本发明属于退化系统可靠性评估，涉及一种动态环境下考虑自愈机制的半导体激光器可靠性评估方法。
背景技术：
1、半导体激光器，又称为激光二极管，采用砷化铝(alas)、砷化镓(gaas)等半导体材料作为工作物质，能够高效地将电能转化为激光光束。它具有体积小、寿命长和转换效率高等独特优点，使之迅速成为光电子器件的核心组成部分，并广泛应用于光纤通信、激光测距、激光制导和激光治疗等领域。半导体激光器失效会带来许多问题，首先是会导致光电子设备无法正常工作，例如激光制导中，失效的半导体激光器会影响制导精度，进而对军事装备的稳定性和战斗力产生不利影响。此外，失效还可能引发安全风险，尤其在激光治疗等应用中，异常辐射或光束质量下降可能对患者造成伤害。因此，深入研究半导体激光器的失效机理并提出相应的可靠性评估方法，对于提高激光器的稳定性和安全性、确保其在国防军事和国民经济发展中持续发挥作用至关重要。
2、半导体激光器产生激光的主要区域是半导体pn结，如图1所示。当电流通过pn结时，有源区利用载流子(移动的带电粒子)经过复合发光产生光子；而腔面则不断反射光子，使得光子的能量进行叠加。当光子能量累积到一定程度时，就会输出可用激光。作为光学器件的核心组成部件，半导体激光器可能需要在动态多变的环境中工作。这里的动态环境既包括自然或实验环境的变动，也包括系统功能模式或工作任务的切换。例如在激光测距中，半导体激光器根据需要将采用体积测量模式、三维建模模式、地形测量模式等不同测量模式。不同的测量模式会导致电流通过pn结的时间、器件的局部过热时间不同，从而对其可靠性水平产生显著影响。因此，在半导体激光器可靠性评估中，需要充分考虑环境因素。
3、研究发现，除了运行环境动态多变外，半导体激光器在投入使用到失效这一段时间内，还会经历自然退化过程和随机冲击过程，并存在自愈现象。自然退化过程主要包括器件老化、腔面的光学损伤和有源区退化等，这会引起半导体激光器输出光功率的连续下降。随机冲击过程主要是高温冲击的发生。当高温冲击到达时，半导体激光器的输出光功率发生跳跃式下降。然而在自愈机制的作用下，由冲击造成的输出光功率下降量可能会恢复至冲击发生前的数值，即半导体激光器发生了自愈。半导体激光器所具有的这种自愈机制是其固有属性，在无外界维修干预下就可自发修复损伤，从而有效延长了其使用寿命。
4、现有研究提出了多种用于评估半导体激光器可靠性的方法，但仍存在一些局限性。首先，这些评估方法通常基于单一的环境条件或假设，未能全面考虑实际应用中半导体激光器所面临的多变环境因素对其可靠性的影响。其次，现有方法通常假设单次冲击对系统造成的损伤是不可逆的，忽略了半导体激光器的自愈机制能够在一定程度上自动修复因随机冲击而造成的性能损伤。因此，如何考虑动态环境和自愈机制的耦合作用并提出一种可靠性评估方法，以实现半导体激光器可靠性的精确评估是亟须解决的技术问题。
技术实现思路
1、针对现有技术无法准确或合理地刻画动态环境和自愈机制对半导体激光器可靠性的影响，本发明在国家自然科学基金项目(批准号：72101205)支持下，提出了一种动态环境下考虑自愈机制的半导体激光器可靠性评估方法，利用马尔可夫过程描述半导体激光器的运行环境变化，并引入自愈时间阈值来刻画激光器的自愈机制，可有效提高其可靠性评估的精度，弥补现有技术中存在的不足之处。
2、本发明的技术方案为：
3、所述一种动态环境下考虑自愈机制的半导体激光器可靠性评估方法，包括以下步骤：
4、步骤1：收集半导体激光器在不同运行环境下多个失效过程的退化数据，以及失效阈值；
5、步骤2：基于步骤1所收集的数据，利用随机过程方法对半导体激光器运行环境的动态变化、失效过程以及自愈过程进行抽象建模；
6、步骤3：基于步骤2建立的半导体激光器运行环境动态变化、失效过程以及自愈过程的抽象模型，建立动态环境下考虑自愈机制的半导体激光器竞争失效模型，得到其可靠度解析公式；
7、步骤4：对于给定的时间，利用步骤3得到的半导体激光器可靠度解析公式计算半导体激光器可靠度。
8、进一步的，步骤1中，所述运行环境的变化指半导体激光器在不同工作模式之间的切换，或指半导体激光器在不同自然环境中的应用。
9、进一步的，步骤1中，所述半导体激光器有两种失效过程：退化失效和突发失效；所述退化失效指总性能退化量不小于软失效阈值χs时，半导体激光器发生失效；所述总性能退化量x(t)，包括自然退化过程产生的连续退化量w(t)和由随机冲击造成的突增退化量s(t)；所述突发失效是指当某次外界冲击的强度超过硬失效阈值χh时，半导体激光器发生失效。
10、进一步的，步骤2中，进行抽象建模时，假设半导体激光器在t＝0时刻，以退化量为0的全新状态开始运行，期间会随机地经历k个不同的运行环境，且在不同环境下系统自然退化过程参数发生改变；同时，半导体激光器还会受到随机冲击的作用，随机冲击对系统造成的性能损伤存在自愈现象；
11、采用马尔可夫过程来描述半导体激光器运行环境的动态变化，包括：
12、半导体激光器随机地在k个不同的环境中运行，环境间的演化规律用一个时齐的连续时间马尔可夫过程{z(t),t≥0}描述；该过程具有状态空间s＝{1，2，…k}，状态转移率矩阵q＝[qij,i,j∈s]和状态初始分布向量α＝{αi,i∈s}。令z(t)＝i，表示半导体激光器在t时刻处于环境状态i；
13、利用参数不同的gamma过程描述半导体激光器在不同环境下的自然退化过程，包括：
14、用平稳gamma过程{wi(t),t＞0}来描述激光器在环境i(i∈s)中的自然退化规律；对于任意的时间t和s，半导体激光器性能退化增量服从形状参数为αit、尺度参数为βi的gamma分布，即wi(t+s)-wi(s)～gi(αit,βi)，其概率密度函数为：
15、
16、其中，是gamma函数；i{a}为示性函数，当事件a发生时，其值为1，否则为0；令{w(t),t≥0}表示半导体激光器在t时刻累积的自然退化量，有w(t)＝w(h)+wi(t-h)，其中，z(h-)≠i，且对任意的s∈[h,t]，有z(s)＝i；
17、利用齐次泊松过程描述半导体激光器运行过程中随机冲击的到达，包括：
18、半导体激光器运行中，随机冲击的发生服从到达率为λ的齐次泊松过程{n(t),t≥0}，其中n(t)表示在(0,t]时间区间内发生的冲击次数；令lk表示第k次冲击自身强度大小，则构成累积分布函数为fl(l)＝p{l≤l}、概率密度函数为fl(l)的独立同分布的非负随机变量序列；令yk表示每次非致命冲击给半导体激光器带来的退化损伤量，则构成累积分布函数为fy(y)＝p{y≤y}、概率密度函数为fy(y)的独立同分布的非负随机变量序列；
19、引入自愈时间阈值来刻画半导体激光器的自愈机制，包括：
20、半导体激光器由随机冲击造成的性能退化量存在自愈现象，当两次连续冲击发生的时间间隔大于自愈时间阈值τ时，前次冲击造成的退化损伤量将自愈至0；当两次连续冲击发生的时间间隔小于或等于自愈时间阈值τ时，前次冲击造成的退化损伤量不能自愈；
21、在自愈机制作用下，t时刻冲击所造成的累积性能退化增量s(t)为
22、
23、其中，表示第i次冲击和第i+1次冲击发生的时间间隔。
24、进一步的，步骤3中，得到其可靠度解析公式的过程为：
25、半导体激光器在t时刻的可靠度表示半导体激光器既不发生退化失效，也不发生突发失效的概率，记作r(χs,t)；r(χs,t)关于χs和t的双重laplace变化为
26、
27、其中，1k表示所有元素都为1的k维列向量；其元素的表达式需要分两种情况考虑：
28、当i＝j时，关于χs和t的双重laplace变换为
29、
30、当i≠j时，关于χs和t的双重laplace变换可以表示为
31、
32、其中，
33、
34、
35、通过对进行双重laplace变换的逆变换，得到t时刻半导体激光器的可靠度函数r(χs,t)。
36、有益效果
37、本发明的有益效应在于：弥补了现有研究中忽略半导体激光器具有的自愈机制可自动修复系统损伤的不足之处，创新地提出了一种动态环境考虑自愈机制的半导体激光器可靠性评估方法，提高了半导体激光器可靠性的评估精度。
38、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
1.一种动态环境下考虑自愈机制的半导体激光器可靠性评估方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述一种动态环境下考虑自愈机制的半导体激光器可靠性评估方法，其特征在于：步骤1中，所述运行环境的变化指半导体激光器在不同工作模式之间的切换，或指半导体激光器在不同自然环境中的应用。
3.根据权利要求1所述一种动态环境下考虑自愈机制的半导体激光器可靠性评估方法，其特征在于：步骤1中，所述半导体激光器有两种失效过程：退化失效和突发失效；所述退化失效指总性能退化量不小于软失效阈值χs时，半导体激光器发生失效；所述总性能退化量x(t)，包括自然退化过程产生的连续退化量w(t)和由随机冲击造成的突增退化量s(t)；所述突发失效是指当某次外界冲击的强度超过硬失效阈值χh时，半导体激光器发生失效。
4.根据权利要求3所述一种动态环境下考虑自愈机制的半导体激光器可靠性评估方法，其特征在于：步骤2中，进行抽象建模时，假设半导体激光器在t＝0时刻，以退化量为0的全新状态开始运行，期间会随机地经历k个不同的运行环境，且在不同环境下系统自然退化过程参数发生改变；同时，半导体激光器还会受到随机冲击的作用，随机冲击对系统造成的性能损伤存在自愈现象；
5.根据权利要求4所述一种动态环境下考虑自愈机制的半导体激光器可靠性评估方法，其特征在于：步骤3中，得到其可靠度解析公式的过程为：
