[發(fā)明專利]基于卷積特征提取的超快脈沖光纖傳輸建模方法及系統(tǒng)

在審

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• 申請日: 2022-03-21
• 公開（公告）號: CN114611404A
• 公開（公告）日: 2022-06-10
• 發(fā)明（設計）人: 義理林;趙浩辰;楊航
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G06F30/27
• 分類號: G06F30/27;G06N3/04;G06N3/08;H04B10/25;H04B17/391;G06F111/10;G06F113/16
• 代理公司: 上海漢聲知識產(chǎn)權代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

1.一種基于卷積特征提取的超快脈沖光纖傳輸建模方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：

步驟S1：采集輸入脈沖數(shù)據(jù)與傳輸過程等間隔步進Δz的脈沖形狀；

步驟S2：將步驟S1采集的連續(xù)數(shù)據(jù)整形為符合后續(xù)要求的輸入數(shù)據(jù)排布形式；

步驟S3：針對色散，進行步進長度Δz長度的光纖線性特征建模；

步驟S4：建模器使用基于機器學習模型的數(shù)據(jù)驅動的方法來對未知的特征進行建模，使用卷積單元和全連接單元實現(xiàn)局部非線性特征建模；

步驟S5：將步驟S4輸出的波形與步驟S2生成的參考波形進行比較，計算誤差并梯度反向傳播；步驟S2至步驟S5操作將循環(huán)執(zhí)行，降低訓練時的誤差；

步驟S6：訓練完成后，利用模型進行脈沖光纖傳輸建模；將光纖輸入波形轉換為規(guī)格化數(shù)據(jù)，并迭代執(zhí)行步驟S3至步驟S4，對無限長脈沖光纖傳輸進行建模。

2.根據(jù)權利要求1所述的基于卷積特征提取的超快脈沖光纖傳輸建模方法，其特征在于，所述步驟S1中的數(shù)據(jù)來自實驗測量或數(shù)值仿真；輸入脈沖數(shù)據(jù)記作Az(0)，后續(xù)等間隔步進Δz位置的脈沖波形依次記作Az(1),Az(2),Az(3),…,Az(M)，M為最遠位置的序號，每個波形表示為N個數(shù)據(jù)點；該步驟重復多次，獲得多組數(shù)據(jù)，每組是一次波形演化，不同組之間間隔步進Δz相同。

3.根據(jù)權利要求1所述的基于卷積特征提取的超快脈沖光纖傳輸建模方法，其特征在于，所述步驟S2將數(shù)據(jù)規(guī)格化，同時輸入相鄰K個脈沖，即生成K×N的矩形數(shù)據(jù)塊，N為每脈沖點數(shù)；在訓練第i步時，選擇已知的Az(i-K+1),Az(i-K+2),…,Az(i)的波形作為步驟S3的輸入，期望輸出為Az(i+1)，數(shù)據(jù)來自步驟S1得到的準確數(shù)據(jù)。

4.根據(jù)權利要求1所述的基于卷積特征提取的超快脈沖光纖傳輸建模方法，其特征在于，所述步驟S3中的線性建模器在頻域完成色散操作；對輸入波形進行N點FFT變換，在頻域對不同頻點逐點乘以N個已知的色散系數(shù)，進行N點IFFT變換得到色散后的波形。

5.根據(jù)權利要求1所述的基于卷積特征提取的超快脈沖光纖傳輸建模方法，其特征在于，所述步驟S4使用數(shù)據(jù)驅動的建模方法，針對無法簡單描述的復雜非線性現(xiàn)象進行建模；使用多層一維卷積與多層局部全連接的方法，通過機器學習梯度下降的方法確定參數(shù)；輸入K個N點脈沖，輸出單個N點脈沖，模型結構支持動態(tài)處理不同N值；

有多個級聯(lián)一維卷積層與多個級聯(lián)局部全連接層，P為卷積層的輸入點數(shù)，動態(tài)調整而與脈沖點數(shù)N不同，卷積層級整體輸入K個P點脈沖，輸出L個P/M點脈沖；局部全連接層的整體輸入維度為L，輸出維度為M，在P/M點脈沖上重復進行，組合得到P點輸出。

6.根據(jù)權利要求1所述的基于卷積特征提取的超快脈沖光纖傳輸建模方法，其特征在于，所述步驟S5計算預測值A'z(i)與真實值Az(i)之間的損失函數(shù)值，并使用反向傳播的算法計算損失函數(shù)對步驟S4中每個待定參數(shù)的梯度，將梯度傳入優(yōu)化器進行參數(shù)更新。

7.根據(jù)權利要求1所述的基于卷積特征提取的超快脈沖光纖傳輸建模方法，其特征在于，所述步驟S6將Az(0)的波形重復K次作為輸入，得到K×N數(shù)據(jù)，經(jīng)步驟S3和步驟S4后得到預測值A'z(1)；然后將輸入開頭去除一個脈沖并在末尾拼接上一步得到的預測輸出A'z(1)，得到新的K×N數(shù)據(jù)，再次輸入步驟S3和步驟S4后得到預測值A'z(2)；以此類推，迭代計算后續(xù)步驟A'z(i)；

僅選中部分能量大的點進行非線性預測，判斷輸入脈沖每個時刻幅度最大值，如果脈沖某個時刻的最大值大于等于門限值T，進行標記；取第一個標記與最后一個標記間的P個時刻點作為需非線性預測的數(shù)據(jù)，進一步輸入步驟S3與步驟S4，其余時刻點輸入步驟S3后跳過步驟S4，將值復制到步驟S5。