CN104089709B - 一种飞焦级纳秒脉冲激光波形处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种飞焦级纳秒脉冲激光波形处理方法，过标准探测器采集飞焦级标准激光光源输出微焦量级光束能量为10μJ时，不同脉冲宽度的微焦量级光束，得到飞焦级纳秒脉冲激光能量探测装置的系统输入，同时再通过飞焦级纳秒脉冲激光能量探测装置采集飞焦级标准激光光源输出飞焦量级光束能量在要求范围内的，且对应上述脉冲宽度的飞焦量级光束，得到若干个系统输出U，从而得到若干个传递函数，再对这些传递函数对应的各个系数进行平均，得到最终的传递函数G(s)，最后使用G(s)复原待测飞焦级脉冲激光光源波形。有效地解决了因飞焦级纳秒脉冲激光能量探测装置传递函数未知而造成的时域波形曲线畸变，而导致的能量等参数测量不准确的问题。

Description

一种飞焦级纳秒脉冲激光波形处理方法

技术领域

本发明属于光学计量技术领域，主要涉及一种激光波形处理方法，尤其涉及一种飞焦级纳秒脉冲激光能量探测装置输出信号的波形处理方法。

背景技术

激光制导武器的激光照射器发射的激光照射到目标，反射回来的回波信号波长为1.064μm，能量仅有几飞焦(fJ)到几百飞焦，脉宽为十纳秒左右到几百纳秒不等，中国专利申请《飞焦级纳秒脉冲激光能量探测装置》(受理号201310382954.9)解决了波长为1.064μm、能量在为1fJ～1pJ、脉宽为5ns～1μs的飞焦级脉冲激光光源的能量探测问题，但该装置输出信号的波形相对真实信号的波形而言存在一定程度的畸变；传统处理中，直接用该输出波形进行计算，使得计算得到的能量、峰值功率等数据存在一定的偏差，若通过传统的信号重构理论，仅利用信号本身的数据进行修正和补偿，则未考虑探测装置本身带来的影响，难以保证准确微弱信号的准确处理。

发明内容

要解决的技术问题

本发明主要解决的技术问题是，飞焦级纳秒脉冲激光能量探测装置输出波形畸变，从而导致对相应光源的能量、峰值功率测量不准确的问题。为此本发明提供一种飞焦级纳秒脉冲激光波形处理方法，以保证波长为1064nm、能量在1fJ～500fJ之内、脉宽在5ns～1μs激光光源能量和峰值功率的准确计算。

技术方案

本发明的技术方案为：

所述一种飞焦级纳秒脉冲激光波形处理方法，其特征在于：采用以下步骤：

步骤1：测量相关输出：

采用飞焦级标准激光光源输出两束脉冲激光，分为微焦量级光束和飞焦量级光束；调节飞焦级标准激光光源，使微焦量级光束能量选择为10μJ，脉冲宽度选择K个值D_i，i＝1,2,…，K，飞焦级标准激光光源按照选择的能量和脉冲宽度分别输出微焦量级脉冲激光，并采用标准探测器接收K种输出的微焦量级脉冲激光，标准探测器输出K种探测的电压数据，并采用多项式拟合方法拟合标准探测器输出的K种电压数据，得到拟合结果r(t_i)，r(t_i)为飞焦级标准激光光源在脉冲宽度为D_i时的原始输入波形时域表达式，并对拟合结果r(t_i)进行拉普拉斯变换得到R(s_i)，R(s_i)为飞焦级标准激光光源在脉冲宽度为D_i时的原始输入波形频域表达式；

调节飞焦级标准激光光源内的标准衰减器，使飞焦级标准激光光源输出的飞焦量级光束能量选择H个值J_j，j＝1,2,…，H,对于每个能量选择值，进行以下过程：

飞焦量级光束能量为第j个选择值，脉冲宽度选择K个值D_i，i＝1,2,…，K，飞焦级标准激光光源按照选择分别输出飞焦量级脉冲激光，并采用飞焦级纳秒脉冲激光能量探测装置接收K种输出的脉冲激光，飞焦级纳秒脉冲激光能量探测装置输出K种探测的电压数据，并采用多项式拟合方法拟合飞焦级纳秒脉冲激光能量探测装置输出的K种电压数据，得到拟合结果u(t_{i_j}),u(t_{i_j})为飞焦级标准激光光源输出的飞焦量级脉冲激光能量为J_j、脉冲宽度为D_i时，经过飞焦级纳秒脉冲激光能量探测装置后输出波形的时域表达式，并对拟合结果u(t_{i_j})进行拉普拉斯变换得到U(s_{i_j})；U(s_{i_j})为飞焦级标准激光光源输出的飞焦量级脉冲激光能量为J_j、脉冲宽度为D_i时，经过飞焦级纳秒脉冲激光能量探测装置后输出波形的频域表达式；

步骤2：计算传递函数：

对于飞焦级标准激光光源的每个脉冲宽度值，进行以下过程：

若脉冲宽度为第i个选择值D_i，则以R(s_i)为系统输入，以U(s_{i_j})，j＝1,2,…，H，为系统输出，通过公式G_{i_j}(s)＝U(s_{i_j})/R(s_i)得到脉冲宽度D_i下的H个能量值对应的传递函数G_{i_j}(s)；

取飞焦级纳秒脉冲激光能量探测装置的传递函数为

G(s)＝c_m·s^m+c_m-1·s^m-1+……+c₁·s+c₀

其中s为频率，c_m为所有K*H个传递函数G_{i_j}(s)中的s^m项系数的平均值，c_m-1为所有K*H个传递函数G_{i_j}(s)中的s^m-1项系数的平均值,c₁为所有K*H个传递函数G_{i_j}(s)中的s项系数的平均值,c₀为所有K*H个传递函数G_{i_j}(s)中的常数项的平均值，m为多项式拟合时选择的最高次数；

步骤3：波形复原：

利用飞焦级纳秒脉冲激光能量探测装置接收待测飞焦级标准激光光源输出的飞焦级脉冲激光，得到电压数据，并采用多项式拟合方法拟合电压数据，得到拟合结果u(t_a)，并对拟合结果进行拉普拉斯变换得到U(s_a)，利用公式R(s_a)＝U(s_a)/G(s)得到输入R(s_a)，再对R(s_a)进行反拉普拉斯变换得到r(t_a),r(t_a)即为待测飞焦级标准激光光源输出的脉冲激光的波形。

进一步的优选方案，所述一种飞焦级纳秒脉冲激光波形处理方法，其特征在于：K不小于3。

进一步的优选方案，所述一种飞焦级纳秒脉冲激光波形处理方法，其特征在于：H不小于2。

进一步的优选方案，所述一种飞焦级纳秒脉冲激光波形处理方法，其特征在于：飞焦级标准激光光源能量的选择值J_j均包含于区间[1fJ,500fJ]。

进一步的优选方案，所述一种飞焦级纳秒脉冲激光波形处理方法，其特征在于：飞焦级标准激光光源能量的选择值J_j包括1fJ和500fJ。

进一步的优选方案，所述一种飞焦级纳秒脉冲激光波形处理方法，其特征在于：飞焦级标准激光光源脉冲宽度的选择值D_i均包含于区间[5ns,200ns]。

进一步的优选方案，所述一种飞焦级纳秒脉冲激光波形处理方法，其特征在于：飞焦级标准激光光源脉冲宽度的选择值D_i包括5ns。

进一步的优选方案，所述一种飞焦级纳秒脉冲激光波形处理方法，其特征在于：标准探测器采用Si-PIN探测器。

有益效果

本发明通过标准探测器采集飞焦级标准激光光源输出微焦量级光束能量为10μJ时，不同脉冲宽度的微焦量级光束，得到飞焦级纳秒脉冲激光能量探测装置的系统输入R(s_i)，同时再通过飞焦级纳秒脉冲激光能量探测装置采集飞焦级标准激光光源输出飞焦量级光束能量在要求范围内的，且对应上述脉冲宽度的飞焦量级光束，得到若干个系统输出U(s_{i_j})，从而得到若干个传递函数G_{i_j}(s)，再对这些传递函数G_{i_j}(s)对应的各个系数进行平均，得到最终的传递函数G(s)，最后使用G(s)复原待测飞焦级脉冲激光光源波形。

附图说明

图1：飞焦级纳秒脉冲激光波形处理装置框图。

图2：实施例中的方法流程图。

图3：飞焦级标准激光光源结构框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

如图1，本发明的优选实施例包括飞焦级标准激光光源1(以下简称光源1)、待测飞焦级脉冲激光光源2(以下简称光源2)、标准探测器、飞焦级纳秒脉冲激光能量探测装置(以下简称探测装置)(详见专利《飞焦级纳秒脉冲激光能量探测装置》，受理号201310382954.9)和一台装有飞焦级纳秒脉冲激光波形处理模块的具有存储功能的计算机。

光源1的波长为1064nm，脉冲宽度在5ns～1μs内连续可调，同时输出微焦级纳秒脉冲激光光束c和飞焦级纳秒脉冲激光光束d，光束c能量在2μJ～16μJ内可调，光束d能量在1fJ～10μJ内连续可调。探测装置是由PMT探测器组成的探测模块，PMT为Hamamatsu公司的R5108型PMT；标准探测器为Si-PIN探测器，本发明采用OSI公司的SPOT-5-YAG型Si-PIN。探测装置探测光源1发出的飞焦级纳秒脉冲激光光束d，输出带有畸变的脉冲电压信号存储在计算机中；同时标准探测器探测光源1发出的微焦级纳秒脉冲激光光束c，输出脉冲电压信号存储在计算机3中。光源2输出飞焦级纳秒脉冲激光，波长为1064nm、脉冲宽度在10ns～100ns内，能量为10fJ～500fJ。

如图3，标准激光光源3输出的光束a能量在4μJ～32μJ内连续可调，脉冲宽度在5ns～200ns内连续可调；标准分束器是经过校准的分束比为1:1的分束器；标准衰减器是经过校准的衰减倍数可调的衰减器；光束a经过标准分束器后，被分束器分为光束b和光束c，光束b经过标准衰减器后得到光束d。光束c能量在2μJ～16μJ内可调，光束d能量在1fJ～10μJ内连续可调。

具体的步骤如下：

步骤1：测量相关输出：

标准激光光源3能量选择20μJ，脉冲宽度选择K个值D_i，i＝1,2,…，K，K不小于3。则光束c能量为10μJ、脉宽为D_i。并用Si-PIN探测器接收光源1输出的光束c,Si-PIN探测器输出探测的电压数据，并采用多项式拟合法分别拟合Si-PIN探测器输出的电压数据，得到的拟合结果r(t_i)(t_i为时间，0～+∞)，本发明中所用多项式拟合法具体如下：

假设给定电压数据点(x_l,y_l)(l＝0,1,2,…,q)，Φ为所有次数不超过n(n≤q)的多项式构成的函数类，现求一使得

当拟合函数为多项式时，称为多项式拟合，满足式(1)的p_n(x)称为最小二乘拟合多项式。特别地，当n＝1时，称为线性拟合或直线拟合。

显然为e₀,e₁,…e_n的多元函数，因此上述问题即为求V＝V(h₀,h₁,...h_n)的极值问题。由多元函数求极值的必要条件，得

即

(3)是关于a₀,a₁,…a_n的线性方程组，用矩阵表示为：

式(3)或式(4)称为正规方程组或法方程组，从式(4)中解出h_k(k＝0,1,…，n)，从而可得多项式

式(5)中的p_n(x)满足式(1),即p_n(x)为所求的拟合多项式。

r(t_i)即为光源1在脉冲宽度为D_i时的原始输入波形时域表达式，并对r(t_i)进行拉普拉斯变换得到光源1在脉冲宽度为D_i时的原始输入波形频域表达式R(s_i)。脉冲宽度的选择值均包含于区间[5ns,200ns]。

本实施例中，标准激光光源3能量选择为20μJ时，脉冲宽度选择3个值，分别为5ns、100ns、200ns。相应的输出能量为10μJ、脉宽分别为5ns、100ns或200ns的光束c，并用Si-PIN探测器依次接收3种输出的光束c，Si-PIN探测器依次输出3组探测的电压数据，并采用上述多项式拟合方法依次拟合Si-PIN探测器输出的3组电压数据，得到拟合结果r(t₁)、r(t₂)、r(t₃)，该拟合结果就是标准激光光源3在能量为20μJ、脉冲宽度分别为5ns、100ns、200ns时原始输入波形时域表达式，对r(t₁)、r(t₂)、r(t₃)依次进行拉普拉斯变换得到R(s₁)，R(s₂)，R(s₃)。

标准激光光源3能量选择20μJ时，再调节标准衰减器使光束d随机选择H个能量值J_j，j＝1,2,…，H,H不小于2，且此时光束d能量的选择值均包含于区间[1fJ,500fJ]。对于每个能量选择值，进行以下过程：

标准激光光源3脉冲宽度调节为D_i，i＝1,2,…，K，光束d能量调节为第j个选择值J_j。光束d按照选择依次输出能量为J_j的K种脉冲宽度的脉冲激光，并采用探测装置接收光束d依次输出的脉冲激光，探测装置依次输出K种探测的电压数据，并采用上述多项式拟合方法依次拟合探测装置输出的K种电压数据，得到拟合结果u(t_{i_j}),即为光源1输出的能量为J_j、脉冲宽度为D_i的飞焦量级脉冲激光经过探测装置后的系统输出波形时域表达式，并对拟合结果进行拉普拉斯变换得到光源1输出的能量为J_j、脉冲宽度为D_i的飞焦量级脉冲激光经过探测装置2后的系统输出波形频域表达式U(s_{i_j})；

本实施例中光束d能量选择2个值，分别为1fJ和500fJ。即J₁＝1fJ；J₂＝500fJ。

对于每个能量选择值，脉冲宽度D_i,i＝1，2，3、即D₁＝5ns、D₂＝100ns、D₃＝200ns。光束d按照能量J₁＝1fJ、J₂＝500fJ；脉冲宽度D₁＝5ns、D₂＝100ns、D₃＝200ns依次输出脉冲激光，并采用探测装置依次接收6种输出的脉冲激光，探测装置输出6种探测的电压数据，并采用上述多项式拟合方法拟合探测装置输出的6种电压数据，得到拟合结果u(t_{1_1})、u(t_{2_1})、u(t_{3_1})、u(t_{1_2})、u(t_{2_2})、u(t_{3_2}),并对拟合结果进行拉普拉斯变换得到U(s_{1_1})、U(s_{2_1})、U(s_{3_1})、U(s_{1_2})、U(s_{2_2})、U(s_{3_2})。

步骤2：计算传递函数：

对于每个脉冲宽度值，进行以下过程：

在标准激光光源3能量为20μJ时，若脉冲宽度为第i个选择值D_i，则以R(s_i)为系统输入，光束d能量值为J_j(且J_j包含于区间[1fJ,500fJ])，脉冲宽度为D_i，以U(s_{i_j})，j＝1,2,…，H，为系统输出，通过传递函数公式G_{i_j}(s)＝U(s_{i_j})/R(s_i)得到脉冲宽度D_i下的H个能量值对应的传递函数G_{i_j}(s)；

相应的，本实施例中一共得到6种G_{i_j}(s)。

取探测装置2的传递函数为

G(s)＝c_m·s^m+c_m-1·s^m-1+……+c₁·s+c₀

其中s为频率，c_m为所有6个传递函数G_{i_j}(s)中的s^m项系数的平均值，c_m-1为所有6个传递函数G_{i_j}(s)中的s^m-1项系数的平均值,c₁为所有6个传递函数G_{i_j}(s)中的s项系数的平均值，c₀为所有6个传递函数G_{i_j}(s)中的常数项的平均值，m为多项式拟合时选择的最高次数；

步骤3：波形复原：

得到探测装置传递函数G(s)后，将光源1置换为光源2。

利用探测装置接收光源2输出的飞焦级脉冲激光，得到电压数据，并采用上述多项式拟合方法拟合电压数据，得到拟合结果u(t_a)，并对拟合结果按照上述拉普拉斯变换法进行变换得到U(s_a)，利用公式R(s_a)＝U(s_a)/G(s)得到输入R(s_a)，再对R(s_a)进行反拉普拉斯变换得到r(t_a),r(t_a)即为光源2输出的脉冲激光的原始波形。

Claims (8)

1.一种飞焦级纳秒脉冲激光波形处理方法，其特征在于：采用以下步骤：

步骤1：测量相关输出：

采用飞焦级标准激光光源输出两束脉冲激光，分为微焦量级光束和飞焦量级光束；调节飞焦级标准激光光源，使微焦量级光束能量选择为10μJ，脉冲宽度选择K个值D_i，i＝1,2,…，K，飞焦级标准激光光源按照选择的能量和脉冲宽度分别输出微焦量级脉冲激光，并采用标准探测器接收K种输出的微焦量级脉冲激光，标准探测器输出K种探测的电压数据，并采用多项式拟合方法拟合标准探测器输出的K种电压数据，得到拟合结果r(t_i)，r(t_i)为飞焦级标准激光光源在脉冲宽度为D_i时的原始输入波形时域表达式，并对拟合结果r(t_i)进行拉普拉斯变换得到R(s_i)，R(s_i)为飞焦级标准激光光源在脉冲宽度为D_i时的原始输入波形频域表达式；

调节飞焦级标准激光光源内的标准衰减器，使飞焦级标准激光光源输出的飞焦量级光束能量选择H个值J_j，j＝1,2,…，H,对于每个能量选择值，进行以下过程：

飞焦量级光束能量为第j个选择值，脉冲宽度选择K个值D_i，i＝1,2,…，K，飞焦级标准激光光源按照选择分别输出飞焦量级脉冲激光，并采用飞焦级纳秒脉冲激光能量探测装置接收K种输出的脉冲激光，飞焦级纳秒脉冲激光能量探测装置输出K种探测的电压数据，并采用多项式拟合方法拟合飞焦级纳秒脉冲激光能量探测装置输出的K种电压数据，得到拟合结果u(t_{i_j}),u(t_{i_j})为飞焦级标准激光光源输出的飞焦量级脉冲激光能量为J_j、脉冲宽度为D_i时，经过飞焦级纳秒脉冲激光能量探测装置后输出波形的时域表达式，并对拟合结果u(t_{i_j})进行拉普拉斯变换得到U(s_{i_j})；U(s_{i_j})为飞焦级标准激光光源输出的飞焦量级脉冲激光能量为J_j、脉冲宽度为D_i时，经过飞焦级纳秒脉冲激光能量探测装置后输出波形的频域表达式；

步骤2：计算传递函数：

对于飞焦级标准激光光源的每个脉冲宽度值，进行以下过程：

若脉冲宽度为第i个选择值D_i，则以R(s_i)为系统输入，以U(s_{i_j})，j＝1,2,…，H，为系统输出，通过公式G_{i_j}(s)＝U(s_{i_j})/R(s_i)得到脉冲宽度D_i下的H个能量值对应的传递函数G_{i_j}(s)；

取飞焦级纳秒脉冲激光能量探测装置的传递函数为

G(s)＝c_m·s^m+c_m-1·s^m-1+……+c₁·s+c₀

其中s为频率，c_m为所有K*H个传递函数G_{i_j}(s)中的s^m项系数的平均值，c_m-1为所有K*H个传递函数G_{i_j}(s)中的s^m-1项系数的平均值,c₁为所有K*H个传递函数G_{i_j}(s)中的s项系数的平均值,c₀为所有K*H个传递函数G_{i_j}(s)中的常数项的平均值，m为多项式拟合时选择的最高次数；

步骤3：波形复原：

利用飞焦级纳秒脉冲激光能量探测装置接收待测飞焦级标准激光光源输出的飞焦级脉冲激光，得到电压数据，并采用多项式拟合方法拟合电压数据，得到拟合结果u(t_a)，并对拟合结果进行拉普拉斯变换得到U(s_a)，利用公式R(s_a)＝U(s_a)/G(s)得到输入R(s_a)，再对R(s_a)进行反拉普拉斯变换得到r(t_a),r(t_a)即为待测飞焦级标准激光光源输出的脉冲激光的波形。

2.根据权利要求1所述一种飞焦级纳秒脉冲激光波形处理方法，其特征在于：K不小于3。

3.根据权利要求1所述一种飞焦级纳秒脉冲激光波形处理方法，其特征在于：H不小于2。

4.根据权利要求1所述一种飞焦级纳秒脉冲激光波形处理方法，其特征在于：飞焦级标准激光光源能量的选择值J_j均包含于区间[1fJ,500fJ]。

5.根据权利要求4所述一种飞焦级纳秒脉冲激光波形处理方法，其特征在于：飞焦级标准激光光源能量的选择值J_j包括1fJ和500fJ。

6.根据权利要求1所述一种飞焦级纳秒脉冲激光波形处理方法，其特征在于：飞焦级标准激光光源脉冲宽度的选择值D_i均包含于区间[5ns,1μs]。

7.根据权利要求6所述一种飞焦级纳秒脉冲激光波形处理方法，其特征在于：飞焦级标准激光光源脉冲宽度的选择值D_i包括5ns。

8.根据权利要求1所述一种飞焦级纳秒脉冲激光波形处理方法，其特征在于：标准探测器采用Si-PIN探测器。