专利名称：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 激光脉冲宽度tn%激光脉冲上升和下降到峰值功率时所对应功率点之间的最大时间宽 度，如
图1(a)所示。显然，半高宽可视为脉宽的一种情况，即1^=501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 Pl至P8的参数对照 表。在图2的测量结果中，Pl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Pl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，Pl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，相当于传统的脉宽的较小时的脉宽。
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η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η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Δ I (即测 量范围)确定
权利要求
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η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η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Δ I (即测量范围)确定 公式(1)中△ I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η阶幅值为η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η阶幅值，简称为η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η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η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η阶脉宽是由η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η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tn,lrft和 tn,right作为有效测量点，两点之间对应的时间宽度即为激光的η阶脉宽，其大小为tn = tn,
全文摘要
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。
文档编号G01J11/00GK102062639SQ201010564589
公开日2011年5月18日 申请日期2010年11月24日 优先权日2010年11月24日
发明者刘育梁, 周燕, 张欣, 王新伟 申请人:中国科学院半导体研究所