CN112016045A - 纳秒级脉冲功率计数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种纳秒级脉冲功率计数据处理方法，解决现有采用波形面积来表征功率数据的处理方法，存在获得功率值精确性较差的问题。该方法包括步骤：1)加载功率计波形数据文件，将波形数据存入一维数组中；2)采用直方图计算方法对一维数组中波形数据进行计数处理，获得功率计的背景值；3)对功率计波形数据进行全局搜索，搜索出功率计最大功率；4)计算最小选取功率，取最小选取功率到最大功率范围内的数据作为有效数据集合，对有效数据集合中的所有数据进行求导处理，计算出波形数据中最大周期值；5)以最大周期值为周期、功率计最大功率为起点遍历搜寻各周期内的最大值；计算各周期最大值的均值，用均值减去背景值表征为功率计的功率值。

Description

纳秒级脉冲功率计数据处理方法

技术领域

本发明涉及功率计数据处理技术，具体涉及一种纳秒级脉冲功率计数据 处理方法。

背景技术

随着科技领域的快速发展，通信传输的种类和方式越来越多，信息传输 的需求量也越来越大。在激光领域中，通常需要功率计来测量光的功率。

纳秒级脉冲功率计是用来测量脉冲激光在某一段时间内平均功率的仪器， 其使用的是检波功率测量方法。

随着纳秒级功率计的使用，如何精准获取到功率计测量的真实功率，就 成为了一大难点。通常情况下纳秒级功率计的功率数值获取是计算功率计从 充电到放电结束这个周期内采集的所有数据，减去背景值后计算出均值，将 其表示功率数据，如图1所示。

在脉冲激光技术的应用中，对于功率值的测量方法，传统的方法为面积 法。假定使用足够快响应的探测器监视激光脉冲，并得到瞬时功率的时域特 性曲线，得到的脉冲波形图如图2所示。

设激光脉冲特性曲线包络以内的面积为A，一个方格子的面积为a，则A 和a计算公式如下：

A＝βQ (1)

a＝βP′t (2)

式中，Q表示激光能量，β为比例系数，P′为每个间隔的瞬时功率，t表示 每个时域的间隔时间；

结合式(1)和式(2)，可得每个间隔的瞬时功率P′：

P′＝(Q·a)/(t·A) (3)

功率值P_M为间隔数n乘以每个间隔的瞬时功率P′，即：

P_M＝n·P′ (4)

因此，

最终，可以通过式(5)获得功率计的功率值P_M。

上述传统波形面积来表征功率数据的处理方法是计算功率计从充电到放 电结束这个周期内数据所形成的函数曲线与横坐标扣除本底后之间的波形面 积，用面积数值的大小表征功率数据的大小。以数据量40M为例，并随机抽取 45个数据作为基础分析数据(功率计系数)，通过计算可得系数的均值、方差 和标准差，如表1所示；将表1中的标准差绘制成折线图，如图3所示。从中 可以看到，传统的数据处理方法处理后数据均值为4.9036，此时传统计算面积 方法获得的功率计数据都围绕在均值上下，但有一部分数据，与均值之间的距 离较远，且最大值和最小值之间的差距比较大，差距为0.17。

表1传统数据处理方法的数据评价

	40M
		均值	4.9036
方差	0.0361
		标准差‰	7.3528

综上可得，采用传统波形面积来表征功率数据的处理方法，存在数据稳 定性较差，数据波动较大，因此获得的功率值存在误差，使得测得数据精确 性较差。

发明内容

为了解决现有采用波形面积来表征功率数据的处理方法，存在获得的功 率值精确性较差的技术问题，本发明提供了一种纳秒级脉冲功率计数据处理 方法。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种纳秒级脉冲功率计数据处理方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)加载功率计波形数据文件，将波形数据存入一维数组中；

2)采用直方图计算方法对一维数组中的波形数据进行计数处理，一维数 组的序号表示功率值，序号对应的数据表示该数据出现的次数，出现次数最多 的序号值即为功率计的背景值；

3)对功率计波形数据进行全局搜索，搜索出最大值，为功率计最大功率；

4)根据下式计算最小选取功率，取最小选取功率到最大功率范围内的数 据作为有效数据集合，对有效数据集合中的所有数据进行一阶求导处理和二阶 求导处理，计算出波形数据中的最大周期值；

p_min＝ap_max

p_max表示最大功率，

p_min表示最小选取功率，

a为阈值，取值范围为0.5～0.8；

5)以最大周期值为周期、功率计最大功率为起点向前向后遍历搜寻各周 期内的最大值，各个周期内的最大值为该周期的峰峰值；再计算各个周期峰峰 值的均值，用均值减去步骤2)中功率计的背景值，表征为功率计的功率值。

进一步地，步骤4)中，有效数据集合P表示如下：

P＝{p₁,p₂,p₃,…,p_n-1,p_n} p_min≤p_n≤p_max；

一阶求导处理具体为：遍历计算有效数据集合P中每个数据点与该数据点 之前A个间隔的数据点差值，定义一个一阶导数数组l_diffnum[]；其中，A为 15～30的整数；当差值小于0，将该数据点的导数数组对应下标的值赋值为0； 当差值大于或等于0时，将该数据点的导数数组对应下标的值赋值为1，并按 数据点的序号依次存入一阶导数数组l_diffnum[]中；

二阶求导处理具体为：遍历一阶导数数组l_diffnum[]，将数组下标紧邻的 两个一阶导数数组值做差，公式表示为：l_diffnum[i+1]-l_diffnum[i]；当差值 小于0时，该数据点为波形函数拐点，计算相邻波形函数拐点的横坐标差值， 横坐标差值的最大值即为最大周期值。

进一步地，步骤5)中，各个周期内的峰峰值搜索范围为 [(X-N*T)-T*0.1,(X-N*T)+T*0.1]；

其中，X表示波形的最大功率，N表示周期数，T表示周期值。

进一步地，步骤4)中，阈值a为0.7。

进一步地，步骤4)中，A为20。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明数据处理方法通过对波形数据进行处理，采用多脉冲峰峰均值 数据来表征功率数值，能够更好的满足纳秒级脉冲信号功率测试的要求；同时， 在对波形数据处理时，为了避免无效数据的干扰，采用直方图计算方法对数据 进行处理，计算出波形数据的背景值，实现过滤掉无效数据；再采用多脉冲峰 峰均值减去功率计的背景值，表征功率计的功率值。相比于传统计算功率方法， 本发明方法数据更稳定，并且与均值之间的标准差更小，更能准确表征功率计 的功率值。

2、本发明在计算多脉冲峰峰均值时，提出一种自适应的数据处理方法， 首先，对波形数据进行一阶和二阶求导处理，计算出周期脉冲数据波形中的周 期值；然后利用脉冲最大周期值和功率计最大功率(最大坐标(X))，对数据进 行遍历搜索，计算出所有脉冲波形的峰峰值数据，进而得到峰峰均值数据，将 峰峰均值数据减去背景数据的结果表征为功率值。

3、为了提高各周期内峰峰值的准确性，本发明各个周期内的峰峰值搜索 范围为[(X-N*T)-T*0.1,(X-N*T)+T*0.1]。

4、本发明为了减少运算量，对波形数据进行筛选，选取计算的有效数据， 减少一部分无效的数据量；优选阈值a的取值为0.7，即选取最大功率的百分 之七十范围内的数据，既减少了计算量，同时又能保证计算结果的准确性。

附图说明

图1是纳秒级功率计数据波形图；

图2是激光脉冲波形图；

图3是传统的数据处理方法功率计系数分布图；

图4是本发明纳秒级脉冲功率计数据处理方法的流程图；

图5是一维数组统计数据示意图；其中，a为数据分布示意图，b为数据 直方图；

图6是本发明纳秒级脉冲功率计数据处理方法中选取有效数据示意图；

图7是本发明纳秒级脉冲功率计数据处理方法中一阶导数计算原理示意 图，其中，a为后点与前点差值大于0且拐点处于该波形的前半段，b为后点 与前点差值大于0且该波形为上升波形，c为后点与前点差值小于0该段波形 为下降波形，d为后点与前点差值小于0且拐点处于该波形的后半段；

图8是本发明纳秒级脉冲功率计数据处理方法中向前、向后搜索各周期 峰峰值示意图；

图9是采用本发明纳秒级脉冲功率计数据处理方法的功率计系数分布图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

如图4所示，一种纳秒级脉冲功率计数据处理方法，包括以下步骤：

步骤一、加载功率计数据文件(.dat文件)；

将功率计数据文件加载到软件中，读取该文件数据，将文件数据逐个存入 定义的一维数组pData[]中；

步骤二、采用直方图计算方法对波形数据进行处理，计算出背景值；

直方图是将数据归入预定义的组，并在每个组内进行计数，也就是说是一 种用来揭示数据分布的统计特性工具，如图5所示，其中，a为数据分布示意 图，根据图a中数据分布，可统计得出数据直方图b。首先预定义一个大小为 4096的一维数组nHistogramCnt[4096]，其次遍历步骤一加载的功率计数据， 数据值就是这个一维数组的序号，该数组的值就是某个数据在这个功率计数据 文件中的数据量，换句话说，就是用一维数组nHistogramCnt[4096]来统计数据 分布的线性直方图。

遍历一维数组nHistogramCnt[4096]，找到数量最多的序号，该序号值就是 功率计的背景值。例如某个波形数据采用直方图计算方法处理后的一维数组计 数表，见下表2，其中下端的序号表示一维数组的下标号，同时也是功率计的 数据值；框格内的数字表示数组内存储的数值，也表示为某个序号(功率计数 值)出现的次数。

表2一维数组计数表

由于功率计的背景值(本底)是在功率计未进行充放电工作时的数值，在 大多数时间周期内，功率计都是在背景值状态下。因此，在未测量时功率计数 据分布最多的序号就是功率计的背景值(本底)。

直方图方法处理功率计数据其实就是直观的表示出功率计数据的分布概 率情况，分布最多的数据，就可以表征为功率计的背景值。

步骤三、对功率计数据进行全局搜索，搜索最大值，最大值即为功率计的 最大功率值p_max；

由于本发明在表征功率计的功率值时，采用的是峰峰值表征方法。因此， 当全局搜索功率计数据文件中所有数据的最大值时，该最大值也是某个周期内 的峰峰值。

步骤四：对波形数据进行二阶求导处理，计算出整个周期脉冲数据波形中 的周期数据点数；具体步骤如下：

4.1)为了减少运算量，首先对波形数据进行筛选，选取计算的有效数据， 减少一部分无效的数据量。本方法是将最大功率值乘以一个阈值a，阈值a的 取值范围为0.5～0.8，即取最大功率的某个范围内的数据作为有效数据集合， 在本实施例方法中，阈值的取值为0.7，也就是选取最大功率的百分之七十范 围内的数据，既减少了计算量，又能保证计算结果的准确性。即最小选取功率 p_min＝ap_max＝0.7p_max；其中，p_max表示最大功率值；筛选出功率计数据小于或等 于最大选取功率，且大于或等于最小选取功率的所有功率计数据，如图6所示， 筛选出的功率计数据即为计算有效数据集合P，集合P表示如下：

P＝{p₁,p₂,p₃,…,p_n-1,p_n} p_min≤p_n≤p_max (6)

其中，p_min≤p_n≤p_max表示有效数据要在最大选取功率和最小选取功率之 间。

4.2)获取到有效计算数据集合后，对这个集合进行一阶求导处理，为了 消除数据点为拐点但不为极值点的情况，。本发明选取以20个数据点作为数据 间隔，遍历计算步骤4.1)中有效计算数据集合，计算每个数据点(集合P中 每个功率计数据)与该点之前20个间隔的数据点的差值；当差值小于0，如图 7中c和d所示，后点的值减去前点的值，差值小于0，则认为该段波形为下 降波形或者是拐点处于该段波形的后半段；当差值不小于0时，如图7中a和 b所示，后点的值减去前点的值，差值大于等于0，则认为该段波形为上升或 者拐点处于这段波形的前半段；此时，定义一个一阶导数数组l_diffnum[]， 当差值小于0时，将后点的导数数组对应下标的值赋值为0，当差值大于或等 于0时，将后点的导数数组对应下标的值赋值为1，并按后点的序号依次存入 一阶导数数组l_diffnum[]中，为下一阶段做准备。

4.3)求取二阶导数，在一阶导数的基础上，找寻下降波形和上升波形的 交界点，这样就可以搜索计算出功率计波形的最大周期值。具体的做法是，遍 历一阶导数数组，将数组下标紧邻的两个一阶导数数组值进行做差，即 l_diffnum[i+1]-l_diffnum[i]，当差值小于0时，证明该点为波形函数拐 点，依照坐标点的移动规律，只有当从图7中的a移动到d时，l_diffnum[i+1] -l_diffnum[i]的差值小于0，则证明拐点出现在a和d之间的位置上。

差值小于0时，该数据点为波形函数拐点，计算相邻波形函数拐点的横坐 标差值，横坐标差值的最大值即为最大周期值。

步骤五、通过最大周期值向前向后遍历搜寻各周期内的最大值，该最大值 即为各自周期的峰峰值，然后计算各个周期峰峰值的均值，将均值减去步骤二 中计算的背景值，计算后的数据即表征为功率计的功率值，具体步骤如下：

5.1)根据最大周期值，以最大周期值为周期、功率计最大功率为起点向 前向后遍历波形数据，为了提高各周期内峰峰值的准确性，各个周期内的峰峰 值搜索范围为[(X-N*T)-T*0.1,(X-N*T)+T*0.1]，找寻到各个周期内的峰峰值， 如图8所示；其中，X表示波形的最大峰峰值(最大功率值)，N表示周期数， T表示周期范围；

5.2)计算所有周期内的峰峰值的平均值

其中N表示共有N个周期，X_i表示每个周期内的峰峰值。

5.3)用步骤5.2)计算的峰峰值平均值减去步骤二计算的背景值(本底) 即可得到功率计的功率值P_M，表达式为：

本发明数据处理方法，在对波形数据处理时，为了避免无效数据的干扰， 采用直方图计算方法对数据进行处理，计算出波形数据的背景值；同时采用多 脉冲峰峰均值数据来表征功率数值，即先求取有效计算数据集合波形各个周期 内的峰峰值，再求得峰峰值均值，最后将峰峰均值减去背景值，获得功率计的 功率值，能够更好的满足纳秒级脉冲信号功率测试的要求。

对本发明方法进行试验验证：

以与背景技术相同数据量40M为例，并随机抽取45个数据作为基础分析 数据(功率计系数)，通过计算可得系数的均值、方差和标准差，如下表3所 示；将表3中的标准差绘制成折线图，如图9所示。从中可以看到，本发明所 提出的数据处理方法，处理后的数据均值为4.8622，此时本发明所提出的计算 峰峰均值方法获得的功率计系数，与均值之间的最大距离相差0.029，最大值 和最小值之间相差0.057。

表3本发明提出的数据处理方法的数据评价

	40M
		均值	4.8622
方差	0.0156
		标准差	3.2135

通过对比表1和表3，图3和图9，可以得出本发明所提出的计算功率方 法相比于传统的计算功率方法，获得的数据较稳定，并且与均值之间的标准差 更小，更能准确的表征功率计的功率值。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案 限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变 形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (5)

1.一种纳秒级脉冲功率计数据处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)加载功率计波形数据文件，将波形数据存入一维数组中；

2)采用直方图计算方法对一维数组中的波形数据进行计数处理，一维数组的序号表示功率值，序号对应的数据表示该数据出现的次数，出现次数最多的序号值即为功率计的背景值；

3)对功率计波形数据进行全局搜索，搜索出最大值，为功率计最大功率；

4)根据下式计算最小选取功率，取最小选取功率到最大功率范围内的数据作为有效数据集合，对有效数据集合中的所有数据进行一阶求导处理和二阶求导处理，计算出波形数据中的最大周期值；

p_min＝ap_max

p_max表示最大功率，

p_min表示最小选取功率，

a为阈值，取值范围为0.5～0.8；

5)以最大周期值为周期、功率计最大功率为起点向前向后遍历搜寻各周期内的最大值，各个周期内的最大值为该周期的峰峰值；再计算各个周期峰峰值的均值，用均值减去步骤2)中功率计的背景值，表征为功率计的功率值。

2.根据权利要求1所述纳秒级脉冲功率计数据处理方法，其特征在于，步骤4)中，有效数据集合P表示如下：

P＝{p₁,p₂,p₃,…,p_n-1,p_n}p_min≤p_n≤p_max；

一阶求导处理具体为：遍历计算有效数据集合P中每个数据点与该数据点之前A个间隔的数据点差值，定义一个一阶导数数组l_diffnum[]；其中，A为15～30的整数；当差值小于0，将该数据点的导数数组对应下标的值赋值为0；当差值大于或等于0时，将该数据点的导数数组对应下标的值赋值为1，并按数据点的序号依次存入一阶导数数组l_diffnum[]中；

二阶求导处理具体为：遍历一阶导数数组l_diffnum[]，将数组下标紧邻的两个一阶导数数组值做差，公式表示为：l_diffnum[i+1]-l_diffnum[i]；当差值小于0时，该数据点为波形函数拐点，计算相邻波形函数拐点的横坐标差值，横坐标差值的最大值即为最大周期值。

3.根据权利要求2所述纳秒级脉冲功率计数据处理方法，其特征在于，步骤5)中，各个周期内的峰峰值搜索范围为[(X-N*T)-T*0.1,(X-N*T)+T*0.1]；

其中，X表示波形的最大功率，N表示周期数，T表示周期值。

4.根据权利要求3所述纳秒级脉冲功率计数据处理方法，其特征在于：步骤4)中，阈值a为0.7。

5.根据权利要求4所述纳秒级脉冲功率计数据处理方法，其特征在于：步骤4)中，A为20。

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