一种基于时域近红外光的两级功率校准方法及系统与流程

本发明属于时域近红外系统校准与自适应控制，尤其涉及一种适用于时域近红外功能成像系统（td-fnirs）的两级功率校准方法。

背景技术：

1、时域近红外功能成像系统在采集过程中，需要将激光驱动电流、衰减档位、接收增益及相关采集参数调节至合适工作区间，以保证光子飞行时间分布曲线（dtof）具有足够的信号强度，同时避免出现饱和、失真或明显偏离拟合有效区间的情况。功率设置是否合理，将直接影响后续 dtof 拟合、光学参数反演及相关定量结果的准确性与稳定性。

2、现有 td-fnirs 系统的功率设置方式，主要包括固定参数设置和试采后人工调整两类。前者通常在出厂时预先设定激光驱动电流和衰减档位，后续使用中仅由操作者根据经验进行有限调整；后者通常在正式采集前进行短时试采集，再依据试采结果手动修改采集参数。该类方法虽然实现较为简单，但难以同时适应不同个体之间的组织差异、器件响应漂移以及长时间监测过程中环境和耦合状态的变化。

3、此外，部分系统尝试根据接收计数率或 dtof 峰值设置在线自动调节机制，但该类方法通常仅依据单一阈值进行反馈控制，缺少设备级标定映射与温度补偿机制，导致在线调节效率较低、稳态误差较大，且在不同设备和不同使用条件下的一致性较差。

技术实现思路

1、为解决现有技术中固定参数设置适应性不足、试采后人工调整效率较低、单阈值在线调节稳态误差较大以及长期漂移难以抑制的问题，本发明提供一种基于时域近红外光的两级功率校准方法，通过两级校准架构：一级校准在出厂时遍历激光驱动电流、衰减档位及增益组合，建立与参考通道计数率、dtof峰值、总能量之间的映射关系及温度补偿查找表；二级校准在实际测量时实时读取参考通道计数率、dtof峰值与拟合残差，从查找表选取初始工作点，先大步长比例控制粗调使峰值快速进入线性区间，再以峰值偏差和拟合残差构建目标函数并采用pid控制精调驱动电流，同时引入迟滞振荡抑制、异常回退与安全限幅机制，从而实现对不同设备、不同个体及不同测量条件下 dtof 曲线工作状态的快速校准与稳定维持，使其保持在有利于拟合和反演的目标区间内。

2、根据本发明说明书的一方面，提供一种基于时域近红外光的两级功率校准方法，包括一级校准和二级校准两个阶段；所述一级校准在离线标定阶段执行，包括：在标准仿体或标准参考场景下，遍历系统预设的激光驱动电流、衰减档位及接收增益组合；采集各组合条件下对应的参考通道计数率、光子飞行时间分布曲线峰值及总能量；根据采集结果建立激光驱动电流、衰减档位、接收增益与参考通道计数率、光子飞行时间分布曲线峰值及总能量之间的映射关系；记录系统在不同温度条件下的响应变化规律，计算温度补偿系数；生成包含多组控制参数、温度补偿系数及其对应响应特征的校准查找表；所述二级校准在实际测量阶段在线执行，包括：实时获取当前参考通道计数率、组织通道光子飞行时间分布曲线峰值、有效时间窗能量及拟合残差，并结合当前温度状态从所述校准查找表中选取对应的初始工作点；在所述初始工作点基础上执行粗调过程，使光子飞行时间分布曲线峰值进入预设线性响应区间；在光子飞行时间分布曲线峰值进入预设线性响应区间后执行精调过程，在目标区间附近对激光驱动电流、衰减档位或接收增益进行微调，并锁定工作点。

3、作为进一步的技术方案，所述二级校准中的粗调过程采用大步长比例控制，以光子飞行时间分布曲线峰值为反馈量，通过调整衰减档位或激光驱动电流使其落入预设线性响应区间。

4、作为进一步的技术方案，所述二级校准中的精调过程采用基于多反馈量的闭环控制，所述多反馈量包括光子飞行时间分布曲线峰值与目标峰值的偏差、以及当前光子飞行时间分布曲线与理论扩散方程之间的拟合残差。

5、作为进一步的技术方案，所述二级校准过程中还设置有振荡抑制机制：采用迟滞比较器设定死区范围，仅当误差超出死区范围时才触发衰减档位切换；和/或，记录最近若干次调节方向，若方向交替变化次数超过预设阈值，则锁定当前衰减档位并仅调节激光驱动电流。

6、作为进一步的技术方案，所述二级校准过程中还设置有异常回退机制：实时检测拟合残差或接触状态参数，当检测到拟合残差超过第一预设阈值或接触状态参数指示探头脱离时，触发回退操作，将当前参数恢复至上一稳定状态。

7、根据本发明说明书的一方面，提供一种基于时域近红外光的两级功率校准系统，包括：一级校准模块，用于在离线标定阶段执行以下操作：在标准仿体或标准参考场景下，遍历系统预设的激光驱动电流、衰减档位及接收增益组合；采集各组合条件下对应的参考通道计数率、光子飞行时间分布曲线峰值及总能量；建立激光驱动电流、衰减档位、接收增益与参考通道计数率、光子飞行时间分布曲线峰值及总能量之间的映射关系；记录系统在不同温度条件下的响应变化规律，计算温度补偿系数；生成包含多组控制参数、温度补偿系数及其对应响应特征的校准查找表；二级校准模块，用于在实际测量阶段在线执行以下操作：实时获取当前参考通道计数率、组织通道光子飞行时间分布曲线峰值、有效时间窗能量及拟合残差，并结合当前温度状态从所述校准查找表中选取对应的初始工作点；在所述初始工作点基础上执行粗调过程，使光子飞行时间分布曲线峰值进入预设线性响应区间；在光子飞行时间分布曲线峰值进入预设线性响应区间后执行精调过程，在目标区间附近对激光驱动电流、衰减档位或接收增益进行微调，并锁定工作点。

8、作为进一步的技术方案，所述二级校准模块还用于：当检测到温度变化、探头接触状态变化、参考通道计数异常、光子飞行时间分布曲线拟合残差增大或波形偏离目标区间时，再次调用所述校准查找表，并结合闭环调节过程对激光驱动电流、衰减档位、接收增益或积分时间进行更新。

9、作为进一步的技术方案，所述二级校准模块包括：粗调单元，用于采用大步长比例控制，以光子飞行时间分布曲线峰值为反馈量，通过调整衰减档位或激光驱动电流使其落入预设线性响应区间；精调单元，用于采用基于多反馈量的闭环控制，所述多反馈量包括光子飞行时间分布曲线峰值与目标峰值的偏差以及当前光子飞行时间分布曲线与理论扩散方程之间的拟合残差。

10、根据本发明说明书的一方面，提供一种时域近红外功能成像设备，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现所述的方法。

11、根据本发明说明书的一方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现所述的方法。

12、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

13、第一，通过一级校准建立设备控制参数与响应特征之间的映射关系，可为系统提供统一的设备级标定基础，减小不同批次器件、器件老化及出厂离散性对功率设置结果的影响。

14、第二，通过二级在线校准实时结合参考通道计数率、组织通道 dtof 峰值、有效时间窗能量及拟合残差进行调节，可提高系统对不同个体和不同测量状态的适应能力。

15、第三，通过粗调与精调相结合的闭环控制方式，可先快速将 dtof 峰值调整至预设线性响应区间，再在目标区间附近进行微调，从而兼顾调节速度与稳态精度。

16、第四，通过将参考通道计数率、dtof 峰值、有效时间窗能量及拟合残差共同纳入校准判据，可使功率设置更贴近后续拟合和反演需求，提高定量结果的稳定性。

17、第五，通过引入温度补偿、安全限幅、异常回退和振荡抑制机制，可提高系统在长时间连续监测条件下的运行稳定性，降低漂移累积带来的误差风险。