基于原子饱和吸收光谱的自动识别与激光波长锁频方法

本发明涉及自动控制领域，具体涉及基于原子饱和吸收光谱的自动识别与激光波长锁频方法。该方法能自动实现原子饱和吸收谱线的识别，并能将激光频率自动锁定在原子饱和吸收谱线的谱峰处，并且能对锁频结果进行监测，自动弥补环境因素对激光器带来的输出波长不稳定产生的锁频位置漂移的影响。该方法具有无需人工值守，自动化程度高的特点，能极大的提升激光输出波长的稳定性。

背景技术：

1、为了实现激光器输出波长长期稳定的校准，研究人员常常采用国际公认的原子跃迁谱线为基准，来实现激光波长高精度的锁频。然而在实际应用中，对于原子饱和吸收谱峰的识别往往依赖于操作人员的经验。其次，由于环境扰动等因素的影响，长时间锁频结果的准确性很难保证。

2、为了自动对饱和吸收谱线进行识别，减少人工的干扰，提高激光锁频的自动化及准确性水平。本发明提供了基于饱和吸收光谱的自动识别与锁频方法，该方法能实现饱和吸收光谱的自动识别与饱和吸收谱峰的锁频，且能对锁频结果进行监测，自动弥补环境因素对激光器带来的输出波长不稳定产生的锁频位置漂移的影响。该方法主要包括原子饱和吸收谱线自动搜索与识别技术、饱和吸收谱峰的判别技术以及激光波长自动锁频与漂移监测技术。本发明对于实现激光器长期稳定的波长锁定具有保障。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供基于原子饱和吸收光谱的自动识别与激光波长锁频方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、基于原子饱和吸收光谱的自动识别与激光波长锁频方法，包括以下步骤：

4、步骤1：确定可调谐种子激光器的输出波长值的范围(n，m)，n为输出波长最小值，m为输出波长最大值，设定激光波长扫描区间宽度w；

5、步骤2：设定初始的激光波长扫描区间(n，n+w)，初始中心波长为n+w/2，n+w<m；

6、步骤3：确定激光波长扫描区间内是否存在原子的饱和吸收谱线；

7、步骤4：若激光波长扫描区间内存在原子的饱和吸收谱型，则停止扫描，否则，激光波长扫描区间的中心波长增加w/2，激光波长扫描区间宽度不变，并返回步骤3；

8、步骤5：对饱和吸收谱峰进行识别；

9、步骤6：将激光波长锁定在饱和吸收谱峰处；

10、步骤7：采用波长计来对可调谐种子激光器的输出波长值进行监测；

11、步骤8：判断可调谐种子激光器的输出波长值是否超过可调谐种子激光器的输出波长值的范围，若超过，则激光波长扫描区间的中心波长增加w/2，激光波长扫描区间宽度不变，返回步骤3，若没有超过，返回步骤7。

12、如上所述确定激光波长扫描区间内是否存在原子的饱和吸收谱线基于以下步骤：

13、步骤3.1：记录可调谐种子激光器扫描过程中的饱和吸收光谱和非饱和吸收光谱；

14、步骤3.2：对所采集的饱和吸收光谱和非饱和吸收光谱进行滤波，定义饱和吸收光谱和非饱和吸收光谱的标签分别标记为1和0，将饱和吸收光谱和非饱和吸收光谱作为样本；

15、步骤3.3：将带有标签的样本进行随机排序，生成训练集、验证集、以及测试集；

16、步骤3.4：设定主成分分析法中主成分个数k的范围和饱和吸收光谱识别模型中的惩罚因子c的范围，选择其中一组主成分个数k和惩罚因子c；

17、步骤3.5：依据选取的主成分个数k采用主成分分析法对训练集的样本进行降维；

18、步骤3.6：构建饱和吸收光谱识别模型，根据降维后的训练集的样本对饱和吸收光谱识别模型进行训练；

19、步骤3.7：通过所训练的饱和吸收光谱识别模型来预测验证集的样本的标签识别的准确性，若饱和吸收光谱识别模型对验证集的预测的准确性大于99％，则进入步骤3.8，否则，重新选择不同的主成分个数k和惩罚因子c，返回步骤3.5；

20、步骤3.8：采用测试集来评估训练完成的饱和吸收光谱识别模型的准确性，若测试集的样本的标签识别的准确性大于98％，则将所获得的饱和吸收光谱识别模型用于饱和吸收光谱的识别，若测试集的样本的标签识别的准确性小于98％，则选取下一组主成分个数k的取值和惩罚因子c的取值，并返回步骤3.5。

21、如上所述步骤5中对饱和吸收谱峰进行识别包括以下步骤：

22、步骤5.1：对获取的饱和吸收谱线进行噪声滤除；

23、步骤5.2：采用二次b样条插值函数对步骤5.1所获得的饱和吸收谱线进行拟合，获得拟合函数；

24、步骤5.3：对步骤5.2中所获得的拟合函数求导，若求导后的拟合函数值在0值附近为先负后正，则求导后的拟合函数值为0对应的位置为饱和吸收谱峰所在的位置；

25、步骤5.4：根据原子发射光谱数据库，确定饱和吸收谱峰所在位置的激光波长。

26、如上所述步骤6中将激光波长锁定在饱和吸收谱峰处基于以下步骤：计算波长计测量的可调节种子激光器的实际波长和饱和吸收谱峰对应的激光波长的差值，并通过pid将激光波长锁定在饱和吸收谱峰处。

27、如上所述步骤3.8中，选取下一组主成分个数k的取值和惩罚因子c的取值基于以下规则：惩罚因子c从小到大选择，主成分个数k从大到小选择。

28、本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

29、该方法能自动实现原子饱和吸收谱线的识别，并能将激光频率自动锁定在原子饱和吸收谱线的谱峰处，并且能对锁频结果进行监测，自动弥补环境因素对激光器带来的输出波长不稳定产生的锁频位置漂移的影响。该方法具有无需人工值守，自动化程度高的特点，能极大的提升激光输出波长的稳定性。

技术特征：

1.基于原子饱和吸收光谱的自动识别与激光波长锁频方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述基于原子饱和吸收光谱的自动识别与激光波长锁频方法，其特征在于，确定激光波长扫描区间内是否存在原子的饱和吸收谱线基于以下步骤：

3.根据权利要求2所述基于原子饱和吸收光谱的自动识别与激光波长锁频方法，其特征在于，所述步骤5中对饱和吸收谱峰进行识别包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述基于原子饱和吸收光谱的自动识别与激光波长锁频方法，其特征在于，所述步骤6中将激光波长锁定在饱和吸收谱峰处基于以下步骤：计算波长计测量的可调节种子激光器的实际波长和饱和吸收谱峰对应的激光波长的差值，并通过pid将激光波长锁定在饱和吸收谱峰处。

5.根据权利要求2所述基于原子饱和吸收光谱的自动识别与激光波长锁频方法，其特征在于，所述步骤3.8中，选取下一组主成分个数k的取值和惩罚因子c的取值基于以下规则：惩罚因子c从小到大选择，主成分个数k从大到小选择。

技术总结
本发明公开了基于原子饱和吸收光谱的自动识别与激光波长锁频方法，确定可调谐种子激光器的输出波长值的范围和激光波长扫描区间宽度；遍历初始的激光波长扫描区间；确定激光波长扫描区间内是否存在原子的饱和吸收谱线；对饱和吸收谱峰进行识别；将激光波长锁定在饱和吸收谱峰处。本发明能自动实现原子饱和吸收谱线的识别，并能将激光频率自动锁定在原子饱和吸收谱线的谱峰处，并且能对锁频结果进行监测，自动弥补环境因素对激光器带来的输出波长不稳定产生的锁频位置漂移的影响。该方法具有无需人工值守，自动化程度高的特点，能极大的提升激光输出波长的稳定性。

技术研发人员：汪为,程学武,黄文涛,杨国韬,杨勇,林鑫,刘林美,郑金州,李发泉
受保护的技术使用者：中国科学院精密测量科学与技术创新研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15