本发明涉及一种基于两级寻峰的激光器光谱自动寻峰方法，该方法主要应用于半导体激光器光谱的寻峰，为实现激光器自动锁频提供必要的条件。
背景技术：
1、半导体激光器是以半导体材料为工作物质的一类激光器。自二十世纪七十年代末，由于半导体材料的不断改进与完善，半导体激光器的性能也在很大程度上得到改进。半导体激光器因其寿命长，体积小，便于调谐等优点，现已广泛应用到激光光纤通信、激光测量与检测、国防安全等领域。
2、在实际的应用中，自由状态下的半导体激光器对环境的要求很高。其中，半导体激光器的工作电流及温度是激光器工作的主要影响因素，两者的微小变动将会对激光器的输出频率造成较大的影响，严重时将会影响激光器的正常工作状态。因此，为保证激光器能够在一般条件下正常工作，激光器输出频率的稳定也便尤为重要，激光器稳频技术也便应运而生。激光器稳频最直接的方法是找到一个稳定的参考频率源，将激光频率锁定在参考频率源上，目前采用的是饱和吸收稳频，对于该种稳频方式，搭建光路后得到的饱和吸收光谱的谱峰即为稳定的参考频率源，因此谱峰寻取的精度将直接影响稳频的精度及效果。
技术实现思路
1、本发明解决的问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于两级寻峰的激光器光谱寻峰算法，解决了当前寻峰算法精度不高的问题，实现了半导体激光器光谱信号的实时自动寻峰。
2、本发明的技术解决方案为：针对上述问题，本发明设计了一种基于两级寻峰的激光器光谱自动寻峰方法，其主要步骤如下：
3、步骤一、搭建饱和吸收光路。利用单色可调谐激光，将速度为零的原子从其多普勒速度分布的背景原子气体中选出，并使其对探测激光的吸收产生饱和；将加载了正弦波调制的扫频信号输入给激光器，得到被调制的饱和吸收光谱，通过光电探测器将光信号转换成电信号，为后续数据处理提供基础；
4、步骤二、将光电探测器采集得到的光谱信号进行寻峰前的数据预处理。考虑到环境振动、空间杂散光等的影响，需将光电探测器采集来的光谱数据先进行信号滤波的预处理。首先将原始光谱数据进行滑动平均滤波，初步滤除噪声的影响，考虑到采样频率过高，数据量过大，峰值处的光谱数据变化较小，因此将信号进行降采样的处理，同时，降采样的处理也会对信号起到一定的滤波效果。
5、步骤三、五点寻峰。遍历降采样后的光谱数据，依次取数据中连续的五个点进行峰值的判断。首先判断当前的五个点是否满足峰型，即：连续的五个点中，第一二三个数据点依次递增，第三四五个数据点依次递减。在满足峰型后，判断当前光谱数据是否满足一定的阈值条件，即：第三个数据点同第一个数据点及第五个数据点的差值应在一定的范围内，确保误判漏判的同时，也避免了异常数据的影响。经过上述五点寻峰后，可以得到初步的寻峰结果，但由于降采样的存在，该步骤的寻峰精度有限。
6、步骤四、洛伦兹拟合寻峰。将步骤三中五点寻峰的峰值及其周围的数据点记录下来，给后续数据拟合提供基础。
7、由于粒子自发辐射和碰撞导致的均匀展宽的线型函数是洛伦兹函数，通过研究原子的激光饱和光谱，可采用线型函数表示谱线，如下式所示：
8、g(ω)＝f(ω)+g(ω)
9、其中，
10、f(ω)＝-(aω2+bω+c)
11、
12、第一项中f(ω)表示背景谱线成分，第二项g(ω)表示超精细能级的跃迁成分。通过该超精细的表达式可以看出，其本身为一洛伦兹线型，因此采用洛伦兹函数进行数据的拟合，能提高寻峰精度的同时，也更具有物理意义。
13、归一化的洛伦兹函数如下式所示：
14、
15、对上式取倒数可得下式所示：
16、
17、整理上式可得：
18、
19、可将上式视为以x为自变量，为因变量的二次函数，对其进行变量替换可得：
20、y＝ax2+bx+c
21、其中，
22、
23、
24、
25、
26、因此，对光谱数据的洛伦兹拟合可转变为对二次函数的拟合，对二次函数系数的拟合采用最小二乘法。根据最小二乘法的原理，需找到使得均方误差最小的一组系数，其中，均方误差如下式所示：
27、
28、当均方误差对各系数的偏导为0时，其均方误差值最小，因此求δ对a、b、c的偏导，如下式所示。
29、
30、
31、
32、对上式整理变形可得：
33、
34、
35、
36、根据上述可解算出一组a、b、c的值，即为最小二乘法的拟合值。由归一化的洛伦兹函数可知，当x取x0时，函数f(x)有最大值，即：
37、
38、由计算得出的a的值及上式可得，拟合的洛伦兹函数峰值为：
39、
40、基于上述公式的推导及五点寻峰所记录的峰值数据，可进行洛伦兹拟合寻峰，找到更为准确的光谱峰值。
41、本发明的原理在于：根据饱和吸收光谱的数据，通过五点寻峰中的比较及阈值判断，得出当前光谱谱峰的大致位置。记录当前峰值数据及其附近若干数据点，对这些数据进行洛伦兹函数拟合，进一步得到更为准确的光谱峰值。
1.一种基于两级寻峰的激光器光谱自动寻峰方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一的具体实现方法为，利用单色可调谐激光器，将速度为零的原子从其多普勒速度分布的背景原子气体中选出，并使其对探测激光的吸收产生饱和；将三角波扫频信号输入给激光器，得到被调制的饱和吸收光谱，通过光电探测器将光信号转换成电信号，得到光谱信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤二的具体实现方法为，将光电探测器采集来的光谱信号先进行信号滤波的预处理；首先将光谱信号的原始光谱数据进行滑动平均滤波，初步滤除噪声的影响，将滤波后的光谱信号进行降采样的处理。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤三的具体实现方法为，遍历降采样后的光谱信号数据，依次取数据中连续的五个点进行峰值的判断；首先判断当前的五个点是否满足峰型，即连续的五个点中，第一二三个数据点依次递增，第三四五个数据点依次递减；在满足峰型后，判断当前光谱数据是否满足一定的阈值条件，即第三个数据点同第一个数据点及第五个数据点的差值应在一定的范围内，确保没有误判漏判的同时，避免了异常数据的影响；经过上述五点寻峰后，得到初步的寻峰结果。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤四的具体实现方法为，将步骤三中五点寻峰的峰值及其前后的数据点记录下来；
