Система регистрации светового излучения в большом динамическом диапазоне

Система регистрации светового излучения в большом динамическом диапазоне

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в системах регистрации оптического излучения с большим динамическим диапазоном.

Известен фотометр с автоматическим переключением диапазонов измерений, содержащий три последовательно соединенных усилителя тока, три коммутатора, входы которых подключены соответственно к выходам первого, второго и третьего усилителей тока, а выходы общей связью подключены к регистрирующему прибору, дешифратор, входы которого подключены к выходам первого и второго компараторов, а выходы - к управляющим входам соответствующих коммутаторов, при этом вход первого компаратора подключен к выходу второго усилителя тока, а вход второго компаратора - к выходу третьего усилителя тока (РФ заявка №93018127, G 01 J 1/44, опубл. 1995.07.20).

Недостатком фотометра является его малый динамический диапазон вследствие того, что он предусмотрен только для работы в аналоговом режиме.

Известна система регистрации светового излучения в большом динамическом диапазоне, включающая фотоэлектронные умножители, блок предварительной обработки сигнала, блок управления, аналого-цифровой преобразователь, блок памяти (GB патент №2350187, G 01 J 1/44, H 01 J 43/30, G 01 N 21/64, опубл. 22.11.2000).

Недостатками этой системы являются невозможность значительно увеличить динамический диапазон измерений вследствие того, что максимальное значение сигнала ограничено возможностями АЦП или интегратора токового режима. При обычных условиях динамический диапазон этой системы может составлять до 10⁴.

В основу изобретения положена задача расширения динамического диапазона системы регистрации оптического излучения, которая решается за счет преобразования сигнала заряда, кратного заряду однофотонного импульса, в напряжение, хранения результата в аналоговой форме в блоке предварительной обработки сигнала независимо от величины регистрируемого сигнала, многократного и циклического повторения вышеуказанных операций с последующим суммированием результатов, при этом выбирается масштаб шкалы АЦП в соответствии со статистическими характеристиками ФЭУ и АЦП, в результате чего достигают, помимо решения основной задачи, также значительного удешевления устройства за счет упрощения схемы. Для сокращения избыточности передачи информации выбирается АЦП с неравномерной шкалой шага квантования, что приводит к удешевлению и упрощению всей системы.

Достижение вышеуказанного технического результата обеспечивается тем, что в системе регистрации светового излучения в большом динамическое диапазоне, включающей фотоэлектронные умножители, блок предварительной обработки сигнала, блок управления, аналого-цифровой преобразователь, блок памяти, блок предварительной обработки сигнала, дополнительно включена схема преобразования заряда импульса в напряжение, включающая конденсатор, емкость которого равна C=eK/α Δ U, где е - заряд электрона, К - коэффициент усиления ФЭУ, α - коэффициент, величина которого выбрана в диапазоне от 2 до 4, Δ U - шаг квантования АЦП, и два токовых ключа, управляющие входы которых подключены к выходам блока управления, определяющего время заряда конденсатора С как T≤ NeK C/α Imax, где N - число уровней дискретизации аналого-цифрового преобразователя, Imax - максимально допустимый рабочий ток ФЭУ, а к блоку памяти дополнительно подключено устройство для цифровой обработки.

Вместо обычного АЦП используют АЦП с неравномерной шкалой квантования.

При этом изменение шага шкалы АЦП может быть выбрано в соответствии с требуемой функцией преобразования, например изменение шага шкалы аналого-цифрового преобразователя выбрано в соответствии с функцией коррекции нелинейности ФЭУ.

За счет использования в системе схемы преобразования заряда с параметрами, обеспечивающими оптимальные условия регистрации любого сигнала без применения пороговых устройств (переключающих режим счета фотонов и аналоговый режим) вследствие использования блока предварительной обработки сигнала, задающего время накопления сигнала на конденсаторе с тем, чтобы сигнал не превысил возможности АЦП, и преобразования заряда в напряжение, достигают расширения динамического диапазона без использования дорогостоящих сверхбыстродействующих АЦП, что привело бы к удорожанию всего устройства.

При использовании нелинейной шкалы квантования АЦП в соответствии с требуемой функцией преобразования информации и функцией коррекции нелинейности обеспечивается дополнительное ускорение обработки сигнала вследствие сокращения информационной избыточности в каналах накопления, обработки и передачи информации, и, следовательно, снижение стоимости, повышение быстродействия всей системы и дополнительное расширение динамического диапазона за счет осуществления преобразования на уровне первичных функциональных преобразователей.

Изобретение поясняется фиг.1, на которой показана блок-схема предлагаемой системы, фиг.2, на которой приведена схема преобразования заряда в напряжение, фиг.3, на которой показана форма импульсов, регистрируемых системой. На фиг.4 и 5 показаны вероятности распределения однофотонных и многофотонных импульсов по амплитуде. Система содержит ФЭУ 1, блок предварительной обработки 2, блок управления 3, АЦП 4, блок памяти 5, устройство для цифровой обработки 6. Блок предварительной обработки 2 содержит схему преобразования заряда в напряжение, показанную на фиг.2 и содержащую конденсатор С, токовые ключи Кл1 и Кл2, управляющие входы 7 и 8 которых подключены к выходам блока управления 3, а управляющий вход 9 - кАЦП 4, и операционный усилитель ОУ.

Система работает следующим образом.

На ФЭУ 1 подается регистрируемый сигнал, который заряжает конденсатор С и преобразуется в схеме преобразования заряда в напряжение с помощью сигналов управления с блока управления 3 в виде стробирующих импульсов X₁ и Х₂. При этом длительность стробирующих импульсов, емкость конденсатора С, шаг квантования АЦП выбираются из следующих соображений.

На ФЭУ 1 подается регистрируемый световой сигнал, который преобразуется в заряд, который, в свою очередь, заряжает предварительно разряженный конденсатор С под управлением стробирующих импульсов 7 и 8 с блока управления 3. В исходном состоянии ключ Кл1 закрыт, а ключ Кл2 открыт. При попадании одного фотона на ФЭУ с ФЭУ 1 подается ток, который заряжает конденсатор С до определенного напряжения. Если К - коэффициент усиления ФЭУ 1, то заряд Q, полученный на конденсаторе С, входящем в схему преобразования заряда в напряжение, Q=Ke. Напряжение на конденсаторе U=Qe/C, где С - емкость конденсатора. Если N - число разрядов аналого-цифрового преобразователя 4, то (U_AЦП)max=2^NΔU, где Δ U - шаг квантования аналого-цифрового преобразователя 4. Емкость конденсатора С выбирается с учетом характеристик АЦП 4 как Ке/С=α Δ U, где α =2-4 - параметр, характеризующий ширину функции распределения однофотонных импульсов ФЭУ 1 по амплитуде. Для большинства современных ФЭУ и АЦП параметр а находится в диапазоне от 2 до 4, что соответствует необходимому параметру дифференциальной нелинейности АЦП и устойчивости преобразования малых сигналов. При этом получаем заряд на конденсаторе Q_T=I_maxT, где I_max - максимально допустимый рабочий ток ФЭУ. При преобразовании заряда в напряжение получим U_T=Q_T/C=I_max Т/С. Так как максимально регистрируемая на АЦП величина напряжения U_max, то I_max Т/С≤ U_max и Т/С≤ U_max/I_max.

Привязывая эту величину к параметрам схемы преобразования заряда в напряжение и АЦП 4, получим α Т I_max/eK≤ U_max/Δ U=N, т.е. числу уровней дискретизации АЦП 4. Исходя из этого, можно оценить время измерения Т, определяемое временем подачи сигналов с блока управления 3 на управляющие входы токовых ключей 7 и 8, как T≤ Umax C/Imax, где Umax - максимальный диапазон преобразования АЦП 4, Imax - максимальный ток ФЭУ 1.

Затем напряжение на конденсаторе С преобразуется в код с помощью АЦП 4 по сигналу 9 с БУ 3, затем записывается в память, после чего конденсатор С разряжается с помощью ключей Кл1 и Кл2 путем одновременной подачи на них стробирующих сигналов 7 и 8 с блока управления 3. Эта операция циклически повторяется М раз, после чего устройство для цифровой обработки 6 считывает из блока памяти 5 результаты измерений и обрабатывает их с использованием выбранного распределения вероятности. Так как время накопления заряда выбрано в соответствии с максимально регистрируемым АЦП 4 сигналом, то тем самым можно расширить динамический диапазон; с одной стороны, за счет уменьшения времени накопления заряда, что приводит к уменьшению регистрируемой величины сигнала, чтобы она не превышала возможности АЦП, и, с другой стороны, за счет увеличения числа циклов накопления и дальнейшей их обработки с учетом выбранных распределений вероятности.

При определении результатов учитывается средний темновой ток и вероятности распределения однофотонных и многофотонных импульсов по амплитуде (см. фиг.4 и 5).

Оценка динамического диапазона может быть получена из следующих соображений. Если Smax - максимальный сигнал, зарегистрированный системой, a Smin - минимальный сигнал, зарегистрированный той же системой, то динамический диапазон D=Smax/Smin=NM/100α , где N - число уровней дискретизации АЦП, а М - количество циклов регистрации. При α =4, для М=10⁵-10⁶ и для 14-разрядного АЦП (N=2¹⁴)пoлyчим D=4· 10⁶-4· 10⁷.

На фиг.3 показано изменение напряжения на конденсаторе С в течение действия стробирующего импульса, а также зависимость тока ФЭУ от времени. За время накопления Т конденсатор С заряжается до значения U₃, которое должно быть согласовано с параметром α . Если α =3, то среднестатистический трехфотонный импульс должен попадать в 9 интервал АЦП 4. В систему введен аналого-цифровой преобразователь 4 с неравномерной шкалой квантования, при этом изменение шага шкалы выбирается в соответствии с требуемой функцией обработки информации. Например, если требуемая функция преобразования выбирается с целью исключения нелинейности, вносимой в систему ФЭУ 1, записывается как U_фэу=ax+bх², где U_фэу - напряжение на ФЭУ, а х - световой сигнал, то необходимое для коррекции нелинейности ФЭУ изменение шага шкалы АЦП 4 будет описываться формулой Δ U=Δ U₀-AU, где Δ U₀ - исходный шаг шкалы АЦП, Δ U - шаг шкалы АЦП после преобразования, А - константа.

Для сокращения избыточности информации согласно статистическим распределениям импульсов по амплитуде (см. фиг.4 и 5) шаг шкалы АЦП 4 увеличивается пропорционально N^1/2, где N - число зарегистрированных фотонов. Для сохранения линейности шкалы преобразования следует применить обратное функциональное преобразование в шифраторе АЦП 4. Тем самым достигается сокращение числа уровней квантования сигнала. Это используется нами для дальнейшего расширения динамического диапазона системы регистрации. Расширение динамического диапазона в этом случае можно оценить как (N₁/α )^1/2, где N₁ - число уровней квантования обычного АЦП. Например, для 16-разрядного АЦП динамический диапазон регистрации светового сигнала в режиме счета фотонов дополнительно может быть увеличен в 128-256 раз.

Откорректированные результаты измерений пересчитываются в число фотонов. Результаты отдельных измерений суммируются.

Таким образом, предлагаемая система характеризуется значительным расширением динамического диапазона регистрации световых сигналов вследствие согласования параметров сигналов и параметров имеющейся аппаратуры.

1. Система регистрации светового излучения в большом динамическом диапазоне, включающая фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), блок предварительной обработки сигнала, блок управления, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок памяти, отличающаяся тем, что блок предварительной обработки сигнала выполнен в виде схемы преобразования заряда импульса в напряжение, включающей конденсатор, емкость которого равна С=еК/αΔU, где е - заряд электрона, К - коэффициент усиления ФЭУ, α - коэффициент, величина которого выбрана в диапазоне от 2 до 4, ΔU - шаг квантования АЦП, и два токовых ключа, управляющие входы которых подключены к выходам блока управления, определяющего время заряда конденсатора С как Т≤NeK C/αImax, где N - число уровней дискретизации аналого-цифрового преобразователя, Imax - максимально допустимый рабочий ток ФЭУ, а к блоку памяти дополнительно подключено устройство для цифровой обработки.

2. Система регистрации светового излучения в большом динамическом диапазоне по п.1, отличающаяся тем, что АЦП выполнен с неравномерной шкалой квантования.