РЕГИСТРАТОР СВЕТОВЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 1998 года по МПК G01J1/44 

Изобретение относится к технике регистрации слабых световых сигналов и может быть использовано в светолокации, оптической связи, астрофизике, биофизике, ядерной физике, сцинтилляционной технике и т.п.

Известно устройство для регистрации слабых световых сигналов (см. а.с. СССР 672510, кл. G 01 J 1/44, БИ 25, 1979), содержащее фотоэмиссионный прибор (ФЭП) с многоканальной электронной умножительной системой (МЭУС), фокусирующе-отклоняющей системой (ФОС) и блоком питания, а также блок развертки, первую и вторую многоотводные линии задержки (ЛЗ), первый и второй широкополосные усилители (ШУ), первый и второй амплитудные дискриминаторы (АД), многоканальный счетчик импульсов, линию задержки и решающий блок.

Выходы МЭУС соединены с отводами первой ЛЗ, концевые выводы которой через ШУ подключены к выводам второй ЛЗ, отводы которой соединены с первыми входами АД. Выход блока развертки подключен к электрическому входу ФОС.

Устройство предполагает преобразование светового сигнала в поток фотоэлектронов, развертку этого потока по входам МЭУС. В последующем осуществляется разнесение импульсных реакций каналов МЭУС во времени, обработка их в соответствии с заданным алгоритмом, совмещение полученных реакций во времени с одновременным распределением их по параллельным каналам регистрации и суммирования в течение периода развертки.

Признаками аналога, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, являются ФЭП с МЭУС, ФОС и блоком питания, многоотводная ЛЗ, ШУ, АД, счетчик, блок развертки и решающий блок.

Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата с помощью известного устройства, является то, что его работа эффективна лишь при слабой засветке ФЭП, когда вероятность приема в канале МЭУС более одного фотоэлектрона равна нулю. Увеличение интенсивности принимаемого излучения предполагает для поддержания высокой точности регистрации сигнала усложнение ФЭП, состоящее в росте числа каналов МЭУС. В случае же фиксации каналов МЭУС увеличение скорости поступления фотонов сопровождается увеличением вероятности попадания в один канал двух и более фотоэлектронов, которые в последующей схеме обработки информации будут восприниматься одним одноэлектронным импульсом (ОИ). Последнее ведет к снижению точности регистрации светового потока.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому является регистратор импульсных световых сигналов (см. а. с. СССР 401894, кл. G 01 J 1/00, БИ 41, 1973). Регистратор содержит фотоэмиссионный прибор (ФЭП), имеющий многоканальную электронную умножительную систему (МЭУС), ФОС и блок питания, блок развертки сигнала по входам МЭУС, выходы которой соединены с входами многоотводной линии задержки (ЛЗ), нагруженной на согласующие резисторы. Один из выходов ЛЗ через ШУ, АД и счетчик соединен с решающим блоком.

Устройство работает следующим образом. Световой импульсный сигнал преобразуется в поток фотоэлектронов на фотокатоде ФЭП. С помощью отклоняющей системы и блока развертки поток фотоэлектронов разворачивается по входам МЭУС. Скорость развертки потока фотоэлектронов по каналам выбирается таким образом, что вероятность попадания более одного фотоэлектрона в каждый канал МЭУС достаточно мала. На выходе канала МЭУС появляется ОИ, если на вход канала попал фотоэлектрон. Для разнесения во времени ОИ и обеспечения работы счетчика импульсов устанавливается ЛЗ. С одного из волновых сопротивлений ОИ попадают на ШУ, с выхода которого поступают на АД, необходимый для отсечки шумов ШУ и МЭУС. Стробирующее устройство открывает вход счетчика на требуемое время наблюдения сигнала.

Признаки прототипа, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: ФЭП с МЭУС и ФОС, блок питания ФЭП, блок развертки фотоэлектронов по входам МЭУС, выходы которой соединены с входами многоотводной линии задержки, нагруженной на согласующие резисторы. Один из концевых выводов ЛЗ через ШУ и АД соединен со счетчиком, а также решающий блок.

Недостатками известного устройства являются:
снижение точности регистрации по мере роста интенсивности светового потока на входе ФЭП;
ограниченность динамического диапазона измерений интенсивности светового потока.

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем. Работа регистратора эффективна лишь при слабой интенсивности принимаемого светового излучения, так как требуемая скорость развертки в устройстве выбирается такой, чтобы вероятность попадания более одного фотоэлектрона в каждый канал МЭУС была достаточно мала. Увеличение интенсивности принимаемого излучения предполагает для поддержания высокой точности регистрации сигнала усложнение аппаратуры, состоящее в росте числа каналов МЭУС. В случае же фиксации числа каналов МЭУС увеличение скорости поступления фотонов на ФЭП сопровождается увеличением вероятности попадания в один канал двух и более фотоэлектронов, которые будут в последующей схеме обработки информации восприниматься одним фотоэлектроном. Последнее ведет к снижению точности регистрации светового потока.

Кроме того, в прототипе не предусмотрены меры по исключению попадания в каналы МЭУС фотоэлектронов во время обратного хода развертки. Поскольку распределение фотоэлектронов по каналам здесь происходит в обратной последовательности той, которая была во время прямой развертки, то на выходе ШУ происходит как бы временное сжатие сформированного потока ОИ. Одновременно на вход ШУ поступают потоки ОИ с последнего канала i-го цикла измерений и первого канала (i +1)-го цикла измерений, а также потока ОИ, сгенерируемых во время обратного хода развертки. Естественно, что вероятность наложения ОИ при временном сжатии потока резко возрастает, приводя к потере точности измерений.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении точности регистрации слабых световых сигналов.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, позволяет:
регистрировать как импульсные, так и непрерывные световые потоки:
повысить достоверность регистрации световых потоков, представляющую вероятность принятия регистратором правильного решения о числе принятых фотоэлектронов за определенный временной промежуток;
расширить динамический диапазон в сторону измерений более интенсивных световых потоков.

Технический результат достигается тем, что в регистратор слабых световых сигналов, содержащий фотоэмиссионный прибор (ФЭП) с многоканальной электронной умножительной системой (МЭУС), фокусирующе-отклоняющей системой (ФОС) и блоком питания, а также решающий блок и блок развертки, выход которого соединен с электрическим входом ФОС, причем выходы МЭУС соединены с входами многоотводной линии задержки, нагруженной на согласующие резисторы, один из концевых выводов линии задержки через широкополосный усилитель и амплитудный дискриминатор подключен к счетному входу счетчика, введены последовательно соединенные генератор тактовых импульсов (ГТИ), умножитель, формирователь импульсов (ФИ) и блок стробирования, а также сумматор и селектор, причем выход блока стробирования подключен к блоку питания ФЭП, а вход объединен с входом блока развертки, выход ГТИ объединен с управляющими входами счетчика, селектора и сумматора, выход которого подключен к входу решающего блока, выход счетчика соединен с первым информационным входом сумматора, второй информационный вход которого подключен к выходу селектора, счетный вход которого соединен с выходом ШУ.

Анализ существенных признаков аналогов, прототипа и заявляемого объекта выявил следующие новые существенные признаки для заявляемого объекта:
селектор, благодаря которому удается различать наложения ОИ, корректируя тем самым результаты измерений и регистрируя более интенсивные засветки;
ГТИ задает время измерения световых сигналов;
умножитель, к выходу которого подключен ФИ. Благодаря этому фиксируются временные интервалы в пределах общего времени измерения, в течение которых блок развертки осуществляет развертку потока фотоэлектронов по входам МЭУС. Количество временных интервалов задается коэффициентом умножения умножителя;
блок стробирования, благодаря которому исключается попадание в каналы МЭУС потока фотоэлектронов во время обратного хода развертки;
сумматор, в котором суммируется число одиночных ОИ с выхода счетчика и количество наложений ОИ с выхода селектора;
ФИ задает время цикла измерений, равное времени прямого хода развертки, в течение которого поток фотоэлектронов разворачивается по каналам МЭУС.

На фиг. 1 представлена структурная схема регистратора световых сигналов.

На фиг. 2 представлены эпюры напряжений на выходе ГТИ (а), умножителя (б), ФИ (в) и блока питания (г).

На фиг. 3 представлены временные эпюры, поясняющие работу регистратора с трехканальной МЭУС. Выделение временных каналов обработки потока фотоэлектронов в МЭУС 2 и организацию циклов измерения иллюстрирует фиг. 3а. Работа блока 5 развертки поясняется эпюрами на фиг. 3б, а блока питания ФЭП 4 - на фиг. 3в. На последующих эпюрах фиг. 3 представлены временные интервалы, в которых на вход ШУ 10 поступают ОИ с выходов 1-го (г), 2-го (д) и 3-го (е) каналов МЭУС 2. Треугольником здесь условно показан ОИ, обязанный своим появлением фотоэлектрону, принятому в i-м канале в момент перехода к (i+1)-му каналу.

Структурные схемы двух возможных модификаций регистратора световых сигналов представлены на фиг. 4 и 5.

Варианты реализации селектора 12 приведены на фиг. 6 и 8. Эпюры, поясняющие работу селектора, показаны на фиг. 7.

Структурная схема прототипа показана на фиг. 9. На фиг. 10 показаны эпюры, поясняющие работу прототипа. По своей структуре фиг. 9 совпадает с фиг. 3. Особо здесь выделены в каждом канале временные участки, в которых появляются ОИ во время обратного хода развертки.

Регистратор световых сигналов содержит (см. фиг. 1) ФЭП 1 с МЭУС 2, ФОС 3 и блок 4 питания, а также блок 5 развертки, блок 6 стробирования, ФИ 7, многоотводную ЛЗ 8, умножитель 9, ШУ 10, АД 11, селектор 12, ГТИ 13, счетчик 14, сумматор 15 и решающий блок 16.

Выходы многоканальной электронной умножительной системы (МЭУС) 2 соединены с отводами ЛЗ 8, концевые выводы которой нагружены на согласующие резисторы R. Один из концевых выводов ЛЗ 8 соединен с входом ШУ 10, выход которого объединен с входом АД 11 и счетным входом селектора 12, выход которого подключен к второму информационному входу сумматора 15, первый информационный вход которого соединен с выходом счетчика 14, счетный вход которого подключен к выходу АД 11. Выход ГТИ 13 объединен с входом умножителя 9 и управляющими входами селектора 12, счетчика 14 и сумматора 15. Выход умножителя 9 подключен к входу ФИ 7, выход которого объединен с входами блока 5 развертки и блока 6 стробирования. Выход блока 6 стробирования подключен к входу блока 4 питания. Выход блока развертки соединен с электрическим входом ФОС 3. Выход сумматора 15 подключен к входу решающего блока 16.

В регистраторе световых сигналов на фиг. 4 выходы многоканальной электронной умножительной системы (МЭУС) 2 соединены с отводами ЛЗ 8, концевые выводы которой нагружены на согласующие резисторы R. Один из концевых выводов ЛЗ 8 соединен с входом ШУ 10, выход которого объединен с входом АД 11, выход которого подключен к информационному входу счетчика 14, выход которого подключен к входу решающего блока 16. Выход ГТИ 13 объединен с входом умножителя 9 и управляющим входом счетчика 14. Выход умножителя 9 подключен к входу ФИ 7, выход которого объединен с входами блока 5 развертки и блока 6 стробирования. Выход блока 6 стробирования подключен к входу блока 4 питания. Выход блока 5 развертки соединен с электрическим входом ФОС 3.

В регистраторе световых сигналов на фиг. 5 выход электронной умножительной системы (ЭУС) 1 соединен с входом ШУ 10, выход которого объединен с входом АД 11 и счетным входом селектора 12, выход которого подключен к второму информационному входу сумматора 15, первый информационный вход которого соединен с выходом счетчика 14, счетный вход которого подключен к выходу АД 11. Выход ГТИ 13 объединен с входом умножителя 9 и управляющими входами селектора 12, счетчика 14 и сумматора 15. Выход умножителя 9 подключен к входу ФИ 7, выход которого соединен с входом блока 6 стробирования. Выход блока 6 стробирования подключен к входу блока 4 питания. Выход сумматора 15 подключен к входу решающего блока 16.

Селектор на фиг. 6 содержит m компараторов 17-1...17-m, m счетчиков 18-1. . .18-m и сумматор 19. Счетный вход селектора объединен с входами компараторов 17, выход i-го компаратора 17-i соединен с счетным входом i-го счетчика 18-i, управляющий вход сумматора 19 объединен с управляющими входами счетчиков 18 и является управляющим входом селектора. Выход i-го счетчика соединен с i-м информационным входом сумматора 19, выход которого является выходом селектора.

Селектор на фиг. 8 включает m компараторов 17-1...17-m, счетчиков 18-1.. . 18-m, сумматор 19 и m ФИ 20-1...20-m. Счетный вход селектора объединен с входами компараторов 17, выход i-го компаратора 17-i через i-й ФИ 20-i соединен с счетным входом i-го счетчика 18-i, управляющий вход сумматора 19 объединен с управляющими входами счетчиков 18 и является управляющим входом селектора. Выход i-го счетчика соединен с i-м информационном входом сумматора 19, выход которого является выходом селектора.

Прототип на фиг. 9 содержит ФЭП 1 с МЭУС 2, ФОС 3 и блоком 4 питания, а также блок 5 развертки, многоотводная ЛЗ 8, ШУ 10, АД 11, ключ 21, счетчик 14 и решающий блок 16.

Выходы многоканальной электронной умножительной системы (МЭУС) 2 соединены с отводами ЛЗ 8, концевые выводы которой нагружены на согласующие резисторы R. Один из концевых выводов ЛЗ 8 соединен с входом ШУ 10, выход которого через АД 11 подключен к счетному входу ключа 11, выход которого через счетчик 14 соединен с решающим блоком 16.

Регистратор световых сигналов (фиг. 1) работает следующим образом.

Время измерения определяется периодом следования Т тактовых импульсов ГТИ 13 (фиг. 2а). Посредством умножителя 9 (см. фиг. 1) время измерения Т разбивается на N_ц подынтервалов длительностью T_п (фиг. 2, б). Здесь N_ц - коэффициент умножения умножителя 9. Длительность τ_ц импульсов, генерируемых ФИ 7, определяет длительность отдельного цикла измерений, в течение которого ФОС 3 последовательно разворачивает поток фотоэлектронов с фотокатода ФЭП 1 по входам всех каналов МЭУС 2 (фиг. 2в). Одновременно с этим под действием импульса с выхода ФИ 7 блок 6 стробирования увеличивает напряжение питания ФЭП 1 до величины, обеспечивающей нормальную работу ФЭП 1 (фиг. 2г).

Отсутствие напряжения на выходе ФИ 7 исключает попадание фотоэлектронов в МЭУС 2 благодаря резкому уменьшению напряжения питания ФЭП 1.

Световой сигнал преобразуется в поток фотоэлектронов на фотокатоде ФЭП 1 (фиг. 3а). С помощью ФОС 3 и блока 5 развертки поток фотоэлектронов разворачивается по входам МЭУС 2. На фиг. 3б показана работа блока 5 развертки, реализующего шаговую развертку с пренебрежимо малыми переходными процессами. Время обратного хода развертки τ_обр задается интервалом [ τ_ц , T_п], во время которого напряжение питания ФЭП снижается до запирающего уровня E_з (фиг. 3в), исключающего чувствительность ФЭП 1 к потоку фотонов.

Отклик канала МЭУС 2 на принятый им фотоэлектрон представляет ОИ, форма которого описывается выражением.

где
N_д - число динодов (каскадов умножения) в канале;

- амплитуда ОИ.

Постоянная времени пролета электронами междинодного пространства τ_д связана с полосой пропускания ФЭП по уровню 0,707 соотношением
П_фэп • τ_д = b_фэп, (3)
где
коэффициент b_фэп изменяется в пределах от 0,048 до 0,036 для ФЭП с числом динодов (каскадов умножения) N_д от 8 до 14 соответственно.

Для исключения в одном цикле измерений наложения ИО на входе ШУ 10, поступающих с разных каналов МЭУС 2, применяется многоотводная Лз 8. Время задержки τ_з между сигналами с двух соседних каналов МЭУС 2 выбирается исходя из исключения наложения откликов с выходов последних (фиг. 3, г, д, е). Как следует из формулы (1), для ФЭП с 14 каскадами умножения выбор
τ_з≥ 17τ_д (4.a)
гарантирует перекрытие ОИ, поступающих на вход ШУ 10 с i-го и (i + 1)-го каналов (i = 1,..., N_к-1) по уровню, не превышающему 0,1 h_m.

В то же время выполнение второго условия
(τ_к+τ_з)(N_к-1) < τ_ц (4.б)
исключает наложение ОИ на входе ШУ 10 с последнего N_к-го канала в i-м цикле и с первого канала в (i + 1)-м цикле измерений.

Выбор времени обратного хода
τ_обр= T_п-τ_ц= N_кτ_з (5)
исключает наложение ОИ на входе ШУ 10, поступающих с последнего N_к-го канала в i-м цикле и с первого канала (i + 1)-го цикла измерений (см. фиг. 3г и фиг. 3е).

Уровень амплитудной дискриминации U_ад в АД 11 обеспечивает фильтрацию ОИ темнового тока. Выбор уровня амплитудной дискриминации в районе U_АД = 0,5h_m позволяет уменьшить вклад шумовых ОИ в общем выходном сигнале на 70 - 80%, тогда как потеря полезного сигнала составляет всего лишь 3 - 4%.

При слабой интенсивности светового сигнала выходной процесс с канала МЭУС 2 представляет собой последовательность из неперекрывающихся ОИ, которые подсчитываются счетчиком 14. При этом срабатывание селектора 12 не происходит.

С последующим увеличением интенсивности вероятность наложения ОИ в канале растет. В функцию селектора 12 как раз и входит выявление факта наложения ОИ и принятие решения о фактическом числе фотоэлектронов.

В случае приема слабых световых сигналов возможно применение модернизированной схемы на фиг. 4. В отличие от основного варианта здесь исключены селектор 12 и сумматор 15. Последнее возможно в том случае, если благодаря развертке потока фотоэлектронов по входам МЭУС 2 и дополнительному разнесению потока одноэлектронных импульсов в многоотводной ЛЗ 8 вероятность наложения откликов ФЭП 1 на входе счетчика 14 ничтожна мала.

В случае применения ФЭП 1 только с одной ЭУС схема регистратора приобретает вид, представленный на фиг. 5.

На фиг. 6 показан вариант реализации селектора 12. Пороговые уровни U_пор.j компараторов возрастают с ростом номера канала (фиг. 7а). ФИ формирует прямоугольный импульс длительностью τ_фи и передним фронтом, совпадающим с передним фронтом импульса с выхода компаратора (фиг. 7б). Счетчик подсчитывает число импульсов с выходов ФИ. В момент окончания цикла измерений импульс с умножителя 9 выводит накопленную в счетчиках информацию в виде двоичных кодов на соответствующие информационные входы сумматора. Двоичный код на выходе сумматора дает информацию о количестве наложений ОИ за цикл измерений.

Пусть из-за размытости откликов на появление фотоэлектронов в канале ФЭП 1 произошло наложение двух ОИ (фиг. 7а). Входной сигнал селектора 12 представляет импульс с амплитудой, превышающей амплитуду ОИ h_m. На выходе первого компаратора с порогом U_пор.1 > h_m появится импульс (фиг. 7б), указывающий что анализируемый сигнал сформирован в результате наложения двух ОИ.

Срабатывание второго компаратора указывает на наложение трех ОИ и т.д.

В варианте селектора 12 на фиг. 6 точность регистрации помимо прочих причин ограничена и тем, что для успешного срабатывания счетчиков время пауз между счетными импульсами на их счетных входах должно превышать определенную величину.

В варианте селектора 12 на фиг. 8 между компаратором и счетчиком включен ФИ, генерирующий импульс длительностью τ_фи и передним фронтом, совпадающим с передним фронтом импульса компаратора. При выполнении условия
τ_oи≥ τ_фи+τ_п.доп
полностью исключается влияние допустимого времени паузы τ_п.доп между счетными импульсами счетчика на точность счета фотонов регистратором световых сигналов. Здесь τ_oи - длительность ОИ по уровню U_АД = 0,5h_m.

Проведем расчет параметров предлагаемого регистратора по схеме на фиг. 4, в которой не предусмотрен подсчет числа наложений ОИ.

Пусть в регистраторе применяется ФЭП с N_д = 14 (b_ФЭП = 0,036) и полосой пропускания П_фэп = 72 МГц. Из соотношения (3) находим τ_д = 0,5 нс. Квантовая эффективность фотокатода ФЭП η = 0,2. Число каналов N_к в МЭУС равно трем.

Световой сигнал представляет непрерывный поток фотонов с частотой поступления (интенсивностью) ν = 59 МГц. Поток фотонов на фотокатоде ФЭП преобразуется в поток фотоэлектронов с интенсивностью
ϕ = η•ν = 0,2 • 59 = 11,8 МГц.

Время измерения светового потока должно лежать в районе 500 нс.

Выбор среднего числа фотоэлектронов, направляемых блоком развертки 5 в каждый канал МЭУС 2, из условия λ_к ≤ 0,4 гарантирует регистрацию не более одного фотоэлектрона с вероятностью 93,8%. При этом вероятность прихода (регистрации) двух фотоэлектронов не превышает 5,4%. Прием же более двух фотоэлектронов практически при этом исключается (0,7%).

Отметим, что приведенные результаты получены в предположении, что поток фотоэлектронов подчинен закону Пуассона

со средним λ . Здесь случайная величина n представляет число фотоэлектронов, поступающее на вход системы (ФЭП, канала МЭУС) за определенный промежуток времени τ_ан. .

Время τ_к , в течение которого поток фотоэлектронов направляется в канал МЭУС, должен удовлетворять условию
τ_к< λ_к/ϕ.
Выбираем τ_к= λ_к/ϕ = 0,4/11,8 • 10⁶ = 34 нс.

Строго говоря, попадание в канал МЭУС более одного фотоэлектрона не говорит о принятии ошибочного решения последующей схемой обработки. Правильное решение о числе принятых в канале фотоэлектронов оценивается достоверностью результатов регистрации световых сигналов (Румянцев К.Е. Достоверность результатов одноэлектронной регистрации световых потоков // Радиоэлектроника. - 1986, т. 29, N 12, c. 62 - 65 (Изв. высш. учеб. заведений)):

где
P_пр.сч{n} = [1-(n-1)τ_кр/τ_ан]ⁿ, n≥1 (8)
- условная вероятность правильного счета n фотоэлектронов за время анализа τ_ан , т.е. вероятность регистрации всех n принятых фотоэлектронов за время τ_ан .

Параметр
τ_кр= (16-7,8U_ад/h_m)τ_д (9)
представляет критическую величину временного разнесения моментов появления фотоэлектронов. Из-за инерционности ФЭП при временном разнесении моментов появления двух фотоэлектронов меньше τ_кр амплитудный дискриминатор с порогом дискриминации U_ад примет ошибочное решение о приеме только одного фотоэлектрона.

Выбор уровня амплитудной дискриминации в районе U_ад = 0,5 h_m позволяет уменьшить вклад шумовых ОИ в общем выходном сигнале на 70 - 80%, тогда как потеря полезного сигнала составляет всего лишь 3 - 4%.

Согласно (9) при U_ад = 0,5 h_m находим значение параметра τ_кр = 6,05 нс. Расчет условных вероятностей правильного счета n фотоэлектронов по формуле (8) при τ_ан= τ_к = 34 нс дает P_пр.сч.{2} = 0,676 и P_пр.сч.{3} = 0,267.

Воспользовавшись (6) для λ = λ_{к =} , находим
P{0} = 0,670; P{1} = 0,268; P{2} = 0,054; P{3} = 0,007.

По формуле (7) определяем достоверность результатов регистрации светового потока в канале D_к = 0,607 + 0,268 + 0,054 • 0,676 + 0,007 • 0,267 = 0,976.

Поскольку достоверность результатов одинакова по всем каналам, то достоверность результатов регистрации D_ц потока фотоэлектронов за один цикл измерений τ_ц = N_к • τ_к = 3 • 34 = 102 нс по всем N_к = 3 каналам составит
D_ц = DNkк

Исходя из условия (4), выбираем время задержки между двумя соседними отводами ЛЗ τ_з = 17 • τ_д = 17 • 0,5 = 8,5 нс.

При этом расчет по формуле (5) дает время обратного хода развертки
τ_обр = N_к • τ_з = 3 • 8,5 = 25,5 нс.

Откуда T_п = τ_ц+τ_обр = 102 + 25,5 = 127,5 нс.

Поскольку по условию задачи время измерения оценивается в 500 нс, то число полных циклов измерений полагаем равным N_ц = 4. При этом полная достоверность результатов измерения за время T = N_ц • T_п = 4 • 127,5 = 510 нс составит.

D = DNцц

Для доказательства преимуществ предлагаемого изобретения проведем при тех же исходных данных расчет параметров прототипа, структурная схема которого показана на фиг. 9, а временные эпюры его работы - на фиг. 10.

Легко доказать, что для анализируемых схемных решений одинаковыми являются интенсивность потока фотоэлектронов ϕ = 11,8 МГц, время τ_к = 34 нс и временные параметры T_п = 127,5 нс и T = 510 нс.

Эпюры на фиг. 10 показывают, что выполнение условий (4) исключает взаимное влияние потоков ОИ между соседними каналами во время прямого хода развертки.

Однако во время обратного хода развертки τ_обр = 25,5 нс генерируемые фотокатодом фотоэлектроны вновь разворачиваются по входам МЭУС, но уже в обратной последовательности, начиная с N_k-го и заканчивая 1-м каналом. При выполнении условия (5) время, в течение которого поток фотоэлектронов при обратном ходе развертки направляется на вход каждого канала МЭУС, составляет τ_з = 8,5 нс. Поток ОИ с выходов всех каналов МЭУС во время обратного хода развертки напротив будет одновременно поступать на вход ШУ за временной отрезок τ_з . Таким образом, на входе ШУ происходит как бы временное сжатие потока фотоэлектронов в N_k раз.

Из фиг. 10 следует наложение в ЛЗ откликов ФЭП, обязанных появлению фотоэлектронов во время обратного хода развертки, с ОИ последнего (третьего) канала в первом цикле и первого канала во втором цикле измерений.

Невозможность на входе ШУ различать принадлежность ОИ и их взаимное наложение требует рассмотрения потока фотоэлектронов во временном интервале.

[2τ_к,T_п+τ_к].
Среднее число фотоэлектронов, принимаемое за это время,
λ = 2λ_к+λ_к•τ_обр/τ_к= 1,1.
Воспользовавшись (6), находим
P{0} = 0,333; P{1} = 0,366; P{2} = 0,201; P{3} = 0,074; P{4} = 0,020; P{ 5} = 0,004.

Расчет условной вероятности правильного счета фотоэлектронов по формуле (8) при τ_ан = T_п + τ_к-2τ_к = 95 нс дает следующие значения
P_пр.сч{ 2} = 0,877; P_пр.сч{3} = 0,664; P_пр.сч{4} = 0,428; P_пр.сч{5} = 0,230.

Согласно (7) находим достоверность результатов регистрации потока фотоэлектронов, поступающих во временном интервале [2τ_к,T_п+τ_к] , D₁₃ = 0,908.

Достоверность же результатов за один цикл измерений равна D_ц = D₁₃ • D₂, где D₂ = D_к = 0,976 - достоверность результатов регистрации ОИ во втором канале МЭУС. Откуда D_ц = 0,886.

В прототипе наблюдается ухудшение достоверности за один цикл на 4,4% по сравнению с предлагаемым изобретением. Казалось бы, столь малое, на первый взгляд, ухудшение достоверности (единицы процентов) не следует принимать в рассмотрение. Однако решение в регистраторе принимается по четырем циклам измерений D = DNцц

Проведенные для прототипа расчеты дают лишь верхнюю оценку достоверности, поскольку тут не учитывается тот факт, что поток ИО на входе ШУ (в отличие от интенсивности потока на входе ФЭП) является переменной величиной. Интенсивность ОИ практически утраивается во временном интервале ( τ_ц+2τ_з T_п).

Введение же селектора 12 (см. фиг. 1) позволяет сделать преимущество предлагаемого изобретения над прототипом более заметным. Действительно, пусть селектор 12 реализован по схеме фиг. 6, но только с одним каналом обработки. т. е. с последовательно соединенными компараторами с порогом U_пор.1 и счетчиком, выход которого является выходом селектора. Исследования показали, что при выборе порогового значения компаратора
U_пор.1 = 1,05 h_m
условная вероятность правильного счета двух фотоэлектронов P_пр.сч{2} становится равной 1.

Условная вероятность правильного счета трех фотоэлектронов описывается выражением

В нашем случае при τ_кр = 6,05 нс, τ_ан = τ_к = 34 нс и τ_д = 0,5 нс имеем P_пр.сч{ 3} = 0,903. По формуле (7) определяем достоверность результатов регистрации светового потока в канале D_к = 0,670 + 0,268 + 0,054 • 1 + 0,007 • 0,903 = 0,9983. Откуда
D_ц = 0,995 и D = 0,980.

Видно, что если в прототипе достоверность результатов регистрации составляет 61,6%, то в предлагаемом изобретении она достигает уровня в 98%. Ошибка измерения снижена почти в 20 раз.

Описание конкретных схем блоков 5 стробирования, питания ФЭП даются в статьях журнала "Приборы и техника эксперимента (ПТЭ)". Так, например, применение биполярных управляющих сигналов позволяет за время 100 нс изменить коэффициент умножения ФЭП на два порядка (ПТЭ. - 1977, N 2, с. 174 - 175 или ПТЭ. - 1975, N 3, с. 196 - 198). Схема стробирования, описанная в (ПТЭ. - 1978, N 1, c. 163 - 164), основана на переключении двух соседних динодов из встречного включения в нормальное. Описанная в (ПТЭ. - 1983, N 11, с. 14 - 73) схема обеспечивала изменение усиления ФЭП в 10000 раз при времени запирания 20 нс и времени отпирания 50 нс.

Реализацию блока 5 развертки в цифровой форме можно найти в (ПТЭ. - 1981, N 2, с 135 - 136).

Описание схемных решений АД 11 можно найти в (ПТЭ. - 1987, N 4, с. 112 - 114) с временным разрешением 40 и 400 нс, в (Приборы для научных исследований. - 1987, N 10, c. 46 - 52) с рабочей частотой, превышающей 50 МГц.

Выполнение решающего блока 16 определяется конкретной областью применения регистратора. Так, например, в случае применения регистратора в аппаратуре обнаружения оптического излучения решающий блок выносит решение о наличии или отсутствии полезного сигнала в анализируемом временном интервале и представляет собой схему сравнения кодовых комбинаций. В аппаратуре биофизики, сцинтилляционной и ядерной техники исполнительными устройствами являются самописцы или оптические цифровые индикаторы. В случае работы на самописец роль решающего блока будет выполнять ЦАП с выходом на самописец.

В случае же применения в качестве исполнительного устройства декадных индикаторов роль решающего блока выполняет набор двоично-десятичных семисегментных дешифраторов, выпускаемых в виде интегральных схем. При машинной обработке получаемой информации роль решающего блока выполняет ЭВМ с интерфейсом.

Использование: изобретение относится к технике регистрации слабых световых сигналов и может быть использовано в светолокации, оптической связи, астрофизике, биофизике, ядерной физике, сцинтилляционной технике и т.п. Сущность изобретения: регистратор содержит фотоэмиссионный прибор (ФЭП) с многоканальной электронной умножительной системой (МЭУС), фокусирующе-отклоняющей системой (ФОС) и блоком питания, а также блок развертки, блок стробирования, формирователь импульсов (ФИ), многоотводную линию задержки (ЛЗ), умножитель, широкополосный усилитель (ШУ), амплитудный дискриминатор (АД), генератор тактовых импульсов (ГТИ), селектор, счетчик, сумматор и решающий блок. Выходы МЭУС соединены с отводами ЛЗ, концевые выводы которой нагружены на согласующие резисторы R. Один из концевых выводов ЛЗ соединен с входом ШУ, выход которого объединен с входом АД и счетным входом селектора, выход которого подключен к второму информационному входу сумматора, первый информационный вход которого соединен с выходом счетчика, счетный вход которого подключен к выходу АД. Выход ГТИ объединен с входом умножителя и управляющими входами селектора, счетчика и сумматора. Выход умножителя подключен к входу ФИ, выход которого объединен с входами блока развертки и блока стробирования. Выход блока стробирования подключен к входу блока питания. Выход блока развертки соединен с электрическим входом ФОС. Выход сумматора подключен к входу решающего блока. Технический результат заключается в повышении точности регистрации слабых световых сигналов. 10 ил.

Регистратор световых сигналов, содержащий фотоэмиссионный прибор с многоканальной электронной умножительной системой, фокусирующе-отклоняющей системой и блоком питания, а также решающий блок и блок развертки, выход которого соединен с электрическим входом фокусирующе-отклоняющей системы, причем выходы многоканальной электронной умножительной системы соединены с входами многоотводной линии задержки, нагруженной на согласующие резисторы, один из концевых выводов линии задержки через широкополосный усилитель и амплитудный дискриминатор подключен к счетному входу счетчика, отличающийся тем, что в него введены последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, умножитель, формирователь импульсов и блок стробирования, а также сумматор и селектор, причем выход блока стробирования подключен к блоку питания фотоэмиссионного прибора, а вход объединен с входом блока развертки, выход генератора тактовых импульсов объединен с управляющими входами счетчика, селектора и сумматора, выход которого подключен к входу решающего блока, выход счетчика соединен с первым информационным входом сумматора, второй информационный вход которого подключен к выходу селектора, счетный вход которого соединен с выходом широкополосного усилителя.