[发明专利]一种适用于多模光纤下的表面等离子共振信号共振波长的计算方法

说明书

本发明属于SPR的信号处理领域，尤其涉及一种适用于多模光纤下的表面等离子共振信号共振波长的计算方法，选取SPR曲线数据段，选取Fourier级数拟合阶数，Levenberg‑Marquardt算法对Fourier级数拟合，在拟合得到的Fourier级数拟合曲线上进行一维极值搜索，确定共振波长的位置，通过对选取的SPR数据段按照某一拟合阶次进行Fourier级数拟合后，可以知道整个拟合表达式，再通过一维极值搜索便可以计算共振波长。本发明的有益效果：有效提高数据处理的精度和灵敏度，加快了处理时间，为实时动态检测提供基础。

技术领域

本发明属于SPR的信号处理领域，尤其涉及一种适用于多模光纤下的表面等离子共振信号共振波长的计算方法。

背景技术

表面等离子共振(SPR)技术已从最初的棱镜耦合到现在发展为光栅耦合、波导耦合、光纤耦合。其中光纤耦合凭借体积小，成本低，可以很方便地探测某些有危险或是有毒等人类很难直接接近的地方，实现远距离检测、分布式检测等优点，成为近些年来SPR技术发展的一个热点。在光纤耦合中，单模光纤因其加工方法复杂，所以并没有大规模应用；相对的，多模光纤纤芯尺寸大、收光能力强，加工制作简单，对接口要求低，易于维护，在光纤型SPR上较为常见。但多模光纤由于模式的耦合、偏振态的损失，只能得到峰低、较宽的半峰宽信号，并且噪声较大，无疑给共振波长的计算提出了新的要求。

在对半峰宽较窄、共振峰较尖锐的SPR信号(棱镜耦合方式产生的信号有这样的特点)处理上已有许多方法，常见的有一阶导数零点法、局部相似性匹配算法，以及由质心法所衍生的其他算法，比如加权质心法、追踪质心、固定面积比动态基线法、基于幅值比的动态基线法、无基线质心法等。但针对多模光纤下的SPR信号特点处理方法却鲜有报道，如果采用上述方法对多模光纤下SPR信号进行处理，有着不可忽略的不足：一阶导数零点法、局部相似性匹配算法对噪声敏感；质心法类算法对波形的非对称性较敏感，计算的共振波长会有偏移，虽然考究的是共振波长的偏移量，但每次计算共振波长时的信号对称性无法保持一致；在计算高浓度溶液的共振波长时都有明显的不足。因此，在针对多模光纤下的SPR信号特点下需要提出新的思路。

Fourier级数拟合法可以采用Levenberg-Marquardt算法实现，一维极值搜索可以采用抛物线插值与黄金分割结合的算法。

发明内容

多模光纤由于模式的耦合、偏振态的损失，只能得到峰低、较宽的半峰宽信号，并且噪声较大，无疑给共振波长的计算带来了难点，但多模光纤有着卓越的优点，为此，本发明的主要目的是提供一种适用于多模光纤下的SPR信号共振波长的计算方法，从而解决多模光纤下共振波长的计算困难(尤其是在高浓度下)、受光源干扰、分辨率低等问题。

本发明的技术方案:一种适用于多模光纤下的表面等离子共振信号共振波长的计算方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：选取SPR曲线数据段；

步骤2：选取Fourier级数拟合阶数；

步骤3：应用Levenberg-Marquardt算法对Fourier级数拟合

步骤4：在拟合得到的Fourier级数拟合曲线上进行一维极值搜索，确定共振波长的位置。

步骤1中的选取SPR曲线数据段的标准：由于光源采用的是卤钨灯光源，光源强度主要集中于一段波长范围内，信号采集的模块是CCD线阵，CCD的采集范围可能超过光强集中的范围，取光源强度集中的波长范围内的SPR曲线数据。

步骤2中的选取Fourier级数拟合阶数标准：以均方根误差(root mean squarederror,RMSE)和拟合优度(R-square)为选取标准，在兼顾拟合效果的前提下，尽量选择较低的阶数，可以提高运算的时间，同时可以为准确定位峰值奠定基础。