專利名稱：基于頻數(shù)直方圖測量脈沖激光全脈寬的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于頻數(shù)直方圖測量脈沖激光全脈寬的 方法。
背景技術(shù)：
脈沖激光器已廣泛用于工業(yè)激光加工、激光醫(yī)療、激光科研應(yīng)用等領(lǐng)域，其無論是 在民用還是在軍用等方面都存在著巨大的應(yīng)用潛力。而作為脈沖激光基本參數(shù)之一的激 光脈寬在脈沖激光器應(yīng)用中具有重要意義，可用于指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計和運行。目前常用的表征 激光脈寬的參量為激光半高寬，即脈沖激光光強為最大值一半時所對應(yīng)的時間寬度。但是， 由于激光脈沖的時域特性多為高斯型而非方波，即時域脈形存在坡度較小的上升沿和下降 沿，導(dǎo)致脈沖激光的半高寬遠小于全脈寬，從而使半高寬無法準(zhǔn)確反映激光脈寬特性，在某 些應(yīng)用中影響系統(tǒng)的設(shè)計和運行，如在激光雷達技術(shù)中，脈沖激光的全脈寬直接影響系統(tǒng) 的距離分辨率。而在近年來熱點研究的距離選通成像技術(shù)中，回波展寬效應(yīng)導(dǎo)致的頭信號 和尾信號的大小也由激光全脈寬來決定。可見，激光全脈寬的準(zhǔn)確測量對于脈沖激光的廣 泛應(yīng)用具有重要的意義。理論上講，激光全脈寬是由脈沖上升沿的起始零點至下降沿的末端零點之間的時 間間隔決定的。但是，在利用光電探測器將脈沖激光轉(zhuǎn)換為電信號并通過示波器測量的過 程中，由于光電探測器和示波器本身的白噪聲不可避免的疊加在被測激光脈形上，從而導(dǎo) 致脈形邊沿淹沒在噪聲中，無法準(zhǔn)確確定上升沿和下降沿的零點位置，進而無法準(zhǔn)確讀取 全脈寬，尤其是在激光能量較弱的情況下。為此，除激光半高寬的定義外，人們還定義了 激光脈沖寬度tn%激光脈沖上升和下降到峰值功率時所對應(yīng)功率點之間的最大時間寬 度，如

圖1(a)所示。顯然，半高寬可視為脈寬的一種情況，即1^=501這種定義規(guī) 避了邊緣零點難尋的問題，但仍存在不足，主要表現(xiàn)為測量時需首先確定脈沖信號的最大 值和最小值，然而由于噪聲影響和激光峰值功率的波動，最大值和最小值難以準(zhǔn)確確定，如 圖1(b)所示，這將導(dǎo)致脈寬閾值的波動，進而導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差過大，即數(shù)據(jù)較 為離散；當(dāng)背景噪聲較大時，在低百分比的脈寬測量中，示波器易受噪聲的影響而產(chǎn)生誤讀 現(xiàn)象。圖2為傳統(tǒng)定義下脈寬測量的實驗結(jié)果，其中圖2(b)給出了 Pl至P8的參數(shù)對照 表。在圖2的測量結(jié)果中，Pl至P3的status(狀態(tài))項中的嘆號圖標(biāo)表明示波器獲取參 數(shù)時出錯。同樣地，在num(統(tǒng)計次數(shù))項也可發(fā)現(xiàn)此問題，示波器在讀取參數(shù)Pl至P3時 相對于參數(shù)P4至P8存在嚴(yán)重的數(shù)據(jù)丟失問題。以2%脈寬測量為例，在圖2中脈形下方 的虛線表示2%脈寬所對應(yīng)的閾值線，很明顯在圖2中的峰值左右兩側(cè)閾值線未與脈形出 現(xiàn)有效交點，因此示波器無法獲取有效測量值。而測試結(jié)果中的sdev(標(biāo)準(zhǔn)差)項，表征了 多次測量數(shù)值之間的離散程度，測量2%脈寬時，該值達到了 23. 15ns，P2至P7雖然逐漸減 小，但測量P7時仍為4. 17ns。在min (最小值)項中，Pl至P8都出現(xiàn)了遠小于平均脈寬值 的幾ns甚至百ps脈寬值，其原因是，測量時將噪聲誤讀為激光脈沖所致。
綜上所述，傳統(tǒng)的脈寬仍無法滿足激光全脈寬或準(zhǔn)全脈寬(n%值較小時)的 準(zhǔn)確測量，特別是在激光脈形不穩(wěn)定及噪聲較大的情況下。在本發(fā)明中，全脈寬主要是指低 階脈寬，相當(dāng)于傳統(tǒng)的脈寬的較小時的脈寬。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題針對上述傳統(tǒng)激光脈寬測量存在的不足之處，本發(fā)明的主要目的在于提出一種基 于頻數(shù)直方圖測量脈沖激光全脈寬的方法，以達到準(zhǔn)確測量激光全脈寬的目的。( 二 )技術(shù)方案為達到上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下一種基于頻數(shù)直方圖測量脈沖激光全脈寬的方法，該方法通過對采集到的激光時 域脈形數(shù)據(jù)進行頻數(shù)直方圖分析，得到基于頻數(shù)直方圖的分布特征，然后基于該分布特征 選取η階幅值作為閾值，并由該閾值在激光時域脈形中確定一平行于X軸的閾值線，該閾值 線與脈形曲線相交，存在多個交點，選取位于脈形峰值點兩側(cè)且最近鄰峰值點的兩交點為 測量點，此兩測量點間對應(yīng)的時間寬度便是激光的η階脈寬。上述方案中，所述激光時域脈形數(shù)據(jù)是脈沖激光通過光電探測器將光信號轉(zhuǎn)為電 信號后由示波器采集到的數(shù)據(jù)。上述方案中，所述頻數(shù)直方圖分析是對采集到的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析的一種方法， 用于表明在采集的全部數(shù)據(jù)中不同數(shù)據(jù)值出現(xiàn)的次數(shù)。上述方案中，所述頻數(shù)直方圖分析具體包括首先整理采集到的數(shù)據(jù)，把相近的值 分在同一組里，再統(tǒng)計每組數(shù)據(jù)的個數(shù)，稱為頻數(shù)，然后在橫坐標(biāo)上標(biāo)出分組點，縱坐標(biāo)對 應(yīng)為頻數(shù)，以組距為底邊，畫出高度為頻數(shù)的矩形；其中，把全體樣本分成的組的個數(shù)稱為 組數(shù)，每個小組的兩個端點間的距離稱為組距，組距R的大小可由組數(shù)N和全距Δ I (即測 量范圍)確定
權(quán)利要求
1.一種基于頻數(shù)直方圖測量脈沖激光全脈寬的方法，其特征在于，該方法通過對采集 到的激光時域脈形數(shù)據(jù)進行頻數(shù)直方圖分析，得到基于頻數(shù)直方圖的分布特征，然后基于 該分布特征選取η階幅值作為閾值，并由該閾值在激光時域脈形中確定一平行于X軸的閾 值線，該閾值線與脈形曲線相交，存在多個交點，選取位于脈形峰值點兩側(cè)且最近鄰峰值點 的兩交點為測量點，此兩測量點間對應(yīng)的時間寬度便是激光的η階脈寬。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于頻數(shù)直方圖測量脈沖激光全脈寬的方法，其特征在于， 所述激光時域脈形數(shù)據(jù)是脈沖激光通過光電探測器將光信號轉(zhuǎn)為電信號后由示波器采集 到的數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于頻數(shù)直方圖測量脈沖激光全脈寬的方法，其特征在于， 所述頻數(shù)直方圖分析是對采集到的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析的一種方法，用于表明在采集的全部 數(shù)據(jù)中不同數(shù)據(jù)值出現(xiàn)的次數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于頻數(shù)直方圖測量脈沖激光全脈寬的方法，其特征在于， 所述頻數(shù)直方圖分析具體包括首先整理采集到的數(shù)據(jù)，把相近的值分在同一組里，再統(tǒng)計每組數(shù)據(jù)的個數(shù)，稱為頻 數(shù)，然后在橫坐標(biāo)上標(biāo)出分組點，縱坐標(biāo)對應(yīng)為頻數(shù)，以組距為底邊，畫出高度為頻數(shù)的矩 形；其中，把全體樣本分成的組的個數(shù)稱為組數(shù)，每個小組的兩個端點間的距離稱為組距， 組距R的大小由組數(shù)N和全距Δ I (即測量范圍)確定 公式(1)中△ I是激光時域脈沖幅值變化的范圍，即最大值與最小值的差值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于頻數(shù)直方圖測量脈沖激光全脈寬的方法，其特征在于， 所述η階幅值為η階分組的上屆點和下屆點所對應(yīng)值的平均值，將頻數(shù)直方圖中最大頻數(shù) 所對應(yīng)分組的幅值稱為0階幅值，相對于0階幅值，直方圖橫軸正向?qū)?yīng)的幅值階數(shù)均為正 數(shù)，且依次增加，稱為正η階幅值，簡稱為η階幅值，反之，負(fù)向上對應(yīng)的幅值稱為負(fù)階幅值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于頻數(shù)直方圖測量脈沖激光全脈寬的方法，其特征在于， 所述閾值線是由選取的η階幅值在激光脈形曲線圖中所確定的一直線，該直線的縱坐標(biāo)為 固定值，大小為η階幅值。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于頻數(shù)直方圖測量脈沖激光全脈寬的方法，其特征在于， 所述η階脈寬是由η階幅值確定的閾值線與激光脈形曲線交點決定的；在時域脈形的統(tǒng)計 直方圖中，最大頻數(shù)對應(yīng)的是出現(xiàn)幾率最高的噪聲區(qū)間，整個背景噪聲圍繞此噪聲呈高斯 分布；測量中，背景噪聲主要是示波器和探測器的電噪聲，而由光電探測器探測到的激光光 信號對應(yīng)的時域脈形則為有效信號，疊加在背景噪聲之上，因此，激光有效信號分布在頻數(shù) 直方圖高斯包絡(luò)的右側(cè)，即激光有效信號對應(yīng)的幅值均為正階幅值。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于頻數(shù)直方圖測量脈沖激光全脈寬的方法，其特征在于， 在激光脈寬的測量中，只有當(dāng)激光對應(yīng)的有效信號高于背景噪聲時，脈寬測量才有意義；測 量時，在正階幅值方向上選取適當(dāng)?shù)摩欠底鳛殚撝?，相?yīng)地在激光時域脈形圖上確定一 水平閾值線，該閾值線與激光脈形曲線相交；選取離脈沖峰值點最近的左右兩交點tn,lrft和 tn,right作為有效測量點，兩點之間對應(yīng)的時間寬度即為激光的η階脈寬，其大小為tn = tn,
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于頻數(shù)直方圖測量脈沖激光全脈寬的方法，該方法通過對采集到的激光時域脈形數(shù)據(jù)進行頻數(shù)直方圖分析，得到基于頻數(shù)直方圖的分布特征，然后基于該分布特征選取n階幅值作為閾值，并由該閾值在激光時域脈形中確定一平行于X軸的閾值線，該閾值線與脈形曲線相交，存在多個交點，選取位于脈形峰值點兩側(cè)且最近鄰峰值點的兩交點為測量點，此兩測量點間對應(yīng)的時間寬度便是激光的n階脈寬。本發(fā)明適應(yīng)性好，測量有效性高，與傳統(tǒng)的n％脈寬相比可更為準(zhǔn)確地測量激光脈寬。
文檔編號G01J11/00GK102062639SQ201010564589
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月24日
發(fā)明者劉育梁, 周燕, 張欣, 王新偉 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所