基于变分模态分解与非对称双S函数拟合的光纤SPR传感器畸变信号解调算法研究

作     者：郑明轩 常鹏翔 杨腾飞 

作者机构：天津理工大学集成电路科学与工程学院 

出 版 物：《光电子·激光》 (Journal of Optoelectronics·Laser)

年 卷 期：2024年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

基　　金：中国国家青年基金(No.11704283) 天津市自然科学基金重点项目(No.20JCZDJC00500) 天津市自然科学基金(No.18JCYBJC86300和No.17JCYBJC16600) 

主　　题：变分模态分解(VMD) 表面等离子体共振(SPR) 降噪 解调 非对称双S函数 

摘      要：在光纤表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）传感器表面修饰功能化膜层能够有效提升传感器灵敏度，但同时会导致传感器的透射光谱畸变，系统信噪比降低。因此本文通过引入变分模态分解（Variational mode decomposition，VMD）滤波算法提升系统的信噪比，引入非对称双S函数法拟合共振波长，改善信号的畸变问题。本文理论上阐述了VMD算法以及非对称双S函数应用于光纤SPR生物传感系统的理论基础。实验上搭建了光纤SPR生物传感系统，并对实验数据采用多种降噪以及拟合算法进行了处理。结果显示，在提升信噪比方面，与经验模态分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）算法相比，VMD滤波能够有效提升系统的信噪比（信噪比从53.72 dB提升到61.57 dB）。在解决信号畸变方面，与最小值法、质心法相比，非对称双S函数法拟合度更高。进一步地，使用所提出算法对光纤SPR传感系统监测C反应蛋白的透射光谱数据进行了解调，结果表明，传感器的最低探测浓度相比于EMD算法由1.119 μg/ml下降到0.429 μg/ml。这一研究结果对于提升光纤SPR生物传感系统的商业应用价值具有重要的意义。