Способ определения постоянной времени фотоприемника и устройство для его осуществления

Способ определения постоянной времени фотоприемника и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения постоянной времени фотоприемников Цель изобретения - повышение точности измерений постоянной времени фотоприемников. Для определения постоянной времени фотоприемника на его вход подают импульсный сигнал, измеряют форму сигнала-отклика определяют его максимальное значение, а также значение его и его производной в точке перед максимумом сигнала-отклика, преобразуют входной импульсный сигнал по нелинейному квадратичному преобразованию, подают на вход фотоприемника, измеряют форму сигнала-отклика, а также значение его и его производной в той же временной точке от максимума что и для непреобразованного сигнала,а постоянную времени фотоприемника определяют по формуле, приведенной в описании изобретения . 2 с.и 1 з.п. ф-лы, 3 ил. ff е

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ И СТИЧ Е СКИХ

РЕСПУБЛИК (5!)5 G 04 F 10/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4454539/21 (22) 05.07.88 (46) 15,04.91. Бюл, N 14 (71) Научно-исследовательский институт прикладных физических проблем им,А.Н.Севченко (72) Е.С,Воропай, С.Н.Гусенков, В.Н,Кудинов, В.А.Свечников и П.А.Торпачев, (53) 621.317(088.8) (56) Доссон Н,И;, Казарин Л.Н., Смолин О,В, Определение переходной функции фотоприемника по его импульсному фотоответу.—

В кн.: Импульсная фотометрия. Л.: Машиностроение, 1975, с. 191-196. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОСТОЯННОЙ ВРЕМЕНИ ФОТОПРИЕМНИКА И YCTP0ACTBO PftH ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения переходной характеристики фотоприемника, в частности постоянной времени; в лазерной кинетической спектроскопии.

Целью изобретения является повышение точности измерений постоянной времени фотоприемника.

На фиг.1 представлены результаты измерений передней части импульса второй гармоники моноимпульсного лазера на стекле с неодимом (кривые Н, IV) и передней части импульса основной частоты того же лазера (кривые I,ÈI); на фиг.2 — структурная схема устройства для осуществления предлагае.Ы2, 1642442 А1 определения постоянной времени фотоприемников, Цель изобретения — повышение точности измерений постоянной времени фотоприемников. Для определения постоянной времени фотоприемника на его вход подают импульсный сигнал, измеряют форму сигнала-отклика, определяют его максимальное значение, а также значение

его и его производной в точке перед максимумом сигнала-отклика, преобразуют входной импульсный сигнал по нелинейному квадратичному преобразованию, подают на вход фотоприемника, измеряют форму сигнала-отклика, а также значение его и его производной в той же временной точке от максимума, что и. для непреобразованного сигнала, а постоянную времени фотоприемника определяют по формуле, приведенной в описании изобретения. 2 с.и 1 з.п. ф-лы, 3 ил. мого способа; на фиг.З вЂ” временные диаграммы сигналов блоков устройства.

Способ измерения постоянной времени фотоприемника заключается в том, что на вход фотоприемника подают импульсный сигнал, измеряют форму сигнала-отклика, определяют максимальное значение сигнала-отклика, значение его и его производной в какой-либо момент времени от момента максимума сигнала-отклика, преобразуют входной импульсный сигнал по квадратичному нелинейному преобразованию, подают его на вход фотоприемника, измеряют форму сигнала-отклика и значение его и его производной в тот же момент времени от момента доСтижения максимума сигнала-отклика, что и для непреобраэован ного входно3 1642442

ro импульсного сигнала, а постоянную времени фотоприемника определяют по формуле т

2V1 Ч1

А А2

Т= +

2у1

A) f V2

A) A2

Ч. (1)

А1

4V

А где А1, A2 — максимальные значения непреобразованного и преобразованного сигналов-откликов;

V1, V1 — значения сигнала-отклика и его производной от непреобразованного импульсного сигнала;

Ч2, Ч2 — значения сигнала-отклика и его производной от преобразованного импульсного сигнала.

Устройство для измерения импульсной постоянной времени фотоприемника содержит источник 1 оптических импульсов (ИОИ), делитель 2 энергии импульсов (ДЭИ), первый переключатель 3 направления (ПНИ), нелинейный преобразователь 4 формы импульса (НПФ), второй переключатель

5 направления (ПНИ), второй и первый фотоприемники 6 и 7 (ФП), первый усилитель

8, первую линию 9 задержки (ЛЗ), первый блок 10 выборки-хранения (БВХ), блок 11 синхронизации, второй усилитель 12, вторую линию 13 задержки, второй блок 14 выборки-хранения, третью линию 15 задержки, третий усилитель 16, дефференциатор

17, дискриминатор 18 нулевого уровня (ДНУ), первый одновибратор 19 (ОВ), первый триггер 20, второй одновибратор 21, второй триггер 22, инвертор 23 и блок 24 регулировки длительности (БРД).

Выход источника оптических импульсов соединен с входом делителя знергии импульсов, первый выход которого соединен с входом второго фотоприемника, а второй выход — с входом первого переключателя направления, первый выход которого соединен с первым входом второго переключателя направления, а второй выход — через нелинейный преобразователь формы с вторым входом второго переключателя направления, выход которого соединен с входом первого фотоприемника, первый выход которого через первый усилитель и первую линию задержки соединен (2), где В(с), Ч(т) — подаваемый на вход и снимаемый с выхода пронормированные на амплитуду импульсы;

40 Ф) — ИПФ фотоприемника

Записывая уравнение (2) для двух импульсных воздействий В1(1) и В2(1), между которыми имеется нелинейное уравнение связи

В2() = Р1(1))". (3) можно получить два уравнения

50 В1(t)*h(t) Ч1(1) В2(т) * п(т) = Ч2(т), (4) Применяя известное свойство свертки, уравнения (4) можно записать в виде произведения их Фурье-образов;

V2m B1 (Cu) 92m h (Cu) = V1 (a>) V2X; (5) .л A л

V2m 82 (В) V2m h (И} = Ч2 (В) V2zr с первым входом первого блока выбрркихранения, а второй выход первого фотоприемника через второй усилитель и вторую линию задержки соединен с первым входом

5 второго блока выборки-хранения, второй вход которого соединен с выходом третьей линии задержки, выход второго фотоприемника соедийен с входом блока синхронизации, первый выход которого соединен с

10 входом третьей линии задержки, а второй выход — с вторым входом первого блока выборки-хранения, первый выход третьего усилителя соединен с первым входом первого триггера, выход которого соединен с

15 первым входом второго одновибратора, выход которого соединен с первым входом второго триггера, выход которого через инвертор соединен с первым входом дискриминатора нулевого уровня, второй вход

20 которого соединен с выходом первого одновибратора, а выход — с входом первого одновибратора, выход которого соединен с вторыми входами триггеров, второй выход уСилителя соединен с входом дйфференци25 атора.

Способ реализуется следующим образом, Для импульсной переходной функции (ИПФ) фотоприемника как линейной одно30 родной системы имеется уравнение типа свертки

+00 (В (r) h (t - z) б г = Ч(1);

В () h() = V(1:) 1642442

Обычно ИПФ линейной системы представляется в виде

-t/z

— t-å, tа0, г>0; (6)

О, t<0, л

1+1вт (7) 15 где i — мнимая единица.

Из (5), (6) и (7) можно получить л л л

В1(в) = Vt (в) + i N т Ч (в); (8)

В 3 () = г () + сс < Чг (ш ), 20

Производя над Bt(N) и Вг(в) обратное преобразование Фурье и применяя теорему о дифференцировании, получаем: (g) 25

В1() = Чф)+ yi(t) "Г

Вг() = Vz(t) + Vz(t).<

Подставляя (9) в (3), получаем

fVt(t)+ rЧ1(т)) = Vz(t)+ й/г(т) (10) где V1, Чг — производные входных сигналов

Vt и Vz, пронормированные на амплитуды сигналов Ч1 и Чг соответственно.

Решая уравнения (10) при n = 2, можно найти т по формуле(1).

Можно осуществить способ и для других видов нелинейностей: кубической при п=3 и т.д., однако в этом случае уравнение 40 для г будет сложнее.

Устройство работает следующим образом.

Импульсы ИОИ1 поступают на ФП6 и 7 при таком положении ПНИ3, при котором 45 импульс поступает на ПНИ5, минуя НПФ4.

ФП6 преобразует импульс ИОИ1 в пропорциональный электрический импульс V(t), который усиливается в соответствующих каналах усилителями 8 и 12, задерживается

Л39 и 13 и поступает на сигнальные входы

БВХ10 и 14, БВХ10 и 14 проводят измерения мгновенного значения огибающей импульса по команде блока 11 синхронизации.

Управление работой БВХ 10 и 14 осуще- 55 ствляется блоком 11 синхронизации следующим образом.

Выходной сигнал ФП7 усиливается усилителем 16 и поступает на вход дифференгде т — постоянная времени фотоприемника.

Фурье-образ функции h(t) 10 циатора 17, на выходе которого формируется сигнал перехода производной сигнала V(t) через ноль, и на вход первого триггера 20, который срабатывает при достижении сигналом V(t) уровня Vo, устанавливаемого таким, чтобы он превышал наибольшее значение фона, шума и флуктуаций.

По переднему фронту импульса на выходе первого триггера 20 срабатывает второй одновибратор 21, на выходе которого формируется импульс с регулируемой длительностью T. По заднему фронту импульса на выходе второго одновибратора 21 срабатывает второй триггер 22, по переднему фронту которого запускается инвертор 23.

Выходной импульс с инвертора 23 деблокируется ДНУ 18, выполненным в виде триггера. При переходе ДНУ 18 в отличное от нуля состояние, что реализуется при достижении импульсом V(t) пикового значения, запускается первый одновибратор 19, формирующий импульс стандартной длительности для запуска БВХ 10 и 14, по заднему фронту которого ДНУ 18, первый триггер 20 и второй триггер 22 возвращаются в исходные состояния. Для импульсов со структурой, имеющей несколько пиковых значений, регулировкой длительности Т импульса на выходе вторс го одновибратора 21 с помощью БРД 24 можно выбрать требуемое экстремальное значение сигнала V(t), что позволяет для каждого конкретного импульса ИОИ1 заблокировать ДНУ 18 от экстремумов, п редшествующих измеряемому, От экстремумов, следующих за требуемым, ДНУ 18 блокируется импульсом на выходе инвертора 23, При поступлении импульса с выхода первого одновибратора 19 на вход синхронизации БВХ 10 последний начинает проводить последовательную выборку мгновенных значений сигнала V(t), начичая со значения в момент времени to — Л t>»,, где т0 — время достижения импульсом пикового значения, выбранного блоком 11 синхронизации: A tp,ç — время задержки сигнала

V(t) первой Л39. При этом время Лt>, выбирают не более времени (Т- + Лt,,), где

Т1 — время нарастания импульса от A V до измеряемого значения V(t); Л t.-,с — имеющаяся в БВХ задержка между временем поступления синхроимпульса и временем выборки БВХ; Л V — абсолютная погрешность второго БВХ 14. а шаг выборки At — не менее (Т1 + Тг)/М, где М вЂ” число выборок при полном цикле сканирования (например, M= 1000 для импульсного вольтмера В9 — 5); Тг — время спада им1642442 то оЧо t пульса от измеряемого значения до ЬЧ, Такой выбор ЛЬ,З, и Ate позволяет зарегистрировать весь импульс с максимальным временным. разрешением и минимальной задержкой импульса, т,е. с минимальным временем измерения, Если длительность импульса предварительно неизвестна, то выбирают A тл.э. = (Ate M/2) + At>.с., rpeAtg — минимальный шаг выборки

tn для применяемого БВХ (например, Л тя = 0,1 нс), что соответствует установке временной шкалы таким образом, чтобы по обе стороны от пикового значения на нарастающей и спадающей части было измерено одинаковое число мгновенных значений напряжения.

Перед поступлением импульса с выхода первого одновибратора 19 на вход синхронизации БВХ 14 импульс синхронизации задерживается в плавно перестраиваемой

Л315 для того, чтобы с учетом задержки сигнала V(t в Л313 БВХ14 произвел выборку мгновенного значения V{t) в момент времени to. Таким образом, БВХ14 измеряет то же пиковое значение импульса V(t), к которому осуществлена временная привязка блока 11 синхронизации.

Выходные сигналы с БВХ 10 и 14 в цифровом виде поступают на встроенные в них табло и регистрируются. Затем в БВХ

10 осуществляют сдвиг времени выборки на + Ato, При поступлении на ФП6 следующего импульса цикл измерений повторяется, причем БВХ 14 проводит выборку по-прежнему в момент времени to, а БВХ

10 — в момент времени to - Atm,з. + Ato.

Результат измерений снова регистрируется наряду с номером измерения и временной координатой выборки.

Таким образом, регистрируется либо вся форма импульса излучения, либо его участок. Если V(t), К и N(t) — соответственно входное напряжение, коэффициент преобразования и выходной цифровой сигнал первого БВХ 10, Vo(to) Ко, No(to) — аналогичные величины второго БВХ 14, то

Когда времена выборки в обоих каналах совпадают, т.е, в обоих каналах измеряется амплитуда импульса, то t = to u

К/Ko= N(tp)/Np(tp) = а ", поскольку V(to) =

= Vo(to) так как на вход первого 8 и второго 12 усилителей поступает одно и то же напряжение. Для определения нормированной формы импульса V(t) считаем

Vo(to)= 1. Тогда

Таким образом, умножив зарегистрированную зависимость на постоянную для. данной аппаратуры величину а, равную отношению выходного сигнала БВХ14 к выходному сигйалу БВХ10 при совпадении их моментов выборки, что выставляется с помощью первой 9 и второй t3 ЛЗ, получим нормированную к единице зависиомсть напряжения импульса от времени.

После того, как зафиксированы зависимости пронормированных на амплитуду мгновенных значений огибающей импульса

ИОИ1 от времени, ПНИ 3 и 5 переводятся во второе положение, s котором импульс

ИОИ 1 проходит НПФ 4 и через ПНИ 5 поступает на ФП 6, При этом на ФП7 поступает тот же импульс, что и ь предыдущем случае, и привязка шкапь времени попрежнему осуществляется к амплитуде непреобразованного импульса ИОИ1. В то же время на ФП6 в отличие от предыдущего случая поступает импульс ИОИ1, форма которого преобразована по нелинейному закону в НПФ4. В дальнейшем процесс измерений повторяется в той же последовательности, как и при измерениях формы преобразованного импульса источника 1. Регистрируется зависимость пронормированных на амплитуду мгновенных значений огибающей преобразованного по нелинейному закону импульса ИОИ1 от времени, причем в том же временном диапазоне, что и при измерениях непреобразованного импульса ИОИ1. Поскольку привязка шкалы времени блока 11 синхронизации при измерениях обоих импульсов производится к моменту времени достижения непреобразованным импульсом амплитудного значения, шкапы времени в измерениях формы обоих импульвов совпадают, После того, как офрма непреобраэованного и преобразованного импульсов . зарегистрируется, вместе с цифровыми значениями соответствующих временных координат формируется массив значений;

Ч1,)= (Ч1,1+1 Ч1,;-1) /(At1+ At2);

Ч2,1 — (V2,j+1 V2 J-1)/(At1+ + 2) .где V1,), Чц+1, Чц 1— - пронормированные на амплитуду мгновенные значения огибающей непреобраэованного импульса в точке шкалы времени номер j, )+1, j-1 соответственно;

1642442

5

20

30

2 Ч1V1 Н2

А1 А2

z=— +

2 Ч1

А1

Ж! и Atz — интервал времени между

j-1-й и j-й, j-й и j+1-й выборками соответственно;

Н2,j, Н2,J+1 Н2,J-1 — аналогичные величины для преобразованного по нелинейному закону импульса., Поскольку V представляет собой производную во времени в точке j, то Лт! и Лtz необходимо выбрать такими, чтобы V в диапазоне от Vj+! до Vj-1 изменялось линейно.

Чем ближе V(t) к линейно нарастающей функции, тем большими можно выбрать Ж! и Atz и тем меньшей будет погрешность определения V. Большинство импульсов с гладким фронтом нарастания имеют наиболее линейный участок в диапазоне 0,10,9 от максимального знечения, особенно вблизи полувысоты импульса. Для определения постоянной времени фотоприемника либо подбирают импульс с гладким квазилинейным нарастанием, либо уменьшают интервал времени At между выборками Vj+! и Н!-!. Если импульс имеет такой участок, то в его пределах V =

= М I At, где ЛЧ- разность пронормированных значений двух соседних выборок на огибающей импульса, сделанных по краям линейного участка с интервалом времени At.

После того, как зарегистрированы массивы значений V>,J и Н2,! из уравнения (Нц+ zНц)" = V>i+ zV2,i где и — показатель закона нелинейности . преобразования формы импульса, находится постоянная времени т по формуле (1).

Если измерено !т! значений огибающей каждого иэ импульсов, то уравнений типа (11) будет (m-2). Каждое из уравнений (11) позволяет получить значение т! на основании трех последовательных измерений Н! и

Vz на определенном уровне нарастания или спада импульса, Затем строят график зависимости z от времени на основании полученных (m-2) значений т . Если т; не имеет систематической зависимости от j, а только случайную, то в этом случае полученные(!т!-2) значения zj усредняются, причем найти х можно и на основании двух пар значений Нц и Vz,!. Для этого на огибающей обоих импульсов в одном и том же интервале времени находят линейный участок наибольшей протяженности Atm и определяют Н= AVIAtm, где М вЂ” разность значений V по краям интервала Atm. Например, на фиг.la в интервал значений

0,1 — 0,9 от максимального попадают точки i-3 на огибающей импульса основной ча35

55 стоты, и точки 1 — 3 на огибающей импульса

I второй гармоники. Очевидно, что точка 3 не ! соответствует действительному значению огибающей (если огибающая импульса основной частоты плавная, то плавной должна быть и огибающая импульса второй гармоники) и получена в результате случайного сбоя в системе регистрации. Поэтому при расчете т используют пары точек 1-1 и 2-2 .

Тогда получают т1 = 2,062 нс. При трехкратном сканировании и поточечном усреднении (фиг.1,б) обе огибающие заметно отличаются от случая однократного сканирования (фиг.1а). В диапазон 0,1 — 0,9 попадают также три точки на каждой из огибающих, однако между точками 1 и 2 импульс еще не вышел на линейное нарастание (в отличие от этого же участка на фиг.1а), поэтомч пои оасчете используют пары точек 2 — 2 и 3 — 3 . Тогда получают s2 =, I I

=2,070 нс, т.е, постоянная времени zсовпадает с полученным ранее значением с погрешностью Лz = + 2;10

Таким образом, изобретение позволяет определять постоянную времени !, фотоприемника с погрешностью не более Д при длительности применяемого для измерений импульса на прядок больше причем в наносекундной области значений т.

Формула изобретения

1. Способ определения постоянной времени фотоприемника, заключающийся в подаче на вход фотоприемника импульсного сигнала, измерении формы сигнала-отклика. отл и ч а ю щи и с я тем, что, с целью повышения точности измерений, определяют максимальное значение сигнала-отклика, значение его и его производной в какой-либо момент времени от момента достижения максимума сигнала-отклика, производят квадратичное нелинейное преобразование входного импульсного сигнала, подают его на вход фотоприемника, определяют максимальное значение сигнала-отклика, значение его и его производной в тот же момент времени от момента достижения максимума сигнала-отклика, что и для непреобразованного входного импульсного сигнала, а постоянную времени фотоприемника определяют по формуле

1642442 где А>, Аг — максимальные значения преобразованного и непреобразованного сигналов откликов;

V>, Ч1 — значения сигнала-отклика и его произвЬдной от непреобразованного импульсного сигнала;

V2, Ч2 — значения сигнала-отклика и его производной от преобразованного импульсного сигнала.

2. Устройство для определения постоянной времени фотоприемника, содержащее источник оптических импульсов, первый фотоприемник, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены делитель энергии импульсов, первый и второй переключатели направления, нелинейный преобразователь формы импульса, второй фотоприемник, первый и второй усилители, три линии задержки, два блока выборки-хранения, причем выход источника оптических импульсов соединен с входом делителя энергии импульсов, первый выход которого соединен с входом второго фотоприемника, а второй выход — с входом первого переключателя направления, первый выход которого соединен с первым входом второго переключателя направления, а второй выход через нелинейный преобразователь формы — с вторым входом второго переключателя направления, выход которого соединен с входом первого фотоприемника, первый выход которого через первый усилитель и первую

5 линию задержки соединен с первым входом первого блока выборки-хранения. а второй выход первого фотоприемника через второй усилитель и вторую линию задержки соединен с первым входом второго блока

10 выборки-хранения. второй вход которого соединен с выходом третьей линии задержки, выход второгд фотоприемника соединен с входом блока синхронизации, первый выход которого соединен с входом третьей ли15 нии задержки, а второй выход — с вторым входом первого блока выборки-хранения, 3, Устройство по п.2, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что блок синхронизации содержит третий усилитель, дифференциатор, дискри20 минатор нулевого уровня, первый и второй одновибратор, первый и второй триггеры, инвертор, блок регулировки длительности, причем первый выход усилителя соединен с первым входом первого триггера, выход ко-.

25 торого соединен с первым входом второго одновибратора, выход которого соединен с первым входом второго триггера, выход которого через инвертор соединен с первым входом дискриминатора нулевого уровня, 30 второй вход которого соединен с выходом дифференциатора, третий вход — с первым выходом первого одновибратора, а выход— с входом первого одновибратора, выход которого соединен с вторыми входами

35 триггеров, второй выход усилителя соединен с входом дифференциатора, 1642442

ФС

1642442

Составитель В. Григорьевский

Редактор А. Лежнина Техред M.Mî iåíòàë Корректор Н. Ревская

Заказ 11.47 Тираж 278 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35,. Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101