一种布里渊光谱仪测量光谱信号基底的移除方法与装置与流程

本发明属于光谱分析领域，具体涉及一种布里渊光谱仪测量光谱信号基底的移除方法与装置。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

针对光谱分辨率不足的现状，基于光纤受激布里渊效应的超高光谱分析技术是一种很有前途的技术路线。布里渊光谱仪采用选频放大滤波的方式，实现了待测光纤信号的光谱分光。可见，布里渊光谱仪测量得到的分光信号中，除了有效光谱外，还存在诸如待测光纤信号未放大带外组分、自发布里渊散射、自发辐射噪声等杂散信号基底。现有的利用受激布里渊效应偏振跟随特性移除测量光谱基底等方法，由于待测光纤信号未放大带外组分、自发布里渊散射、自发辐射噪声等杂散信号基底的偏振态分布的随机，无法实现高光学抑制的有效光谱成分提取，从而限制了布里渊光谱仪的可用动态范围，并影响了光谱分辨率、信噪比等指标。

光谱分析是诸如通信、传感、分子光谱仪、微波生成等光学应用中的关键诊断工具，例如使用光学方法对光纤通信系统中传输的超高速率信号进行光谱参数测量，可以得到传输信号的信号质量、osnr、比特误码率等信息，是诊断和监视传输信号的一种有效手段。

目前，常用的是基于光栅衍射的光谱分析仪，它具有宽光谱范围和高扫描速度等优点，通常其最好的仪器分辨率被限制在2ghz。需要更高分辨率时，通常采用基于均差或外差技术的光谱分析仪。均差技术需要一个频率很接近待测源的本地振荡器，通常难以实现，特别是对于超高分辨率(<10mhz)。外差技术可克服这一缺陷，但其缺点也很明显，它需要诸如声光调制器和rf或微波源等昂贵光学元件驱动；需要很长的光纤，例如5khz分辨率需要40km光纤，此时光纤的损耗和非线性效应不能忽略，实际应用时难以实现很高的分辨能力。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种布里渊光谱仪测量光谱信号基底的移除方法与装置。本发明基于s-g滤波和自相关算法的布里渊光谱仪测量光谱信号的基底移除方法，实现精密分光信号的精确提取。

根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

第一个方面，本发明提供了一种布里渊光谱仪测量光谱信号基底的移除方法。

一种布里渊光谱仪测量光谱信号基底的移除方法，包括：

获取测量光谱信号，采用s-g算法对测量光谱信号进行滤波处理，得到第一滤波光谱信号；

基于k阶自相关算法对第一滤波光谱信号处理的k阶次结果，通过s-g算法得到第二滤波光谱信号；

从第二滤波光谱信号中选取一段不包含有效光谱信息的光谱带外的光谱数据，并采用最小二乘拟合算法进行线性拟合，得到拟合光谱信号，然后得到基于拟合光谱信号的基线值；

若基线值达到布里渊光谱仪的系统噪声水平，则此时对应的自相关阶次k为最优自相关次数，基于最优自相关次数和第一滤波光谱信号，得到有效光谱成分。

进一步的，所述获取测量光谱信号之后，包括将dbm坐标系的测量光谱信号转换为mw坐标系的测量光谱信号。

进一步的，所述得到有效光谱成分之后，包括：将mw坐标系的有效光谱成分转换为dbm坐标系的有效光谱成分。

进一步的，所述采用s-g算法对测量光谱信号进行滤波处理的过程，通过测量光谱信号与s-g算法多项式系数做卷积实现。

进一步的，根据权利要求1所述的布里渊光谱仪测量光谱信号基底的移除方法，其特征在于，所述k阶自相关算法对第一滤波光谱信号处理的k阶次结果的过程包括：第一滤波光谱信号的k阶自相关，通过每个采样点进行k次方处理实现，得到自相关处理的光谱信号。

进一步的，所述基于最优自相关次数和第一滤波光谱信号，得到有效光谱成分的表达式为：

spa(n)＝(spf(n))^k(1)

式中，spa(n)为经自相关得到的有效光谱成分；spf(n)为经s-g算法滤波光谱信号的第n个点；k为自相关阶次，对于同一测试条件下，k为唯一确定值。

进一步的，所述基线值获得的过程为：

vbase＝average(spapy)(2)

式中，spapy为拟合光谱信号，average表示平均处理。

第二个方面，本发明提供了一种布里渊光谱仪测量光谱信号基底的移除装置。

一种布里渊光谱仪测量光谱信号基底的移除装置，包括：

第一滤波光谱信号获取模块，其被配置为：获取测量光谱信号，采用s-g算法对测量光谱信号进行滤波处理，得到第一滤波光谱信号；

第二滤波光谱信号获取模块，其被配置为：基于k阶自相关算法对第一滤波光谱信号处理的k阶次结果，通过s-g算法得到第二滤波光谱信号；

基线值获取模块，其被配置为：从第二滤波光谱信号中选取一段不包含有效光谱信息的光谱带外的光谱数据，并采用最小二乘拟合算法进行线性拟合，得到拟合光谱信号，然后得到基于拟合光谱信号的基线值；

有效光谱成分获取模块，其被配置为：若基线值达到布里渊光谱仪的系统噪声水平，则此时对应的自相关阶次k为最优自相关次数，基于最优自相关次数和第一滤波光谱信号，得到有效光谱成分。

第三个方面，本发明提供了一种布里渊光谱仪测量光谱信号基底的移除装置。

一种布里渊光谱仪测量光谱信号基底的移除装置，包括：光谱成分测量单元、与光谱成分测量单元连接的有效光谱成分获取单元，所述光谱成分测量单元用于获取待测信号对应频率范围的光谱成分，所述有效光谱成分获取单元用于通过执行上述第一个方面所述的布里渊光谱仪测量光谱信号基底的移除方法，获取待测信号对应频率范围的有效光谱成分。

进一步的，所述光谱成分测量单元包括光学环行器、可调谐激光光源、单模光纤链路和探测器，待测信号光与经光学环行器的可调谐激光光源输出的泵浦光，在单模光纤链路中产生受激布里渊效应，产生的选频放大光谱信号经光学环行器被探测器接收，通过连续改变可调谐激光光源输出的泵浦光的波长，获取待测信号对应频率范围的光谱成分。

以上一个或多个技术方案与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明提出了采用一种基于s-g滤波和自相关算法的布里渊光谱仪测量光谱信号的基底移除方法，利用待测光纤信号未放大带外组分、自发布里渊散射、自发辐射噪声等构成的杂散信号基底则分布在整个测量光谱带，而有效光谱成分仅分布在测量光谱带内，通过自相关实现了测量光谱信号基底的压缩，从而得到了移除测量光谱信号基底的目的，并结合功率校准，消除了自相关处理过程引入的光谱失真，从而实现了高光学抑制比的有效光谱成分提取，解决了现有方法不能有效移除测量光谱信号基底的困境；

2、得益于本发明采用的布里渊光谱仪测量光谱信号的基底移除技术，布里渊光谱仪可实现优于80db动态范围的光谱测量；

3、本发明提出的布里渊光谱仪测量光谱信号的基底移除技术，可实现大于40db的高光学抑制比的有效光谱成分提取。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明的布里渊光谱仪测量光谱信号基底的移除方法的流程图；

图2是本发明的光谱成分测量单元的原理图；

其中，1为待测信号光，2为单模保偏光纤链路；3为光学环行器，4为可调谐激光光源，5为受激布里渊增益谱，6为探测器。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

针对光谱分辨率不足的现状，基于光纤受激布里渊效应的超高光谱分析技术是一种很有前途的技术路线。基本原理是，受激布里渊散射允许选择待测光学信号的特定光谱成分放大以进行分析，即待测信号与特性波长的窄带泵浦信号按相向传播方向注入光纤，当泵浦信号强度足够大，并且满足所需的空间相干性时，会在光纤中发生受激布里渊效应，产生一个与泵浦信号传播方向相反的后向散射信号，该信号频率等于泵浦信号频率加上与泵浦信号频率相关的布里渊频移。后向散射信号强度由泵浦信号和待测信号强度决定，同时也与相互作用的光纤类型、长度、偏振特性等因素有关，因此通过泵浦信号的波长推扫，就可实现对待测信号对应频率范围的光谱成分测量。

而上述过程获得的待测信号对应频率范围的光谱成分不仅包含有效光谱，还存在诸如待测光纤信号未放大带外组分、自发布里渊散射、自发辐射噪声等杂散信号基底。因此，如何从布里渊光谱仪测量得到的分光信号中精确提取有效光谱成分，并移除测量光谱信号基底，是实现高精度、大动态范围光谱测量的关键之一。

为了解决上述问题，本发明采用了以下几种实施方案。

实施例一

本实施例提供了一种布里渊光谱仪测量光谱信号基底的移除方法。

如图1所示，一种布里渊光谱仪测量光谱信号基底的移除方法，包括：

s101：获取测量光谱信号，采用s-g算法对测量光谱信号进行滤波处理，得到第一滤波光谱信号；

s102：基于k阶自相关算法对第一滤波光谱信号处理的k阶次结果，通过s-g算法得到第二滤波光谱信号；

s103：从第二滤波光谱信号中选取一段不包含有效光谱信息的光谱带外的光谱数据，并采用最小二乘拟合算法进行线性拟合，得到拟合光谱信号，然后得到基于拟合光谱信号的基线值；

s104：若基线值达到布里渊光谱仪的系统噪声水平，则此时对应的自相关阶次k为最优自相关次数，基于最优自相关次数和第一滤波光谱信号，得到有效光谱成分。

具体的，移除方法通过如下过程实现：

步骤1：首先将获取的dbm坐标系的布里渊光谱仪测量光谱信号转换到mw坐标系，并采用s-g算法对测量光谱信号spm进行滤波，滤波处理通过测量光谱信号spm与s-g算法多项式系数做卷积实现，以消除噪声及异常信号等的影响；

式中，spf(n)为经s-g算法滤波光谱信号的第n个点，spm(n+m)为布里渊光谱仪测量光谱信号中的第n+m个点，b(m)为s-g算法滤波系数，定义n＝2m+1为滤波窗宽，对于pm分辨率的布里渊光谱仪，一般取值为4～32，具体根据光谱分辨率和待测信号信噪比等确定。

步骤2：经s-g算法滤波的得到的滤波光谱信号spf，进行k(k＝1,2,…)阶自相关处理，滤波光谱信号spf的k阶自相关，通过每个采样点进行k次方处理实现，得到自相关处理的光谱信号spa。自相关的阶次k通过步骤3～4确定合适值，此时的自相关处理结果即为提取得到的有效光谱成分；

spa(n)＝(spf(n))^k(2)

式中，spa(n)为经自相关得到的光谱信号；n为光谱信号采样点序号，k为自相关阶次，对于同一测试条件下，k为唯一确定值。

步骤3：对于自相关处理结果spa，先采用s-g算法进行滤波，得到滤波光谱spaf，然后选取一段不包含有效光谱信息的光谱带外的光谱数据，并采用最小二乘拟合算法进行线性拟合，得到拟合光谱信号spapy，计算这一段拟合光谱信号的平均值，作为基线值vbase；

spapy(r)＝a×spaf(r)+d(3)

vbase＝average(spapy)(4)

式中，a、d为线性拟合系数，r为光谱信号采样点序号，average表示平均处理。

步骤4：考虑到有效光谱成分仅分布在光谱带内，而待测光纤信号未放大带外组分、自发布里渊散射、自发辐射噪声等杂散信号构成的测量光谱信号基底，则分布在整个测量光谱带上，如果步骤3得到的基线值vbase达到布里渊光谱仪的系统噪声水平bnoise，则此时对应的自相关阶次k为最优自相关次数，将此值代入步骤2，并对步骤1得到的滤波光谱信号进行k阶次自相关处理，自相关结果spa即为提取得到的有效光谱成分。否则重复上述步骤2～3，已找到合适的自相关处理的阶次k值。

步骤5：对于提取得到的有效光谱成分进行功率校准，然后转换到dbm坐标系下，从而实现了布里渊光谱仪测量光谱信号基底移除，得到了高光学抑制比的有效光谱成分。

实施例二

本实施例提供了一种布里渊光谱仪测量光谱信号基底的移除装置。

一种布里渊光谱仪测量光谱信号基底的移除装置，包括：

第一滤波光谱信号获取模块，其被配置为：获取测量光谱信号，采用s-g算法对测量光谱信号进行滤波处理，得到第一滤波光谱信号；

第二滤波光谱信号获取模块，其被配置为：基于k阶自相关算法对第一滤波光谱信号处理的k阶次结果，通过s-g算法得到第二滤波光谱信号；

基线值获取模块，其被配置为：从第二滤波光谱信号中选取一段不包含有效光谱信息的光谱带外的光谱数据，并采用最小二乘拟合算法进行线性拟合，得到拟合光谱信号，然后得到基于拟合光谱信号的基线值；

有效光谱成分获取模块，其被配置为：若基线值达到布里渊光谱仪的系统噪声水平，则此时对应的自相关阶次k为最优自相关次数，基于最优自相关次数和第一滤波光谱信号，得到有效光谱成分。

此处需要说明的是，上述第一滤波光谱信号获取模块、第二滤波光谱信号获取模块、基线值获取模块和有效光谱成分获取模块对应于实施例一中的步骤s101至s104，上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例一所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。

实施例三

本实施例提供了一种布里渊光谱仪测量光谱信号基底的移除装置。

一种布里渊光谱仪测量光谱信号基底的移除装置，包括：光谱成分测量单元、与光谱成分测量单元连接的有效光谱成分获取单元，所述光谱成分测量单元用于获取待测信号对应频率范围的光谱成分，所述有效光谱成分获取单元用于通过执行上述实施例一所述的布里渊光谱仪测量光谱信号基底的移除方法，获取待测信号对应频率范围的有效光谱成分。

其中，光谱成分测量单元如图2所示。光谱成分测量单元包括：光学环行器、可调谐激光光源、单模光纤链路和探测器。待测信号光1与经光学环行器3的可调谐激光光源4输出的泵浦光，在单模光纤链路2中产生受激布里渊效应，产生的选频放大光谱信号经光学环行器3被探测器6接收，通过连续改变可调谐激光光源4输出的泵浦光的波长，便可实现待测信号光1的光谱分析。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。