一种基于激光器和单光子探测器的氧分压测量方法及系统

本发明属于光学设备领域，具体涉及一种基于激光器和单光子探测器的氧分压测量方法、基于tcspc的光源与探测模块，以及单通道的荧光测氧系统、多通道的荧光测氧系统和带温度补偿的荧光测氧系统。

背景技术：

1、氧传感器是一类重要的气体传感器，可应用于航空燃料的脱氧处理、高空预警平台的气体泄漏检测等氧气安全工作状态控制系统以及载人飞船、空间站、各种型号潜艇、先进战机的生命保障系统，还可以在民用航空、大飞机和大船中配套应用。根据测定原理的不同，氧传感器主要包括热磁氧传感器、电化学氧传感器、氧化锆陶瓷氧传感器、可调谐激光氧传感器和频率检测式氧传感器等。

2、热磁氧传感器利用氧气的顺磁磁化率高的特性，通过检测混合气氛在非均匀磁场影响下的热磁对流现象去测量该气体的磁化率，进而得出混合气氛中的氧分压。不过，热磁氧传感器不适合于待测混合气体含有热导率较大的气体（如h2）的情况，另外，热磁氧传感器的成本太高，装配、使用、维修复杂，售后维护工作量大，这些问题大大限制了其应用场合的范围。

3、电化学氧传感器利用氧气在电池阴极的催化还原反应来测量待测气体中的微量氧含量，一般采用酸碱或其盐溶液作为电解质，阳极为pb、cu、cd等不能极化的金属，阴极为pt、ag、au等对氧有较强催化还原活性的金属。氧气溶解在电解液中，然后到达阴极并在其表面被还原，同时阳极的铅被氧化，根据电流值可以计算出被测气体的氧含量。由于电化学氧传感器基于电化学反应完成氧气测量，传感器寿命受到较大影响，相比于其它氧传感器，电化学氧传感器寿命较低。

4、氧化锆陶瓷氧传感器利用氧化钇稳定氧化锆（ysz）在高温下具有传导氧离子的特性，一般采用ysz作为固体电解质隔膜，电极则是多孔铂金涂层，氧浓差电势的大小可由能斯特（nernst）公式计算得出。氧化锆陶瓷氧传感器由于工作温度高达700摄氏度，在小空间场景和含有易燃易爆气体的场景中会存在安全隐患。

5、可调谐激光式氧传感器是基于可调谐激光光谱吸收技术对氧气浓度进行测量。传感器选择的激光器波长与氧气的特征吸收谱线相匹配，此波长在近红外区，760nm。将激光器连续调制，使其波长周期性的扫过氧气的吸收光谱，可以从光电管中收到相应的周期信号，信号的幅值与被测气体的氧气浓度成一定的对应关系。这种氧传感器制造成本较高，并且幅度测量的特性，导致其需要经常校准。

6、频域检测式氧传感器是基于荧光淬灭过程，物质分子吸收入射光到荧光被氧气分子淬灭的过程中，吸光过程持续时间远小于荧光过程和淬灭过程，因此可将激发光信号视为冲激信号，荧光强度信号视为冲激信号的响应，其相位差反映了荧光的寿命，通过锁相放大技术可以完成荧光信号和激发光信号的相位差探测。该技术具有安全易安装的优点，但锁相过程需要不断调整发光频率来使得相位稳定，调整过程不可避免的带来激发条件的改变，因此准确性和稳定性较差。

技术实现思路

1、为了解决现有各类测氧技术存在的操作复杂，工作场景单一、分辨率不足的问题，本发明提供一种基于激光器和单光子探测器的氧分压测量方法、基于tcspc的光源与探测模块，以及单通道的荧光测氧系统、多通道的荧光测氧系统和带温度补偿的荧光测氧系统。

2、本发明采用以下技术方案实现：

3、一种基于激光器和单光子探测器的氧分压测量方法，其包括如下步骤：

4、s1：将荧光探头曝露于待测空间内；荧光探头通过y型光纤与待测空间之外的激光器和单光子探测器通信连接。

5、s2：由激光器按照预设的发射频率通过y型光纤的其中一条光路向荧光探头发射脉冲激光，以激发荧光探头产生荧光。

6、s3：滤除y型光纤的另一条光路中对应脉冲激光的波段，再通过单光子探测器获取发射周期内荧光探头的回波信号。

7、s4：按照预设的采样周期△t获取回波信号的光子数，并分析出待测空间内的氧分压po2，过程如下：

8、s41：以脉冲激光发射时刻为开始时刻，将发射周期t划分为若干个采样周期△t。

9、s42：记录每个采样周期△t内单光子探测器检测到的回波信号中响应的荧光的光子数i。

10、s43：利用指数函数对发射周期内各个采样周期的光子数i对应的离散的时域分布函数进行拟合，得到对应的响应函数i（t）：；

11、上式中，a0表示开始时刻的光子数；k0表示荧光探头中的荧光材料通过非辐射跃迁返回基态的衰减跃迁速率。

12、s44：将拟合出的响应函数的衰减跃迁速率k0的倒数作为表征荧光物质在当前氧分压下的荧光寿命的特征值，即：；

13、s45：根据发射周期t内实测出的荧光寿命，查询如下的一个预先根据氧分压梯度荧光淬灭实验标定的表征荧光寿命与氧分压po2间映射关系的淬灭函数，并生成待测空间内的氧分压po2的检测结果：；

14、上式中，表示荧光探头中的荧光物质在无氧状态下的荧光寿命；表示stern-volmer常数，其与荧光探头采用的荧光材料有关。

15、作为本发明进一步改进，激光器用于按照10khz的发射频率产生波长为405nm的脉冲激光。

16、作为本发明进一步改进，激光器预设的发射周期t的长度为100us；回波信号的采样周期△t的长度为100ns。

17、作为本发明进一步改进，步骤s3中，在单光子探测器与y型光纤接口之间设置一个用于滤除405nm波段光信号的滤波器，以滤除回波信号中包含的脉冲激光的反射信号。

18、作为本发明进一步改进，步骤s45中，氧分压梯度荧光淬灭实验的测试方法如下：

19、s01：将荧光探头置于密封容器中，并保持容器中的初始氧分压为零。

20、s02：通过激光器向荧光探头发射脉冲激光，并采集回波信号。

21、s03：按照预设的氧分压梯度升高容器中的氧分压，并按照步骤s41-s44的步骤分析并记录每个氧分压po2状态下的荧光寿命。

22、s04：根据实验记录下的荧光寿命与氧分压po2间一系列离散的映射数据，拟合出如下的一个表征荧光寿命与氧分压po2间映射关系的淬灭函数：。

23、本发明还包括一种基于tcspc的光源与探测模块，其包括用于和荧光探头以及y形光纤连接的光纤输入端口和光纤输出端口。该型基于tcspc的光源与探测模块采用如前述的基于激光器和单光子探测器的氧分压测量方法，向位于待测空间内的荧光探头发生脉冲激光，并采集荧光探头处的回波信号，进而根据回波信号分析得到待测空间内的氧分压。该型基于tcspc的光源与探测模块包括：电源、激光器、激光器、单光子探测器、滤波器、单光子采集卡以及主控制器。

24、其中，电源用于为其他功能模块供电。激光器与光纤输出端口连接，用于按照预设的发射频率生成并发射周期性的脉冲激光信号。激光控制器与激光器电连接，激光控制器用于根据接受到的启动指令向激光器发出一个驱动信号，并调整激光器的发射频率和脉冲强度。

25、单光子探测器用于测量接收到的光信号的光子数。滤波器连接在光纤输入端口和单光子探测器之间；滤波器用于滤除进入到单光子探测器的回波信号中对应激光器产生的脉冲激光的波段的光信号。单光子采集卡与单光子探测器电连接；单光子采集卡用于在接收到一个启动指令时，按照预设的采样周期记录单光子探测器测量到的光子数。

26、主控制器与激光控制器和单光子采集卡电连接；所述主控制器用于同步向激光控制器和单光子采集卡发出运行所需的启动指令；并获取单光子采集卡的检测数据，然后根据检测数据分析得到待测空间内的氧分压。

27、作为本发明进一步的改进，主控器发送至激光控制器的启动指令包括激光器的发射频率、发射时刻和激光功率；主控制器发送至单光子采集卡的启动指令包括信号的采样频率和采样时刻。

28、本发明还包括一种单通道的荧光测氧系统，其包括一个如前述的基于tcspc的光源与探测模块；一个荧光探头，以及一条y型光纤。荧光探头内包括由荧光材料构成的敏感层，敏感层在脉冲激光的激发下发出荧光。y型光纤一侧的单端口连接在荧光探头上，另一侧的双端口分别连接在基于tcspc的光源与探测模块的光纤输入端口和光纤输出端口上。

29、本发明还包括一种多通道的荧光测氧系统，其包括一个如前述的基于tcspc的光源与探测模块、多个荧光探头、一个光开关、一条y型光纤以及多根单模光纤。

30、其中，每个荧光探头采用透气不透光的结构，其内包括由荧光材料构成的敏感层，敏感层在脉冲激光的激发下发出荧光。光开关包括一个出口和多个入口，光开关用于调整出口与任意一个入口间光路的导通状态； y型光纤一侧的单端口连接在光开关的出口上，另一侧的双端口分别连接在基于tcspc的光源与探测模块的光纤输入端口和光纤输出端口上。每个荧光探头通过一根单模光纤与光开关的其中一个入口连接；

31、本发明中，光开关与基于tcspc的光源与探测模块中的主控制器电连接，主控制器用于向光开关发送驱动信号，以控制多通道的荧光测氧系统进行信道切换，进而实现对各个荧光探头的检测信号时分复用。

32、本发明还包括一种带温度补偿的荧光测氧系统，其包括：如前述的基于tcspc的光源与探测模块、荧光探头、y型光纤、温度传感器、以及温度补偿单元。

33、其中，荧光探头内包括由荧光材料构成的敏感层，敏感层在脉冲激光的激发下发出荧光。y型光纤一侧的单端口连接在荧光探头上，另一侧的双端口分别连接在基于tcspc的光源与探测模块的光纤输入端口和光纤输出端口上。

34、温度传感器安装在荧光探头中，用于检测环境温度。温度补偿单元集成于基于tcspc的光源与探测模块中，温度补偿单元中预先存储有表征不同温度条件下对应荧光寿命与氧分压po2间映射关系的函数组。

35、在带温度补偿的荧光测氧系统中，基于tcspc的光源与探测模块先根据温度传感器检测到的环境温度，请求向温度补偿单元调用函数组中的对应函数，然后根据实测出的荧光寿命采用当前环境温度对应的淬灭函数，计算出氧分压po2的检测结果。

36、本发明提供的技术方案，具有如下有益效果：

37、本发明采用单光子探测器采集荧光探头中的荧光材料在脉冲激光激发下响应的荧光信号，并基于tcspc方法分析出荧光材料在当前氧分压下的荧光寿命，最后结合预先标定的淬灭函数输出当前测量环境的氧分压。该方案利用单光子探测器进行信号材料，进而在较低脉冲强度的脉冲激光的条件下，实现对回波信号的高精度计量，以变实现更高分辨率的氧分压探测。本发明提供的方案可以实现超低氧分压的检测，也可以克服常规检测手段在高氧分压条件下容易饱和的缺陷，进而实现高氧分压区间的高分辨率的检测。

38、本发明方案在氧分压检测过程中，只需要将荧光探头置于待测环境中，并通过光纤与外部的激光发射和信号分析组件连接。检测反应中只需要利用弱激光照射荧光材料并接收反射光，不需要任何达成电化学平衡的过程，也不需要泵吸操作；因此敏感度高，响应快速。此外，本发明利用单光子光纤传感，荧光探头无高温，无强光，无电流，保证了使用的安全性，尤其适合应用于航空航天等高风险检测场景。

39、本发明采用内置fpga进行数据预处理获取时间统计数据，并支持在单个光源与探测模块上连接多个荧光探头，并对信号进行时分复用，构成神经元传感器。这使得该方案的应用场景更加多元，适应性好，且可以进一步提高在特殊场景下的检测精度和软硬件成本。具有广阔的市场前景。

40、本发明还提供了带有温度补偿的氧分压探测系统，其中集成了温度监控模块和稳定补充单元，该系统可以提高设备在大温差和剧烈温度变化场景下的检测精度，进一步提高方案的适应性。