一种波形校准方法和装置与流程

本发明涉及脉冲计量领域，尤其涉及一种波形校准方法和装置。

背景技术

脉冲计量领域中的波形校准过程由于信号噪声的存在使其无法直接通过频域相除反卷积的方式获得稳定解，具有不适定性。这种不适定性主要体现在两个方面，一方面，由于客观条件的限制，即给定解的部分已知信息往往是欠定的或者是超定的，这就会导致解是不唯一或者解是不存在的，另一方面，反问题的解对输入数据往往不具有连续依赖性。传统的波形校准求解方法先利用滤波器滤除信号噪声，再进行频域反卷积，但由于噪声的未知性，滤波器带宽无法准确选择，人为尝试具有很大的主观性，不够准确。

技术实现要素：

本发明提供一种波形校准方法和装置，解决现有方法和装置波形校准不准确、校准过程具有不适定性的问题。

一种波形校准方法，包含以下步骤：利用标准波形显示仪器对电脉冲信号进行标定，得到标准脉冲信号；利用待校波形显示仪器对所述标准脉冲信号进行测量，得到测量结果为测得信号，所述测得信号为所述标准脉冲信号与所述待校波形显示仪器的传输特性函数的卷积；根据循环卷积理论，得到关于所述待校波形显示仪器传输特性函数的不适定方程为：

y＝acx

其中，y为所述测得信号，ac为所述标准脉冲信号生成的循环矩阵，x为所述待校波形显示仪器的传输特性函数；根据补偿算子，采用tikhonov正则化方法，对所述不适定方程求最优解，得到最优正则化参数、待校波形显示仪器的校准结果，所述校准结果为所述最优正则化参数对应的所述传输特性函数。

优选地，所述根据补偿算子，采用tikhonov正则化方法，对所述不适定方程求最优解，得到最优正则化参数、待校波形显示仪器的传输特性的校准结果的步骤，进一步包含：根据所述tikhonov正则化方法，得到所述不适定方程的tikhonov泛函为残差二范数的平方加上解二范数的平方乘以正则化参数的平方，对所述不适定方程求最优解等价于对所述tikhonov泛函求最小值，对所述tikhonov泛函求最小值的过程为第一方程：

其中，λ为所述正则化参数，ac为所述标准脉冲信号生成的循环矩阵，x为所述待校波形显示仪器的传输特性函数，y为所述测得信号，l为所述补偿算子，为所述tikhonov泛函，||acx-y||2为所述残差二范数，||lx||2为所述解二范数；根据所述tikhonov正则化方法，所述tikhonov泛函的最小值是第二方程的解：

其中，x(λopt)为所述tikhonov泛函的最小值，λopt为所述最优正则化参数，ac为所述标准脉冲信号生成的循环矩阵，l为所述补偿算子，y为所述测得信号；根据所述第一、第二方程，得到所述残差二范数与所述解二范数随所述正则化参数变化的曲线为l曲线；对所述l曲线的曲率求导，导数为零的位置对应的所述正则化参数为所述最优正则化参数；将所述最优正则化参数代入所述第二方程，得到所述待校波形显示仪器的校准结果。

进一步地，所述补偿算子为二阶差分算子

优选地，所述标准波形显示仪器为示波器，型号为agilent公司的86100c。

优选地，所述待校波形显示仪器为示波器，型号为agilent公司的86117a。

一种波形校准装置，包含：光纤飞秒激光器、光电探测器、待校波形显示仪器；所述光纤飞秒激光器用于产生光脉冲信号、同步触发信号；所述光电探测器用于接收所述光脉冲信号，产生所述电脉冲信号；所述待校波形显示仪器用于接收所述同步触发信号、所述电脉冲信号，对所述电脉冲信号进行测量。

进一步地，所述装置还包含：衰减器；所述衰减器用于接收所述光脉冲信号，衰减后输出给所述光电探测器。

进一步地，所述装置还包含：计算机；所述计算机用于接收所述待校波形显示仪器的测量结果，进行数据处理，并向所述待校波形显示仪器发送控制信号。

优选地，所述光纤飞秒激光器与所述衰减器通过单模保偏光纤连接。

本发明有益效果包括：本发明提供的方法和装置解决了波形校准中存在的不适定问题，所述方法不受噪声未知性的限制，相比于使用滤波器滤除噪声的传统方法，能够客观准确地在时域实现信号的反卷积，获得稳定、唯一的解，有效解决噪声导致的波形校准不适定问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为一种波形校准方法流程实施例；

图2为一种包含正则化过程的波形校准方法流程实施例；

图3为一种波形校准装置实施例；

图4为一种包含衰减器、计算机的波形校准装置实施例。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

自20世纪60年代以来，在信号处理、遥感技术、模式识别、物理生命科学、材料科学、流体力学、工业控制乃至经济决策等众多科学技术领域中，都提出了“由输出反求输入”的问题，通称“数学物理反问题”，绝大多数的反问题都是不适定的，这种不适定性主要体现在两个方面，一方面，由于客观条件的限制，反问题中的输入数据，即给定解的部分已知信息往往是欠定的或者是超定的，这就会导致解是不唯一或者解是不存在的，另一方面，反问题的解对输入数据往往不具有连续依赖性，针对输入数据中不可避免的测量误差，必须提出由扰动数据求反问题在一定意义下近似稳定解的方法。

以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。

图1为一种波形校准方法流程实施例，本发明实施例提供一种波形校准方法流程，包含以下步骤：

步骤101，利用标准波形显示仪器对电脉冲信号进行标定，得到标准脉冲信号。

在步骤101中，所述电脉冲信号是已知信号，用于对所述标准波形显示仪器进行标定。

需要说明的是，所述标准波形显示仪器可以为示波器，可以是脉冲信号发生器，也可以是其他时域波形显示仪器，这里不做特别限定。例如，所述标准波形显示仪器为示波器，型号为agilent公司的86100c或86118模块，工作频率70ghz，所述电脉冲信号标定后的结果为3db带宽为70.81ghz。

步骤102，利用待校波形显示仪器对所述标准脉冲信号进行测量，得到测量结果为测得信号，所述测得信号为所述标准脉冲信号与所述待校波形显示仪器的传输特性函数的卷积。

在步骤102中，需说明的是，所述待校波形显示仪器可以是示波器，可以是脉冲信号发生器，也可以是其他时域波形显示仪器，这里不做特别限定。例如，所述待校波形显示仪器为示波器，型号为agilent公司的86117a，工作频率50ghz，对所述电脉冲信号的测量结果为3db带宽为60.55ghz。

在步骤102中，所述测得信号为所述标准脉冲信号与所述待校波形显示仪器的传输特性函数的卷积，因此所述待校波形显示仪器的传输特性函数为所述测得信号和所述标准脉冲信号的反卷积。

步骤103，根据循环卷积理论，得到关于所述待校波形显示仪器传输特性函数的不适定方程为：

y＝acx(1)

其中，y为所述测得信号，ac为所述标准脉冲信号生成的循环矩阵，x为所述待校波形显示仪器的传输特性函数。

在步骤103中，所述待校波形显示仪器的传输特性函数为列向量，所述测得信号为列向量。

步骤104，根据补偿算子，采用tikhonov正则化方法，对所述不适定方程求最优解，得到最优正则化参数、待校波形显示仪器的校准结果，所述校准结果为所述最优正则化参数对应的所述传输特性函数。

进一步地，所述补偿算子为二阶差分算子采用tikhonov正则化方法，得到最优正则化参数为595.20，所述校准结果为3db带宽58.27ghz。

本发明实施例提供的方法利用正则化方法解决波形校准不适定问题，所述方法不受噪声未知性的限制，可以在时域实现信号的反卷积，获得稳定、唯一的解，可广泛用于图像分类、图像分割、图像生成、边缘检测等需要反卷积的领域。

图2为一种包含正则化过程的波形校准方法流程实施例，本发明实施例提供的校准方法流程包含正则化过程，具体包含以下步骤：

步骤101，利用标准波形显示仪器对电脉冲信号进行标定，得到标准脉冲信号。

步骤102，利用待校波形显示仪器对所述标准脉冲信号进行测量，得到测量结果为测得信号，所述测得信号为所述标准脉冲信号与所述待校波形显示仪器的传输特性函数的卷积。

步骤103，根据循环卷积理论，得到关于所述待校波形显示仪器传输特性函数的不适定方程为：

y＝acx

其中，y为所述测得信号，ac为所述标准脉冲信号生成的循环矩阵，x为所述待校波形显示仪器的传输特性函数。

步骤105，根据所述tikhonov正则化方法，得到所述不适定方程的tikhonov泛函为残差二范数的平方加上解二范数的平方乘以正则化参数的平方，对所述不适定方程求最优解等价于对所述tikhonov泛函求最小值，对所述tikhonov泛函求最小值的过程为第一方程：

其中，λ为所述正则化参数，ac为所述标准脉冲信号生成的循环矩阵，x为所述待校波形显示仪器的传输特性函数，y为所述测得信号，l为所述补偿算子，为所述tikhonov泛函，||acx-y||2为所述残差二范数，||lx||2为所述解二范数。

需要说明的是，本发明实施例中补偿算子为二阶差分算子也可以选用其他补偿算子，这里不做特别限定。

步骤106，根据所述tikhonov正则化方法，所述tikhonov泛函的最小值是第二方程的解：

其中，x(λopt)为所述tikhonov泛函的最小值，λopt为所述最优正则化参数，ac为所述标准脉冲信号生成的循环矩阵，l为所述补偿算子，y为所述测得信号。

步骤107，根据所述第一、第二方程，得到所述残差二范数与所述解二范数随所述正则化参数变化的曲线为l曲线。

步骤108，对所述l曲线的曲率求导，导数为零的位置对应的所述正则化参数为所述最优正则化参数。

在步骤108种，对所述l曲线的曲率求导，导数为零的位置即为曲线的最大曲率位置，此处，所述残差二范数与所述解二范数的和最小，对应的正则化参数即为所述最优正则化参数。

步骤109，将所述最优正则化参数代入所述第二方程，得到所述待校波形显示仪器的校准结果。

在步骤109中，将所述最优正则化参数带入所述第二方程的方程式右边，可以得到所述待校波形显示仪器的校准结果，即所述待校波形显示仪器的时域传输特性。

本发明实施例提供的方法解决了波形校准中存在的不适定问题，所述方法不受噪声未知性的限制，相比于使用滤波器滤除噪声的传统方法，能够客观准确地在时域实现信号的反卷积，获得稳定、唯一的解，有效解决噪声导致的波形校准不适定问题。

图3为一种波形校准装置实施例，本发明实施例提供一种波形校准装置，包含：光纤飞秒激光器1、光电探测器2、待校波形显示仪器3。

所述光纤飞秒激光器用于产生光脉冲信号、同步触发信号；所述光电探测器用于接收所述光脉冲信号，产生所述电脉冲信号；所述待校波形显示仪器用于接收所述同步触发信号、所述电脉冲信号，对所述电脉冲信号进行测量。

本发明实施例提供的装置，应用于波形校准方法，可以产生高频率的电脉冲信号，能够对工作频率较高的待校波形显示仪器实现波形校准，有效解决噪声导致的波形校准不适定问题。

图4为一种包含衰减器、计算机的波形校准装置实施例，本发明实施例提供的装置包含衰减器和计算机，所述装置包含：光纤飞秒激光器1、光电探测器2、待校波形显示仪器3、衰减器4、计算机5。

所述光纤飞秒激光器用于产生光脉冲信号、同步触发信号；所述衰减器用于接收所述光脉冲信号，衰减后输出给所述光电探测器；所述光电探测器用于接收所述衰减后的光脉冲信号，产生所述电脉冲信号；所述待校波形显示仪器用于接收所述同步触发信号、所述电脉冲信号，对所述电脉冲信号进行测量；所述计算机用于接收所述待校波形显示仪器的测量结果，进行数据处理，并向所述待校波形显示仪器发送控制信号。

优选地，所述光纤飞秒激光器与所述衰减器通过单模保偏光纤连接。

需要说明的是，利用一个衰减器对飞秒激光器的输出信号进行衰减，有效的防止输出信号功率过大的问题。

还需说明的是，所述计算机可以对所述待校波形显示仪器输出的信号进行数据采集和数据处理，还可对所述待校波形显示仪器发送控制信号，控制所述待校波形显示仪器的工作状态。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。