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基于全相位滤波技术的光纤表面等离子体共振传感解调算法

更新时间：2019-12-25 16:05:00 大小：1M 上传用户：zhiyao6查看TA发布的资源 标签：滤波技术 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

基于生物样品检测对折射率传感的迫切需求,构建一种全光纤表面等离子体共振（surface plasmon resonance,SPR）系统,并针对其设计了基于全相位滤波技术的SPR特征波长传感解调算法.基于系统仿真,理论计算了光纤SPR传感器的折射率传感灵敏度.采用全相位滤波技术提取光纤SPR传感器透射光谱的特征波长,理论推导了全相位滤波器的解析表达式.实验结果表明,使用本算法的光纤SPR传感器折射率传感灵敏度为1640.4 nm/RIU,折射率检测的分辨率是7.36×10-4RIU,与传统方法相比,有效提高了系统的检测精度和抗光源扰动性能,降低了实验成本.


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物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 7 (2017) 074202  
专题: 光纤传感  
基于全相位滤波技术的光纤表面等离子体  
∗
共振传感解调算法  
曹玉珍1) 马金英1) 刘琨1)2)† 黄翔东3) 江俊峰1)2) 王涛1)2)  
薛萌1)2) 刘铁根1)2)  
1)(天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072)  
2)(光电信息技术教育部重点实验室, 天津 300072)  
3)(天津大学电子信息工程学院, 天津 300072)  
( 2016 年 10 月 9 日收到; 2017 年 1 月 5 日收到修改稿 )  
基于生物样品检测对折射率传感的迫切需求, 构建一种全光纤表面等离子体共振 (surface plasmon  
resonance, SPR) 系统, 并针对其设计了基于全相位滤波技术的 SPR 特征波长传感解调算法. 基于系统仿真,  
理论计算了光纤 SPR 传感器的折射率传感灵敏度. 采用全相位滤波技术提取光纤 SPR 传感器透射光谱的特  
征波长, 理论推导了全相位滤波器的解析表达式. 实验结果表明, 使用本算法的光纤 SPR 传感器折射率传感  
灵敏度为 1640.4 nm/RIU, 折射率检测的分辨率是 7.36 × 10−4 RIU, 与传统方法相比, 有效提高了系统的检  
测精度和抗光源扰动性能, 降低了实验成本.  
关键词: 光纤SPR传感器, 全相位滤波, 解调算法, 生物传感  
PACS: 42.81.Pa, 07.60.Vg, 87.55.kd, 87.64.K–  
DOI: 10.7498/aps.66.074202  
参数敏感, 且具有尺寸微小、响应速度快、易于结  
合微流通道等优势 [12], 使得小型化和远距离实时  
SPR 传感成为可能, 可为生物医药领域提供更好  
的解决方案. 与传统棱镜型SPR 传感器相比, 光纤  
SPR 传感器的应用范围和发展前景更加广阔.  
光纤 SPR 传感解调的关键是对其透射光谱的  
特征波长提取. 传统的棱镜型 SPR 传感系统采  
集到的光谱曲线具有半峰宽窄、共振峰尖锐等特  
点 [13], 而光纤型 SPR 传感器的透射光谱恰恰不具  
备这些特点. 因此, 棱镜型 SPR 传感器通常采用的  
质心法 [14] 不适应于光纤 SPR 传感器. 而由于光纤  
型 SPR 传感器透射光谱的不对称性, 使得采用高  
斯线型拟合的方法获得特征波长时具有较大的拟  
1 引  
言
光纤传感器具有体积小、重量轻、测量灵敏  
度高、复用能力强、抗电磁干扰、易于嵌入材料  
内部等诸多优点, 在航空航天、石化、电力、土木  
工程等领域有着广泛的应用前景 [1]. 国内外在分  
立式光纤传感技术和分布式光纤传感技术两个方  
面开展相关研究工作, 可实现温度 [2]、应变 [3]、压  
力 [4]、气体 [5]、振动等 [6] 多物理量传感检测. 自从  
20 世纪初, Wood 首先在实验中发现表面等离子  
体共振 (surface plasmon resonance, SPR) 现象以  
来 [7], SPR 技术逐渐成为光学领域的一大研究热  
点, 在生物、化学、物理等多个学科都得到了广泛应  
用 [8]. 1993 年, Jorgenson 等 [9] 提出了以光纤为载  
体的 SPR 传感器, 由于其对折射率 [10]、温度等 [11]  
合误差 [13]  
.
本文针对这一难题, 开发了一种基于全相位滤  
波技术的 SPR 特征波长传感解调算法. 在系统模  
∗
†
国家自然科学基金 (批准号: 61475114, 61227011) 和国家重大科学仪器设备开发专项 (批准号: 2013YQ030915) 资助的课题.  
通信作者. E-mail:
© 2017 中国物理学会 Chinese Physical Society  
074202-1  
物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 7 (2017) 074202  
(
)
ε0 sin θ cos θ/ 1 − ε0 cos θ 2; 光纤芯层全反射的  
2
型仿真的基础上, 理论计算了光纤 SPR 传感器的  
折射率传感灵敏度, 推导了全相位滤波器的解析表  
达式. 采用自制的光纤 SPR 传感器开展不同浓度  
的酒精折射率传感实验, 结果表明, 与传统方法相  
比, 本算法有效提高了系统的检测精度和抗光源扰  
动性能, 降低了实验成本.  
临界角θ = sin−1 (n /n0), 其中n 为光纤包层折  
cr  
cl  
cl  
射率.  
根据光纤 SPR 传感器的理论模型 [15], 研究当  
待测介质的折射率从1.33渐变至 1.34时, 计算光纤  
SPR传感器相应的透射传输曲线, 理论分析传感器  
的传输特性. 参照该理论模型, 设定相关参数, 其  
中光纤 SPR 传感器的纤芯直径为 600 µm, 数值孔  
径为 0.24, 传感器的长度为 15 mm, 所镀金膜的厚  
度为 35 nm. 考虑到光纤纤芯的色散, 其折射率随  
波长的变化关系满足 Sellmeier 色散公式 [16]. 考虑  
到金属的色散, 其介电系数随波长的变化关系满足  
Drude 模型 [15]. 考虑到在光纤 SPR 传感器范围内  
光信号发生多次全反射, 其结果如图 3 (a) 所示. 由  
图可知, 由于表面等离子体共振现象的存在, 光纤  
SPR 传感器的透射光谱具有明显的陷波滤波特性;  
且当待测介质的折射率增大时, SPR传感器的透射  
光谱陷波波长发生了明显红移.  
2 全光纤SPR传感系统  
全光纤SPR传感系统如图 1 所示, 由卤素灯光  
源、全光纤SPR传感器、光谱仪以及计算机构成, 其  
中光纤 SPR 传感器放置在待测介质中. 光谱仪采  
集到的是光源通过光纤SPR传感器后的透射光谱.  
SPR  
Аູ  
А៨́  
ᝠካ఻  
͜ਖ٨  
ॠ฾̮᠏  
图 1 全光纤 SPR 传感系统  
Fig. 1. All fiber SPR sensing system.  
0
全光纤SPR传感器的结构如图 2 所示, 为三层  
混叠结构. 内层为光纤芯层, 其介电常数 ε0 = n02,  
其中 n0 为光纤芯层折射率; 中间层为金属层, 其介  
电常数为ε ; 外层为传感介质层, 其介电常数为ε .  
(a)  
-5  
-10  
-15  
m
s
-20  
若光纤芯层中传播的光束入射角为 θ、波长为 λ, 则  
RI/⊲  
RI/⊲  
RI/⊲  
RI/⊲  
RI/⊲  
RI/⊲  
激发的表面等离子体波产生共振的条件为 [15,16]  
-25  
-30  
-35  
√
2π  
2π  
ε ε  
m s  
n0 sin θ = Re {K } =  
,
(1)  
sp  
λ
λ
ε + ε  
m s  
0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8  
Wavelength/mm  
其中K 为表面等离子体波的传播常数.  
sp  
0.600  
0.595  
0.590  
0.585  
0.580  
0.575  
0.570  
0.565  
Fiber Gold layer  
Sensing medium  
x
(b)  
θ
z
图 2 全光纤 SPR 传感器结构  
Fig. 2. Structure of all fiber SPR sensor.  
对于图 2 所示的全光纤SPR 传感器结构, 其有  
效透射谱传输函数为  
∫
π/2  
1.330  
1.332  
1.334  
1.336  
1.338  
1.340  
RpN (θ)P (θ) dθ  
ref  
Refractive index  
θ
cr  
P
=
,
(2)  
trans  
∫
图 3 光纤 SPR 传感器的透射传输衰减特性曲线 (a) 不  
同折射率对应的透射传输曲线; (b) 特征波长与折射率之  
间的关系  
π/2  
P (θ) dθ  
θ
cr  
Fig. 3. The transmission attenuation characteristic  
curve of the fiber SPR sensor: (a) The transmis-  
sion curve corresponding to different refractive index;  
(b) the relationship between characteristic wavelength  
and refractive index.  
其 中 R 为 反 射 比, 是 入 射 角 为 θ, 芯 层 直 径 d  
p
以及 ε0, ε , ε 的函数 [15]; 反射次数 N (θ) =  
m
s
ref  
L/(d · tan θ), 其中 L 为 SPR 传感器传感区域的长  
度; 光纤端面上光信号功率的分布函数 P (θ) =  
074202-2  

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