基于时间序列的超辐射发光二极管可靠性建模方法及系统

技术领域

本发明属于可靠性建模领域，更具体地，涉及一种基于时间序列的超辐射发光二极管可靠性建模方法及系统。

背景技术

超辐射发光二极管是一种光学性能介于激光器和发光二极管之间的半导体电子元器件，由于其有着优秀的光学特性，作为光源在许多重要的电子器件中有着广泛的应用，如干涉式光纤陀螺仪(Interference Fiber Optical Gyro，IFOG)、光学相干层析技术(Optical Coherence tomography，OTC)、低相干光时域反射仪(Optical Time DomainReflectometer，OTDR)、波分复用系统(Wavelength Division Multiplexing，WDM)、光纤传感器(Fiber Optic Sensor，FOS)等。因此对于超辐射发光二极管的可靠性研究是很有必要的，如何对超辐射发光二极管工作时关于时间变化的可靠性进行分析是目前亟需解决的技术难题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种基于时间序列的超辐射发光二极管可靠性建模方法及系统，主要是解决现有可靠性评估中缺少从时间方面对超辐射发光二极管的可靠性建模问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于时间序列的超辐射发光二极管可靠性建模方法，包括：

S1：考察超辐射发光二极管性能退化数据在时间上的发展规律建立超辐射发光二极管性能退化量拟合模型；

S2：确定超辐射发光二极管性能退化量拟合模型的最优口径参数，通过确定的最优口径参数对超辐射发光二极管性能退化数据进行拟合，并对超辐射发光二极管性能退化量拟合模型进行优化；

S3：使用优化后的超辐射发光二极管性能退化量拟合模型预测各样本后续走势，计算超辐射发光二极管伪失效寿命；

S4：建立超辐射发光二极管可靠性模型，由超辐射发光二极管伪失效寿命计算相关可靠性指标并对超辐射发光二极管可靠性进行评估。

在一些可选的实施方案中，步骤S1包括：

S1.1：对m个超辐射发光二极管样本进行性能退化试验，每间隔Δt时间测量各超辐射发光二极管样本的性能退化量，得到各测量时间对应的各超辐射发光二极管样本的性能退化数据；

S1.2：观察各超辐射发光二极管样本的性能退化量在时间方面的发展规律建立超辐射发光二极管性能退化量拟合模型。

在一些可选的实施方案中，所述超辐射发光二极管性能退化量拟合模型为：L

在一些可选的实施方案中，步骤S2包括：

S2.1：设定多组口径参数水平权重α和趋势权重γ，比对每组口径参数对应的平均绝对百分比误差MAPE、平均绝对误差MAD和平均偏差平方和MSD选取最优口径参数，其中，数值越小说明选取的口径参数越贴合，并将平均偏差平方和MSD作为最优考虑参数；

S2.2：通过确定的最优口径参数建立超辐射发光二极管性能退化量拟合模型，分别对每个样本的每个时间所对应的性能退化量进行拟合，观察拟合值对实际值的拟合效果，并通过调整口径参数对拟合值进行优化。

在一些可选的实施方案中，步骤S3包括：

S3.1：使用优化后的超辐射发光二极管性能退化量拟合模型预测各样本后续走势，然后确定超辐射发光二极管的失效阈值，其中，失效阈值为：

S3.2：确定失效阈值D之后，将失效阈值带入

在一些可选的实施方案中，步骤S4包括：

S4.1：选取正态分布为超辐射发光二极管可靠性模型，其中，超辐射发光二极管可靠性模型中的均值μ表示超辐射发光二极管伪失效寿命的均值，标准差σ表示超发光二极管伪失效寿命的离散程度，利用最大似然估计推导出正态分布的参数μ和σ；

S4.2：计算可靠性指标可靠度函数R(t)和超辐射发光二极管在进行可靠性建模后求取的工作寿命μ′，其中，可靠度函数R(t)为：

S4.3：根据可靠度函数和相关性能指标对超辐射发光二极管可靠性模型进行评估，结合超辐射发光二极管的失效机理对性能退化进行分析。

按照本发明的另一方面，提供了一种基于时间序列的超辐射发光二极管可靠性建模系统，包括：

拟合模型构建模块，用于考察超辐射发光二极管性能退化数据在时间上的发展规律建立超辐射发光二极管性能退化量拟合模型；

拟合模型优化模块，用于确定超辐射发光二极管性能退化量拟合模型的最优口径参数，通过确定的最优口径参数对超辐射发光二极管性能退化数据进行拟合，并对超辐射发光二极管性能退化量拟合模型进行优化；

伪失效寿命计算模块，用于使用优化后的超辐射发光二极管性能退化量拟合模型预测各样本后续走势，计算超辐射发光二极管伪失效寿命；

可靠性评估模块，用于建立超辐射发光二极管可靠性模型，由超辐射发光二极管伪失效寿命计算相关可靠性指标并对超辐射发光二极管可靠性进行评估。

按照本发明的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明采用时间序列为超辐射发光二极管性能退化拟合模型，更加直观，能够较好的预测后续走势，对可靠性评估具有极高的应用价值。

(2)对超辐射发光二极管的性能退化按照时间序列进行排序，用MATLAB作图后观察更加直观。

(3)通过对观察的性能退化数据序列特征的考察，选取符合特征的时间序列进行拟合，并能够对多个参数口径进行对比，通过误差参数选取合适的模型口径，并优化。

(4)本发明建模简单易于实现，能够观察后续走势，易于求取超辐射发光二极管的伪失效寿命，完成后续的可靠性评估工作。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于时间序列的超辐射发光二极管可靠性建模方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的一种样品退化量拟合图；

图3是本发明实施例提供的一种基于时间序列的超辐射发光二极管可靠性建模方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示是本发明实施例提供的一种基于时间序列的超辐射发光二极管可靠性建模方法的流程示意图，包括以下步骤：

S1：考察超辐射发光二极管性能退化数据在时间上的发展规律建立超辐射发光二极管性能退化量拟合模型；

在本发明实施例中，步骤S1可以通过以下方式实现：

S1.1：对m个超辐射发光二极管样本进行性能退化试验，每间隔Δt时间测量各超辐射发光二极管样本的性能退化量，得到t

表1性能退化数据记录表

其中，退化量可以为超辐射发光二极管输出的光功率，单位μW。

S1.2：观察各超辐射发光二极管样本的性能退化量在时间方面的发展规律建立超辐射发光二极管性能退化量拟合模型。

其中，可以根据超辐射发光二极管的光功率退化量的下降趋势和季节效应，来构建超辐射发光二极管性能退化量拟合模型，该模型方程如下：

L

T

其中，L

S2：确定超辐射发光二极管性能退化量拟合模型的最优口径参数，通过确定的最优口径参数对超辐射发光二极管性能退化数据进行拟合，并对超辐射发光二极管性能退化量拟合模型进行优化；

在本发明实施例中，步骤S2可以通过以下方式实现：

S2.1：设定多组口径参数，比对每组口径参数对应的平均绝对百分比误差MAPE、平均绝对误差MAD和平均偏差平方和MSD选取最优口径参数，其中，数值越小说明选取的口径参数越贴合，其中，平均偏差平方和MSD在三个值中是最重要的；

其中，口径参数包括水平权重α和趋势权重γ；

其中，y

S2.2：通过确定的最优口径参数建立超辐射发光二极管性能退化量拟合模型，分别对每个样本的每个时间所对应的性能退化量进行拟合，观察拟合值对实际值的拟合效果，画出性能退化拟合图，并通过调整口径参数对拟合值进行优化。

其中，退化量拟合图为各个样本在每个时间段的拟合值与实际值的对比，并对后续走势进行预测的图，如图2所示。

S3：使用优化后的超辐射发光二极管性能退化量拟合模型预测各样本后续走势，计算超辐射发光二极管伪失效寿命；

在本发明实施例中，步骤S3可以通过以下方式实现：

S3.1：使用优化后的超辐射发光二极管性能退化量拟合模型预测各样本后续走势，然后确定超辐射发光二极管的失效阈值，其中，失效阈值为：

S3.2：结合优化后的超辐射发光二极管性能退化量拟合模型和失效阈值对超辐射发光二极管伪失效寿命进行计算。

其中，确定失效阈值D之后，将失效阈值带入

S4：建立超辐射发光二极管可靠性模型，由超辐射发光二极管伪失效寿命计算相关可靠性指标并对超辐射发光二极管可靠性进行评估。

在本发明实施例中，步骤S4可以通过以下方式实现：

S4.1：选取正态分布为超辐射发光二极管可靠性模型；

其中，超辐射发光二极管可靠性模型关于时间t的概率密度模f(t)为：

分布函数为：

其中，参数μ表示超辐射发光二极管伪失效寿命的均值，σ表示超发光二极管伪失效寿命的离散程度，利用最大似然估计可以推导出正态分布的参数μ和σ。

其中，x

S4.2：计算可靠性指标可靠度函数R(t)和超辐射发光二极管在进行可靠性建模后求取的工作寿命μ′等；

其中，可靠度函数R(t)为：

S4.3：根据可靠度函数和相关性能指标对超辐射发光二极管可靠性模型进行评估，结合超辐射发光二极管的失效机理对性能退化进行分析，提出意见。

其中，步骤S1至步骤S3可在Minitab中完成，步骤S3和步骤S4可在MATLAB中完成。

如图3所示，本发明基于时间序列的超辐射发光二极管可靠性建模方法，包括以下步骤：数据收集与预处理、根据数据退化轨迹假定模型的大类型、鉴定可试用模型、估计试验参数、对模型进行检验、使用模型产生预测值、选取可靠性模型、对模型进行评估。

开始后，收集时间间隔为100小时的超辐射发光二极管光功率退化数据，并进行整理记录成如下表2。

表2性能退化数据记录表

其中，n为20，m为8。

通过绘图并结合超辐射发光二极管性能退化趋势，确定性能退化量拟合模型。

并对其中的参数口径进行赋值，分别取α＝0.6，γ＝0.3；α＝0.8，γ＝0.3；α＝0.8，γ＝0.1。

分别计算不同参数口径下的平均绝对百分比误差MAPE、平均绝对误差MAD和平均偏差平方和MSD等检验参数，并对设定的口径进行对比，选取最优口径参数。

结合式(3)和失效阈值计算出超辐射发光二极管伪失效寿命，选择正太分布为可靠性模型，计算参数μ和σ，得到可靠性函数。

使用MATLAB制作超辐射发光二极管可靠性退化曲线，并计算相应可靠性性能指标，完成超辐射发光二极管可靠性建模与评估工作。

本发明具有较高的可信度和准确性的特点，适合对具有时间属性的性能变化的器件可靠性评估。

本发明还提供了一种基于时间序列的超辐射发光二极管可靠性建模系统，包括：

拟合模型构建模块，用于考察超辐射发光二极管性能退化数据在时间上的发展规律建立超辐射发光二极管性能退化量拟合模型；

拟合模型优化模块，用于确定超辐射发光二极管性能退化量拟合模型的最优口径参数，通过确定的最优口径参数对超辐射发光二极管性能退化数据进行拟合，并对超辐射发光二极管性能退化量拟合模型进行优化；

伪失效寿命计算模块，用于使用优化后的超辐射发光二极管性能退化量拟合模型预测各样本后续走势，计算超辐射发光二极管伪失效寿命；

可靠性评估模块，用于建立超辐射发光二极管可靠性模型，由超辐射发光二极管伪失效寿命计算相关可靠性指标并对超辐射发光二极管可靠性进行评估。

其中，各模块的具体实施方式可以参考上述方法实施例的描述，本发明实施例将不再复述。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。