一种离轴前表面汇聚式三维荧光传感器及其测量方法与流程

本发明属于光学检测，特别涉及一种离轴前表面汇聚式三维荧光传感器及其测量方法。

背景技术：

1、三维荧光光谱技术通过获取样品在多个激发波长下的发射光谱，构建激发-发射矩阵，能够提供丰富的物质组成与浓度信息，是水体溶解性有机物、油类污染物、叶绿素a及藻类等分析的重要手段。将三维荧光测量系统集成为可水下原位工作的传感器，实现实时在线连续测量，是当前水质监测和海洋环境研究的重要发展方向。

2、现有水下原位荧光传感器在光路设计上主要存在以下技术问题：

3、一、正交双光路布局导致吸收内滤效应显著

4、目前多数水下荧光传感器采用激发光轴与荧光收集光轴互成90°的正交双光路布局。以专利文献cn202310683806u公开的浸入式小型荧光光谱在线检测装置为例，其入射光窗口和荧光采样窗口开设在相邻且成90度角的侧壁上。这一设计的典型问题是：激发光需穿透光学窗口后汇聚于距窗口一定深度的水样内部，导致荧光信号的收集光程较长。在荧光信号沿收集光路传播的过程中，会被待测水样自身的吸光物质二次吸收，形成吸收内滤效应（inner filter effect, ife），使得荧光强度减弱、检测灵敏度下降。由于荧光信号强度随距离呈指数衰减，长光程的荧光信号路径导致返回传感器时信号强度大幅降低。

5、二、双光学窗口设计增加结构复杂度

6、正交双光轴布局通常需要两个独立的光学窗口，一个用于激发光入射，另一个用于荧光收集。双窗口设计增加了耐压密封结构的复杂度，增大了窗口内反射损耗和光学装调难度，不利于传感器的小型化集成和高水压环境下的可靠部署。同时，双窗口构型也增加了传感器外壳的危险截面，对水下密封可靠性构成挑战。

7、三、现有改进方案仍无法根本解决上述问题

8、为缩短样品光程，已有部分方案尝试降低激发光入射角度以将激发位置向窗口表面靠近。如专利文献us20230047096a1公开的浸没式荧光计，通过降低激发角度将荧光激发位置控制在距离窗口1cm或更近的范围内。然而，该方案仍需避免全内反射（totalinternal reflection，tir）损失，激发位置仍位于窗口下方一定距离处，未能从根本上消除样品光程，吸收内滤效应依然存在。

9、四、缺乏有效的自校准机制

10、多数现有传感器缺乏有效的光源自定位校准和仪器响应自校准机制。在长期原位部署时，由于温度变化、光源老化、光学窗口污染和机械振动引起的漂移，测量重复性和定量可比性难以保证。虽然部分方案通过背景光信息和浊度信息对传感器进行自补偿，但尚未形成系统化的激发位置校准与光谱响应校准机制，难以满足长期、高灵敏、高重复性的水体三维荧光原位监测需求。

11、综上所述，现有技术在光路设计上受限于正交及双窗口构型，无法在缩短样品光程与抑制窗口反射干扰之间取得根本性平衡，吸收内滤效应导致的检测灵敏度损失问题始终未能得到有效解决；同时也普遍缺少系统化的自校准机制，难以保证长期原位部署时的数据质量和测量一致性。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种离轴前表面汇聚式三维荧光传感器及其测量方法，以达到从根本上消除吸收内滤效应、提高检测灵敏度与准确性，同时简化传感器结构、降低水下密封难度，并实现长期原位测量中数据的高重复性与可比性的目的。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种离轴前表面汇聚式三维荧光传感器，包括激发光源模块、光谱检测模块、控制电路和光学检测光路，所述光学检测光路为离轴前表面汇聚式光路，其具有单一的光学窗口，用于接触待测水体；所述离轴前表面汇聚式光路包括激发光汇聚光路和发射光收集光路；

4、所述激发光汇聚光路包括沿激发光入射方向同轴设置的第一平凸透镜和第二平凸透镜，第一平凸透镜和第二平凸透镜的共同光轴与所述光学窗口的法线呈第一倾斜角；激发光依次经所述第一平凸透镜准直和所述第二平凸透镜聚焦后，穿过所述光学窗口，最终汇聚于光学窗口与待测水体接触的表面，光学窗口表面的水体受激发产生荧光；

5、所述发射光收集光路包括沿荧光收集方向依次设置的第三平凸透镜、光纤聚焦镜和紫外光纤；所述第三平凸透镜用于收集荧光并压缩光斑，所述光纤聚焦镜用于将荧光耦合至所述紫外光纤；所述紫外光纤连接所述光谱检测模块；

6、所述第三平凸透镜的光轴与第一平凸透镜和第二平凸透镜的共同光轴垂直，所述第三平凸透镜的光轴与所述光学窗口的法线呈第二倾斜角，所述光纤聚焦镜倾斜偏心布置，其光轴与所述光学窗口的法线呈第三倾斜角，所述第一倾斜角与所述第三倾斜角不相等，以实现非对称倾斜布置。

7、上述方案中，所述第一倾斜角和第二倾斜角相等，为40°~50°；所述第三倾斜角为10°~20°。

8、优选的，所述第一倾斜角为45°，所述第二倾斜角为45°，所述第三倾斜角为14°。

9、上述方案中，所述激发光源模块包括转盘形电路板和伺服电机，所述转盘形电路板上设置有多个不同峰值波长的紫外发光二极管，所述转盘形电路板与所述伺服电机的转轴固定连接，所述伺服电机带动所述转盘形电路板旋转，使选定的紫外发光二极管对准所述激发光汇聚光路的光轴位置，实现多个波长共用同一激发光路。

10、上述方案中，所述控制电路以微控制器为核心，用于控制所述伺服电机将目标波长的紫外发光二极管定位至激发位置，控制所述紫外发光二极管的驱动电流，控制所述光谱检测模块的积分时间，并完成数据采集、处理、存储和通信。

11、一种离轴前表面汇聚式三维荧光传感器的测量方法，采用如上所述的荧光传感器，包括以下步骤：

12、步骤一、控制伺服电机将选定的紫外发光二极管定位至激发位置并点亮；

13、步骤二、触发光谱检测模块采集当前激发波长下的发射光谱；

14、步骤三、重复步骤一和步骤二，遍历全部紫外发光二极管，获得多个不同激发波长下的发射光谱；

15、步骤四、对所述多个不同激发波长下的发射光谱进行光谱强度自校准处理，将离散的发射光谱数据转换为等间距标准网格上的标准化三维荧光光谱矩阵，作为测量结果输出。

16、进一步的技术方案中，在所述步骤一之后、步骤二之前，还包括针对当前紫外发光二极管的激发位置自校准步骤：

17、提取当前发射光谱中对应激发波长的瑞利散射强度值；

18、以步进方式微调所述伺服电机的位置，同步监测所述瑞利散射强度的变化；

19、搜索所述瑞利散射强度达到最大值时所对应的伺服电机位置，锁定该位置为当前紫外发光二极管的最佳激发位置，并在锁定最佳激发位置后再执行所述步骤二。

20、上述方案中，所述步骤四中的光谱强度自校准处理包括：

21、提取每条发射光谱中水的拉曼散射峰强度，以所述拉曼散射峰强度作为内标对各发射光谱进行拉曼归一化处理，校正激发光强波动和系统光谱响应不均匀性；

22、对归一化后的光谱数据进行上采样插值，将离散激发波长下的发射光谱转换为等间距标准网格上的三维荧光光谱矩阵。

23、通过上述技术方案，本发明提供的一种离轴前表面汇聚式三维荧光传感器及其测量方法具有如下有益效果：

24、1、从根本上消除吸收内滤效应，显著提升检测灵敏度

25、本发明采用离轴前表面汇聚式光路设计，激发光汇聚点与荧光收集区域重合于光学窗口与待测水体接触的表面，对荧光有贡献的水样厚度仅为附着于窗口表面的亚微米至微米级极薄水层，有效样品光程趋近于零。相较于传统正交光路中激发光需穿透水体并在内部激发、荧光信号需经长光程返回窗口被二次吸收的构型，本发明从光路原理上根本性避免了吸收内滤效应，显著提高了传感器的检测灵敏度并降低了检测限。

26、2、简化结构，提升水下部署可靠性

27、本发明仅设置单一的光学窗口，相较于传统双窗口正交光路设计，减少了窗口数量，简化了耐压密封结构，降低了窗口内反射损耗和光学装调复杂度，消除了双窗口构型带来的危险截面，有利于传感器的小型化集成和高水压环境下的可靠水下长期部署。

28、3、转盘式led阵列实现多波长共用光路，降低制造成本

29、本发明采用转盘式紫外发光二极管阵列与伺服电机组合方案，多个不同峰值波长的紫外发光二极管固定于同一转盘形电路板上，通过伺服电机旋转切换，使全部波长led共用同一套激发光路。相较于传统方案中每个led需独立配置光路的做法，本发明显著减少了光学元件数量，降低了加工和装调成本，结构更加紧凑。

30、4、双重自校准机制保障长期测量数据质量

31、本发明集成了激发位置自校准和光谱强度自校准双重机制。激发位置自校准利用瑞利散射强度作为反馈信号，实时微调伺服电机位置以锁定最佳激发位，消除了电机重复定位误差和长期运行中的机械漂移；光谱强度自校准通过拉曼归一化校正激发光强波动和系统光谱响应不均匀性，并结合上采样插值生成标准化三维荧光光谱矩阵。双重校准机制保证了传感器在不同时间、不同环境下测量结果的准确性与可重复性，满足了长期原位监测的应用需求。

32、5、获取连续发射光谱，信息更加丰富

33、本发明采用光谱检测模块获取完整的连续发射光谱，而非离散波长的单点信号，能够构建完整的三维荧光光谱矩阵，为水体溶解性有机物、油类污染物、叶绿素a等多组分同时分析提供了丰富的光谱信息，具有更广泛的适用性。