一種半導(dǎo)體激光器光譜自適應(yīng)峰值搜索方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體激光器光譜自適應(yīng)峰值搜索方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，光纖通信技術(shù)由于具有傳輸容量大、傳輸速率高、抗電磁干擾、保密性強(qiáng)等 優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域得到了飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。法 布里-珀羅型半導(dǎo)體激光器（FP-LD)和分布反饋式半導(dǎo)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(jiǎn)單易用，在高速、大容量光纖通信系統(tǒng)中是最常用的光 源，其光譜通常用光譜分析儀測(cè)量得到，光譜帶寬和縱模數(shù)等參數(shù)是FP-LD最重要的光譜 參數(shù)，邊模抑制比和邊模偏置等參數(shù)反映著DFB-LD的性能，光譜峰值搜索是計(jì)算FP-LD和 DFB-LD上述各種光譜參數(shù)的基礎(chǔ)，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的搜索出峰值對(duì)于光譜特性分析和開(kāi)發(fā)高性能 光譜分析儀器都具有十分重要的意義。
[0003] 目前，常用的峰值搜索方法主要有：直接比較法、導(dǎo)數(shù)法、對(duì)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(diǎn)大的數(shù)據(jù)點(diǎn)作為峰值 點(diǎn)，其原理簡(jiǎn)單，計(jì)算速度快，適合尋找平滑曲線的孤立強(qiáng)峰值，但在復(fù)雜的譜線分布中尋 找弱峰時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量虛假峰，抗噪性較差。導(dǎo)數(shù)法的基本思想是把譜線看為一條連續(xù)曲線， 通過(guò)對(duì)譜線上各點(diǎn)求導(dǎo)數(shù)，依據(jù)導(dǎo)數(shù)的性質(zhì)確定譜線峰值的位置，該方法對(duì)于光滑曲線具 有較高的搜索準(zhǔn)確性，計(jì)算速度基本可以滿足實(shí)時(shí)的要求，但對(duì)于噪聲較大的復(fù)雜譜線易 產(chǎn)生虛假峰，因此需要首先對(duì)譜線進(jìn)行平滑去噪，或者設(shè)置閾值參數(shù)過(guò)濾掉虛假峰。對(duì)稱零 面積法是把面積為零且對(duì)稱的窗函數(shù)與待搜索光譜進(jìn)行卷積變換，可以證明，面積為零的 對(duì)稱窗函數(shù)，對(duì)線性基底的卷積變換結(jié)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(shù)選取是否合適，除此之外還需要設(shè) 置窗寬、峰的最小半寬、搜索閾值等參數(shù)，計(jì)算較為復(fù)雜，運(yùn)算速度也較慢。遺傳算法能夠進(jìn) 行全局最優(yōu)搜索，其抗噪能力較強(qiáng)，但該方法需要設(shè)置種群規(guī)模、初始種群、迭代次數(shù)、交叉 概率、變異概率等參數(shù)，且需要較長(zhǎng)的訓(xùn)練時(shí)間來(lái)確定最優(yōu)參數(shù)，不適合實(shí)時(shí)運(yùn)算。小波變 換法將信號(hào)分解成一系列小波函數(shù)的疊加，構(gòu)建一個(gè)具有良好時(shí)域及頻域局部化的時(shí)頻信 號(hào)，從而將時(shí)域?qū)し遛D(zhuǎn)變?yōu)樾〔ㄓ驅(qū)π〔ㄏ禂?shù)矩陣的尋峰，該方法搜索準(zhǔn)確度較高，并且對(duì) 噪聲和背景具有較強(qiáng)的抑制能力，但該方法需要選擇小波母函數(shù)、尺度參數(shù)、平移參數(shù)等， 計(jì)算量較大，也不適合實(shí)時(shí)運(yùn)算。
[0004] 由此可見(jiàn)，現(xiàn)有方法對(duì)上述半導(dǎo)體激光器光譜進(jìn)行峰值搜索時(shí)存在如下問(wèn)題：（1) 為得到較高的搜索準(zhǔn)確度，大部分方法都需要針對(duì)不同類(lèi)型、不同測(cè)量條件下得到的光譜 波形設(shè)置不同的最優(yōu)閾值或參數(shù)，人為干預(yù)較多，方法無(wú)法做到自適應(yīng)，魯棒性較差；（2) 為過(guò)濾掉虛假峰，需要進(jìn)行濾波去噪，平滑，背景基線漂移去除等預(yù)處理，不僅步驟繁瑣，計(jì) 算復(fù)雜，而且在預(yù)處理過(guò)程中又不可避免地引入新的閾值或參數(shù)；（3)方法本身計(jì)算時(shí)間 開(kāi)銷(xiāo)比較大，再考慮數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)間花費(fèi)，無(wú)法滿足實(shí)時(shí)性的計(jì)算要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提出一種半導(dǎo)體激光器光譜自適應(yīng)峰值搜索方法，其采用如下 方案：
[0006] -種半導(dǎo)體激光器光譜自適應(yīng)峰值搜索方法，包括如下步驟：
[0007] a局部最大矩陣的建立
[0008] 設(shè)T代表待搜索半導(dǎo)體激光器的實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)序列，序列長(zhǎng)度為n，T = [tpty h，...tj ;
[0009] 使用窗口寬度N可變的移動(dòng)窗，比較序列中某一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)在N范圍內(nèi)和前向邊緣 點(diǎn)及后向邊緣點(diǎn)的大??；
[0010] 比較的邏輯關(guān)系值作為波動(dòng)因子，以波動(dòng)因子作為數(shù)據(jù)元素建立局部最大矩陣 M(mXn)；
[0011] 其中，m= [length(T)/2]-l = [n/2]-l，符號(hào)" □"代表向下取整，窗口寬度 N = 2i(i = 1，2, ...，m);
[0012] 對(duì)于每一維的i和j，其中，I < i < m，I < j < n，當(dāng)i+1 < j < n-i時(shí)，波動(dòng)因子 表示為：
⑴
[0014] 當(dāng)I < j < i和n-i+1 < j < η時(shí)，波動(dòng)因子表示為：
[0015] Hiij j= rand+1 (2)
[0016] 其中，rand表示在[0, 1]范圍內(nèi)的均勻分布隨機(jī)數(shù)；局部最大矩陣M表示為：
⑶
[0018] b局部最大維度控制
[0019] 統(tǒng)計(jì)局部最大矩陣中所有行向量0元素的數(shù)目，并找到0元素?cái)?shù)目最多的行，記為 P ：
[0020] p = max (Sum (Iiiii j = 0)) (4)
[0021] 其中，max表示最大值，Sum表示求和；
[0022] 重新修正局部最大矩陣M，去除掉行數(shù)i大于p的元素，形成新的矩陣M' (pXn):
(S):
[0024] c譜峰定位
[0025] 新矩陣M'的列向量元素值是判別數(shù)據(jù)序列中某元素是否為局部峰值點(diǎn)的直接判 斷標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)某一列元素全為0時(shí)，該列對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)序列中的元素即為候選峰值點(diǎn)；
[0026] d譜峰補(bǔ)償
[0027] 如果數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的新矩陣M'列向量同時(shí)滿足下列三個(gè)條件，則認(rèn)為該數(shù)據(jù)點(diǎn)符 合在一定窗口內(nèi)左側(cè)鄰近點(diǎn)上升且右側(cè)鄰近點(diǎn)下降這種趨勢(shì)，加入候選峰值點(diǎn)內(nèi)：
[0028] (1)首行元素為0 ;
[0029] (2)從首行開(kāi)始，連續(xù)0元素的個(gè)數(shù)N1S [n/2];
[0030] (3)以該列為中心，窗口為[n/4]范圍內(nèi)的左右各列中0元素的個(gè)數(shù)N2S [n/2];
[0031] 通過(guò)上述步驟即可在無(wú)需設(shè)置閾值或參數(shù)的前提下，準(zhǔn)確定位光譜數(shù)據(jù)峰值點(diǎn)。
[0032] 本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0033] 本發(fā)明方法無(wú)需設(shè)置閾值或參數(shù)，只根據(jù)光譜數(shù)據(jù)序列固有的特征即可較為準(zhǔn)確 的搜索出峰值，即具有較強(qiáng)的自適應(yīng)性；本發(fā)明方法對(duì)不同條件下測(cè)量得到的DFB-LD和 FP-LD光譜均適用，即具有較強(qiáng)的魯棒性；本發(fā)明方法不需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波去噪，平滑， 背景基線漂移去除等預(yù)處理，計(jì)算簡(jiǎn)單易行，檢驗(yàn)準(zhǔn)確率高；本發(fā)明方法計(jì)算時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)小， 完全能夠滿足實(shí)時(shí)計(jì)算的要求，便于后續(xù)譜特性的快速分析和計(jì)算。
【附圖說(shuō)明】
[0034] 圖1為FP-LD的實(shí)測(cè)光譜曲線圖；
[0035] 圖2為DFB-LD的實(shí)測(cè)光譜曲線圖；
[0036] 圖3為本發(fā)明中一種半導(dǎo)體激光器光譜自適應(yīng)峰值搜索方法的流程圖；
[0037] 圖4為使用直接比較法對(duì)FP-LD光譜進(jìn)行峰值搜索的效果圖；
[0038] 圖5為使用導(dǎo)數(shù)法對(duì)FP-LD光譜進(jìn)行峰值搜索的效果圖；
[0039] 圖6為使用遺傳算法對(duì)FP-LD光譜進(jìn)行峰值搜索的效果圖；
[0040] 圖7為使用本發(fā)明自適應(yīng)峰值搜索方法對(duì)FP-LD光譜進(jìn)行峰值搜索的效果圖；
[0041] 圖8為使用直接比較法對(duì)DFB-LD光譜進(jìn)行峰值搜索的效果圖；
[0042] 圖9為使用導(dǎo)數(shù)法對(duì)DFB-LD光譜進(jìn)行峰值搜索的效果圖；
[0043] 圖10為使用遺傳算法對(duì)DFB-LD光譜進(jìn)行峰值搜索的效果圖；
[0044] 圖11為使用本發(fā)明自適應(yīng)峰值搜索方法對(duì)DFB-LD光譜進(jìn)行峰值搜索的效果圖；
[0045] 圖12為使用直接比較法的檢驗(yàn)準(zhǔn)確率示意圖；
[0046] 圖13為使用導(dǎo)數(shù)法的檢驗(yàn)準(zhǔn)確率示意圖；
[0047] 圖14為使用遺傳算法的檢驗(yàn)準(zhǔn)確率不意圖；
[0048] 圖15為使用本發(fā)明自適應(yīng)峰值搜索方法的檢驗(yàn)準(zhǔn)確率示意圖；
[0049] 圖16為直接比較法、導(dǎo)數(shù)法、遺傳算法和本發(fā)明自適應(yīng)峰值搜索方法計(jì)算時(shí)間對(duì) 比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0050] 本發(fā)明的基本思想是：首先研究了搜索對(duì)象--FP-LD和DFB-LD光譜實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的 特征；然后提出一種基于局部最大矩陣的半導(dǎo)體激光器光譜自適應(yīng)峰值搜索方法，最后通 過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析和檢驗(yàn)方法效果。具體的，
[0051] 下面結(jié)合附圖以及【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明：
[0052] (一）FP-LD和DFB-LD光譜實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)特征
[0053] 本發(fā)明研究的兩種光源光譜實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有不同的特點(diǎn)，F(xiàn)P-LD具有多縱模特性， DFB-LD由于采用波長(zhǎng)選擇反饋機(jī)制，因而其光譜具有單縱模特性。
[0054] 同時(shí)，由于光柵分光光譜儀是把由復(fù)色光照明的狹縫經(jīng)過(guò)光柵分光系統(tǒng)變?yōu)槿舾?個(gè)單色的狹縫像，實(shí)際測(cè)得的光譜會(huì)根據(jù)狹縫寬度的不同具有不同的譜線展寬，通過(guò)設(shè)定 光譜儀不同的分辨帶寬，實(shí)測(cè)光譜會(huì)有不同的光譜帶寬（FMffH)，其光譜外形或輪廓呈高斯 型。
[0055] 如圖1和圖2分別為FP-LD和DFB-LD的實(shí)測(cè)光譜。通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)25組DFB-LD和 FP-LD光譜數(shù)據(jù)分析，待搜索譜峰數(shù)據(jù)序列具有如下特性：
[0056] (1)數(shù)據(jù)中電平值較低的部分隨機(jī)波動(dòng)大，存在均方根值為常數(shù)的隨機(jī)噪聲信號(hào)， 即信噪比低，易造成虛假峰的出現(xiàn)。
[0057] (2)存在明顯大于噪聲的高幅值數(shù)據(jù)點(diǎn)，即動(dòng)態(tài)范圍大。該部分?jǐn)?shù)據(jù)包含的大譜峰 較易搜索，但部分光譜數(shù)據(jù)的大譜峰處曲線不光滑，易造成誤判。
[0058] (二）基于局部最大矩陣的半導(dǎo)體激光器光譜自適應(yīng)峰值搜索方法
[0059] 基于上述數(shù)據(jù)序列特征，本發(fā)明提出了一種基于局部最大矩陣的自適應(yīng)峰值搜索 方法（簡(jiǎn)稱自適應(yīng)局部最大法），其方法流程如圖3所示：
[0060] 一種半導(dǎo)體激光器光譜自適應(yīng)峰值搜索方法，包括如下步驟：
[0061] a局部最大矩陣的