一种光谱信号峰值实时检测方法及装置

技术领域

本发明涉及光谱信号检测的技术领域，更具体地，涉及一种光谱信号峰值实时检测方法及装置。

背景技术

在WDM(Wavelength Division Multiplexing，波分复用)系统中，多波长光信号经过光滤波器解复用后，需要探测各个波长信号的功率，以进一步分析信号数据，这一步骤需要快速且准确。光电探测器检测此刻的信号功率后，需要进一步的对信号进行分析、筛选、记录，即需要一种快速处理算法来实时检测信号峰值，且该算法需要具有一定的鲁棒性、普适性，可用于检测功率差距大、周期不定的信号。

现有技术公开了一种气体现场监测特征吸收峰提取方法，获取原始光谱数组，采用滑动平均方法创建平滑光谱数组；创建一阶微分光谱数组和二阶微分光谱数组；最小二乘法对特征峰左右两端窗口内的数据离散点进行拟合，得到左右两侧拟合直线的斜率以及截距；多次递归插值计算吸收特征峰范围内的光谱背景数组，平滑光谱数组中存储光谱强度值的向量与计算所得光谱背景数组中存储背景光谱值的向量相减，得扣除背景后的光谱数组用于新一轮平滑光谱数组的创建。但是在该方案适用于精细度较高的吸收光谱的气体吸收峰监测，对于功率峰值差过大的信号检测效果并不理想。

发明内容

为解决当前多波长光信号的峰值功率的实时检测中，对于信号峰值差过大的信号的检测效果不佳、检测速度慢的问题，本发明提出一种光谱信号峰值实时检测方法及装置，可精准识别周期内的有效光谱信号峰值，快速分析、识别、处理峰值信号，有效提高识别精度。

为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：

一种光谱信号峰值实时检测方法，包括：

S1.搭建光谱信号峰值实时检测装置，所述光谱信号实时检测装置包括光滤波器、光滤波驱动器、探测器和主控制器；

S2.利用光滤波驱动器向光滤波器提供驱动电压，主控制器控制光滤波器滤出光谱信号，探测器将滤出的光谱信号转换为离散的光谱信号数据并输入至主控制器，所述光谱信号数据为电压信号；

S3.根据主控制器获得的实时光谱信号数据，分别构建波形上升检测窗口、峰值检测更新窗口、波形下降检测窗口；

S4.启动波形上升检测窗口，利用波形上升检测窗口判断当前光谱信号数据的波形是否处于上升趋势，若是，进入步骤S5，否则，波形上升检测窗口向右滑动，重新判断当前光谱信号数据的波形是否处于上升趋势；

S5.启动峰值检测更新窗口，利用峰值检测更新窗口获取并更新光谱信号数据的局部最大值；启用波形下降检测窗口判断当前光谱信号数据的波形是否满足波形峰值检测结束条件，若是，进入步骤S6，否则，峰值检测更新窗口与波形下降检测窗口向右滑动，继续更新局部最大值并判断光谱信号数据的波形是否满足波形峰值检测结束条件；

S6.将当前局部最大值记为此次波形检测峰值，结束本轮峰值检测。

本技术方案将光谱信号转换为离散的电压信号，通过设置波形上升检测窗口、峰值检测更新窗口、波形下降检测窗口识别电压信号的波形和峰值，适用于多种周期或准周期光谱信号的峰值检测，实时性强且步骤简单。

优选地，在步骤S4中，利用波形上升检测窗口判断当前光谱信号数据的波形是否处于上升趋势，具体步骤如下：

S41.设置上升检测标记阈值和上升检测窗口时间，初始化上升标记数量；

S42.利用波形上升检测窗口比较上一时刻的光谱信号数据与当前光谱信号数据，若上一时刻的光谱信号数据大于或等于当前光谱信号数据，上升标记数量不变，若上一时刻的光谱信号数据小于当前光谱信号数据，令上升标记数量加1；

S43.判断当前上升标记数量是否达到上升检测标记阈值，若是，关闭波形上升检测窗口并进入步骤S5，否则，进入步骤S44；

S44.进入下一时刻，判断当前采集时间是否超出上升检测窗口时间，若是，重置上升标记数量，返回步骤S42，否则，直接返回S42。

在此，通过设置波形上升检测窗口识别光谱信号数据的上升波形

优选地，在步骤S5中，具体步骤如下：

S51.设置下降检测标记阈值和下降检测窗口边界，初始化下降标记数量；

S52.启动峰值检测更新窗口，将峰值检测更新窗口第一时刻的数据作为局部最大值；

S53.利用峰值检测更新窗口比较下一时刻的光谱信号数据与局部最大值，若当前光谱信号数据小于局部最大值，进入步骤S54，否则，进入步骤S56；

S54.启动波形下降检测窗口，利用波形下降检测窗口比较当前光谱信号数据与局部最大值，若当前光谱信号数据小于局部最大值，令下降标记数量加1；

S55.判断当前下降标记数量是否达到下降检测标记阈值，若是，进入步骤S57，否则，返回步骤S53；

S56.将局部最大值替换为当前光谱信号数据，重置下降标记数量与波形下降检测窗口，进入步骤S57；

S57.判断下一时刻的光谱信号数据是否超出下降检测窗口边界，若是，将当前局部最大值记为此次波形检测峰值，结束本轮峰值检测，否则，返回步骤S53。

在此，通过设置峰值检测更新窗口获取光谱信号数据的峰值，通过设置波形下降检测窗口识别光谱信号数据的下降波形。

优选地，所述波形下降检测窗口的关闭条件为下降标记数量达到下降检测标记阈值或在新一轮峰值检测中开启波形上升检测窗口，波形上升检测窗口与波形下降检测窗口同一时刻最多开启其中一个。

本发明还提出一种光谱信号实时检测装置，包括光滤波器、光滤波驱动器、探测器和主控制器；所述光滤波器的信号输出端连接探测器的信号输入端，所述探测器的信号输出端连接主控制器的电压采集输入端，所述主控制器的电压输出端连接光滤波驱动器的电压输入端，所述光滤波驱动器的电压输出端连接光滤波器的电压驱动输入端。

在此，利用光滤波驱动器产生的驱动电压驱动光滤波器，并控制光滤波器的电压细分值，使光信道数在理想范围内，探测器能够以较高频率对光信号进行采样检测。

优选地，所述主控制器为带有数据处理能力的单片机。

优选地，所述光滤波器为法布里-珀罗可调谐滤波器。

优选地，所述主控制器控制光滤波驱动器向光滤波器提供驱动电压，其中，设置驱动电压的输出周期，所述光滤波器在该输出周期内滤出完整的光谱信号波形数据。

优选地，所述光滤波驱动器输出的驱动电压的细分值根据波形上升检测窗口的开关状态进行调整，避免上升标记数量增加的间隔时间过长。

优选地，所述光滤波器将目标波长的光谱信号滤出，探测器将滤出的光谱信号转换为电压信号，其中，所述探测器每获取一次光谱信号，控制器将获取的光谱信号与当前局部最大值进行比较，再由主控制器控制光滤波驱动器向光滤波器提供新的驱动电压。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明提出一种光谱信号峰值实时检测方法及装置，通过搭建包括光滤波器、光滤波驱动器、探测器和主控制器的光谱信号峰值实时检测装置采集光谱信号并转换为离散的光谱信号数据，利用波形上升检测窗口、峰值检测更新窗口、波形下降检测窗口识别光谱信号数据的波形和峰值，适用于多种周期或准周期光谱信号的峰值检测，实时性强且步骤简单。

附图说明

图1表示本发明实施例1中提出的光谱信号峰值实时检测方法流程示意图；

图2表示本发明实施例3中提出的光谱信号峰值实时检测装置示意图；

图3表示本发明实施例3中的驱动电压输出周期示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好地说明本实施例，附图某些部位会有省略、放大或缩小，并不代表实际尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知内容说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

附图中描述位置关系的仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

实施例1

如图1所示，本实施例提出一种光谱信号峰值实时检测方法，包括以下步骤：

S1.搭建光谱信号峰值实时检测装置，所述光谱信号实时检测装置包括光滤波器、光滤波驱动器、探测器和主控制器；

S2.利用光滤波驱动器向光滤波器提供驱动电压，主控制器控制光滤波器滤出光谱信号，探测器将滤出的光谱信号转换为离散的光谱信号数据并输入至主控制器，所述光谱信号数据为电压信号；

S3.根据主控制器获得的实时光谱信号数据，分别构建波形上升检测窗口、峰值检测更新窗口、波形下降检测窗口；

S4.启动波形上升检测窗口，利用波形上升检测窗口判断当前光谱信号数据的波形是否处于上升趋势，若是，进入步骤S5，否则，波形上升检测窗口向右滑动，重新判断当前光谱信号数据的波形是否处于上升趋势；

S5.启动峰值检测更新窗口，利用峰值检测更新窗口获取并更新光谱信号数据的局部最大值；启用波形下降检测窗口判断当前光谱信号数据的波形是否满足波形峰值检测结束条件，若是，进入步骤S6，否则，峰值检测更新窗口与波形下降检测窗口向右滑动，继续更新局部最大值并判断光谱信号数据的波形是否满足波形峰值检测结束条件；

S6.将当前局部最大值记为此次波形检测峰值，结束本轮峰值检测。

实施例2

在本实施例中，基于实施例1，在步骤S4中，启动波形上升检测窗口，利用波形上升检测窗口判断当前光谱信号数据的波形是否处于上升趋势，包括以下步骤：

S41.设置上升检测标记阈值和上升检测窗口时间，初始化上升标记数量；在本实施例中，设上升检测标记阈值为100，上升检测窗口时间为150，即在150次采集时间内有100次光谱信号数据呈上升状态则认定波形大致呈上升状态；

S42.利用波形上升检测窗口比较上一时刻的光谱信号数据与当前光谱信号数据，若上一时刻的光谱信号数据大于或等于当前光谱信号数据，上升标记数量不变，若上一时刻的光谱信号数据小于当前光谱信号数据，令上升标记数量加1；

S43.判断当前上升标记数量是否达到上升检测标记阈值，若是，关闭波形上升检测窗口并进入步骤S5，否则，进入步骤S44；

S44.进入下一时刻，判断当前采集时间是否超出上升检测窗口时间，若是，重置上升标记数量，返回步骤S42，否则，直接返回S42。

在步骤S5中，启动峰值检测更新窗口，利用峰值检测更新窗口获取并更新光谱信号数据的局部最大值；启用波形下降检测窗口判断当前光谱信号数据的波形是否满足波形峰值检测结束条件，包括以下步骤：

S51.设置下降检测标记阈值和下降检测窗口边界，初始化下降标记数量；在本实施例中，设下降检测标记阈值为100，下降检测窗口边界为100；

S52.启动峰值检测更新窗口，将峰值检测更新窗口第一时刻的数据作为局部最大值；

S53.利用峰值检测更新窗口比较下一时刻的光谱信号数据与局部最大值，若当前光谱信号数据小于局部最大值，进入步骤S54，否则，进入步骤S56；

S54.启动波形下降检测窗口，利用波形下降检测窗口比较当前光谱信号数据与局部最大值，若当前光谱信号数据小于局部最大值，令下降标记数量加1；

S55.判断当前下降标记数量是否达到下降检测标记阈值，若是，进入步骤S57，否则，返回步骤S53；

S56.将局部最大值替换为当前光谱信号数据，重置下降标记数量与波形下降检测窗口，进入步骤S57；

S57.判断下一时刻的光谱信号数据是否超出下降检测窗口边界，若是，将当前局部最大值记为此次波形检测峰值，结束本轮峰值检测，否则，返回步骤S53。

实施例3

本实施例提出一种光谱信号峰值实时检测装置，参见图2，包括：光滤波器、光滤波驱动器、探测器和主控制器。

所述光滤波器的信号输出端连接探测器的信号输入端，所述探测器的信号输出端连接主控制器的电压采集输入端，所述主控制器的电压输出端连接光滤波驱动器的电压输入端，所述光滤波驱动器的电压输出端连接光滤波器的电压驱动输入端。

在本实施例中，所述主控制器为带有数据处理能力的单片机，所述光滤波器为法布里-珀罗可调谐滤波器，所述探测器为任一种普通低噪声连续光探测器。

在实际操作过程中，主控制器控制光滤波驱动器向光滤波器提供驱动电压，其中，设置驱动电压的输出周期，在本实施例中，将0-30V设置为一个输出周期，如图3所示，电压从0增加到30V，再从30V降低到0V，电压变化过程中，不同电压值对应滤出的光谱信号波长不同，电压增加或降低也会导致滤出的波长不同；只要该峰值信号波长在光滤波器的波长滤出范围内，所述光滤波器能够在该输出周期内滤出完整的光谱信号波形数据。

进一步，光滤波驱动器输出的驱动电压的细分值根据波形上升检测窗口的开关状态进行调整。在本实施例中，利用驱动电压驱动光滤波器时，可将当前电压驱动增量设置为1mV，下次电压上升触发波形上升检测窗口后再调回1uV。

光滤波器将目标波长的光谱信号滤出，探测器将滤出的光谱信号转换为电压信号，其中，所述探测器每获取一次光谱信号，控制器将获取的光谱信号与当前局部最大值进行比较，再由主控制器控制光滤波驱动器向光滤波器提供新的驱动电压，峰值根据探测而实时更新，等到本次电压驱动输出周期完毕，本次探测到的所有峰值信号也全部获取到。

显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。