CN102062639A - 基于频数直方图测量脉冲激光全脉宽的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频数直方图测量脉冲激光全脉宽的方法，该方法通过对采集到的激光时域脉形数据进行频数直方图分析，得到基于频数直方图的分布特征，然后基于该分布特征选取n阶幅值作为阈值，并由该阈值在激光时域脉形中确定一平行于X轴的阈值线，该阈值线与脉形曲线相交，存在多个交点，选取位于脉形峰值点两侧且最近邻峰值点的两交点为测量点，此两测量点间对应的时间宽度便是激光的n阶脉宽。本发明适应性好，测量有效性高，与传统的n％脉宽相比可更为准确地测量激光脉宽。

Description

基于频数直方图测量脉冲激光全脉宽的方法

技术领域

本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种基于频数直方图测量脉冲激光全脉宽的方法。

背景技术

脉冲激光器已广泛用于工业激光加工、激光医疗、激光科研应用等领域，其无论是在民用还是在军用等方面都存在着巨大的应用潜力。而作为脉冲激光基本参数之一的激光脉宽在脉冲激光器应用中具有重要意义，可用于指导系统设计和运行。目前常用的表征激光脉宽的参量为激光半高宽，即脉冲激光光强为最大值一半时所对应的时间宽度。但是，由于激光脉冲的时域特性多为高斯型而非方波，即时域脉形存在坡度较小的上升沿和下降沿，导致脉冲激光的半高宽远小于全脉宽，从而使半高宽无法准确反映激光脉宽特性，在某些应用中影响系统的设计和运行，如在激光雷达技术中，脉冲激光的全脉宽直接影响系统的距离分辨率。而在近年来热点研究的距离选通成像技术中，回波展宽效应导致的头信号和尾信号的大小也由激光全脉宽来决定。可见，激光全脉宽的准确测量对于脉冲激光的广泛应用具有重要的意义。

理论上讲，激光全脉宽是由脉冲上升沿的起始零点至下降沿的末端零点之间的时间间隔决定的。但是，在利用光电探测器将脉冲激光转换为电信号并通过示波器测量的过程中，由于光电探测器和示波器本身的白噪声不可避免的叠加在被测激光脉形上，从而导致脉形边沿淹没在噪声中，无法准确确定上升沿和下降沿的零点位置，进而无法准确读取全脉宽，尤其是在激光能量较弱的情况下。为此，除激光半高宽的定义外，人们还定义了n％激光脉冲宽度t_n％：激光脉冲上升和下降到峰值功率n％时所对应功率点之间的最大时间宽度，如图1(a)所示。显然，半高宽可视为n％脉宽的一种情况，即n％＝50％。这种定义规避了边缘零点难寻的问题，但仍存在不足，主要表现为：测量时需首先确定脉冲信号的最大值和最小值，然而由于噪声影响和激光峰值功率的波动，最大值和最小值难以准确确定，如图1(b)所示，这将导致n％脉宽阈值的波动，进而导致测量数据的标准偏差过大，即数据较为离散；当背景噪声较大时，在低百分比的脉宽测量中，示波器易受噪声的影响而产生误读现象。

图2为传统定义下脉宽测量的实验结果，其中图2(b)给出了P1至P8的参数对照表。在图2的测量结果中，P1至P3的status(状态)项中的叹号图标表明示波器获取参数时出错。同样地，在num(统计次数)项也可发现此问题，示波器在读取参数P1至P3时相对于参数P4至P8存在严重的数据丢失问题。以2％脉宽测量为例，在图2中脉形下方的虚线表示2％脉宽所对应的阈值线，很明显在图2中的峰值左右两侧阈值线未与脉形出现有效交点，因此示波器无法获取有效测量值。而测试结果中的sdev(标准差)项，表征了多次测量数值之间的离散程度，测量2％脉宽时，该值达到了23.15ns，P2至P7虽然逐渐减小，但测量P7时仍为4.17ns。在min(最小值)项中，P1至P8都出现了远小于平均脉宽值的几ns甚至百ps脉宽值，其原因是，测量时将噪声误读为激光脉冲所致。

综上所述，传统的n％脉宽仍无法满足激光全脉宽或准全脉宽(n％值较小时)的准确测量，特别是在激光脉形不稳定及噪声较大的情况下。在本发明中，全脉宽主要是指低阶脉宽，相当于传统的n％脉宽的n％较小时的脉宽。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对上述传统激光脉宽测量存在的不足之处，本发明的主要目的在于提出一种基于频数直方图测量脉冲激光全脉宽的方法，以达到准确测量激光全脉宽的目的。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种基于频数直方图测量脉冲激光全脉宽的方法，该方法通过对采集到的激光时域脉形数据进行频数直方图分析，得到基于频数直方图的分布特征，然后基于该分布特征选取n阶幅值作为阈值，并由该阈值在激光时域脉形中确定一平行于X轴的阈值线，该阈值线与脉形曲线相交，存在多个交点，选取位于脉形峰值点两侧且最近邻峰值点的两交点为测量点，此两测量点间对应的时间宽度便是激光的n阶脉宽。

上述方案中，所述激光时域脉形数据是脉冲激光通过光电探测器将光信号转为电信号后由示波器采集到的数据。

上述方案中，所述频数直方图分析是对采集到的数据进行统计分析的一种方法，用于表明在采集的全部数据中不同数据值出现的次数。

上述方案中，所述频数直方图分析具体包括：首先整理采集到的数据，把相近的值分在同一组里，再统计每组数据的个数，称为频数，然后在横坐标上标出分组点，纵坐标对应为频数，以组距为底边，画出高度为频数的矩形；其中，把全体样本分成的组的个数称为组数，每个小组的两个端点间的距离称为组距，组距R的大小可由组数N和全距ΔI(即测量范围)确定

$R=\frac{\mathrm{\ΔI}}{N}---\left(1\right)$

公式(1)中ΔI是激光时域脉冲幅值变化的范围，即最大值与最小值的差值。

上述方案中，所述n阶幅值为n阶分组的上届点和下届点所对应值的平均值，将频数直方图中最大频数所对应分组的幅值称为0阶幅值，相对于0阶幅值，直方图横轴正向对应的幅值阶数均为正数，且依次增加，称为正n阶幅值，简称为n阶幅值，反之，负向上对应的幅值称为负阶幅值。

上述方案中，所述阈值线是由选取的n阶幅值在激光脉形曲线图中所确定的一直线，该直线的纵坐标为固定值，大小为n阶幅值。

上述方案中，所述n阶脉宽是由n阶幅值确定的阈值线与激光脉形曲线交点决定的；在时域脉形的统计直方图中，最大频数对应的是出现几率最高的噪声区间，整个背景噪声围绕此噪声呈高斯分布；测量中，背景噪声主要是示波器和探测器的电噪声，而由光电探测器探测到的激光光信号对应的时域脉形则为有效信号，叠加在背景噪声之上，因此，激光有效信号分布在频数直方图高斯包络的右侧，即激光有效信号对应的幅值均为正阶幅值。

上述方案中，在激光脉宽的测量中，只有当激光对应的有效信号高于背景噪声时，脉宽测量才有意义；测量时，在正阶幅值方向上选取适当的n阶幅值作为阈值，相应地在激光时域脉形图上确定一水平阈值线，该阈值线与激光脉形曲线相交；选取离脉冲峰值点最近的左右两交点t_n，left和t_n，right作为有效测量点，两点之间对应的时间宽度即为激光的n阶脉宽，其大小为t_n＝t_n，right-t_n，left。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、利用本发明，由于n阶幅值是由统计分析的方法获得，所以，与传统n％脉宽相比，脉冲最大值和最小值的波动对n阶脉宽的影响较小，从而提高了测量的准确性。

2、利用本发明，由于n阶脉宽是由最近邻峰值点的左右两侧阈值线与脉形曲线的交点确定，所以，可解决传统n％脉宽测量时背景噪声误读为信号的问题，从而提高了脉宽测量的有效性，可降低标准差。

3、利用本发明，由于不同阶数幅值下对应的脉宽有所不同，与传统的n％脉宽相比，根据实际需求从脉形底部读取的数据可更接近于脉形全宽的真实值，所以，可根据实际需求合理选取阈值，使测得的脉宽数据尽可能逼近脉形全宽，反映激光的脉宽特性。

附图说明

图1是n％脉宽：(a)传统n％脉宽定义，(b)信号波动较大时传统定义的不足；

图2是传统n％定义下测量结果：(a)测量结果，(b)参数对照表；

图3是基于频数直方图的n阶脉宽：(a)n阶脉宽定义，(b)频数直方图；

图4是激光脉宽测量系统；

图5是n阶脉宽测量流程图；

图6是n％脉宽与n阶脉宽测量结果对比；

图中主要元件符号说明：

1脉冲激光器，2光电探测器，3示波器，4n阶脉宽测量模块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供的基于频数直方图测量脉冲激光全脉宽的方法是基于由被测脉冲激光器1、光电探测器2、示波器3和n阶脉宽测量模块4构成的系统实现的。其中，光电探测器2是将脉冲激光的光信号转化为电信号；示波器3则是采集由光电探测器2输出的电信号，进而完成激光时域特性信息的采集；n阶脉宽测量模块4是实现n阶脉宽测量的程序模块，可植入示波器3，实现n阶模块的实时测量和显示。工作中，脉冲激光器1发射脉冲激光，示波器3通过光电探测器2采集激光时域脉形数据，并通过n阶脉宽测量模块4对数据进行频数直方图分析和n阶脉宽的测量，最后，将测量结果反馈给示波器3，显示测量结果。

以下部分将结合实际的测量实验，对n阶脉宽测量方法进行详细的说明。图3(a)是实际采集的激光脉冲数据，对其进行统计分析后，获得其频数直方图(图3(b))。频数直方图是对采集到的数据进行统计分析的一种方法，表明在采集到的脉冲数据中不同信号幅值出现的次数。具体为，首先整理采集到的数据，把相近的值分在同一组里，再统计每组的数据个数，称为频数，然后在横坐标上标出分组点，纵坐标对应为频数，以组距为底边，画出高度为频数的矩形。其中，把全体样本分成的组的个数称为组数，每个小组的两个端点间的距离称为组距。组距R的大小由组数N和全距ΔI(即测量范围)确定

$R=\frac{\mathrm{\ΔI}}{N}---\left(1\right)$

公式(1)中ΔI是激光时域脉冲幅值变化的范围，即最大值与最小值的差值。

从图3(b)的频数直方图分析中可以发现，激光脉形数据对应的频数直方图呈高斯分布，结合图3(a)的数据特征还可发现，该直方图主要反映了噪声的随机分布，最大频数对应的分组是主要的背景噪声出现的区间。在激光脉形测量中，背景噪声主要是示波器和探测器的电噪声，而由光电探测器2探测到的激光光信号对应的时域脉形则为有效信号，叠加在背景噪声之上。在激光脉宽的测量中，只有当激光对应的有效信号高于背景噪声时，脉宽测量才有意义。在时域脉形的统计直方图中，最大频数对应的是出现几率最高的噪声区间，整个背景噪声围绕此噪声呈高斯分布。由于激光对应的有效信号叠加于背景噪声之上，因此，激光有效信号分布在高斯包络的右侧。为便于阐述，将频数直方图中最大频数所对应分组的幅值称为0阶幅值，相对于0阶幅值，直方图横轴正向对应的幅值阶数均为正数，且依次增加，称为正n阶幅值，反之，负向上对应的幅值称为负阶幅值。本发明中，正n阶幅值简称为简称n阶幅值。显然，激光有效信号对应的幅值均为正阶幅值。以图3为例，测量激光的脉宽时，在正阶幅值方向上选取n阶幅值作为阈值，如图3(a)所示。上述的n阶幅值是指n阶分组的上届点和下届点所对应值的平均值。相应地，n阶幅值可在激光时域脉形图上确定一水平阈值线，即n阶阈值线，如图3(b)所示，该阈值线与激光脉冲曲线相交。选取离脉冲峰值点最近的左右两交点t_n，left和t_n，right作为有效测量点，两点之间对应的时间宽度即为激光的n阶脉宽，其大小为

t_n＝t_n，right-t_n，left    (2)

上述n阶脉宽的测量方法可通过计算机编程后，植入到示波器3中，实现n阶脉宽的测量，整个工作流程如图5所示。显然，不同的n阶阈值对应不同的n阶脉宽。需说明是，从理论上来讲，传统定义下的n％脉宽一定可与本发明中所述方法下的某阶脉宽对应，但是建立这种对应关系并无太大实际意义。在实际应用中只需根据系统要求选择合适的阶数幅值，读取脉宽，进行相关应用研究。

本发明提供的基于频数直方图测量脉冲激光全脉宽的方法，具体步骤如下：

(1)按照图4调好光路，利用光电探测器2将脉冲激光的光信号转换为电信号。

(2)电信号传输给植入n阶脉宽测量模块4的示波器3，由示波器3完成激光脉冲时域信息的采集。

(3)n阶脉宽测量模块4对采集的数据进行频数直方图分析，并确定0阶幅值对应的时间坐标t₀。频数直方图的组距可根据实际测量需求，由公式(1)确定。根据测量要求选取n阶幅值，并在t₀两侧寻找近邻t₀的n阶幅值所对应的时间坐标t_n，left和t_n，right，计算得出n阶脉宽值。

(4)n阶脉宽值在示波器3面板显示测量结果。

针对基于频数直方图测量脉冲激光全脉宽的方法，本发明进行了激光脉宽测量实验。实验中，示波器3采用力科Wave Runner 204MXi-A型数字示波器。n阶脉宽测量模块4基于MATLAB编程实现，并植入到WaveRunner 204MXi-A型数字示波器中，实现n阶脉宽的实时测量。被测量脉冲激光器1为808nm半导体激光器，其工作频率为10KHz，用于触发半导体激光器工作的TTL信号的脉宽为10ns，探测器距离激光器40cm，n阶脉宽测量结果如图6所示。图6下方的参数表中，参数P1和P2分别为传统定义的半高宽和10％脉宽，P3到P8是组距为0.0001V的频数直方图下的1阶脉宽到6阶脉宽。由实验结果可以发现，就测量结果中的sdev(标准差)项而言，P2标准差在16ns以上，而P3到P8中最大仅为3.65ns，最小达到1.36ns。由此可见，这种基于频数直方图的n阶脉宽测量数据的离散程度更小，每次测量都更接近于平均值。从max(最大值)和min(最小值)两项中也可再次说明此问题，测量的min值均在20ns左右，可见其并不存在误读噪声脉冲的问题。status(状态)一项也表明，参数P3至P8完全可以正确读取。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于频数直方图测量脉冲激光全脉宽的方法，其特征在于，该方法通过对采集到的激光时域脉形数据进行频数直方图分析，得到基于频数直方图的分布特征，然后基于该分布特征选取n阶幅值作为阈值，并由该阈值在激光时域脉形中确定一平行于X轴的阈值线，该阈值线与脉形曲线相交，存在多个交点，选取位于脉形峰值点两侧且最近邻峰值点的两交点为测量点，此两测量点间对应的时间宽度便是激光的n阶脉宽。

2.根据权利要求1所述的基于频数直方图测量脉冲激光全脉宽的方法，其特征在于，所述激光时域脉形数据是脉冲激光通过光电探测器将光信号转为电信号后由示波器采集到的数据。

3.根据权利要求1所述的基于频数直方图测量脉冲激光全脉宽的方法，其特征在于，所述频数直方图分析是对采集到的数据进行统计分析的一种方法，用于表明在采集的全部数据中不同数据值出现的次数。

4.根据权利要求3所述的基于频数直方图测量脉冲激光全脉宽的方法，其特征在于，所述频数直方图分析具体包括：

首先整理采集到的数据，把相近的值分在同一组里，再统计每组数据的个数，称为频数，然后在横坐标上标出分组点，纵坐标对应为频数，以组距为底边，画出高度为频数的矩形；其中，把全体样本分成的组的个数称为组数，每个小组的两个端点间的距离称为组距，组距R的大小由组数N和全距ΔI(即测量范围)确定

$R=\frac{\mathrm{\ΔI}}{N}---\left(1\right)$

公式(1)中ΔI是激光时域脉冲幅值变化的范围，即最大值与最小值的差值。

5.根据权利要求1所述的基于频数直方图测量脉冲激光全脉宽的方法，其特征在于，所述n阶幅值为n阶分组的上届点和下届点所对应值的平均值，将频数直方图中最大频数所对应分组的幅值称为0阶幅值，相对于0阶幅值，直方图横轴正向对应的幅值阶数均为正数，且依次增加，称为正n阶幅值，简称为n阶幅值，反之，负向上对应的幅值称为负阶幅值。

6.根据权利要求1所述的基于频数直方图测量脉冲激光全脉宽的方法，其特征在于，所述阈值线是由选取的n阶幅值在激光脉形曲线图中所确定的一直线，该直线的纵坐标为固定值，大小为n阶幅值。

7.根据权利要求1所述的基于频数直方图测量脉冲激光全脉宽的方法，其特征在于，所述n阶脉宽是由n阶幅值确定的阈值线与激光脉形曲线交点决定的；在时域脉形的统计直方图中，最大频数对应的是出现几率最高的噪声区间，整个背景噪声围绕此噪声呈高斯分布；测量中，背景噪声主要是示波器和探测器的电噪声，而由光电探测器探测到的激光光信号对应的时域脉形则为有效信号，叠加在背景噪声之上，因此，激光有效信号分布在频数直方图高斯包络的右侧，即激光有效信号对应的幅值均为正阶幅值。

8.根据权利要求7所述的基于频数直方图测量脉冲激光全脉宽的方法，其特征在于，在激光脉宽的测量中，只有当激光对应的有效信号高于背景噪声时，脉宽测量才有意义；测量时，在正阶幅值方向上选取适当的n幅值作为阈值，相应地在激光时域脉形图上确定一水平阈值线，该阈值线与激光脉形曲线相交；选取离脉冲峰值点最近的左右两交点t_n，left和t_n，right作为有效测量点，两点之间对应的时间宽度即为激光的n阶脉宽，其大小为t_n＝t_n，right-t_n，left。

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