CN1825377A - 脉冲波强度采样同步的高精密校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲波强度采样同步的高精密校准方法，运用时间扫描和多项式逼近法得到精确的脉冲波强度同步采样的触发时序，从而实现强度精密采样的同步控制，有益效果是，更精确地提高了采样结果准确度；而逼近模型和自适应滤波算法模型及重相关值MCV的引入，使得调整方法更加科学和精准。

Description

脉冲波强度采样同步的高精密校准方法

技术领域

本发明属于信号处理领域，尤其涉及工业控制与检测中精确测量脉冲波强度的一种采样同步调整方法。

背景技术

众所周知，在现代工业和信息技术中，脉冲波强度信息的检测与处理要求运用越来越要求精密的检测方法，以使得测量值更接近真实值。精密检测技术是现代工业和信息处理技术的基础，由于控制脉冲波源的触发，与脉冲波源发出脉冲波至测量装置，以及测量装置检测到的该脉冲波电信号间存在延迟时间，因此需要进行采样同步时序的校准。现有技术存在以下问题：

(1)在工业控制与信息获取采样中，环境中存在各种白噪声，在采样过程中存在抖动，这些白噪声和测量抖动会引起的采样误差，为了减小这些白噪声和测量抖动对强度采样的影响，需要对每一个时间点的脉冲波强度采样值进行初步处理。

(2)为了得到每个时间点的脉冲波强度采样值，采用时间扫描方法，对等间隔或不等间隔的每个时间点的强度进行采样。

(3)在脉冲波强度采样过程中，若只使用精确细小时间步长进行时间扫描，则完成该采样同步校准需要很长时间，时间扫描的脉冲波强度采样的效率不高。

(4)因为环境中的振动和温度等变化以及电磁噪声引起一些噪声干扰，为了最大限度地消除或者降低将这些干扰，需要对采样得到的脉冲波强度进行相应滤波处理。

(5)由于采样的时间点不可能无限制细分，不一定刚好在最大脉冲波强度对应的时间点处进行脉冲波强度采样，就需要用精密的逼近模型找到最大脉冲波强度对应的时间点，实现真正的高精度同步。

(6)当通过逼近模型得到的脉冲波强度最大值和实际测量的最大值相差很大时，表明用逼近模型得到的同步时间点不够精密。鉴此，需要用上次逼近模型得到最大脉冲波强度计算本次逼近模型使用的脉冲波强度域值。

(7)如何确定计算得到的同步时间点是否足够满足精密的判断依据。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种脉冲波强度采样同步的高精密校准方法，以使得控制脉冲波源发出脉冲到测量装置和测量装置检测到该脉冲波电信号延迟时间得到精度校准。

针对上述技术问题的技术方案包括：

1)初始化脉冲波源触发信号和脉冲波强度采样触发信号间的时序关系，设置校准参数；

2)用粗扫描时间步长Δt₁做粗略时间扫描，在同一时间点处k次采集脉冲波强度，求取每一各时间点处脉冲波强度的算术平均值，并找到脉冲波强度最大值处对应的扫描时间点t_max，从而确定精扫描时间范围；

3)以Δt₂为精确扫描时间步长，进行精确时间扫描，在同一时间点处进行k次脉冲波强度采样，求取每一各时间点处脉冲波强度的算术平均值，获得完整有效的脉冲波强度信息I_n；

4)确定仪器实际采集到的脉冲波光强度最大值I_{samp_max}和光强度域值I_threshotd，计算自适应滤波算法模型的权值因子w_n；

5)使用多项式模型逼近采样得到的脉冲波强度信息I_n，得到该模型的参数a_m，并用该模型计算得到I_{mod_max}及t_max；

6)根据强度采样最大值I_{samp_max}和逼近求得的强度最大值I_{mod_max}间的差异，确定是含用模型得到的最大强度代替采样得到的最大值，以此来计算域值I_threshold；

7)如果判断结果大于等于偏移范围sr，则转至下一步，否则跳转至第9)步；

8)确定I_{mod_max}代替I_{samp_max}计算I_threshold，计算自适应滤波算法模型的权值因子w_n，跳转至5)步；

9)计算重相关值MCV，以表示逼近程度是否适合；

10)判断重相关值MCV是否大于等于设定值v，若大于等于v，则跳转至12)步，否则执行第11)步；

11)更新调整参数t_r，m，s，h和w_exp的设置，重复1～10的过程；

12)确认Δt_syn＝t_max-t_{pulse_sourse_triger}，并将Δt_syn设置为脉冲波强度采样触发延迟调整时间，从而完成脉冲波强度采样同步校准。

作为对本发明的改进，步骤1所述参数包括t_r，m，s，h和w_exp，初始化步骤以脉冲波源触发信号对应的时间点为基准，将Δt_syn初始化为0，Δt_syn为同步调整时间，再分别初始化粗扫描时间步长为Δt₁，精扫描时间步长为Δt₂。

步骤2中粗时间扫描所确定的精时间扫描范围为t_max-0.5t_r＜t＜t_max+0.5t_r其中t_r表示精时间扫描的长度，t_r为10μs级，它取决于所形成的脉冲波电信号的宽度。

作为对本发明的改进，步骤7中得判断公式为：

主要判断

是否大于或等于sr，若大于或等于sr(sr是所要求的偏离范围)，若大于或等于sr，用I_threshold＝t*I_{mod_max}调整自适应滤波器的权值w_n，再次用多项式逼近算法校准多项式模型参数，并用校准的模型参数计算逼近模型得到最大强度I_{mod_max}及其对应的时间点t_max，实现用更高精度的校准时间点t_max来调整强度同步采样的时间点。

本发明的有益效果是，与现有技术相比，由于采用了粗扫描和精扫描步骤，更精确地提高了结果的准确度；而逼近模型和自适应滤波算法模型及重相关值MCV的引入，使得调整方法更加科学和精准。

附图说明

图1为本发明的脉冲波强度同步采样示意图；

图2为本发明的基本调整流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。

如图1，从上至下依次展现了四个波型，分别是脉冲波强度电脉冲信号，脉冲波强度采样触发信号，脉冲波强度脉冲信号和脉冲波源触发信号四种波形，四个坐标的横坐标单位均为时间t，纵坐标分别为脉冲波强度I，电平信号V_{s_trig}，脉冲波强度IP电平信号V_{p_trig}。脉冲波源触发时间点位横坐标0的时刻，因此本发明所述方法中的所有采样点均是以脉冲波源触发时间为基准的。上述电平信号也可采用电流信号。

以下具体过程结合图2。脉冲波强度采样同步校准的第一步就是初始化脉冲波源触发信号和脉冲波强度采样触发信号间的时序关系，完成校准的参数设置，参数包括之后所要用到的t_r，m，s，h和w_exp，分别表示延迟时间范围精时间扫描的长度，多项式逼近方法的多项式模型中多项式的项数，域值期望逼近系数，截取脉冲波强度有用信息的域值系数和加权指数因子。在脉冲光光强实施例中，可将上述参数设置为：t_r＝30μs，m＝2，s＝0.95，h＝0.6。

脉冲波强度采样触发信号和脉冲波源触发信号的时序关系调整使用时间扫描方法，可以确保采样到整个脉冲波形的强度，获得同步调整控制算法前的准确强度信息。在使用时间扫描方法中，采用粗扫描时间步长Δt₁与精扫描时间步长Δt₂相结合的措施则大幅提高了时间扫描的效率，先用粗时间扫描步长找到脉冲波强度采样触发相对脉冲源发生器的控制触发的延迟时间范围t_r，然后再在该范围内进行精时间步长扫描，获得完整有用的脉冲波强度信息。

首先以脉冲波源触发信号对应的时间点为基准，如图1就是坐标零点，将同步调整时间Δt_syn初始化为0，再分别初始化粗扫描时间步长为Δt₁，精扫描时间步长为Δt₂。

进入粗扫描过程，用粗时间扫描确定精时间扫描的范围。具体为，以粗扫描时间步长Δt₁做粗略时间扫描，在同一时间点处作k次采集脉冲波强度，第n个扫描时间点的强度为I_n，采用足够多的采样样本(k次，k大于10³)，并对这些采样样本进行算术平均，以降低每次强度采样时存在的白噪声和测量抖动引起的误差，提高强度采样的精确度和稳定性。强度I_n的计算方法如下：

$I_n=\frac{1}{k}\underset{p=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{nk}}$

其中，I_nk是第n个扫描时间点上第k次采样到的脉冲波强度，从而求取每一个时间点处脉冲波强度的算术平均值。，然后找到脉冲波强度最大值处对应的扫描时间点t_max，从而就可确定精扫描的时间范围为t_max-0.5t_r＜t＜t_max+0.5t_r。譬如，脉冲波源为0μs，那则以此0μs为基准确定粗扫描的时间点，如粗扫描步长Δt₁为10μs，那么可从第0μs开始作为采样开始时间点，到第60μs结束，则总共有7个时间点，在同一时间点上多次扫描，如在第40μs时作1000次扫描，然后将上述第40μs时作的1000次扫描所采集到的脉冲波强度进行平均，并可从上述7个时间点的采样平均值中找到脉冲强度最大值处对应的扫描时间点，若正好是第40μs，因此就可确定精扫描的时间范围了。

然后进入精扫描阶段，用精时间扫描的得到完整的脉冲波强度信息。在用以上方法确定的精确扫描时间范围t_max-0.5t_r＜t＜t_max+0.5t_r内，以Δt₂为精确扫描时间步长，Δt₂的数量级必然小于Δt₁至少一个数量级，进行精确时间扫描，在同一时间点处进行k次脉冲波强度采样，求取每一各时间点处脉冲波强度的算术平均值，获得完整有效的脉冲波强度信息I_n，计算方法如粗时间扫描相同。如粗时间扫描所举例子，因为已找到第40μs为波强最大值对应时间点，则假设对25μs到55μs进行步长为0.5μs的时间点脉冲强度扫描，当然与粗扫描一样也可以对同一时间点进行多次扫描，然后对25μs到55μs中各时间点的多次采样强度求平均值(步长为0.5μs)，最后获得完整的脉冲波强度信息I_n(n可以是1，2，......)。

扫描时间方法使用完毕，将对采样得到的脉冲波强度进行自适应滤波处理，为进行多项式逼近算法获得更加有用的脉冲波强度信息，自适应滤波算法模型的权值参数(即权值因子)为：

              w_n＝((I_n-I_threshold*s)^w_exp)^1/2

其中I_n是每个时间点上计算得到所采集的强度平均值，w_exp(w_exp＞0，w_exp∈R，R为实数域)是加权指数因子，I_threshold是对应时间点脉冲波强度I_n中最大值I_{samp_max}的h倍，即I_threshold＝h*I_{samp_max}，h是截取脉冲波强度的有用信息的域值系数，0＜h＜1，hR；s是域值期望逼近系数，s∈(0，1)，sR，R为实数域。

在获得权值因子w_n之后，进行自适应滤波，便可使用逼近模型逼近采样强度，其中多项式逼近方法的多项式模型函数为：

$f\left(t_n\right)=a_0+a_1{t}_n+a_2{t}_n^2+...+a_m{t}_n^m$

等式中f(t_n)是被用于逼近采样脉冲波强度所得到模型的脉冲波强度信息，，t_n是以控制脉冲波源形成的触发时刻为0点的相对时间点，所得到逼近模型的参数为a_m，m＞1mN(N为自然数)，用该模型参数可计算逼近模型最大强度I_{mod_max}及其对应的时间点t_max，再根据强度采样最大值和用逼近模型求得的强度最大值间的差异，确定是否用模型得到的最大强度代替采样得到的最大值，以计算I_threshold，判断

是否大于等于sr(sr是偏离范围)，当 $\frac{I_{\mathrm{mod}\_\max }-I_{\mathrm{samp}\_\max }}{I_{\mathrm{mod}\_\max }}\≥\mathrm{sr}$ 时，其中，I_{samp_max}为测量仪器实际采集到的光强度最大值，并非真实的最大值，如图1第一个坐标中所示(因为存在电气延迟)，而I_threshold是域值。用脉冲波强度域值I_threshold＝t*I_{mod_max}调整自适应滤波器的权值w_n，然后再次用多项式逼近算法校准多项式模型参数，并用校准的模型参数计算逼近模型的最大强度I_{mod_max}及其对应的时间点t_max，实现用更高精度的校准时间点t_max来调整强度同步采样的时间点t_syn。典型的多项式逼近的抛物线模型为： $f\left(t_n\right)=a_0+a_1{t}_n+a_2{t}_n^2.$ 虽然经过一次逼近已经在很大程度上提高了采样精度，但为了更精确地获得最后结果，可进行再次逼近。

当确定I_{mod_max}代替I_{samp_max}后，将计算相关值MCV(MCV：MultileCorrelation Value)，目的在于判断逼近的程度，从相关值MCV可以判断逼近模型是否满足逼近要求，公式为：

$\mathrm{MCV}=\frac{\underset{p=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(I_n-f\left(t_n\right))}^2}{\underset{p=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(I_n-\stackrel{\‾}{I})}^2},$

其中 I是对每个时间点的采样计算值的平均值。若MCV≥v(v是所要求的模型逼近程度)(0＜v＜1，vR R为实数域)时，原始强度数据和计算得到的多项式逼近模型间的相关度满足要求，可确认Δt_syn＝t_max-t_{pulse_sourse_trigger}，并将Δt_syn设置为脉冲波强度采样触发延迟调整时间，整个校准过程结束，如图1中第一个坐标所示I_{mod_max}为最大波强度点，对应的时间点为t_max。否则，将更新调整参数t_r，m，s，h和w_exp的设置，重复上述步骤，重新对脉冲波强度进行采样测试，计算同步采样调整时间。

虽然已公开了本发明的优选实施例，但本领域技术人员将会意识到，在不背离权利要求书中公开的本发明的范围的情况下，任何各种修改、添加和替换均属于本发明的保护范围。

Claims (16)

1.一种脉冲波强度采样同步的高精密校准方法，其特征在于包括以下

步骤：

1)初始化脉冲波源触发信号和脉冲波强度采样触发信号间的时序关系，设置校准参数；

2)用粗扫描时间步长Δt₁做粗略时间扫描，在同一时间点处k次采集脉冲波强度，求取每一各时间点处脉冲波强度的算术平均值，并找到脉冲波强度最大值处对应的扫描时间点t_max，从而确定精扫描时间范围t_max-0.5t_r＜t＜t_max+0.5t_r；

3)以Δt₂为精确扫描时间步长，进行精确时间扫描，在同一时间点处进行k次脉冲波强度采样，求取每一个时间点处脉冲波强度的算术平均值，获得完整有效的脉冲波强度信息I_n；

4)确定仪器实际采集到的光强度最大值I_{samp_max}和光强度域值I_threshold，计算自适应滤波算法模型的权值因子w_n；

5)使用多项式模型逼近采样得到的脉冲波强度信息I_n，得到该模型的参数a_m，并用该模型计算得到I_{mod_max}及t_max；

6)根据强度采样最大值I_{samp_max}和逼近求得的强度最大值I_{mod_max}间的差异，确定是否用模型得到的最大强度代替采样得到的最大值，以此来计算域值I_threshold；

7)如果判断结果大于等于偏移范围sr，则转至下一步，否则跳转至第9)步；

8)确定I_{mod_max}代替I_{samp_max}计算I_threshold，计算自适应滤波算法模型的权值因子w_n，跳转至第5)步；

9)计算重相关值MCV，以表示逼近程度是否适合；

10)判断重相关值MCV是否大于等于设定值v，若大于等于v，则跳转至12)步，否则执行第11)步；

11)更新调整参数t_r，m，s，h和w_exp的设置，重复1～10的过程；

12)确认Δt_syn＝t_max-t_{pulse_sourse_trigger}，并将Δt_syn设置为脉冲波强度采样触发延迟调整时间，从而完成脉冲波强度采样同步校准。

2.如权利要求1所述的脉冲波强度采样同步的高精密校准方法，其特征在于，步骤1)中初始化还包括初始化粗时间扫描步长Δt₁和精时间扫描步长Δt₂，同步调整时间Δt_syn 。

3.权利要求1或2所述的脉冲波强度采样同步的高精密校准方法，其特征在于，粗时间扫描所确定的精时间扫描范围为t_max-0.5t_r＜t＜t_max+0.5t_r其中t_r表示精时间扫描的长度。

4.如权利要求3所述的脉冲波强度采样同步的高精密校准方法，其特征在于，所述t_r为10μs级。

5.如权利要求1所述的脉冲波强度采样同步的高精密校准方法，其特征在于，步骤2)及步骤3)中脉冲波强度的算术平均值求取公式为 $I_n=\frac{1}{k}\underset{p=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{nk}}.$

6.如权利要求5所述的脉冲波强度采样同步的高精密校准方法，其特征在于，所述k大于10³。

7.如权利要求1所述的脉冲波强度采样同步的高精密校准方法，其特征在于，步骤4)中所述的自适应滤波算法模型的权值因子公式为 $w_n={\left({(I_n-I_{\mathrm{threshold}}*S)}^{w\_\exp }\right)}^{1/2}.$

8.如权利要求7所述的脉冲波强度采样同步的高精密校准方法，其特征在于，其中I_n是每个时间点上计算得到所采集的强度平均值，w_exp是加权指数因子，w_exp＞0，w_exp∈R，R为实数域，I_threshold是对应时间点脉冲波强度I_n中最大值I_{samp_max}的h倍，即I_threshold＝h*I_{samp_max}，h是截取脉冲波强度的有用信息的域值系数，0＜h＜1，hR；s是域值期望逼近系数，s∈(0，1)，sR，R为实数域。

9.如权利要求1所述的脉冲波强度采样同步的高精密校准方法，其特征在于，步骤5)中所述逼近模型多项式函数为：

$f\left(t_n\right)=a_0+a_1{t}_n+a_2{t}_n^2+...+a_m{t}_n^m.$

10.如权利要求9所述的脉冲波强度采样同步的高精密校准方法，其特征在于，典型的逼近模型为抛物线模型

$f\left(t_n\right)=a_0+a_1{t}_n+a_2{t}_n^2.$

11.如权利要求9或10所述的脉冲波强度采样同步的高精密校准方法，其特征在于，f(t_n)是被用于逼近采样脉冲波强度所得到模型的脉冲波强度信息，t_n是以控制脉冲波源形成的触发时刻为0点的相对时间点，所得到逼近模型的参数为a_m，m＞1 mN，N为自然数。

12.如权利要求1所述的脉冲波强度采样同步的高精密校准方法，其特征在于，步骤7)中判断公式为 $\frac{I_{\mathrm{mod}\_\max }-I_{\mathrm{samp}\_\max }}{I_{\mathrm{mod}\_\max }}\≥\mathrm{sr}$ 或＜sr。

13.如权利要求12所述的脉冲波强度采样同步的高精密校准方法，其特征在于，其中I_{mod_max}为逼近模型算出的最大脉冲强度，I_{samp_max}是测量仪器实际采集得的脉冲强度最大值。

14.如权利要求1所述的脉冲波强度采样同步的高精密校准方法，其特征在于，步骤9)或10)中所述相关值MCV计算公式为：

$\mathrm{MCV}=\frac{\underset{p=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(I_n-f\left(t_n\right))}^2}{\underset{p=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(I_n-\stackrel{\‾}{I})}^2}.$

15.如权利要求1或12所述的脉冲波强度采样同步的高精密校准法，其特征在于，所述偏离范围sr不超过0.03。

16.如权利要求1所述的脉冲波强度采样同步的高精密校准方法，其特征在于，步骤1)所述参数包括t_r，m，s，h和w_exp，分别表示延迟时间范围精时间扫描的长度，多项式逼近方法的多项式模型中多项式的项数，域值期望逼近系数，截取脉冲波强度有用信息的域值系数和加权指数因子。

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