光信號(hào)序列Fi與m序列S1、S2、S3、S4、S5進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，求出各熒光序列的熒光強(qiáng)度，獲得5激發(fā)/5發(fā)射波長(zhǎng)離散三維熒光光譜。在現(xiàn)有技術(shù)中，各熒光序列的熒光強(qiáng)度的計(jì)算方式如下：首先，以獲取熒光發(fā)射波長(zhǎng)λ1的離散激發(fā)譜為例，進(jìn)行說(shuō)明。如圖3所示，發(fā)射波長(zhǎng)λ1的熒光信號(hào)序列F1由APD1測(cè)量得到。F1＝Sf1(λ1)+Sf2(λ1)+Sf3(λ1)+Sf4(λ1)+Sf5(λ1)(2)由于5個(gè)激發(fā)光源分別受正交m序列S1～S5調(diào)制，因此激發(fā)產(chǎn)生的熒光信號(hào)序列Sf1(λ1)，Sf2(λ1)，Sf3(λ1)，Sf4(λ1)，Sf5(λ1)分別具有S1～S5的調(diào)制特性，即相互正交。Sf1(λ1)，Sf2(λ1)，Sf3(λ1)，Sf4(λ1)，Sf5(λ1)可表示為：Sf1(λ1)＝A1,1·S1(3)Sf2(λ1)＝A2,1·S2(4)Sf3(λ1)＝A3,1·S3(5)Sf4(λ1)＝A4,1·S4(6)Sf5(λ1)＝A5,1·S5(7)其中，Aj,1為熒光信號(hào)強(qiáng)度，下標(biāo)j(j＝1,2,3,4,5)對(duì)應(yīng)激發(fā)波長(zhǎng)L1～L5，下標(biāo)1對(duì)應(yīng)發(fā)射波長(zhǎng)λ1。將APD1測(cè)得的熒光信號(hào)序列F1與m序列S1進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，得：RSf1(λ1),F1=RSf1(λ1),S1+RSf2(λ1),S1+RSf3(λ1),S1+RSf4(λ1),S1+RSf5(λ1),S1---(8)]]>由于Sf1(λ1)，Sf2(λ1)，Sf3(λ1)，Sf4(λ1)，Sf5(λ1)相互正交，通過(guò)移相將S1與Sf1(λ1)調(diào)整至同步，則S1與Sf2(λ1)，Sf3(λ1)，Sf4(λ1)，Sf5(λ1)分別正交，即有：又有因此：RSf1(λ1),F1=A1,1RS1,S1+RSf2(λ1),S1+RSf3(λ1),S1+RSf4(λ1),S1+RSf5(λ1),S1=A1,1δ(τ)---(9)]]>由(9)式可以看出，熒光信號(hào)序列F1與m序列S1互相關(guān)運(yùn)算的結(jié)果與熒光信號(hào)強(qiáng)度A1,1成正比，因此通過(guò)將熒光信號(hào)序列F1與m序列S1進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，即可求出熒光信號(hào)序列Sf1(λ1)的熒光強(qiáng)度A1,1。同理，將熒光信號(hào)序列F1分別與m序列S2，S3，S4，S5進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，即可分別求出熒光信號(hào)序列Sf2(λ1)，Sf3(λ1)，Sf4(λ1)，Sf5(λ1)的熒光強(qiáng)度A2,1，A3,1，A4,1，A5,1。由此，即可獲取熒光發(fā)射波長(zhǎng)λ1的離散激發(fā)譜[A1,1，A2,1，A3,1，A4,1，A5,1]。以上是以發(fā)射波長(zhǎng)λ1為例，求得其離散激發(fā)譜[A1,1，A2,1，A3,1，A4,1，A5,1]；采用同樣過(guò)程，可求得發(fā)射波長(zhǎng)λi(i∈(,2,3,4,5))對(duì)應(yīng)的離散激發(fā)譜[A1,i，A2,i，A3,i，A4,i，A5,i]。但是，現(xiàn)有技術(shù)對(duì)各熒光序列的熒光強(qiáng)度計(jì)算的步驟比較繁瑣。鑒于兩個(gè)偽隨機(jī)序列的互相關(guān)運(yùn)算可通過(guò)序列相乘的方法實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明提出了一種矩陣式計(jì)算方法，極大簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程，如式(10)所示，本發(fā)明提出的矩陣式計(jì)算方法是以熒光信號(hào)序列F1～F5組成列向量[F1F2F3F4F5]T，5個(gè)正交m序列S1～S5組成行向量[S1S2S3S4S5]，二者相乘，即可得到5激發(fā)/5發(fā)射波長(zhǎng)的離散三維熒光光譜。F1F2F3F4F5[S1S2S3S4S5]=A1,1A2,1A3,1A4,1A5,1A1,2A2,2A3,2A4,2A5,2A1,3A2,3A3,3A4,3A5,3A1,4A2,4A3,4A4,4A5,4A1,5A2,5A3,5A4,5A5,5---(10)]]>采用矩陣式計(jì)算方式不但能夠簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，而且可以快速準(zhǔn)確地計(jì)算離散三維熒光光譜。二、一種基于正交m序列調(diào)制的離散三維熒光光譜快速測(cè)量系統(tǒng)本發(fā)明基于正交m序列調(diào)制的離散三維熒光光譜快速測(cè)量方法可通過(guò)如圖4所示的測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。該測(cè)量系統(tǒng)包括正交m序列發(fā)生單元1、光源驅(qū)動(dòng)單元2、LED光源陣列3、樣品池4、多通道熒光探測(cè)單元5、數(shù)據(jù)采集單元6以及數(shù)據(jù)處理與分析單元7。正交m序列發(fā)生單元1兩端分別與光源驅(qū)動(dòng)單元2和數(shù)據(jù)采集單元6連接，光源驅(qū)動(dòng)單元2與LED光源陣列3連接，數(shù)據(jù)采集單元6兩端分別與多通道熒光探測(cè)單元5和數(shù)據(jù)處理與分析單元7連接，樣品池4兩端分別與LED光源陣列3和多通道熒光探測(cè)單元5配合。正交m序列發(fā)生單元1主要由FPGA組成，產(chǎn)生5個(gè)相互正交的m序列S1～S5。5個(gè)相互正交的m序列S1～S5有兩方面作用：一是傳送給光源驅(qū)動(dòng)單元，分別調(diào)制L1～L55個(gè)波長(zhǎng)LED；二是經(jīng)數(shù)據(jù)采集單元采集后，送至數(shù)據(jù)處理與分析單元用于離散三維熒光光譜計(jì)算。光源驅(qū)動(dòng)單元2采用恒流源模式驅(qū)動(dòng)LED陣列，該單元實(shí)現(xiàn)L1至L55個(gè)波長(zhǎng)LED的調(diào)制。多通道熒光探測(cè)單元5由5個(gè)雪崩二極管探測(cè)器APD及相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換模塊組成，探測(cè)器前面分別設(shè)置窄帶濾光片，對(duì)應(yīng)5個(gè)熒光發(fā)射波長(zhǎng)λ1～λ5，發(fā)射波長(zhǎng)根據(jù)被測(cè)物質(zhì)特征選定。多通道熒光探測(cè)單元輸出的熒光序列F1～F5經(jīng)數(shù)據(jù)采集單元采集后送至數(shù)據(jù)處理與分析單元。數(shù)據(jù)處理與分析單元6采用工控機(jī)，首先對(duì)5個(gè)正交m序列S1～S5進(jìn)行移相，使之分別與L1～L5誘導(dǎo)產(chǎn)生的熒光信號(hào)序列Sf1(λi)，Sf2(λi)，Sf3(λi)，Sf4(λi)，Sf5(λi)同步，隨后進(jìn)行矩陣式計(jì)算，獲得5激發(fā)/5發(fā)射波長(zhǎng)離散三維熒光光譜。以上所述的實(shí)施方式僅僅是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明權(quán)利要求書(shū)確定的保護(hù)范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3