一种在光反馈光腔衰荡技术中筛选衰荡信号的方法技术

本发明专利技术提供一种在光反馈光腔衰荡技术中筛选衰荡信号的方法，其特征在于由预采集的光腔衰荡系统的衰荡信号计算系统噪声的平均值和标准差，记录噪声样本，计算噪声对特定衰荡时间常数提取方法的提取精度的影响，利用数据查找算法求得该提取方法达到预定提取精度所需要的信号幅值条件。根据信号幅值条件筛选衰荡信号。本方法基于信号噪声统计特性获得对应于特定衰荡时间常数提取方法的最优噪声阈值条件，综合考虑了测量精度和速度的相互制约关系，保证测量精度的同时提高了测量速度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光腔衰荡
，具体涉及一种在光反馈光腔衰荡技术中筛选衰荡信号的方法，适用于基于光反馈光腔衰荡技术的高反射率测量、吸收光谱测量或痕量气体检测。
技术介绍
光反馈光腔衰荡技术是连续波光腔衰荡技术的一种，它将光腔衰荡技术与半导体激光器的光反馈效应相结合，简化了系统结构，提高了激光光源与衰荡腔的耦合效率，另外还具有信噪比高和光谱分辨率高的优势(D.Romanini,A.A.Kachanov,J.Morville,M.Chenevier,“Measurement of trace gases by diode laser cavity ringdown spectroscopy”,Proc of SPIE,1999,3821：94～104；李斌成，龚元；光腔衰荡高反射率测量技术综述，《激光与光电子学进展》，2010，47：021203)。目前已成功应用于痕量气体检测，吸收光谱测量和高反射率测量等领域。实际应用中，需要将多次衰荡时间常数的测量结果求平均来减小系统随机误差的影响。为了保证每个测量结果的精度，就要求相应的每一个衰荡信号均达到一定的信噪比，因此需要对信号进行筛选。中国专利申请号200710122408.6的专利技术专利“用于高反射率测量的开光激光束的时序优化方法”中提出的信号筛选方法为预设阈值为腔初始输出信号的最大值，阈值设定后，只有达到阈值的衰荡信号才会触发光开关并被纳入测量过程。若该阈值在一定时间内不能触发光开关，则阈值自动下调；中国专利申请号200710098755.X的专利技术专利“基于半导体激光器自混合效应的高反射率测量的方法”中提出的信号筛选方式为预设阈值为腔输出信号峰值的50％～99％，相比于前一种方式，测量速率有所提高。总体而言，目前的光反馈光腔衰荡技术沿用了传统连续波光腔衰荡技术中预设阈值的信号筛选方法。光反馈光腔衰荡技术相对于传统的连续波光腔衰荡技术而言，最大的改进之处是利用半导体激光器基于光反馈效应的调谐能力，省略了模式匹配单元和光开关器件，不必再根据信号幅值判断耦合效率和触发光开关，使系统更简洁、高效。不过，其中的信号筛选方式沿用了传统连续波光腔衰荡技术中预设阈值的处理方法，并没有结合自身的特点加以改进。预设的阈值如果偏高，将导致筛选信号的时间变长，影响测量效率；如果偏低则可能影响测量精度。总之，这种阈值选取方式没有综合考虑测量精度与测量速度的制约关系。因此发展一种在光反馈光腔衰荡技术中筛选衰荡信号的方法，对于提高光反馈光腔衰荡技术的测量精度和测量效率是很有帮助的。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：光反馈光腔衰荡技术沿用了传统的连续波光腔衰荡技术中预设阈值的信号筛选方式，为了保证测量精度，预设的阈值往往偏高，虽然此时有较好的测量精度，但测量速率较低。本专利技术克服了以上不足，利用噪声统计特性计算最优信号阈值，综合考虑测量精度和速度的相互制约关系，在确保测量精度的同时提高了测量速度。本专利技术要解决其技术问题所采用的技术方案是：一种在光反馈光腔衰荡技术中筛选衰荡信号的方法，采集系统噪声并分析其统计特性，利用数据查找算法计算当前噪声条件下能满足预定提取精度所需要的最小信号幅值，根据最小信号幅值条件对衰荡信号进行筛选。衰荡信号初始值略大于最小信号幅值条件的情况下有可能达不到预定提取精度，需要预先对衰荡信号进行空间高斯滤波平滑化。这里的最小信号幅值是对应于特定的衰荡时间常数提取方法的。具体实现步骤如下：步骤(1)、初始化本方法需要的参数，具体包括：预定数据提取精度δ，衰荡信号预采样数Npre，衰荡信号总采样数Num；确定拟采用的衰荡时间常数提取方法。预定提取精度δ表征的是测量过程中衰荡时间的提取结果与真实衰荡时间的接近程度，希望达到的δ越接近于1(但必须小于1)对系统硬件的要求也越高，影响系统的成本和测量速率，所以δ应综合考虑各种因素折衷选取。步骤(2)、预采集Npre个光腔衰荡信号，计算光腔衰荡时间常数参考值τ、系统噪声平均值μ和标准差σ，记录噪声样本noise。具体计算过程为：衰荡信号按照单指数衰减函数模型y＝Aexp(-t/τ0)+B(A、B为常数，t为自变量)使用某种衰荡时间常数提取方法得到衰荡时间，取Npre个衰荡时间的均值记为系统衰荡时间常数参考值τ。衰荡时间常数的提取可以采用数据拟合算法、积分方法或者快速傅立叶变换法等方法之一；记录预采集的系统噪声做为噪声样本noise，如果之前的提取方法采用的是数据拟合算法，还可以记录其中一个衰荡信号(一般选为第一个)的拟合残差为噪声样本noise，由noise计算噪声均值μ和噪声标准差σ。步骤(3)、根据光腔衰荡时间参考值τ以及噪声样本noise，计算在当前噪声条件下使用拟采用的提取方法达到预定的提取精度δ所需要的最小信号幅值Amin。计算的方法可以为顺序查找、折半查找等数据查找方法。计算最小信号幅值Amin的具体步骤为：步骤a.选择信号幅值的初始参考值A0，根据步骤(2)测得的衰荡时间参考值τ和噪声样本noise建立单指数衰减模型y＝A0·exp(-t/τ)+noise，对该模型使用拟采用的提取方法得到衰荡时间t1；步骤b.若t1满足1-|1-(t1/τ)|＝δ，认为提取精度恰好符合预设精度要求，查找终止，Amin＝A0；若t1满足1-|1-(t1/τ)|＞δ，认为提取精度高于预设精度要求，按照所选用的数据查找算法的算法流程减小A0；否则认为提取精度不符合要求，按照所选用的数据查找算法的算法流程增大A0；步骤c.重复步骤a和步骤b，直至满足所选用的数据查找算法的算法终止条件。此时的A0记为Amin。步骤(4)、根据最小信号幅值确定高斯滤波幅值阈值A_guass，A_guass在Amin的基础上适当的增加。高斯滤波幅值阈值A_guass设置的目的是通过对衰荡信号进行平滑处理来增加最小信号幅值条件的鲁棒性，确保测量结果符合预定的提取精度。A_guass偏大会导致较多的衰荡信号进行不必要的高斯滤波操作，影响本方法的执行速度；若偏小则可能有部分衰荡信号的提取误差较大。因此，A_guass应综合考虑提取精度和算法速度来选取。步骤(5)、筛选衰荡信号，对于腔衰荡信号初始值S0满足最小信号幅值条件但不满足高斯滤波幅值阈值(Amin<S0≤A_guass)的衰荡信号，预先进行平滑处理后保留，平滑处理方式采用空间高斯滤波；对于腔衰荡信号初始值满足高斯滤波幅值阈值(S0>A_guass)的衰荡信号直接保留。选择空间高斯滤本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在光反馈光腔衰荡技术中筛选衰荡信号的方法，其特征在于实现步骤如下：步骤(1)、初始化本方法需要的参数，包括：预定数据提取精度δ，衰荡信号预采样数Npre，衰荡信号总采样数Num，确定拟采用的衰荡时间常数提取方法；步骤(2)、预采集Npre个光腔衰荡信号，计算光腔衰荡时间常数参考值τ、系统噪声平均值μ和标准差σ，记录噪声样本noise；具体计算过程为：衰荡信号按照单指数衰减函数模型y＝Aexp(‑t/τ0)+B提取衰荡时间常数，其中A、B为常数，t为自变量，取Npre个衰荡时间的均值记为系统衰荡时间常数参考值τ，衰荡时间常数的提取可以采用数据拟合算法、积分方法或者快速傅立叶变换法等方法之一；记录的噪声样本noise可以是预先采集的系统噪声，如果衰荡时间常数的提取采用的是数据拟合算法，noise也可以确定为其中一个信号的拟合残差，由noise计算噪声均值μ和噪声标准差σ；步骤(3)、根据光腔衰荡时间参考值τ以及噪声样本noise，计算在当前噪声条件下使用拟采用的提取方法达到预定提取精度δ所需要的最小信号幅值Amin，计算的方法可以为顺序查找、折半查找等数据查找方法；步骤(4)、根据最小信号幅值Amin确定高斯滤波幅值阈值A_guass，A_guass在Amin的基础上适当地增加；步骤(5)、筛选衰荡信号，对于腔衰荡信号初始值S0满足最小信号幅值条件但不满足高斯滤波幅值阈值(Amin<S0≤A_guass)的衰荡信号，预先进行平滑处理后保留，平滑处理方式采用空间高斯滤波(或称空域高斯滤波)；对于腔衰荡信号初始值满足高斯滤波幅值阈值(S0>A_guass)的衰荡信号直接保留；步骤(6)、使用拟采用的衰荡时间常数提取方法提取衰荡时间测量值τ(n)，n为符合阈值条件的腔衰荡信号的数目，Num个腔衰荡时间测量值的平均值记为测量结果，标准差记为测量结果的误差范围。...

【技术特征摘要】
1.一种在光反馈光腔衰荡技术中筛选衰荡信号的方法，其特征在于实现步骤如下：
步骤(1)、初始化本方法需要的参数，包括：预定数据提取精度δ，衰荡信号预采样数
Npre，衰荡信号总采样数Num，确定拟采用的衰荡时间常数提取方法；
步骤(2)、预采集Npre个光腔衰荡信号，计算光腔衰荡时间常数参考值τ、系统噪声平
均值μ和标准差σ，记录噪声样本noise；具体计算过程为：衰荡信号按照单指数衰减函数模
型y＝Aexp(-t/τ0)+B提取衰荡时间常数，其中A、B为常数，t为自变量，取Npre个衰荡时间
的均值记为系统衰荡时间常数参考值τ，衰荡时间常数的提取可以采用数据拟合算法、积分
方法或者快速傅立叶变换法等方法之一；记录的噪声样本noise可以是预先采集的系统噪声，
如果衰荡时间常数的提取采用的是数据拟合算法，noise也可以确定为其中一个信号的拟合
残差，由noise计算噪声均值μ和噪声标准差σ；
步骤(3)、根据光腔衰荡时间参考值τ以及噪声样本noise，计算在当前噪声条件下使用
拟采用的提取方法达到预定提取精度δ所需要的最小信号幅值Amin，计算的方法可以为顺序
查找、折半查找等数据查找方法；
步骤(4)、根据最小信号幅值Amin确定高斯滤波幅值阈值A_guass，A_guass在Amin的
基础上适当地增加；
步骤(5)、筛选衰荡信号，对于腔衰荡信号初始值S0满足最小信号幅值条件但不满足
高斯滤波幅值阈值(Amin<S0≤A_guass)的衰荡信号，预先进行平滑处理后保留，平滑处理方
式采用空间高斯滤波(或称空域高斯滤波)；对于腔衰荡信号初始值满足高斯滤波幅值阈值
(S0>A_guass)的衰荡信号直接保留；
步骤(6)、使用拟采用的衰荡时间常数提取方法提取衰荡时间测量值τ(n)，n为符合阈
值条件的腔衰荡信号的数目，Num个腔衰荡时间测量值的平均值记为测量结果，标准差记为
测量结果的误差范围。
2.根据权利要求1所述的一种在光反馈光腔衰荡技术中筛选衰...

【专利技术属性】
技术研发人员：何星，董理治，王帅，杨平，许冰，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51