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

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。

说明书

技术领域

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—泽德干涉仪结构的光 路装置。

背景技术

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

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。

本发明的技术方案是：

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，

结合数学理论和信号处理知识，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，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。

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：

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，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。

2、信号锁定

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。

3、信号的预处理

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。

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，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时

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 p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，

步骤1)和步骤2)求得的图像在水平位置恰好互补，随着测量值的变化， 参与计算的点数并不会发生变化，结果会保持很好的稳定性。对于两部分图像， 应用不同的方法分别取其水平位置。对于arcsin p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 p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。

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，提高了采集系统的的角度分辨率。

附图说明

图1是本传感器光路图。

图2是初步提取到的两路光信号及其包络图。

图3是预处理两路光信号图。

图4是精确处理信号后将作和的和作差的叠加图。

图5是传感器实时测试性能时得到的时间—相位差图。

图6是传感器实时测试性能时得到的折射率—相位差图。

图7是精确处理信号后的高精度的相位信息图。

图中：1 He-Ne激光器；2 50×50的分光镜；3 三层结构的棱镜型传感层；

4 50×50的分光镜；5 沃拉斯顿棱镜；6 光电探测器；

7 USB-6210数据采集板；8 运算处理信号的PC机；

9 信号发生器驱动着压电陶瓷的反射镜；10 提取得到的p偏振光分量；

11 提取得到的s偏振光分量；12 两路光信号的包络；

13 精确处理信号以及对相位的提取步骤中两部分图像的水平位置。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

He-Ne激光器发出线偏振光，经过分光镜将光分为两束，一束打到有三层结 构的传感层表面，其中P偏振光的相位对所加样品折射率敏感，而S偏振光的 相位基本无变化；另一束光经粘贴着压电陶瓷的反射镜反射，压电陶瓷由有固 定频率和电压的驱动器驱动。最后两路光信号在第二个分光镜处汇聚成为一束 光，同时发生干涉。干涉光经渥拉斯顿棱镜将p偏振光和s偏振光分开，采用光 电探测器将光信号接收，然后通过USB-6210数据采集板将电信号输入电脑，同 时采集板也将驱动压电陶瓷的信号输入电脑。

将采集到的干涉光信号分为几个步骤进行处理：

1、提取信号

由于驱动产生干涉光信号的电器元件(压电陶瓷)的非线性和驱动电压直 流分量的不稳定性导致采集到的干涉信号波形的疏密程度，波峰(谷)值是不 一样的。因为压电陶瓷具有非线性，在激励信号三角波的上升沿压电陶瓷长度 随电压变化的曲线与三角波下降沿压电陶瓷长度随电压的变化曲线并不重合且 均不为直线。如果后续算法所用的波形同时包括有上升沿和下降沿，则会产生 较大误差。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。通过此处理 过程就可保证后续参与计算的干涉信号不受压电陶瓷上升沿和下降沿参数不同 而导致的误差。

2、信号锁定

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)

3、信号的预处理

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。

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，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时

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 p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，

步骤1)和步骤2)求得的图像在水平位置恰好互补，随着测量值的变化， 参与计算的点数并不会发生变化，结果会保持很好的稳定性。对于两部分图像， 应用不同的方法分别取其水平位置。对于arcsin p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 p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。从而利用该系统和信号处理算法将得到的光—电 信号精确地处理，解调出了高精度、高稳定性的相位信息。