基于跨窗口残余矩阵的多波段编码荧光检测方法及系统

本技术属于海洋原位光学传感领域，具体涉及一种基于跨窗口残余矩阵的多波段编码荧光检测方法及系统。

背景技术：

1、海水中的有色可溶性有机物、惰性溶解有机碳相关荧光组分、石油类物质和其他有机污染物具有不同但相互重叠的激发—发射光谱。多波段激发能够增加可分辨信息量，但不同光源依次工作时，前一波段的长寿命荧光、散射尾迹、光学器件余辉和探测器恢复会进入后一波段的采样窗口。

2、现有方法通常以光源驱动指令为采样时刻，并采用固定等待时间或离线测得的串扰系数。光源温升、老化、供电波动会改变实际出光延迟和脉冲能量；水样组成、温度、盐度、浊度和光学窗口污染会改变衰减过程。因此，固定参数难以长期适用。

3、单纯延长等待时间虽然能够降低残余响应，却会显著增加检测周期和能耗。仅对观测结果作线性扣除，又无法判断扣除量来自样品长寿命荧光、光源波动还是探测器恢复，也不能根据校正结果反向改善下一周期的激发时序。

4、已有时间分辨荧光技术能够通过仪器响应函数去卷积恢复衰减信号，已有多通道检测技术也可利用静态或自适应串扰系数校正通道混叠；但是，前者通常未利用相邻激发之间的无激发区对当前响应核作独立验证，后者的系数通常不由当前样品响应核在后续激发窗口内的外推能量生成，二者亦未形成由验证结果门控下一周期激发顺序和等待时间的闭环。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一个以实际出光为时间基准、以验证空码位检验响应核可信度、以跨窗口残余矩阵定量描述前一激发对后一采样窗口影响，并由检验结果门控下一周期时序更新的多波段荧光检测方案，在保证校正稳定性的同时缩短检测周期。技术方案为：

2、一种基于跨窗口残余矩阵的多波段编码荧光检测方法，包括以下步骤：

3、s1.为多个激发波段分别配置脉冲码字，所述脉冲码字包括波段标识段、响应核辨识段和验证空码位；

4、s2.按照候选激发时序驱动各激发光源，并由发射监视支路同步检测各光脉冲的实际上升沿、实际下降沿、积分光能和波形畸变，依据检测结果建立实测时间轴；

5、s3.在暗窗口、激发窗口、响应窗口、衰减窗口和验证空码位连续采集样品荧光信号，同时采集透射信号或散射信号以及温度和盐度；

6、s4.利用所述脉冲码字、实测时间轴和样品荧光信号辨识每一激发波段的本征响应核，并将所述本征响应核外推至后续激发波段的响应窗口，计算波段间残余响应；

7、s5.根据各波段间残余响应构建时序串扰矩阵，求解满足非负约束的校正荧光响应，并输出校正协方差和残余串扰上界；

8、s6.将验证空码位中的实测荧光与所述波段间残余响应的预测值进行白化残差检验，仅在检验合格时接受所述本征响应核和时序串扰矩阵；

9、s7.根据残余响应比例、时序串扰矩阵条件数、校正协方差、检测周期和能耗，更新下一检测周期的激发波段顺序、相邻波段等待时间、积分时间或码字重复次数；其中，步骤s6的检验结果作为步骤s7更新或冻结下一检测周期参数的必要门控条件。

10、优选的，所述波段标识段由脉冲数量、脉冲宽度和脉冲间隔共同编码；任意两个激发波段的脉冲码字在允许时移范围内的归一化互相关峰值小于设定阈值，并且单个码字的累计光能和光源占空比不超过对应光源的安全限值。

11、优选的，步骤s2采用双阈值迟滞判决提取实际上升沿和实际下降沿，并在阈值两侧采样点之间进行插值；由相邻实际边沿之间的发射监视信号积分获得单脉冲光能；当实际出光延迟、脉宽误差或脉冲能量偏差超过阈值时，以实测值替代驱动设定值参与响应核辨识。

12、优选的，发射监视支路和荧光接收支路由同一采样时钟触发，数据帧包含检测周期号、波段号、码字号、实测边沿时间、积分光能、探测器增益、积分时间、温度、盐度和质量标志，以保证多通道数据可追溯对齐；在辨识本征响应核之前，根据暗窗口估计探测器偏置和噪声协方差，利用发射监视支路测得的积分光能归一化荧光响应，并利用透射信号或散射信号区分光学窗口污染、浊度变化和光源功率变化。

13、优选的，第i激发波段的本征响应核：

14、；

15、：第i激发波段求解得到的最优本征响应核向量；

16、：目标函数极小化运算符；

17、：第i激发波段待辨识的本征响应核向量；

18、：非负约束，表示响应核各采样点物理响应强度必须大于或等于零；

19、：第i激发波段的噪声白化矩阵；

20、：第i激发波段采集得到的荧光观测信号向量；

21、：由第i波段发射监视支路实测脉冲码字构造的卷积矩阵；

22、：二阶差分平滑正则化项的权重系数；

23、：二阶差分算子矩阵，用于表征响应核的二阶离散变化；

24、：跨周期时间连续性正则化项的权重系数；

25、：上一可信检测周期辨识出的第i波段本征响应核向量；

26、：二范数的平方，用于表征向量的平方欧氏范数。

27、优选的，本征响应核的激发后衰减部分至少包含快衰减分量和慢衰减分量，表示为：

28、；

29、：第i激发波段在时刻t的响应核时域函数；

30、：激发脉冲关断后的相对时间轴坐标；

31、：快衰减分量的幅值比例系数；

32、：自然指数函数；

33、：第i激发波段的快衰减时间常数；

34、：慢衰减分量的幅值比例系数；

35、：第i激发波段的慢衰减时间常数；

36、：探测器恢复响应的增益；

37、：探测器过载恢复响应函数。

38、优选的，验证空码位设置在两个相邻激发波段之间，在所述验证空码位不驱动光源；当验证空码位中的实测荧光与残余响应预测值的白化残差超过阈值时，拒绝当前响应核并增加核辨识码字或延长衰减窗口。

39、优选的，时序串扰矩阵的元素定义为：

40、；

41、其中，为第i激发波段的本征响应核外推至第j激发波段响应窗口内的残余能量，为第i激发波段本征响应总能量；实测响应与校正响应满足：

42、；

43、：各激发波段采样窗口内实测的荧光响应强度向量；

44、：单位矩阵；

45、：时序串扰矩阵，其中表示第i激发波段对第j激发波段响应窗口的残余串扰比例；

46、：待求解的经校正后的真实荧光响应向量；

47、：加性观测噪声向量；

48、通过带非负约束的加权最小二乘求解s，并输出校正协方差和残余串扰上界。

49、优选的，步骤s7最小化目标函数：

50、；

51、：多目标优化的综合目标函数值；

52、：检测周期时间的惩罚权重；

53、：单次全波段检测所需的总周期时间；

54、：串扰矩阵非对角元素能量的惩罚权重；

55、：串扰矩阵非对角元素的平方和；

56、：矩阵条件数的惩罚权重；

57、：矩阵的条件数；

58、表示以自然常数e为底的条件数对数项；

59、：检测总能耗的惩罚权重；

60、：单次全波段检测消耗的总电能；

61、：解算校正后荧光响应不确定度的惩罚权重；

62、：校正后各波段荧光响应的方差之和；

63、并满足光源温升、最大占空比、检测周期和目标波段信噪比约束；当某波段的慢衰减时间常数增大时，将该波段后移、延长其后等待时间或降低后续波段积分增益。

64、一种基于跨窗口残余矩阵的多波段编码荧光检测系统，包括多波段激发光源、脉冲驱动器、分光元件、发射监视探测器、与待测水体直接接触的耐压光学窗口、荧光探测器、散射探测器、温盐传感器、同步采集器、时序控制器和处理器；所述多波段激发光源和荧光探测器设置于密封光学舱内，激发光经所述耐压光学窗口直接照射窗口外侧水体，水体产生的荧光或散射光经所述耐压光学窗口进入荧光探测器；所述分光元件将每一激发光源的一部分光引至发射监视探测器；所述同步采集器采用同一采样时钟采集发射监视信号、荧光信号及辅助观测信号；所述时序控制器在相邻激发波段之间设置不驱动任一激发光源的验证空码位；所述处理器被配置为以发射监视信号形成实测时间轴、在线辨识响应核、将响应核外推到后续波段窗口形成跨窗口残余矩阵，并以验证空码位的残差检验结果门控下一周期的时序参数更新。

65、与现有技术相比，本技术有益效果如下：

66、以参考光实测边沿代替驱动指令时刻，能够补偿光源启动延迟、脉宽变化和能量漂移。

67、将编码激发、响应核辨识、验证空码位和串扰矩阵结合，使校正参数来源可解释、可验证。

68、校正结果直接反馈给下一周期时序控制，在残余串扰、检测速度、能耗和可信度之间实现动态平衡。

69、辅助透射、散射及温盐信息用于区分样品变化与仪器变化，降低错误更新造成的长期漂移。