一種半導體激光器光譜自適應峰值搜索方法技術

本發明專利技術公開了一種半導體激光器光譜自適應峰值搜索方法，該自適應峰值搜索方法包括如下步驟：通過建立光譜數據序列的局部最大矩陣，利用其行向量特征修正矩陣，根據修正矩陣的列向量特征定位峰值，并通過一定的方法進一步修正和補償。本發明專利技術方法具有較強的抗噪能力，整個搜索過程無需人為干預，自適應性和魯棒性強，且滿足實時計算要求。實測數據計算結果表明，本發明專利技術自適應峰值搜索方法與直接比較法、優化的導數法和遺傳算法相比，在檢驗準確率和計算時間方面優勢明顯，平均檢驗準確率可達到98％，平均計算時間僅為0.12s，可應用到半導體激光器實測光譜特性實時分析中去。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及。
技術介紹
目前，光纖通信技術由于具有傳輸容量大、傳輸速率高、抗電磁干擾、保密性強等 優點，已經在軍事、工業、農業、醫療和科學研究等各個領域得到了飛速發展和廣泛應用。法 布里-珀羅型半導體激光器（FP-LD)和分布反饋式半導體激光器（DFB-LD)因輸出光相干 性和方向性好、譜寬窄、體積小且簡單易用，在高速、大容量光纖通信系統中是最常用的光 源，其光譜通常用光譜分析儀測量得到，光譜帶寬和縱模數等參數是FP-LD最重要的光譜 參數，邊模抑制比和邊模偏置等參數反映著DFB-LD的性能，光譜峰值搜索是計算FP-LD和 DFB-LD上述各種光譜參數的基礎，實時準確的搜索出峰值對于光譜特性分析和開發高性能 光譜分析儀器都具有十分重要的意義。 目前，常用的峰值搜索方法主要有：直接比較法、導數法、對稱零面積法、遺傳算 法、小波變換等。直接比較法采用直接比較的方式找出比左右相鄰點大的數據點作為峰值 點，其原理簡單，計算速度快，適合尋找平滑曲線的孤立強峰值，但在復雜的譜線分布中尋 找弱峰時會產生大量虛假峰，抗噪性較差。導數法的基本思想是把譜線看為一條連續曲線， 通過對譜線上各點求導數，依據導數的性質確定譜線峰值的位置，該方法對于光滑曲線具 有較高的搜索準確性，計算速度基本可以滿足實時的要求，但對于噪聲較大的復雜譜線易 產生虛假峰，因此需要首先對譜線進行平滑去噪，或者設置閾值參數過濾掉虛假峰。對稱零 面積法是把面積為零且對稱的窗函數與待搜索光譜進行卷積變換，可以證明，面積為零的 對稱窗函數，對線性基底的卷積變換結果將為零，只有在存在峰的條件下不為零，且變換值 最大處為峰值所在，該方法峰值搜索效果取決于窗函數選取是否合適，除此之外還需要設 置窗寬、峰的最小半寬、搜索閾值等參數，計算較為復雜，運算速度也較慢。遺傳算法能夠進 行全局最優搜索，其抗噪能力較強，但該方法需要設置種群規模、初始種群、迭代次數、交叉 概率、變異概率等參數，且需要較長的訓練時間來確定最優參數，不適合實時運算。小波變 換法將信號分解成一系列小波函數的疊加，構建一個具有良好時域及頻域局部化的時頻信 號，從而將時域尋峰轉變為小波域對小波系數矩陣的尋峰，該方法搜索準確度較高，并且對 噪聲和背景具有較強的抑制能力，但該方法需要選擇小波母函數、尺度參數、平移參數等， 計算量較大，也不適合實時運算。 由此可見，現有方法對上述半導體激光器光譜進行峰值搜索時存在如下問題：（1) 為得到較高的搜索準確度，大部分方法都需要針對不同類型、不同測量條件下得到的光譜 波形設置不同的最優閾值或參數，人為干預較多，方法無法做到自適應，魯棒性較差；（2) 為過濾掉虛假峰，需要進行濾波去噪，平滑，背景基線漂移去除等預處理，不僅步驟繁瑣，計 算復雜，而且在預處理過程中又不可避免地引入新的閾值或參數；（3)方法本身計算時間 開銷比較大，再考慮數據預處理時間花費，無法滿足實時性的計算要求。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提出，其采用如下 方案： -種半導體激光器光譜自適應峰值搜索方法，包括如下步驟： a局部最大矩陣的建立 設T代表待搜索半導體激光器的實測光譜數據序列，序列長度為n，T = [tpty h，...tj ; 使用窗口寬度N可變的移動窗，比較序列中某一個數據點在N范圍內和前向邊緣 點及后向邊緣點的大小； 比較的邏輯關系值作為波動因子，以波動因子作為數據元素建立局部最大矩陣 M(mXn)； 其中，m= -l = -l，符號" □"代表向下取整，窗口寬度 N = 2i(i = 1，2, ...，m); 對于每一維的i和j，其中，I < i < m，I < j < n，當i+1 < j < n-i時，波動因子 表示為：⑴ 當I < j < i和n-i+1 < j < η時，波動因子表示為： Hiij j= rand+1 (2) 其中，rand表示在范圍內的均勻分布隨機數；局部最大矩陣M表示為：⑶ b局部最大維度控制 統計局部最大矩陣中所有行向量0元素的數目，并找到0元素數目最多的行，記為 P ： p = max (Sum (Iiiii j = 0)) (4) 其中，max表示最大值，Sum表示求和； 重新修正局部最大矩陣M，去除掉行數i大于p的元素，形成新的矩陣M' (pXn):(S): c譜峰定位 新矩陣M'的列向量元素值是判別數據序列中某元素是否為局部峰值點的直接判 斷標準，當某一列元素全為0時，該列對應的數據序列中的元素即為候選峰值點； d譜峰補償 如果數據點對應的新矩陣M'列向量同時滿足下列三個條件，則認為該數據點符 合在一定窗口內左側鄰近點上升且右側鄰近點下降這種趨勢，加入候選峰值點內： (1)首行元素為0 ; (2)從首行開始，連續0元素的個數N1S ; (3)以該列為中心，窗口為范圍內的左右各列中0元素的個數N2S ; 通過上述步驟即可在無需設置閾值或參數的前提下，準確定位光譜數據峰值點。 本專利技術具有如下優點： 本專利技術方法無需設置閾值或參數，只根據光譜數據序列固有的特征即可較為準確 的搜索出峰值，即具有較強的自適應性；本專利技術方法對不同條件下測量得到的DFB-LD和 FP-LD光譜均適用，即具有較強的魯棒性；本專利技術方法不需要對數據進行濾波去噪，平滑， 背景基線漂移去除等預處理，計算簡單易行，檢驗準確率高；本專利技術方法計算時間開銷小， 完全能夠滿足實時計算的要求，便于后續譜特性的快速分析和計算。【附圖說明】 圖1為FP-LD的實測光譜曲線圖； 圖2為DFB-LD的實測光譜曲線圖； 圖3為本專利技術中的流程圖； 圖4為使用直接比較法對FP-LD光譜進行峰值搜索的效果圖； 圖5為使用導數法對FP-LD光譜進行峰值搜索的效果圖； 圖6為使用遺傳算法對FP-LD光譜進行峰值搜索的效果圖； 圖7為使用本專利技術自適應峰值搜索方法對FP-LD光譜進行峰值搜索的效果圖； 圖8為使用直接比較法對DFB-LD光譜進行峰值搜索的效果圖； 圖9為使用導數法對DFB-LD光譜進行峰值搜索的效果圖； 圖10為使用遺傳算法對DFB-LD光譜進行峰值搜索的效果圖； 圖11為使用本專利技術自適應峰值搜索方法對DFB-LD光譜進行峰值搜索的效果圖； 圖12為使用直接比較法的檢驗準確率示意圖； 圖13為使用導數法的檢驗準確率示意圖； 圖14為使用遺傳算法的檢驗準確率不意圖； 圖15為使用本專利技術自適應峰值搜索方法的檢驗準確率示意圖； 圖16為直接比較法、導數法、遺傳算法和本專利技術自適應峰值搜索方法計算時間對 比圖。【具體實施方式】 本專利技術的基本思想是：首先研究了搜索對象--FP-LD和DFB-LD光譜實測數據的 特征；然后提出一種基于局部最大矩陣的半導體激光器光譜自適應峰值搜索方法，最后通 過對比實驗進行分析和檢驗方法效果。具體的， 下面結合附圖以及【具體實施方式】對本專利技術作進一步詳細說明： (一）FP-LD和DFB-LD光譜實測數據特征 本專利技術研究的兩種光源光譜實測數據具有不同的特點，FP-LD具有多縱模特性， DFB-LD由于采用波長選擇反饋機制，因而其光譜具有單縱模特性。 同時，由于光柵分光光譜儀是把由復色光照明的狹縫經過光柵分本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種半導體激光器光譜自適應峰值搜索方法，其特征在于，包括如下步驟：a局部最大矩陣的建立設T代表待搜索半導體激光器的實測光譜數據序列，序列長度為n，T＝[t1，t2，...ti，...tn]；使用窗口寬度N可變的移動窗，比較序列中某一個數據點在N范圍內和前向邊緣點及后向邊緣點的大小；比較的邏輯關系值作為波動因子，以波動因子作為數據元素建立局部最大矩陣M(m×n)；其中，m＝[length(T)/2]?1＝[n/2]?1,符號“[]”代表向下取整，窗口寬度N＝2i(i＝1,2,...,m)；對于每一維的i和j，其中，1≤i≤m，1≤j≤n，當i+1≤j≤n?i時，波動因子表示為：當1≤j≤i和n?i+1≤j≤n時，波動因子表示為：mi,j＝rand+1???????????????????????(2)其中，rand表示在[0,1]范圍內的均勻分布隨機數；局部最大矩陣M表示為：b局部最大維度控制統計局部最大矩陣中所有行向量0元素的數目，并找到0元素數目最多的行，記為p：p＝max(Sum(mi,j＝0))??????????????????????????(4)其中，max表示最大值，Sum表示求和；重新修正局部最大矩陣M，去除掉行數i大于p的元素，形成新的矩陣M′(p×n)：c譜峰定位新矩陣M′的列向量元素值是判別數據序列中某元素是否為局部峰值點的直接判斷標準，當某一列元素全為0時，該列對應的數據序列中的元素即為候選峰值點；d譜峰補償如果數據點對應的新矩陣M′列向量同時滿足下列三個條件，則認為該數據點符合在一定窗口內左側鄰近點上升且右側鄰近點下降這種趨勢，加入候選峰值點內：(1)首行元素為0；(2)從首行開始，連續0元素的個數N1≥[n/2]；(3)以該列為中心，窗口為[n/4]范圍內的左右各列中0元素的個數N2≥[n/2]；通過上述步驟即可準確定位光譜數據峰值點。...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：侯喜報，劉加慶，張志輝，韓順利，
申請(專利權)人：中國電子科技集團公司第四十一研究所，
類型：發明
國別省市：山東;37