专利名称：一种高精度表面等离子共振检测方法
技术领域：
本发明涉及传感器及传感技术领域。本发明具体涉及实现表面等离子共振传感的 检测方法以及相关信息处理方法。
背景技术：
表面等离子共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)是发生在金属薄膜与电介质 分界面上的一种物理光学现象，自20世纪上半叶被发现以来，因其无标记、实时、无损伤检 测等优势而被广泛应用在传感，特别是生物传感领域。sra传感系统包括光学系统、传感结构、探测器和数据处理系统等。光学系统中， 光源输出P偏振光通过一定光学元件耦合进入传感器。目前广泛使用且最易实现的Sra 耦合结构是基于棱镜耦合方式的Kretschman结构，其典型结构包括三层玻璃棱镜_金属 层-待测溶液层。当P偏振的入射光以一定大于全反射角的角度射到棱镜/金属分界面时，在金属 薄膜中形成的倏逝波，与金属表面自由电子发生表面等离子振荡。当表面等离子波波矢与 入射光在金属切向方向的波矢分量相等时，入射光能量耦合到表面等离子波，达到表面等 离子共振，从而导致反射光能量显著减少，且相位显著变化。体现在观测到的SI^R信号中， 反射光强度谱上由于光强急剧减小产生一个尖锐的共振吸收峰，且反射光波的相位也随之 产生跳变，此时对应的入射光角度或波长称为共振角或共振波长。由于sra信号对金属薄 膜表面的待测溶液性质的变化十分敏感，SPR传感技术就是通过对反射光强度或相位谱的 检测，获得传感表面待测溶液的折射率、浓度以及生化反应的动力参数等信息，从而达到生 化检测的目的。按照系统中sra传感信号检测分析方法的不同，sra传感系统可分为以下四种(1)角度扫描强度检测单色光入射，改变入射角，检测反射光的归一化强度随入 射角的变化情况，并记录反射光强度最小时的入射角，也就是共振角；(2)波长扫描强度检测复色光入射，固定入射角，对反射光的光谱进行分析，得 到反射率随波长的变化曲线，并记录共振波长；(3)强度调制入射光的角度和波长都固定，通过检测反射光强度的变化分析折 射率的变化；须建立共振点处反射光强与折射率之间的关系。(4)相位调制入射光的角度和波长都固定，观测入射光与反射光的相位差；须建 立共振相位与折射率之间的关系。这四种方法中，第(3)种受扰动产生的误差较大，不太实用，一般用来检测样品折 射率快变化过程；最后一种方法的灵敏最高，但系统需要一系列的高频电路；因此前两种 的应用最普遍。在传统的角度扫描强度检测sra系统中，光源固定，将传感系统和探测器安置在 转台上，通过转动转台实现传感表面入射光的角度扫描。传统的方法每扫描一个点，就要改 变一次入射光的角度，因此得到一条sra角度扫描曲线消耗的时间很长。聚焦光角度扫描SI^R传感系统的提出克服了使用传统SI^R传感系统角度扫描耗时长的缺点。在聚焦光角度 扫描sra传感系统中，光源发射的光通过一个透镜聚焦到金属表面，光电检测器阵列(如 CCD、CMOS或光电二极管阵列)接受来自聚焦点各角度的反射光，从而一次性获得了一条 Sra角度扫描传感曲线，大大减少了扫描时间。因此聚焦光角度扫描sra系统得到了广泛应用。在sra信号采集过程中，由于系统机械振动等微扰动的引入，会不可避免地造成 多次采集的SPR曲线之间存在微小的位置误差，即在位置轴上存在“微平移”。多次采集的 SPR曲线间的微平移表现为曲线在位置轴上的整体移动，并且每次采集引入的强度噪声具 有随机特性。因此，为了克服SPR曲线采集过程中的位置不确定性，本发明提出通过采集多 条具有微平移的SPR曲线并估计它们之间的相对微平移，从而进一步估计得到一个期望绝 对位置向量。该期望绝对位置向量是一次无位置误差的SI^R信号采集所得到位置向量的无 偏估计，其估计利用了多条曲线间相对微平移的概率分布信息。另一方面，SI^R传感信息的准确程度也受到SPR曲线采样密度的限制。采样密度越 大，检测点之间的间隔越小，sra传感曲线越接近于连续，从而所获得的传感信息也越准确。 而多次采集得到的具有微平移的sra传感曲线间具有不同的信息，应该得到充分利用。如 果能够精确估计曲线间小于一个采样点间隔的微平移，通过融合这多条具有微平移的SPR 曲线间的不同信息，则可以增加SPR曲线采样密度，从而提高sra传感信息的准确性以及 sra系统的检测极限。

发明内容
因此，本发明的任务是对于sra信号采集过程中由微扰动等带来的位置不确定 性问题，通过在相同实验条件下多次采集具有微平移的SPR曲线并估计它们之间的相对微 平移，从而进一步估计一个期望绝对位置向量；同时，通过融合多条具有微平移的SPR曲线 间的不同信息，在该期望绝对位置向量所对应的位置范围内估计得到一条更精确的、采样 间隔更小的SPR曲线，从而提高所获SPR传感信息的准确性以及SPR系统的检测极限。该方法包括以下几个步骤1.多次sra信号采集在sra检测系统中，在相同实验条件下进行N次sra信号采集，得到N条具有微小 随机平移的SPR曲线Y1, Y2, -Yno2.微平移估计选取任意一条SPR曲线Yr作为参考曲线，估计各SPR曲线Yi (i = 1,2,…，N)与 参考曲线之间的微平移Motion^,Ji = 1，2，…，N)。其中，Motior^, i为0，并且估计微平移 Motionr, j的精度要求小于一个单位采样间隔。如果估计微平移精度能低于Ι/q个采样间 隔，那么SPR曲线采样密度可以提高q倍。曲线间微平移估计的具体方法可采用相关函数 法、强度插值法、微分法、相位相关法等。3.期望绝对位置向量估计 设各SPR曲线均有L个数据点，参考曲线乙上的第j点Yy所对应的位置为Py (j =1,2,…，L)。利用各SPR曲线^相对于参考曲线乙的微平移Motior^Ji = 1，2，…， N)，估计出期望绝对位置向量相对于参考曲线t所对应的绝对位置向量的整体平移偏差AMotion0 AMotion相当于各SPR曲线Yi (i = 1，2，…，N)相对于参考曲线^的一个期 望偏移，于是期望绝对位置向量为Pr,」+Δ Motion (j = 1,2,…，L)，各SPR曲线Yi对应的绝 对位置向量相对于期望绝对位置向量的微平移为Motion^,i-AMotionG = 1，2，…，N)。其 中，AMotion的估计方法根据多次采集SPR曲线间的微平移的概率分布可以不同，包括矩 估计、最小二乘估计和极大似然估计等。4.信息融合在准确估计期望绝对位置向量以及各SPR曲线相对其微平移的基础上，在上述 估计的期望绝对位置向量所对应的位置范围内，利用信息融合算法融合多条SPR曲线Y1, Y2,间的不同信息，并加入一些对SPR曲线特征的先验约束，包括SPR曲线的光滑性， 以及用菲涅尔方程等理论公式计算得到的SPR曲线的各种特征等，从而得到期望绝对位置 向量上的一条高采样密度的SPR曲线1。其中，信息融合算法可以使用最大后验概率(MAP， Maximum A Posterior)将约束优化问题转化为无约束优化问题，也可以直接使用凸集投影 (POCS，Projections On Convex Sets)方法解决约束优化问题。当使用MAP算法将原约束 优化问题转化成为的无约束最小化问题时，可以使用共轭梯度法和拟牛顿法等无约束最小 化算法。5. SPR信息提取从经过信息融合算法估计得到的更高采样密度曲线Z中，采用对SPR曲线的一般 信息提取、处理方法，可提取得到共振位置、系统检测极限等SI^R传感信息。本发明具有以下优点1.本发明在采集多条具有微小随机平移的SPR曲线基础上，根据曲线间微平移的 概率分布，估计得到一个期望绝对位置向量，并在该期望绝对位置向量上计算得到一条融 合这多条SPR曲线信息的新曲线，从而可消除由于系统微抖动等引入的微平移带来的位置 不确定性。2.本发明通过信号处理的办法融合多条具有微平移的低采样密度SPR曲线间的 不同信息，通过算法将其融合合成一条具有更高采样密度的高精度SPR曲线，这意味着可 以通过在相同实验条件下反复测量提高采样精度，从而可提高sra传感信息提取的精度， 并改进系统检测极限，对于本身扫描精度较低的SI^R系统(实验得到的原始曲线为低采样 密度SPR曲线)，该方法可通过增加一定时间成本(一般很小)，显著提高系统的精度和检 测极限，具有高精度、低成本的优点。


以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中图1是本发明所提出的高精度sra传感检测方法流程图；图2是对应于具体实施方式
中的一种聚焦光角度扫描SI3R传感系统示意图；图3是聚焦光角度扫描SI3R系统中，多次采集的SPR曲线间的微平移示意图；图4是根据波动光学理论计算得到的理论高采样密度SPR信号；图5是多条具有微平移的低采样密度SPR曲线采集模型；图6是仿真得到的多条具有微平移的低采样密度SPR曲线；图7是本发明中使用的微平移估计方法流程图8是使用本发明中微平移估计方法处理100条低采样密度曲线的估计误差；图9是使用MAP信息融合算法处理图5中多条具有微平移的低采样密度SPR曲线 的结果；图10是图9的局部放大图；
具体实施例方式本发明提供了一种高精度sra传感检测方法。通过在相同实验条件下多次采集具 有微平移的低采样密度SPR曲线并估计它们之间的相对微平移，从而进一步估计一个期望 绝对位置向量，然后通过融合多条具有微平移的低采样密度SPR曲线间的不同信息，在该 期望绝对位置向量对应的位置范围内估计得到一条更精确的更高采样密度传感曲线，从而 提高所获Sra传感信息的准确性以及sra系统的检测极限。图ι给出了该检测方法的流程图，其主要包括多次sra信号采集ιο ，微平移估计 102，期望绝对位置向量估计103，信息融合104，以及Sra信息提取105五个步骤。本实例中的SI3R系统采用聚焦光角度扫描SI3R传感系统，其结构如图2所示。光源 201发出的发散光经过透镜202和偏振片203形成单色光聚焦到棱镜204和金属薄膜205 的交界面上。光电探测器阵列207接受来自聚焦点各角度的反射光并将其转化为电信号， 从而一次性获得一条SPR角度扫描传感曲线。电信号通过数模转换208进入计算机209进 行信号处理，以获得关于被测溶液206的传感信息。由于光电探测阵列207与传感系统之间难以避免的相对抖动等微扰动的存在，在 相同实验条件下多次采集的sra角度扫描曲线之间存在整体的微平移，其具体含义可由图 3说明。如图中实线所示，设反射光发散在探测器的第1到L个像素上，如果把每个像素看成 q个子像素的组合，那么反射光相当于发散在第1到qL个子像素上；如果在采集信号过程 中光电探测器阵列207与传感系统之间发生一个微小的抖动，使反射光发散在第2到qL+1 个子像素上，如图中虚线所示。由于微抖动具有随机性，所以在相同实验条件下多次采集的 sra角度扫描曲线具有亚采样间隔的微平移，它们之间具有不同信息。本发明就是通过估计 多条具有微平移的低采样密度SPR曲线间的微平移，进一步估计得到一个期望绝对位置向 量，并在该绝对位置向量上通过融合这多条曲线的不同信息计算一条更精确的高采样密度 曲线。经过步骤101，得到多条具有微平移的低采样密度SPR曲线。为了更好地验证本发明提出算法的性能，对具有微平移的多条低采样密度SPR曲 线的采集过程进行了建模仿真。用连续函数X(p)表示时刻t在检测器阵列位置ρ上的光强。设检测器阵列被平 均划分宽度为w的L个像素，令Y(k)，(k=l，2，…，L)表示第k个像素采集到的光信号
值，有Y(k)=Jwk x(p)dp(1)若将检测器阵列的采样密度增大q倍，将每个像素划分为q个子像素，则每个子像 素采集到的光信号值X(I) (1 = 1,2-, qL)为
权利要求
1.一种高精度表面等离子体共振检测方法，包括以下步骤(1)多次SPR曲线采集在相同实验条件下，对同一sra检测系统进行N次信号采集， 每次采集中，按相同采样间隔获得一条SPR曲线，从而得到N条具有微小随机平移的SPR曲 线 Yi，丫2，· · · YN ；(2)微平移估计选取上述N条SPR曲线中的一条作为参考曲线Y,，估计各SPR曲线 Yi (i = 1,2, ... ,N)与参考曲线间的微平移Motior^i ；(3)期望绝对位置向量估计设参考曲线乙所对应的绝对位置向量为已，利用上述 各SPR曲线Yi相对于参考曲线Y,的微平移Motior^i，估计出期望绝对位置向量相对 于参考曲线t绝对位置向量的整体平移偏差AMotion，得到估计的期望绝对位置向量 Pr+Δ Motion ；(4)信息融合在准确估计期望绝对位置向量以及各SPR曲线相对其微平移的基础上， 在上述估计的期望绝对位置向量所对应的位置范围内，利用信息融合算法融合多条SPR曲 线Y1, \，... Yn间的不同信息，加入SPR曲线的先验约束，从而得到期望绝对位置向量上的 一条具有更小采样间隔的SPR曲线Z ；(5)SI^R信息提取从上述低采样间隔的SPR曲线X中提取得到SI^R传感信息。
2.根据权力要求1所述的检测方法，其特征在于，所述步骤(1)中的多次采集的SPR曲 线间具有微小随机的整体平移，表现为曲线在位置轴上的整体移动，并且每次采集引入的 强度噪声具有随机特性。
3.根据权力要求1所述的检测方法，其特征在于，所述步骤(2)中的微平移估计方法的 估计精度必须小于一个单位采样间隔。
4.根据权力要求1所述的检测方法，其特征在于，所述步骤(2)中的微平移估计方法包 括相关函数法、强度插值法、微分法和相位相关法。
5.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述步骤(3)中，估计出来的 AMotion是期望绝对位置向量相对于参考曲线\绝对位置向量的整体平移偏差的无偏估 计。
6.根据权利要求1和5所述的检测方法，其特征在于，所述步骤(3)中对期望绝对位 置向量相对于参考曲线t绝对位置向量的整体平移的无偏估计，其估计方法根据多次采集 SPR曲线间的微平移的概率分布不同，包括矩估计、最小二乘估计和极大似然估计。
7.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述步骤(4)中的信息融合算法，在 最小化强度噪声误差的同时，加入对SPR曲线的先验约束，以克服问题的病态性。
8.根据权利要求1和7中所述的检测方法，其特征在于，所述步骤(4)中的信息融合算 法包括将约束优化问题转化为无约束优化问题的最大后验概率方法，以及直接解决约束优 化问题的凸集投影方法。
9.根据权利要求8中所述的信息融合算法，其特征在于，对于将原约束优化问题转化 成为的无约束最小化问题的最大后验概率方法，使用包括共轭梯度法和拟牛顿法在内的无 约束最小化算法解决。
10.根据权利要求1和7中所述的检测方法，其特征在于，进行所述步骤(4)的信息融 合时，加入的对SPR曲线的先验约束包括理论SPR曲线的光滑性和形状特性。
全文摘要
本发明公开了一种高精度表面等离子检测方法在相同实验条件下，对同一SPR检测系统进行多次信号采集，得到多条具有微小随机平移的SPR曲线并估计它们之间的相对微平移，在此基础上进一步估计一个期望的绝对位置向量，从而克服了SPR曲线采集过程中的位置不确定性；同时，通过融合这多条具有微平移的SPR曲线间的不同信息，在该期望绝对位置上估计得到一条更精确的、更高采样密度的SPR曲线，从而提高所获SPR传感信息的准确性以及SPR系统的检测极限。
文档编号G01N21/55GK102103078SQ201010572238
公开日2011年6月22日 申请日期2010年12月3日 优先权日2010年12月3日
发明者万育航, 曾勰, 郑铮 申请人:北京航空航天大学