一种基于积分电路的脉冲激光功率测量方法与流程

1.本发明涉及脉冲激光功率测量领域，具体涉及一种基于积分电路的脉冲激光功率测量方法。

背景技术：

2.光电探测器具有将光信号转换为电信号的特性，被广泛应用于激光功率的检测中。对于连续的激光信号，光电探测器可按照设定的取样频率对激光功率进行取样监测。而对于脉冲激光信号，通常有两种方式利用光电探测器进行测量：一是直接测量法，即用较高的频率取样，确保在脉宽范围内有足够多的取样点数，每次取样都直接获得该取样时刻的激光信号功率；二是积分计算法，即利用积分电路对脉宽内信号积分，通过回推计算出该脉冲激光信号的平均功率。直接测量法简单方便，但对采样频率要求高，且脉冲激光平均功率测量精度受取样点数影响，在测量低占空比脉冲激光信号时还存在无效数据过多的问题。积分计算法可获取完整的脉冲信号，但信号零点的测量精度直接影响计算结果，通常需要引入同步触发机制。
3.实际应用中，受数据采集设备或传输通道性能的限制，采样频率可能难以满足直接测量法的要求。而在较低采样频率下采用积分计算法进行非合作测量时，由于同步触发机制的缺失，信号零点测量精度较低，会导致计算结果产生较大的误差。

技术实现要素：

4.本发明的目的是解决现有脉冲激光功率测量方法存在测量条件苛刻且测量精度较低的问题，而提供了一种基于积分电路的脉冲激光功率测量方法，适用于数据采样频率较低且无同步触发信号的条件。
5.为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
6.一种基于积分电路的脉冲激光功率测量方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
7.步骤1、搭建rc积分电路对脉冲激光辐照光电探测器产生的电压信号进行信号调理放大并转换为数字电压信号；
8.步骤2、以采样间隔ts对积分电路输出的数字电压信号进行时序采样，根据采样得到的电压幅值大小，初步描绘单次脉冲辐照时间内积分电路输出电压信号幅值变化曲线，标记采样数据中电压幅值最大的采样点为第n个采样点；n为大于等于3的整数；
9.所述采样间隔满足：0《ts《0.5tw，其中tw为待测脉冲宽度；
10.步骤3、计算获取积分电路充电段激光功率值
11.3.1、定义脉冲激光出光零时t
start
为时间轴上的0时刻，则第n-1个采样点对应的时间区域为[t
w-2ts,tw]，其对应的电压幅值为v
n-1
；
[0012]
3.2、将时间区域[t
w-2ts,tw]同样平均划分为m段，则对应区域内m+1个时间点值分别为t
w-2ts+(2ts/m)*j，j＝0,1,2,
…
m，对应的电压幅值均为v
n-1
；m为大于等于1的整数；
[0013]
3.3、将电压信号幅值v
n-1
与m+1个时间点值代入充电段激光功率解析表达式p＝f
(r,c,v,t)，计算得到充电段m+1个时间点值所对应的激光功率值p(j)序列；
[0014]
步骤4、计算获取积分电路放电段激光功率值
[0015]
4.1、根据采样间隔的设置，第n+1个采样点对应的时间区域为[tw,tw+2ts]，其对应的电压幅值为v
n+1
；
[0016]
4.2、将时间区域[tw,tw+2ts]平均划分为m段，对应区域内m+1个时间点值分别为tw+(2ts/m)*j，对应的电压幅值均为v
n+1
；
[0017]
4.3、将电压信号幅值v
n+1
与m+1个时间点值代入放电段激光功率解析表达式p
′
＝g(r,c,v,t)，计算得到放电段m+1个时间点值所对应的激光功率值p
′
(j)序列；
[0018]
步骤5、依次计算充电段与放电段m+1个时间点值所对应的激光功率值之差的绝对值εj＝|p(j)-p
′
(j)|，得到εj最小值对应的j
right
；
[0019]
步骤6、计算待测脉冲激光的功率值
[0020]
利用εj最小值对应的j
right
计算时间点以及其对应的电压幅值，通过激光功率解析表达式，计算待测脉冲激光的功率值。
[0021]
进一步地，步骤6具体为：
[0022]
利用充电段激光功率解析表达式p＝f(r,c,v,t)，计算时间点值为t
w-2ts+(2ts/m)*j
right
，电压幅值为v
n-1
，计算得到待测脉冲激光的功率值p
right
；
[0023]
或者，利用放电段激光功率解析表达式p
′
＝g(r,c,v,t)，计算时间点值为tw+(2ts/m)*j
right
，电压幅值为v
n+1
，计算得到待测脉冲激光的功率值p
′
right
。
[0024]
进一步地，步骤1中，所述光电探测器为单个光电探测器或光电探测器阵列。
[0025]
进一步地，当光电探测器为光电探测器阵列时，每个光电探测器以相同的采样间隔ts对积分电路输出的电压信号进行时序采样。
[0026]
进一步地，光电探测器阵列包括n个光电探测器时，n为大于等于2的整数，步骤5具体为：
[0027]
5.1、依次计算第k个光电探测器的充电段与放电段m+1个时间点值所对应的激光功率值之差的绝对值εj(k)＝|p(j,k)-p
′
(j,k)|，得到εj(k)最小值对应的j
right
(k)序列值，k＝1,2,3,
…
,n；
[0028]
5.2、计算j
right
(k)序列值的平均值作为εj最小值对应的j
right
。
[0029]
进一步地，步骤5中，当εj最小值大于测量装置给定的测量精度时，选择大于m初始取值的数值对时间区域进行重新划分，重复步骤3至步骤5，直至εj最小值满足测量精度。
[0030]
进一步地，步骤3中，m的初始取值为100。
[0031]
与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：
[0032]
1、本发明提供的基于积分电路的脉冲激光功率测量方法，实现了无同步信号条件下利用积分电路对脉冲激光功率的测量，对于非理想方波脉冲信号的测量精度大大优于同样采样频率下的直接测量法，在保留积分计算法完整记录脉冲信号优点的同时克服了常规的积分计算法依赖同步信号的局限性，扩展了积分计算法的应用场景。
[0033]
2、本发明的测量方法适用于采用积分计算法的光电探测器阵列测量脉冲激光光斑功率密度分布的场景，统计各阵列探测器计算出的激光出光时刻并取其平均值，可降低激光出光时刻的计算误差，提高测量精度。
[0034]
3、本发明中采样时刻计算的解析模型适用于其他积分电路采样信号中信号起始点(零点)的判定。
附图说明
[0035]
图1为脉冲激光功率测量的积分电路原理图；
[0036]
图2为典型的积分电路输出电压变化曲线示意图；
[0037]
图3为本发明实施例中采样信号和脉冲信号的时序图；
[0038]
图4为本发明实施例中信号零点未确定时采样点可能所在区域的示意图；
[0039]
图5为本发明实施例中采样信号有效数据段示意图。
具体实施方式
[0040]
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种基于积分电路的脉冲激光功率测量方法作进一步详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
[0041]
本发明的基本原理为：对脉冲激光辐照光电探测器产生的电压信号，首先采用rc积分电路(如图1所示)进行信号调理放大，再利用模拟数字转换器(adc)将其转换为数字信号，对放大后的电压信号进行等间隔采集，最后根据积分电路特性，对脉冲激光平均功率的回推计算。
[0042]
测量过程中形成的电压变化曲线可分为两段(如图2所示)：一是在脉冲激光辐照期间充电段曲线，也称为上升段；二是辐照后放电段曲线，也称为下降段。充电段和放电段均有各自的解析表达式或近似解析表达式。设充电段激光功率值p＝f(r,c,v,t)，放电段激光功率值p
′
＝g(r,c,v,t)，其中t为相对于脉冲激光出光零时t
start
的时刻，v为t时刻积分电路输出的电压信号幅值。通常假设整个脉冲段功率曲线均为方波、三角波或其他形状已知的波形。每种波形对应的曲线函数不同，主要取决于r和c的值。
[0043]
对于一个确定rc参数和波形形状的积分电路，其充电段和放电段解析表达式中的变量均只有两个：取样点的电压值和相对于脉冲激光起始时刻(信号零点t
start
)的取样时刻值。取样点的电压值和取样时刻值可由数据采集直接获得，但在无同步信号时，信号零点值则可能是初始信号点和邻近基线采样点之间的任何时刻(如图3所示)。
[0044]
由积分电路特性可知，若信号零点值取值正确，根据充电段或者放电段中的一个电压v值即可得到激光功率值，同时在充电段和放电段某采样点利用解析表达式回推计算的激光功率值应该是相等的。由此，可在图2的充电段和放电段各取一个已知电压v值采样点后，在该采样点所在的区间内选取若干信号零点值进行回推计算并比较计算结果，出各采样点回推计算结果一致时对应的信号零点取值，即可确定其为信号零点的正确取值。即只要确定信号零点后，无论根据充电段还是放电段的v，即可计算得到激光的功率值。
[0045]
本发明提出的基于积分电路的脉冲激光功率测量方法，具体包括以下步骤：
[0046]
步骤1、搭建rc积分电路对脉冲激光辐照光电探测器产生的电压信号进行信号调理放大；
[0047]
光电探测器为单个光电探测器或光电探测器阵列，光电探测器阵列中的每个探测
器具有相同的采样时序；
[0048]
步骤2、以一定的采样间隔ts对积分电路输出的电压信号进行时序采样，根据采样得到的电压幅值大小，初步描绘单次脉冲辐照时间内积分电路输出电压信号幅值变化曲线(如图3所示)，标记采样数据中电压幅值最大的采样点为第n个采样点，其对应的电压幅值为v
max
；n为大于等于3的整数；
[0049]
待测脉冲宽度为tw，采样间隔0《ts《0.5tw，以此采样间隔进行采样，可以保证脉冲激光辐照期间充电段至少具有3个采样点。
[0050]
图3给出了采样间隔和脉冲信号的时序图，图4和图5分别给出了信号零点未确定时采样点可能所在区域的示意图，可以看出电压幅值v
max
最大的第n个采样点可能位于充电段，也可能位于放电段，由于采样间隔0《ts《0.5tw，可以保证第n-1个采样点一定在充电段，第n+1个采样点一定在放电段。第n-1个采样点对应的时间区域为[t
w-ts,tw+ts]。
[0051]
步骤3、计算获取积分电路充电段激光功率值
[0052]
3.1、假设脉冲激光出光零时t
start
为时间轴上的0时刻，则第n-1个采样点对应的时间区域为[t
w-2ts,tw]，其对应的电压幅值为v
n-1
；
[0053]
3.2、将时间区域[t
w-2ts,tw]同样平均划分为m段，则对应区域内m+1个时间点值分别为t
w-2ts+(2ts/m)*j，j＝0,1,2,
…
m，对应的电压幅值均为v
n-1
；m为大于等于1的整数；
[0054]
3.3、将电压信号幅值v
n-1
与m+1个时间点值代入充电段激光功率解析表达式p＝f(r,c,v,t)，计算得到充电段m+1个时间点值所对应的激光功率值p(j)序列。
[0055]
步骤3、计算获取积分电路放电段激光功率值
[0056]
4.1、根据采样间隔的设置，第n+1个采样点对应的时间区域为[tw,tw+2ts]，其对应的电压幅值为v
n+1
；
[0057]
4.2、将时间区域[tw,tw+2ts]平均划分为m段，对应区域内m+1个时间点值值分别为tw+(2ts/m)*j，对应的电压幅值均为v
n+1
；
[0058]
4.3、将电压信号幅值v
n+1
与m+1个时间点值代入放电段激光功率解析表达式p
′
＝g(r,c,v,t)，计算得到放电段m+1个时间点值所对应的激光功率值p
′
(j)序列。
[0059]
步骤5、依次计算充电段与放电段m+1个时间点值所对应的激光功率值之差的绝对值εj＝|p(j)-p
′
(j)|，得到εj最小值对应的j
right
。
[0060]
根据上述原理，脉冲激光出光零时t
start
确定时，充电段与放电段中任一时刻计算得到激光功率值相等或相差很小，所以当εj最小时，认为脉冲激光出光零时t
start
是确定的，j
right
对应时间点值计算得到的脉冲激光功率值是准确的。
[0061]
步骤6、计算待测脉冲激光的功率值
[0062]
利用充电段激光功率解析表达式p＝f(r,c,v,t)，计算时间点值为t
w-2ts+(2ts/m)*j
right
，电压幅值为v
n-1
，计算得到待测脉冲激光的功率值p
right
；
[0063]
或者，利用放电段激光功率解析表达式p
′
＝g(r,c,v,t)，计算时间点值为tw+(2ts/m)*j
right
，电压幅值为v
n+1
，计算得到待测脉冲激光的功率值p
′
right
。
[0064]
需要注意的是：
[0065]
其一，利用上述脉冲激光功率测量方法，当步骤5中计算得到的εj值大于测量装置给定的测量精度，则选用更高的分划精度(即更大的m值)对时间区域进行重新划分，重复步骤3至步骤5，得到更准确的时间点值计算，以提高测量的待测脉冲激光的功率值的精度。
[0066]
m的取值应兼顾计算精度和效率，通常初始m的初始取值为100。
[0067]
其二，当步骤1中利用光电探测器阵列进行探测光斑时，阵列中每一个探测器具有相同的采样时序，统计所有被激光辐照的探测器，计算得到每一个探测器的采样时刻值εj最小值对应的j
right
，再取所有j
right
的平均值，用于计算激光功率，从而减小计算误差。
[0068]
可将被激光辐照的所有探测器计算出的采样时刻对标到选定的基准探测器后，取其平均值以减小计算误差。
[0069]
下面给出一个具体的实施例：
[0070]
例如：当待测脉冲信号脉宽数为3ms，采样点的采样频率为1khz，即相邻两个数据点之间的时间间隔为1ms，则在脉冲作用的3ms(充电段)时间内至少有3个采样点。
[0071]
标记脉冲作用前后数据段中依时序第一个有信号的数据点为k+1点，则其前一点为k点，后续点依次为k+2，k+3，k+4，
……
。根据信号特征，采样数据峰值点可能为第k+3点或第k+4点。假设脉冲开始时刻为零时，则信号峰值时刻为3ms，则采样数据峰值点不管是第k+3点还是第k+4点，都将在区间[2ms,4ms]的范围内。
[0072]
因采样数据峰值点不能确定是在充电段还是放电段，但其前一点必然在充电段，后一点必然在放电段。假设采样数据峰值点是第k+3点，则取第k+2点为充电段的计算点，其采样时刻对应的区间比采样数据峰值点前移一个采样时间间隔，即1ms，也就是采样时刻可能区间为[1ms，3ms]。设定需求的计算精度为0.1ms，则在该区间内取采样时刻的序列值为：1.0ms、1.1ms、1.2ms、
……
、3.0ms。将该序列值和第k+2点的采样数据值v2代入积分电路充电段激光功率回推解析表达式p(t)＝f(r,c,v,t)，计算得到待测激光功率序列值p。
[0073]
同理，当采样数据峰值点是第k+3点，则取第k+4点为放电段的计算点，利用积分电路放电段激光功率回推解析表达式p
′
(t)＝g(r,c,v,t)，计算得到待测激光功率序列值p
′
。
[0074]
依次计算激光功率序列值p与p
′
之差的绝对值，其中差的绝对值最小的时间点对应的激光功率p或p
′
即为待测激光功率值。
[0075]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的范围。

技术特征：

1.一种基于积分电路的脉冲激光功率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、搭建rc积分电路对脉冲激光辐照光电探测器产生的电压信号进行信号调理放大并转换为数字电压信号；步骤2、以采样间隔t
s
对积分电路输出的数字电压信号进行时序采样，根据采样得到的电压幅值大小，初步描绘单次脉冲辐照时间内积分电路输出电压信号幅值变化曲线，标记采样数据中电压幅值最大的采样点为第n个采样点；n为大于等于3的整数；所述采样间隔满足：0＜t
s
＜0.5t
w
，其中t
w
为待测脉冲宽度；步骤3、计算获取积分电路充电段激光功率值3.1、定义脉冲激光出光零时t
start
为时间轴上的0时刻，则第n-1个采样点对应的时间区域为[t
w-2t
s
，t
w
]，其对应的电压幅值为v
n-1
；3.2、将时间区域[t
w-2t
s
，t
w
]同样平均划分为m段，则对应区域内m+1个时间点值分别为t
w-2t
s
+(2t
s
/m)*j，j＝0，1，2，...m，对应的电压幅值均为v
n-1
；m为大于等于1的整数；3.3、将电压信号幅值v
n-1
与m+1个时间点值代入充电段激光功率解析表达式p＝f(r，c，v，t)，计算得到充电段m+1个时间点值所对应的激光功率值p(j)序列；步骤4、计算获取积分电路放电段激光功率值4.1、根据采样间隔的设置，第n+1个采样点对应的时间区域为[t
w
，t
w
+2t
s
]，其对应的电压幅值为v
n+1
；4.2、将时间区域[t
w
，t
w
+2t
s
]平均划分为m段，对应区域内m+1个时间点值分别为t
w
+(2t
s
/m)*j，对应的电压幅值均为v
n+1
；4.3、将电压信号幅值v
n+1
与m+1个时间点值代入放电段激光功率解析表达式p
′
＝g(r，c，v，t)，计算得到放电段m+1个时间点值所对应的激光功率值p
′
(j)序列；步骤5、依次计算充电段与放电段m+1个时间点值所对应的激光功率值之差的绝对值ε
j
＝|p(j)-p
′
(j)|，得到ε
j
最小值对应的j
right
；步骤6、计算待测脉冲激光的功率值利用ε
j
最小值对应的j
right
计算时间点以及其对应的电压幅值，通过激光功率解析表达式，计算待测脉冲激光的功率值。2.根据权利要求1所述的基于积分电路的脉冲激光功率测量方法，其特征在于，步骤6具体为：利用充电段激光功率解析表达式p＝f(r，c，v，t)，计算时间点值为t
w-2t
s
+(2t
s
/m)*j
right
，电压幅值为v
n-1
，计算得到待测脉冲激光的功率值p
right
；或者，利用放电段激光功率解析表达式p
′
＝g(r，c，v，t)，计算时间点值为t
w
+(2t
s
/m)*j
right
，电压幅值为v
n+1
，计算得到待测脉冲激光的功率值p
′
right
。3.根据权利要求2所述的基于积分电路的脉冲激光功率测量方法，其特征在于：步骤1中，所述光电探测器为单个光电探测器或光电探测器阵列。4.根据权利要求3所述的基于积分电路的脉冲激光功率测量方法，其特征在于：当光电探测器为光电探测器阵列时，每个光电探测器以相同的采样间隔t
s
对积分电路输出的电压信号进行时序采样。5.根据权利要求4所述的基于积分电路的脉冲激光功率测量方法，其特征在于：光电探测器阵列包括n个光电探测器时，n为大于等于2的整数，步骤5具体为：
5.1、依次计算第k个光电探测器的充电段与放电段m+1个时间点值所对应的激光功率值之差的绝对值ε
j
(k)＝|p(j，k)-p
′
(j，k)|，得到ε
j
(k)最小值对应的j
right
(k)序列值，k＝1，2，3，...，n；5.2、计算j
right
(k)序列值的平均值作为ε
j
最小值对应的j
right
。6.根据权利要求1-5任一所述的基于积分电路的脉冲激光功率测量方法，其特征在于：步骤5中，当ε
j
最小值大于测量装置给定的测量精度时，选择大于m初始取值的数值对时间区域进行重新划分，重复步骤3至步骤5，直至ε
j
最小值满足测量精度。7.根据权利要求6所述的基于积分电路的脉冲激光功率测量方法，其特征在于：步骤3中，m的初始取值为100。

技术总结

本发明为解决现有脉冲激光功率测量方法存在测量条件苛刻且测量精度较低的问题，而提供了一种基于积分电路的脉冲激光功率测量方法，适用于数据采样频率较低且无同步触发信号的条件。该测量方法是利用典型RC积分电路对脉冲激光辐照光电探测器产生的电压信号进行信号调理放大，利用模拟数字转换器对放大后的电压信号进行等间隔采样，根据积分电路特性以及激光功率解析表达式回推计算，当回推计算结果满足误差时，可以确定脉冲激光出光零时刻，进一步计算待测脉冲激光功率。一步计算待测脉冲激光功率。