СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ СЛАБЫХ СВЕТОВЫХ СИГНАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК G01J1/44 

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

В основу регистрации слабых световых сигналов (до 1970 г.) положен энергетический прием, основанный на регистрации числа фотонов за определенный (фиксированный) интервал времени (Артемьев В.В. Фотоэлектронные счетчики фотонов: Обзор. // Оптико-механическая промышленность. 1974. 1. С.62-68). Действительно, плотность вероятности приема фотоэлектронов во временные моменты t₁<t₂<t₃<...<t_n внутри анализируемого интервала (0, τ) равна

В формуле все члены, за исключением последнего, являются плотностями вероятности интервалов между моментами появления фотоэлектронов, а последний член определяет вероятность отсутствия фотоэлектронов между моментом t_n и концом временного интервала τ.
Выражение может быть преобразовано к виду
p(t₁, t₂, ..., t_n|n) = ϕⁿ•exp(-ϕτ).
Видно, что достаточной статистикой для интенсивности потока фотоэлектронов при заданном τ выступает число n фотоэлектронов. Моменты же поступления фотоэлектронов несущественны.

Счетный метод регистрации светового излучения обладает рядом важных преимуществ. Во-первых, счет импульсов темнового тока обусловлен главным образом термоэлектронами с фотокатода. При этом значительно снижается погрешность, вносимая динодной системой и составляющими темнового тока из-за утечек электронов с поверхности колбы фотодетектора. Во-вторых, в режиме счета значительно повышается стабильность работы фотодетектора при изменении напряжения питания и устраняются флюктуации выходного сигнала.

Третье преимущество счетного режима регистрации заключается в возможности весьма простым способом оценивать оптимальное время интегрирования, необходимое для получения заданной точности измерения средней интенсивности непрерывного потока фотонов. При этом относительная ошибка измерения ε связана с числом принимаемых фотоэлектронов n соотношением При наличии темнового тока задача несколько усложняется. Однако и в этом случае она проще, чем при методе измерения по постоянному току. Счет фотонов может производиться в течение сколь угодно длительного времени.

Немаловажным достоинством метода является и то, что информация об интенсивности светового потока выражается в числе зарегистрированных импульсов. Методы преобразования информации в таком виде отличаются большим разнообразием и высокой точностью, стабильностью и большой емкостью памяти.

Известен способ регистрации слабых световых сигналов с амплитудной дискриминацией [Артемьев В.В., Гуськов Л.Н., Михайлов В.Н. Скоростная малогабаритная схема счета фотонов. // Приборы и техника эксперимента. 1967. 4. С. 226-227] . Применение метода счета фотонов, фотоэлектронов или одноэлектронных импульсов (ОИ) эквивалентно так называемому энергетическому приему, который основан на измерении и фиксации элементарных порций энергии, заключенных в сигнале. Действительно, каждый единичный фотоэлектрон генерирует в одноэлектронном фотоприемнике заряд Ge₀, который на аноде с распределенной емкостью С производит импульс напряжения e₀GC. Здесь е₀ = 1,6•10^-19 Кл - заряд электрона, G - средний коэффициент умножения вторичной электронной умножительной системы (ЭУС). Для типовых значений С=15 пФ и G=10⁶ напряжение составляет 10 мВ, что вполне достаточно для быстродействующей дискриминации, при помощи которой формируется импульс с высотой 5 В для счета или цифроаналогового преобразования (ЦАП). Если емкость успевает разрядиться через нагрузку до следующей лавины электронов, то регистрируются неперекрывающиеся ОИ, реализуя счетный режим.

Входным устройством приемной аппаратуры является приемная оптика, которая служит для согласования физических размеров большой апертуры с небольшими размерами фотоприемников. Далее сигнал подвергается светофильтрации для снижения уровня мешающего фонового излучения. Принимаемое оптическое излучение преобразуется в поток одноэлектронных импульсов, который после усиления импульсов подвергается амплитудной дискриминации. По истечении времени наблюдения накопленное число пронормированных по амплитуде ОИ после амплитудной дискриминации выводится для последующей обработки.

Использование вторично-электронного умножителя (ВЭУ) в одноэлектронных фотоприемниках позволяет получить довольно сильный выходной сигнал, значительно превосходящий шумы нагрузки и выходной цепи. Однако, мгновенные значения коэффициента вторичной эмиссии динодов могут значительно отклоняться от своего среднего значения, т.е. каждый фотоэлектрон, прошедший ВЭУ, умножится в различное число раз, что вызовет дополнительные флуктуации тока на выходе фотоприемника.

Типовая кривая амплитудного распределения ОИ (АРОИ) для одноэлектронных фотоприемников, снятая при равномерной засветке фотокатода, характеризуется наличием одноэлектронного пика в распределении (сплошная линия на фиг.2). Другой особенностью АРОИ при равномерной засветке всего фотокатода является наличие экспоненциальной ветви в области малых амплитуд ОИ. Причины появления ОИ с малой амплитудой связаны с термоэмиссией, автоэмиссией или фотоэмиссией в электронной умножительной системе прибора, а также с пролетом и попаданием электронов на нерабочие или малоэффективные участки динодов.

Для одноэлектронных фотоприемников экспоненциальная ветвь в амплитудном распределении ОИ не связана непосредственно с сигналом из анализируемой точки оптического изображения на фотокатоде, являясь нежелательным фактором. Последнее требует применения амплитудной дискриминации с пороговым уровнем U_Aд, ограничивая подачу ОИ темнового тока с выхода анода фотодетектора на вход последующей схемы обработки.

Признаки способа-аналога, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: преобразование светового сигнала в поток фотоэлектронов, амплитудная дискриминация одноэлектронных импульсов, измерение интенсивности световых сигналов по количеству импульсов, зафиксированных за заданное время измерения.

Недостатками известного способа являются:
- недостаточная точность регистрации интенсивности светового потока на входе ФЭП из-за невозможности обеспечения эффективного подавления шумовых ОИ;
- ограниченность динамического диапазона измерений интенсивности светового потока с заданной точностью.

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем.

Описанный способ регистрации слабых световых сигналов с амплитудной дискриминацией не обеспечивает эффективного подавления ОИ темнового тока. Действительно, выбор уровня амплитудной дискриминации в районе провала кривой АРОИ позволяет уменьшить вклад экспоненциальной составляющей распределения в общем выходном сигнале на 70-80%, тогда как потеря полезного сигнала составляет всего лишь 3-4% [К выбору порога амплитудной дискриминации одноэлектронного диссектора датчика /С.С, Ветохин и др.// Оптическая и электрическая обработка информации. М.: Наука, 1975, с. 41-47].

В ходе патентного поиска за 1960-96 гг. среди охранных документов обнаружено 11 авторских свидетельств СССР, выданных на способ регистрации слабых световых потоков (118058, 142360, 205172, 216054, 270910, 307723, 335742, 389409, 672506, 783598, 1804596), и патент 3119037 США. Задача, на решение которой направлены изобретения, заключается в повышении точности измерения (обнаружительной способности) за счет подавления одноэлектронного шума фотодетекторов, исключения наложения ОИ или разделения наложившихся ОИ.

Рассмотрим способы, позволяющие улучшить отношение сигнал-шум за счет более рационального управления электронным потоком. Положительный эффект достигается при этом за счет фильтрации и удаления из пучка термоэлектронов фотокатода, имеющих энергетический спектр, несколько отличный от такового у фотоэлектронов.

В авт. св. СССР 335742 (МКИ H 01 J 39/20, Бачерников В.В. (СССР), Макаров Ю.А. (СССР). Способ формирования стационарных электронных потоков. Опубл. 1972, БИ 13) электронный поток сначала ускоряется, после чего происходит его торможение. При правильно выбранной картине распределения электростатических полей достигается некоторое повышение отношения сигнал-шум.

Признаки способа, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: преобразование светового сигнала в поток фотоэлектронов, регистратором измеряется интенсивность световых сигналов по количеству импульсов, зафиксированных в решающем блоке за заданное время измерения.

Недостатки данного способа следующие:
- снижение точности регистрации интенсивности светового потока на входе ФЭП из-за невозможности обеспечения эффективного подавления ОИ, генерируемых первым динодом;
- ограниченность динамического диапазона измерений интенсивности светового потока с заданной точностью.

Применение способа требует формирования сложного распределения электростатических полей в фотоэмиссионном приборе (ФЭП). Помимо этого способ предполагает известными моменты появления фотонов (фотоэлектронов).

Способ в авт. св. СССР 307723 (МКИ H 01 J 39/20, Шутко А.Н. (СССР). Способ управления фотоэлектронным умножителем. Опубл. 1972, БИ 30) предполагает применение во входной камере ФЭУ магнитного поля, силовые линии которого повторяют линии электрического поля. В результате изменяется угол падения электронов на первый динод. Вследствие различия в первоначальных скоростях фотоэлектронов и термоэлектронов катода коэффициент вторичной эмиссии для последних значительно меньше.

Признаки способа, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: преобразование светового сигнала в поток фотоэлектронов, регистратором измеряется интенсивность световых сигналов по количеству импульсов, зафиксированных в решающем блоке за заданное время измерения.

Недостатки данного способа следующие:
- снижение точности регистрации интенсивности светового потока на входе ФЭП из-за невозможности обеспечения эффективного подавления ОИ, генерируемых первым динодом;
- ограниченность динамического диапазона измерений интенсивности светового потока с заданной точностью.

Способ фильтрации фотоэлектронов от термоэлектронов катода в фотоэлектронном умножителе по авт. св. СССР 118058 (Кл. 21д13/19; Левин Г.Э. (СССР). Способ фильтрации фотоэлектронов от термоэлектронов катода в фотоэлектронном умножителе. Опубл. 23.03.59) осуществляется в специальной конструкции ФЭУ.

Признаки способа, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: преобразование светового сигнала в поток фотоэлектронов, регистратором измеряется интенсивность световых сигналов по количеству импульсов, зафиксированных в решающем блоке за заданное время измерения.

Недостатки данного способа следующие:
- снижение точности регистрации интенсивности светового потока на входе ФЭП из-за невозможности обеспечения эффективного подавления ОИ, генерируемых первым динодом;
- ограниченность динамического диапазона измерений интенсивности светового потока с заданной точностью.

Как отмечено в монографии (Одноэлектронные фотоприемники. / С.С. Ветохин и др. М. : Атомиздат, 1979, с. 192), данный способ не нашел промышленного применения. Однако с его помощью возможно снижение не только уровня термошумов фотокатода, но и обратной оптической и ионной связи.

Возможно уменьшение темнового тока и с помощью конструкции, описанной в патенте США 3119037 (H 01 J 39/04; Stanley V.A. (USA) Photo-emissive devices. C1.313-94, 21.01.1964) и включающей в себя экранирующий и сетчатый электроды, помещенные во входной камере ФЭП, посредством которых осуществляются управление потоком электронов и фильтрация термоэлектронов.

Признаки способа, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: преобразование светового сигнала в поток фотоэлектронов, регистратором измеряется интенсивность световых сигналов по количеству импульсов, зафиксированных в решающем блоке за заданное время измерения.

Недостатки данного способа следующие:
- снижение точности регистрации интенсивности светового потока на входе ФЭП из-за невозможности обеспечения эффективного подавления ОИ, генерируемых первым динодом;
- ограниченность динамического диапазона измерений интенсивности светового потока с заданной точностью.

Определенный интерес для снижения шумов, обусловленных фотокатодом, представляет способ в авт. св. СССР 142360 (МКИ 21д29/40, Левин Г.Э. (СССР); Способ уменьшения термоэлектронных шумов в фотоэлектронных умножителях. Опубл. 1961, БИ 21), заключающийся в том, что световой поток фокусируется на малой площади, а остальная часть фотокатода запирается электрическим полем. В результате термоэлектроны, вылетающие из нерабочих участков катода, не попадают в динодную систему. Такой прием применен при конструировании ряда отечественных ФЭУ (ФЭУ-64, -79, -106). К аналогичному эффекту приводит и способ, реализованный в ФЭУ EMI 9558В, который отличается тем, что запирание производится магнитным полем.

Признаки способа, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: преобразование светового сигнала в поток фотоэлектронов, регистратором измеряется интенсивность световых сигналов по количеству импульсов, зафиксированных в решающем блоке за заданное время измерения.

Недостатки данного способа следующие:
- снижение точности регистрации интенсивности светового потока на входе ФЭП из-за невозможности обеспечения эффективного подавления ОИ, генерируемых первым динодом;
- ограниченность динамического диапазона измерений интенсивности светового потока с заданной точностью.

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем.

Способы по авт. св. СССР 307723, авт. св. СССР 118058, авт. св. СССР 142360 и патенту 3119037 США обеспечивают эффективную борьбу с шумовыми фотоэлектронами, генерируемыми катодом ФЭП. Однако электроны, генерируемые первым динодом в результате термоэмиссии, автоэмиссии или фотоэмиссии, будут формировать ОИ, которые могут быть зарегистрированы устройством. Это снижает точность регистрации интенсивности светового потока на входе ФЭП и, как следствие, ограничивает динамический диапазон измерений интенсивности светового потока.

Способ, описанный в авт. св. СССР 389409 (МКИ G 01 J 1/00, Выгон В.Г. (СССР), Колосов Ю.А. (СССР). Способ регистрации световых импульсных сигналов. Опубл. 1971, БИ 29), основан на использовании ФЭП с многоканальной электронной умножительной системой (МЭУС). Здесь ставится задача повышения точности регистрации за счет резкого снижения вероятности наложения откликов на прием двух соседних фотонов или ОИ полезного излучения и шумового ОИ. Действительно, из-за размытости отклика фотодетектора на появление фотоэлектрона возможно частичное наложение ОИ, в результате чего возникает ошибка в определении числа принятых фотоэлектронов. Развертка потока фотоэлектронов по входам N-канальной электронной умножительной системы (ЭУС) обеспечивает резкое снижение вероятности одновременного попадания в канал двух фотоэлектронов.

Кроме того, таким способом удается снизить вероятность одновременного формирования в одном канале одноэлектронных импульсов полезного излучения и темнового тока с фотокатода. Благодаря организации амплитудной селекции выходных откликов в каждом канале удается снизить вероятность ошибочной регистрации шумовых ОИ, повысив тем самым точность измерений.

Признаки способа-аналога, совпадающие с признаками заявляемого технического решения: световой сигнал преобразуется в поток фотоэлектронов, поток одноэлектронных импульсов с выхода фотоэмиссионного прибора подвергается амплитудной дискриминации, регистратором измеряется интенсивность световых сигналов по количеству импульсов, зафиксированных в решающем блоке за заданное время измерения.

Недостатками известного способа являются:
- снижение точности регистрации интенсивности светового потока на входе ФЭП из-за невозможности обеспечения эффективного подавления ОИ, генерируемых первым динодом;
- снижение точности регистрации интенсивности светового потока на входе ФЭП из-за одновременного поступления на вход усилителя шумовых ОИ с выходов всех каналов МЭУС во время обратного хода развертки;
- ограниченность динамического диапазона измерений интенсивности светового потока с заданной точностью.

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем.

Во время обратного хода развертки генерируемые катодом фотоэлектроны вновь разворачиваются по входам МЭУС, но уже в обратной последовательности, начиная с N-го и заканчивая 1-м каналом. При этом поток ОИ с выходов всех каналов МЭУС во время обратного хода развертки напротив будет одновременно поступать на вход усилителя. Таким образом, на входе усилителя происходит как бы временное сжатие потока фотоэлектронов в N раз.

При построении регистратора слабых световых сигналов важна оценка уровня внутренних шумов. В ФЭП, применяемых для одноэлектронной регистрации, основным источником внутреннего шума является темновой ток, который обязан:
- фотоэлектронам и термоэлектронам, эмиттированным фотокатодом или стенками колбы входной камеры;
- термоэмиссией, автоэмиссией или фотоэмиссией в электронной умножительной системе.

Пусть частота поступлений (интенсивность) ОИ за счет первой причины равна ϕ_т.фк, а второй - ϕ_т.эус. Генерация темновых ОИ в ЭУС происходит независимо от состояния во входной камере ФЭП и параметров блока развертки. Поэтому в любой момент времени потоки этих ОИ на выходе любого из каналов МЭУС будут одинаковы и поступать непрерывно вне зависимости от параметров блока развертки. В силу последнего суммарная интенсивность потока темновых ОИ из ЭУС возрастает на входе усилителя в N раз, достигая величины Nϕ_т.эус.
Что касается темновых электронов из фотокатодной камеры, то последние будут направляться фокусирующей и отклоняющей системой (ФОС) в тот же канал МЭУС, что и исследуемый поток фотоэлектронов. Следовательно, интенсивность этих ОИ на входе усилителя будет всегда оставаться постоянной и равной ϕ_т.фк.
Таким образом, суммарная интенсивность потока шумовых ОИ на входе усилителя составит ϕ_ш = ϕ_т.фк+Nϕ_т.эус. Видно, что шумы каждого канала МЭУС аддитивно суммируются в течение времени, равного периоду прохождения через последующий канал обработки информации.

Таким образом, основные выводы охранного документа об исключении попадания потока шумовых ОИ одновременно с выходов МЭУС справедливы лишь для потока темновых электронов из фотокатодной камеры. Суммарная же интенсивность потока темновых ОИ из ЭУС возрастает на входе усилителя в N раз.

В способе, защищенном авт. св. СССР 672506 (МКИ² G 01 J 1/44, Ветохин С. С. (СССР) Способ регистрации слабых световых сигналов. Опубл. 1979, БИ 25), предложено дополнительное разнесение импульсных реакций каналов во времени. Действительно, введение дополнительной задержки τ_лз>τ_ад между соседними каналами исключает наложение нормированных импульсов с выходов МЭУС.

При этом недостатками данного способа являются:
- снижение точности регистрации интенсивности светового потока на входе ФЭП из-за невозможности обеспечения эффективного подавления ОИ, генерируемых первым динодом;
- снижение точности регистрации интенсивности светового потока на входе ФЭП из-за одновременного поступления на вход усилителя шумовых ОИ с выходов всех каналов МЭУС во время обратного хода развертки.

Принцип временной селекции при регистрации световых потоков положен в основу способа, защищенного авт. св. СССР 783599 (МКИ³ G 01 J 1/44, Буцкий В. В. , Ветохин С.С., Гулаков И.Р., Резников И.Р. (СССР) Способ регистрации света. Опубл. 1980, БИ 44). Допустим, что наблюдаемое время до появления k-ro фотоэлектрона пуассоновского процесса равно t=t_k. Плотность вероятности приема k фотоэлектронов во временные моменты t₁, t₂, t₃,...,t_k равна
p(t₁, t₂, ..., t_k) = ϕ^k•exp(-ϕτ).
При данном числе фотоэлектронов k время t является достаточной статистикой для интенсивности потока электронов. Таким образом, если k заранее фиксировано, то измерение интенсивности полезного излучения может основываться на величине t, рассматриваемой как наблюдаемое значение случайной величины Т, такой, что 2ϕТ имеет χ² - распределение с 2k степенями свободы.

Способ регистрации света, защищенный авт. св. СССР 783598, как раз и предполагает измерение времени t_k до появления k-го фотоэлектрона и вычисление среднего интервала времени Δt_cp=t_k/k. Одновременно измеряется интервал времени Δt между моментом появления последнего фотоэлектрона t_n и моментом окончания заданного временного интервала измерения τ. Полагается, что число принятых фотоэлектронов N удовлетворяет условиям N=n при τ-t_n≤Δt_cp и N=n+1 при τ-t_n>Δt_cp.

Признаки аналога, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: преобразование светового сигнала в поток фотоэлектронов.

Недостатками известного способа являются:
- снижение точности регистрации интенсивности светового потока на входе ФЭП из-за невозможности обеспечения эффективного подавления ОИ темнового тока;
- ограниченность динамического диапазона измерений интенсивности светового потока с заданной точностью.

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем.

Способ по авт. св. СССР 783598 не предполагает подавления ОИ темнового тока.

В авт. св. СССР 1804596 (МКИ⁵ G 01 J 1/44, Цаплев Ю.Б., Давыдов В.А. (СССР) Способ регистрации слабых световых сигналов. Опубл. 1993, БИ 11) описан способ, предусматривающий селекцию одноэлектронного шума по величине межимпульсного интервала. Действительно, при скорости поступления фотоэлектронов ϕ плотность вероятности временных интервалов между моментами появления двух соседних фотоэлектронов Δt подчинена экспоненциальному закону p(Δt) = ϕ•exp(-ϕ•Δt) со средним значением M{Δt}=1/ϕ и дисперсией D{Δt} = 1/ϕ².
Естественно, что в присутствии помимо сигнального излучения с интенсивностью фотоэлектронов ϕ_c одноэлектронного шума с интенсивностью ϕ_ш среднее значение временного межимпульсного интервала снижается.

Признаки способа-аналога, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: световой сигнал преобразуется в поток фотоэлектронов, поток одноэлектронных импульсов подвергается амплитудной дискриминации, измеряется интенсивность световых сигналов по количеству импульсов, зафиксированных за заданное время измерения.

Недостатками известного способа являются:
- снижение точности регистрации интенсивности светового потока на входе ФЭП из-за невозможности селекции шумовых ОИ;
- ограниченность динамического диапазона измерений интенсивности светового потока с заданной точностью.

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем.

Измеритель производит замеры временных интервалов между моментами появления фотоэлектронов Δt и сравнивает их с пороговым уровнем τ_пор. Решение о приеме одноэлектронного шума принимается при выполнении условия Δt<τ_пор.
Вероятность ошибочного решения о приеме одноэлектронного шума при регистрации сигнального ОИ определяется формулой

где n_c = ϕ_cτ_пор - среднее число сигнальных фотоэлектронов, принимаемое за временной интервал
Вероятность ошибки второго рода о регистрации вместо одноэлектронного шума сигнального ОИ

где - среднее число сигнальных и шумовых ОИ, принимаемых за время τ_пор.
Если, как и при обычной амплитудной дискриминации (для сопоставления), положить Р_ош.1≤0,03...0,04 и Р_ош.2≤0,2.,.0,3, то легко найти, что для этого требуется выполнение условий


Таким образом, данный способ принципиально эффективен при регистрации весьма слабых световых потоков с интенсивностью, более чем в 40 раз уступающей интенсивности одноэлектронного шума. Помимо этого, к недостаткам способа по авт. св. 184596 СССР следует отнести невозможность проведения селекции шумовых ОИ.

Из известных технических решений способа наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ регистрации слабых световых потоков (см. авт. св. СССР 270910 (МПК G 01 J 21g, 18/02, Лапшин В.Г., Рыкалин В.И., Шувалов Р.С. (СССР) Способ регистрации слабых световых потоков. Опубл. 1970, БИ 17 - прототип).

Способ основан на неизменности формы ОИ ФЭП. Для выделения сигнала из шума измеряется интервал времени между началом и центром тяжести выходного импульса ФЭП. Из измеренной величины вычитают средний интервал времени между началом и центром тяжести выходного импульса. При этом световой импульс считают зарегистрированным, если указанная разность превосходит некоторую заранее определенную условиями эксперимента величину. Действительно, причины появления шумовых ОИ связаны с термоэмиссией, автоэмиссией или фотоэмиссией в ВЭУ прибора. Как следствие этого, средняя амплитуда шумовых ОИ меньше средней амплитуды ОИ полезного излучения. При практически неизменной форме ОИ последнее определяет существенное различие длительностей импульсов одноэлектронного шума и ОИ полезного излучения по любому уровню амплитудной дискриминации.

В авт. св. СССР 270910 проблема регистрации переводится из области амплитудной дискриминации в область временной селекции. Авторами этого изобретения в 1990 году отмечалось, что их идея не реализована на практике, и эффективность этого способа неизвестна (Подавление одноэлектронного шума фотоэлектронных умножителей в сцинтилляционных счетчиках. /Ю.П. Гуз, В.В. Лапин, А. И. Пересыпкин, В.И. Рыкалин, В.Т. Скрипкина// Приборы и техника эксперимента. 1990. 1. С. 161-163).

Признаки способа-прототипа, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: световой сигнал преобразуется в поток фотоэлектронов, световой сигнал считается зарегистрированным, если указанная разность превосходит некоторую заранее определенную условиями эксперимента величину.

Недостатками известного способа являются:
- снижение точности регистрации интенсивности светового потока на входе ФЭП из-за невозможности достичь высокой точности измерения временного интервала между началом и центром тяжести выходного импульса ФЭП. Недостаточная точность измерения предлагаемого способа отмечена в авт. св. СССР 672507 (МКИ² G 01 J 1/44, Ветохин С.С. (СССР) Способ регистрации слабых световых сигналов. Опубл. 1979, БИ 25):
- снижение точности регистрации интенсивности светового потока из-за того, что разность измеренной и ожидаемой длительностей интервалов времени между началом и центром тяжести выходного импульса ФЭП может оказаться недостаточной для срабатывания счетчика импульсов;
- ограниченность динамического диапазона измерений интенсивности светового потока с заданной точностью.

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем.

Факт появления фотоэлектрона с катода ФЭП в момент времени to можно характеризовать дельта-функцией δ(t-t₀). При этом реакцию фотоприемника целесообразно описывать импульсной характеристикой h(t-to), определяющей форму ОИ.

Время пролета t электроном между j-м и (j+1)-м динодами ФЭУ представляет случайную величину. Следовательно, эта величина должна характеризоваться полностью вероятностью p_j(t). Эта функция должна быть убывающей, так как большая часть электронов движется по более коротким траекториям. В статье [Шубников Е. Н. и др. Времена пролета электронов в ФЭУ // Приборы и техника эксперимента. 1972. 1. С. 158-159] для описания плотности вероятности времени t предложено использовать экспоненциальное распределение

Время, затрачиваемое электроном, вылетевшим с первого динода, на пролет всей N-каскадной умножительной системы случайно и имеет плотность p(t), определяемую сверткой p(t)=p₁(t)*p₂(t)*...*p_N (t) всех плотностей p_j(t), j= 1,...,N_д.

Функция p(t) и определяет форму ОИ фотоприемника, т.е. h(t)=p(t). В случае идентичности каскадов умножения τ_дj = τ_д получаем [Одноэлектронные фотоприемники / С.С. Ветохин и др. М.: Атомиздат, 1979, 192 с]:

где амплитуда ОИ

Таким образом, форма ОИ фотодетектора, имеющего N_д одинаковых каскадов с экспоненциальной функцией распределения времени полета, определяется гамма-распределением с параметрами N_д и τ_д. Здесь τ_д - среднее время, затрачиваемое на пролет электронами расстояния между динодами под действием междинодной разности потенциалов.

Момент появления фотоэлектрона является случайной величиной. Поэтому фиксация "момента появления" ОИ невозможна. Регистрация может быть осуществлена лишь по определенному уровню.

Фиксация центра тяжести ОИ ФЭП в прототипе предполагает измерение момента достижения ОИ амплитудного значения. В то же время из выражения для описания формы ОИ следует, что в диапазоне 3,67•τ_д изменение уровня ОИ не превышает 5% от амплитудного значения. И это при том, что длительность ОИ по уровню 0,5•h_m составляет 6,8•τ_д. Таким образом, достичь высокой точности измерения временного момента достижения ОИ амплитудного значения, а следовательно, и высокой точности регистрации световых сигналов не представляется возможным.

Для правильной работы счетчика длительность импульсов счета должна превышать время срабатывания счетчика. В описанном способе заложено, что длительность входных счетных импульсов представляет разность измеренной и ожидаемой длительностей интервалов времени между началом и центром тяжести выходного импульса ФЭП. Следовательно, длительность входных импульсов счетчика может принимать значения, весьма близкие к нулю. Действительно, пусть применен ФЭП с числом динодов N_д=14 и постоянной времени τ_д = 1 нс (что соответствует полосе пропускания ФЭП в 36 МГц). Ожидаемая длительность ОИ по уровню 0,5•h_m составляет 6,8•τ_д = 6,8 нс. Естественно, что в случае прихода ОИ полезного излучения с длительностью в 7 нс разность между измеряемой и ожидаемой длительностями составит всего 200 пс. Столь малая длительность импульса может не вызвать срабатывания счетчика.

Известен регистратор световых сигналов (Михалков К.В., Румянцев К.Е. Синтез оптимальных параметров астродатчика, работающего в режиме счета фотоэлектронов. // Техника средств связи. Серия "Техника телевидения". 1987. Вып. 5. С. 37-43. Рис.2), содержащий последовательно соединенные диссектор с фокусирующей и отклоняющей системой (ФОС), усилитель-нормирователь, стробируемый каскад, счетчик, дешифратор, устройство сравнения и решающий блок. Выход блока шаговой развертки подключен к управляющему входу диссектора, оптический вход которого является входом регистратора. Первый выход генератора тактовых импульсов соединен с управляющим входом стробируемого каскада. Второй выход генератора тактовых импульсов объединен с первым управляющим входом счетчика. Третий выход генератора тактовых импульсов подключен к первому входу блока шаговой развертки. Первый выход решающего блока подключен к второму управляющему входу счетчика, а второй выход - к управляющему входу генератора тактовых импульсов и второму входу блока шаговой развертки. Третий выход решающего блока является выходом регистратора.

Устройство работает следующим образом.

Входным устройством является телескоп, который служит для согласования физических размеров большой приемной апертуры с небольшими размерами сканирующих фотоприемников. Для снижения уровня фонового излучения используется светофильтр с полосой пропускания порядка Принимаемое излучение преобразуется одноэлектронным диссектором в поток одноэлектронных импульсов, поступающих в усилитель-нормирователь. Генератор тактовых импульсов вырабатывает прямоугольные импульсы с периодом следования τ_сл = ε_элτ_эл. Блок шаговой развертки, управляемый тактовыми импульсами, организует последовательный съем информации с различных участков фотокатода диссектора, осуществляя дискретный просмотр контролируемого поля. При переходе к анализу нового элемента сигнал с генератора, поступая в стробируемый каскад, разрешает счет одноэлектронных импульсов с выхода усилителя-нормирователя. По истечении времени τ_эл с помощью импульса опроса накопленное число сравнивается с пороговым уровнем n_пор, хранящимся в памяти устройства сравнения. При этом счетчик сбрасывается в исходное состояние, а на выходе решающего блока появляется сигнал о наличии полезного излучения или об его отсутствии.

Признаки устройства-аналога, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: последовательно соединенные фотоэмиссионный прибор (диссектор) и широкополосный усилитель, а также счетчик импульсов, решающий блок и блок управления (блок шаговой развертки и генератор тактовых импульсов).

Недостатками известного технического решения являются:
- снижение точности регистрации интенсивности светового потока на входе ФЭП из-за невозможности обеспечения эффективного подавления шумовых ОИ;
- ограниченность динамического диапазона измерений интенсивности светового потока с заданной точностью.

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем.

Каждый единичный фотоэлектрон генерирует в одноэлектронном фотоприемнике заряд, который на аноде производит импульс напряжения в 10 мВ. Это вполне достаточно для запуска быстродействующего дискриминатора, формирующего нормированный импульс в 5 В для счетчика или цифроаналогового преобразователя (ЦАП). Если распределенная емкость фотоприемника успевает разрядиться через нагрузку до следующей лавины электронов, то регистрируется счетный режим работы аппаратуры.

Использование одноэлектронных фотоприемников позволяет получить выходной сигнал, значительно превосходящий шумы нагрузки и выходной цепи. Однако мгновенные значения коэффициента вторичной эмиссии динодов могут значительно отклоняться от своего среднего значения, т.е. каждый фотоэлектрон, прошедший ВЭУ, умножится в различное число раз, что вызовет дополнительные флуктуации тока фотоприемника.

Типовая кривая амплитудного распределения ОИ для одноэлектронных фотоприемников, снятая при равномерной засветке фотокатода, характеризуется наличием экспоненциальной ветви в области малых амплитуд ОИ (см. кривая 2 на фиг.2). Для одноэлектронных фотоприемников экспоненциальная ветвь в амплитудном распределении ОИ не связана непосредственно с сигналом из анализируемой точки оптического изображения на фотокатоде, являясь нежелательным фактором. Последнее требует применения амплитудного дискриминатора с пороговым уровнем U_АД, ограничивая подачу ОИ темнового тока с выхода анода фотодетектора на вход последующей схемы обработки.

Описанный регистратор слабых световых сигналов с амплитудной дискриминацией не обеспечивает эффективного подавления ОИ темнового тока. Действительно, выбор уровня амплитудной дискриминации в районе провала кривой АРОИ позволяет уменьшить вклад экспоненциальной составляющей распределения в общем выходном сигнале на 70-80%, тогда как потеря полезного сигнала составляет всего лишь 3-4% (К выбору порога амплитудной дискриминации одноэлектронного диссектора датчика. /С.С. Ветохин и др.// Оптическая и электрическая обработка информации. М.: Наука, 1975. С.41-47).

Известно устройство для счета фотонов (а.с. СССР 1182277, МКИ4 G 01 J 1/44, БИ 36, 1985), содержащее последовательно включенные ФЭУ, дискриминатор, счетчик, а также параллельно включенные первое и третье ОЗУ, выходами подключенные к первому входу сумматора, второе ОЗУ, подключенное выходом к входному регистру ЭВМ и к второму входу сумматора, схему управления, содержащую последовательно включенные тактовой генератор и адресный счетчик, адресными выходами подключенный к адресным входам второго ОЗУ, к входам схемы управления подключены выходы схемы синхронизации и ЭВМ, а также вход счетного триггера, прямой и инверсный выходы которого подключены к входам управления первого и третьего ОЗУ, второй тактовый генератор, второй адресный счетчик и схема синхронизации адресов, причем выход схемы синхронизации подключен к входу второго тактового генератора, подключенного к входу второго адресного счетчика, адресные выходы первого и второго адресных счетчиков подключены к первому и второму адресным входам схемы коммутации адресов, первый и второй адресные выходы схемы коммутации адресов подключены к соответствующим адресным входам первого и третьего ОЗУ, а выходы счетного триггера подключены к входам управления схемы коммутации адресов.

Устройство работает следующим образом.

Оптический импульс излучения, проходя через оптическую схему передатчика лидара, частично отклоняется на приемник блока синхронизации и преобразуется в электрический импульс, поступающий на запуск второго ГТИ в БУ и перебрасывает счетный триггер. Второй ГТИ работает с частотой, обеспечивающей процесс суммирования данных из первого или третьего ОЗУ с данными второго ОЗУ, за время меньшее, чем период следования импульсов зондирования.

Первый ГТИ обеспечивает необходимое пространственное разрешение, так как его частота определяется временем записи данных в первое или третье ОЗУ. Это время значительно меньше, чем время, требуемое для считывания суммирования-записи для второго ОЗУ. Какое из двух (первое или третье) ОЗУ находится в данном цикле измерения в режиме записи, а какое - в режиме считывания, определяется состоянием выходов счетного триггера, управляющего синхронно и направлением передачи потоков адресов ("быстрых" или "медленных") в коммутаторе адресов. В первом или третьем ОЗУ скорость смены адресов таким образом определяется режимом, в котором это устройство работает. Если в данный момент ОЗУ, например, первое, находится в режиме записи, то через коммутатор адресов на его адресные входы поступают адреса с адресного счетчика, скорость смены их определяет длительность временных интервалов, т.е. пространственное разрешение. В это же время третье ОЗУ находится в режиме считывания и на его адресные входы поступают адреса через коммутатор адресов с второго адресного счетчика. Скорость смены этих адресов определяется как быстродействием второго ОЗУ, так и процессом считывания-суммирования-записи и процессом обмена данными между быстрым и накапливающим ОЗУ.

После многократного повторения циклов записи-суммирования во втором ОЗУ накапливается в каждой ячейке число, величина которого определяется из статистической точности измеряемого параметра атмосферы, а затем все числа из всех ячеек передаются в ЭВМ.

Цель - увеличение пространственного разрешения фотонов при сохранении высокой скорости накопления данных в ОЗУ - достигается за счет более высокой скорости записи данных в быстрое ОЗУ.

Признаки аналога, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: фотоэмиссионный прибор, счетчик импульсов, блок управления.

Недостатками известного технического решения являются:
- снижение точности регистрации интенсивности светового потока на входе ФЭП из-за невозможности обеспечения эффективного подавления шумовых ОИ;
- ограниченность динамического диапазона измерений интенсивности светового потока с заданной точностью.

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем.

В устройстве не предусмотрены меры по обеспечению эффективного подавления шумовых ОИ.

Известно устройство регистрации слабых световых потоков (Подавление одноэлектронного шума фотоэлектронных умножителей в сцинтилляционных счетчиках. / Ю.П. Гуз, В.В. Лапин, А.И. Пересыпкин, В.И. Рыкалин, В.Т. Скрипкина // Приборы и техника эксперимента. 1990. 1. С. 161-163. Рис.1). Устройство содержит последовательно соединенные фотоэмиссионный прибор, амплитудный дискриминатор (формирователь импульсов) и временной селектор, включающий линию задержки и элемент И. Вход временного селектора объединен с входом линии задержки и элемента И, второй вход которого подключен к выходу линии задержки. Выход элемента И является выходом устройства.

Сигнал ФЭП пропускается через формирователь импульсов (ФИ), который вырабатывает на выходе стандартизованный по амплитуде сигнал, равный по длительности входному воздействию τ по уровню, соответствующему порогу этого ФИ. Выход ФИ соединен с первым входом элемента И непосредственно и с вторым входом элемента И через линию задержки ЛЗ. Время задержки подбирается так, чтобы исключить совпадение во времени на входах элемента И сформированных сигналов в момент анализа шумовых ОИ. Напротив, в случае приема полезных ОИ совпадение гарантировано.

Признаки аналога, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: фотоэмиссионный прибор и временной селектор.

Недостатками известного устройства являются:
- снижение точности регистрации интенсивности светового потока из-за того, что разность измеренной и ожидаемой длительностей импульса ФЭП может оказаться недостаточной для срабатывания счетчика импульсов;
- ограниченность динамического диапазона измерений интенсивности светового потока с заданной точностью.

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем.

Форма ОИ фотодетектора, имеющего N_д одинаковых каскадов с экспоненциальной функцией распределения времени полета, определяется гамма-распределением (1) и (2) с параметрами N_д и τ_д.
Момент появления фотоэлектрона является случайной величиной, что делает невозможным фиксацию "момента появления" ОИ. Регистрация может быть осуществлена лишь по определенному уровню.

Фиксация центра тяжести ОИ ФЭП предполагает измерение момента достижения ОИ амплитудного значения. В то же время из выражения для описания формы ОИ следует, что в диапазоне 3,76•τ_д изменение уровня ОИ не превышает 5% от амплитудного значения. И это при том, что длительность ОИ по уровню 0,5•h_m составляет 6,8•τ_д. Таким образом, достичь высокой точности измерения временного момента достижения ОИ амплитудного значения, а следовательно, и высокой точности регистрации световых сигналов не представляется возможным.

Для правильной работы счетчика длительность импульсов счета должна превышать время срабатывания счетчика. В описанном устройстве заложено, что длительность входных счетных импульсов представляет разность измеренной и ожидаемой длительностей интервалов времени между началом и центром тяжести выходного импульса ФЭП. Следовательно, длительность входных импульсов счетчика может принимать значения, весьма близкие к нулю. Действительно, для ФЭП с числом динодов N_д=14 и постоянной времени τ_д = 1 нс ожидаемая длительность ОИ по уровню 0,5•h_m составляет 6,8•τ_д = 6,8 нс. Естественно, что в случае прихода ОИ полезного излучения с длительностью в 7 нс разность между измеряемой и ожидаемой длительностями составит всего 200 пс. Столь малая длительность импульса может не вызвать срабатывания счетчика.

Из известных технических решений устройства наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является фоторегистратор (авт. св. 813142 СССР, МКИ³ G 01 J 1/44. - БИ 10, 1981 - прототип), содержащий последовательно соединенные ФЭУ, широкополосный усилитель, амплитудный дискриминатор, счетчик импульсов с таймером, а также блок синхронизации, вход которого связан с выходом дискриминатора, а выход - с входом таймера.

Принимаемое излучение преобразуется одноэлектронным ФЭП в поток одноэлектронных импульсов, поступающих в широкополосный усилитель. Сигнал ФЭП пропускается через амплитудный дискриминатор, который вырабатывает на выходе стандартизованный по амплитуде сигнал, равный по длительности входному воздействию по уровню, соответствующему порогу амплитудной дискриминации.

Таймер определяет время измерения и разрешает счет одноэлектронных импульсов в счетчике. Работа устройства синхронизируется блоком синхронизации.

Признаки устройства-прототипа, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: последовательно соединенные фотоэмиссионный прибор и широкополосный усилитель, а также счетчик импульсов и таймер.

Недостатками известного устройства являются:
- снижение точности регистрации интенсивности светового потока на входе ФЭП из-за невозможности обеспечения эффективного подавления шумовых ОИ;
- ограниченность динамического диапазона измерений интенсивности светового потока с заданной точностью.

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем.

Описанный регистратор слабых световых сигналов с амплитудной дискриминацией не обеспечивает эффективного подавления ОИ темнового тока. Действительно, выбор уровня амплитудной дискриминации в районе провала кривой АРОИ позволяет уменьшить вклад экспоненциальной составляющей распределения в общем выходном сигнале всего лишь на 70-80%.

Известен регистратор импульсных световых сигналов (см. авт. св. 401894 СССР, МКИ¹ 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 со 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: решающий блок, 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 соединен с ШУ.

Недостатками известного устройства являются:
- снижение точности регистрации интенсивности светового потока на входе фотоэмиссионного прибора из-за невозможности обеспечения эффективного подавления шумовых ОИ, генерируемых в каждом канале электронной умножительной системы;
- ограниченность динамического диапазона измерений интенсивности светового потока с заданной точностью.

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем.

Описанный регистратор слабых световых сигналов с амплитудной дискриминацией не обеспечивает эффективного подавления ОИ темнового тока, генерируемых в каждом канале электронной умножительной системы. Действительно, выбор уровня амплитудной дискриминации в районе провала кривой АРОИ позволяет уменьшить вклад экспоненциальной составляющей распределения в общем выходном сигнале на 70-80%, тогда как потеря полезного сигнала составляет всего лишь 3-4%.

Кроме того, в регистраторе 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 входе ШУ происходит как бы временное сжатие сформированного потока ОИ. Одновременно на вход ШУ поступают потоки ОИ с последнего канала i-гo цикла измерений и первого канала (i+1)-гo цикла измерений, а также потока ОИ, генерируемых во время обратного хода развертки. Естественно, что вероятность наложения ОИ при временном сжатии потока резко возрастает, приводя к потере точности измерений.

Известно устройство для регистрации слабых световых сигналов (см. авт. св. 672510 СССР, МКИ² 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 многоотводную линию задержки (ЛЗ), первый и второй широкополосный усилитель (ШУ), первый и второй амплитудный дискриминатор (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 фотоэмиссионный прибор с многоканальной электронной умножительной системой, фокусирующе-отклоняющей системой и блоком питания, многоотводная линия задержки, широкополосный усилитель, счетчик импульсов, блок развертки и решающий блок.

Недостатками известного технического решения являются:
- снижение точности регистрации интенсивности светового потока на входе фотоэмиссионного прибора из-за невозможности обеспечения эффективного подавления шумовых ОИ, генерируемых в каждом канале электронной умножительной системы;
- ограниченность динамического диапазона измерений интенсивности светового потока с заданной точностью.

Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата с помощью известного устройства, является то, что описанный регистратор слабых световых сигналов с амплитудной дискриминацией не обеспечивает эффективного подавления ОИ темнового тока, генерируемых в каждом канале электронной умножительной системы. Действительно, выбор уровня амплитудной дискриминации в районе провала кривой АРОИ позволяет уменьшить вклад экспоненциальной составляющей распределения в общем выходном сигнале на 70-80%, тогда как потеря полезного сигнала составляет всего лишь 3-4%.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является регистратор световых сигналов (см. патент 2117263 РФ, МКИ 6 G 01 J 1/44. - от 10.08.98 г.), содержащий ФЭП с многоканальной ЭУС, ФОС, блок питания, 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.

Признаки аналога, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: ФЭП с многоканальной ЭУС, ФОС и блоком питания, блок стробирования, многоотводная линия задержки, широкополосный усилитель, генератор тактовых импульсов (ГТИ), умножитель, формирователь импульсов, счетчик импульсов, блок развертки и решающий блок.

Недостатками известного технического решения являются:
- снижение точности регистрации интенсивности светового потока на выходе, снижение точности регистрации интенсивности светового потока на входе фотоэмиссионного прибора из-за невозможности обеспечения эффективного подавления шумовых ОИ, генерируемых в каждом канале электронной умножительной системы;
- ограниченность динамического диапазона измерений интенсивности светового потока с заданной точностью.

Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата с помощью известного устройства, является то, что описанный регистратор слабых световых сигналов с амплитудной дискриминацией не обеспечивает эффективного подавления ОИ темнового тока, генерируемых в каждом канале электронной умножительной системы. Действительно, в регистраторе каждый канал ЭУС независимо от остальных эмитирует ОИ темнового тока, которые суммируются на входе широкополосного усилителя. Выбор уровня амплитудной дискриминации в районе провала кривой АРОИ позволяет уменьшить вклад экспоненциальной составляющей распределения в общем выходном сигнале только на 70-80%.

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

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, позволяет:
- повысить точность регистрации интенсивности светового потока на входе ФЭП световых потоков на 18%;
- расширить динамический диапазон в сторону измерений интенсивности более слабых световых потоков.

Технический результат достигается тем, что в способе регистрации слабых световых сигналов, состоящем в измерении интервала времени между началом и центром тяжести одноэлектронного импульса фотоэмиссионного прибора, поток одноэлектронных импульсов с выхода фотоэмиссионного прибора подвергают первичной амплитудной дискриминации с верхним и нижним пороговыми уровнями, а затем временной селекции, обеспечивающей прохождение импульсов с длительностью, превышающей определенную пороговую величину, причем импульсы после временной селекции подвергаются нормировке по длительности, причем измерение интенсивности световых сигналов, производимое по количеству пронормированных по длительности импульсов, зафиксированных за заданное время измерения.

Анализ существенных признаков аналогов, прототипа и заявляемого технического решения выявил следующие новые существенные признаки относительно способа для заявляемого объекта:
- амплитудная дискриминация с верхним пороговым уровнем, благодаря которой осуществляется первичная амплитудная дискриминация ОИ темнового тока. Скорость изменения переднего фронта нормированного ОИ достигает 1 ?5б8•τ_д), а заднего 1/(7,8•τ_д). При использовании ФЭП с параметрами N_д=14, τ_д = 1 нc (что соответствует полосе пропускания ФЭП в 36 МГц) и средней амплитуде ОИ полезного излучения в 10 мВ скорость изменения переднего фронта ОИ достигает 1,72 В/мкс, а заднего 1,28 В/мкс. Этого достаточно для обеспечения высокой точности регистрации длительности ОИ;
- амплитудная дискриминация с нижним пороговым уровнем, благодаря которой увеличивается длительность формируемого импульса и, следовательно, упрощается последующая обработка информации;
- временная селекция, благодаря которой удается дополнительно подавить порядка 20% ОИ темнового тока, генерируемых первым динодом в результате термоэмиссии, автоэмиссии или фотоэмиссии;
- нормировка по длительности импульсов после временной селекции позволяет сгенерировать импульс с длительностью, превышающей минимально допустимую величину для счетчика.

Доказательство причинно-следственной связи будет дано ниже при описании работы способа.

Технический результат достигается тем, что в устройство регистрации слабых световых сигналов, содержащее последовательно соединенные фотоэмиссионный прибор и широкополосный усилитель, а также таймер, выход которого подключен к управляющему входу счетчика импульсов, выход которого соединен с входом решающего блока, введены блок управления и последовательно соединенные амплитудный дискриминатор, временной селектор и формирователь импульсов, причем вход таймера подключен к выходу блока управления, а выход формирователя импульсов соединен со счетным входом счетчика, а амплитудный дискриминатор выполнен с верхним и нижним пороговыми уровнями.

Анализ существенных признаков аналогов, прототипа и заявляемого технического решения выявил следующие новые существенные признаки относительно устройства для заявляемого объекта:
- выполнение амплитудного дискриминатора с верхним пороговым уровнем, благодаря которому осуществляется первичная амплитудная дискриминация ОИ темнового тока. Выбор верхнего порогового уровня амплитудной дискриминации в районе половины среднего значения амплитуды ОИ позволяет уменьшить вклад ОИ темнового тока на 70-80%, тогда как потери полезного сигнала составляют всего лишь 3-4%. Скорость изменения переднего фронта нормированного ОИ достигает 1/(5,8•τ_д), а заднего 1/(7,8•τ_д ). При использовании ФЭП с параметрами N_д= 14, τ_д = 1 нс (что соответствует полосе пропускания ФЭП в 36 МГц) и средней амплитуде ОИ полезного излучения в 10 мВ скорость изменения переднего фронта ОИ достигает 1,72 В/мкс, а заднего 1,28 В/мкс. Этого достаточно для обеспечения высокой точности регистрации длительности ОИ;
- выполнение амплитудного дискриминатора с нижним пороговым уровнем, благодаря которому увеличивается длительность формируемого импульса и, следовательно, упрощается последующая обработка информации;
- временной селектор, благодаря которому удается дополнительно подавить порядка 20% ОИ темнового тока, генерируемых первым динодом в результате термоэмиссии, автоэмиссии или фотоэмиссии;
- формирователь импульсов, благодаря которому осуществляется нормировка по длительности сигналов с временного селектора, что позволяет формировать импульсы с длительностью, превышающей минимально допустимую величину для счетчика;
- блок управления, задающий длительность измерения времени начала и окончания измерения световых сигналов.

Доказательство причинно-следственной связи будет дано ниже при описании работы устройства.

Технический результат достигается тем, что в устройство регистрации слабых световых сигналов, содержащее фотоэмиссионный прибор с многоканальной электронной умножительной системой, фокусирующе-отклоняющей системой и блоком питания, причем выходы многоканальной электронной умножительной системы соединены с входами многоотводной линии задержки, нагруженной на согласующие резисторы, один из концевых выводов линии задержки подключен к широкополосному усилителю, причем выход блока развертки соединен с электрическим входом фокусирующе-отклоняющей системы, выход генератора тактовых импульсов объединен с управляющим входом счетчика и входом умножителя, выход которого подключен через второй формирователь импульсов к входам блока развертки и блока стробирования, выход которого подключен к блоку питания фотоэмиссионного прибора, выход счетчика соединен со счетным входом решающего блока, отличающегося тем, что в него введены последовательно соединенные амплитудный дискриминатор с верхним и нижним пороговыми уровнями, временной селектор и первый формирователь импульсов, причем вход амплитудного дискриминатора с верхним и нижним пороговыми уровнями подключен к выходу широкополосного усилителя, а выход первого формирователя импульсов соединен со счетным входом счетчика.

Анализ существенных признаков аналогов, прототипа и заявляемого технического решения выявил следующие новые существенные признаки относительно устройства для заявляемого объекта:
- выполнение амплитудного дискриминатора с верхним пороговым уровнем, благодаря которому осуществляется первичная амплитудная дискриминация ОИ темнового тока. Выбор верхнего порогового уровня амплитудной дискриминации в районе половины среднего значения амплитуды ОИ позволяет уменьшить вклад ОИ темнового тока на 70-80%, тогда как потери полезного сигнала составляют всего лишь 3-4%. Скорость изменения переднего фронта нормированного ОИ достигает 1/(5,8•τ_д), а заднего 1/(7,8•τ_д). При использовании ФЭП с параметрами N_д= 14, τ_д = 1 нс (что соответствует полосе пропускания ФЭП в 36 МГц) и средней амплитуде ОИ полезного излучения в 10 мВ скорость изменения переднего фронта ОИ достигает 1,72 В/мкс, а заднего 1,28 В/мкс. Этого достаточно для обеспечения высокой точности регистрации длительности ОИ;
- выполнение амплитудного дискриминатора с нижним пороговым уровнем, благодаря которому увеличивается длительность формируемого импульса и, следовательно, упрощается последующая обработка информации;
- временной селектор, благодаря которому удается дополнительно подавить порядка 20% ОИ темнового тока, генерируемых первым динодом в результате термоэмиссии, автоэмиссии или фотоэмиссии;
- формирователь импульсов, благодаря которому осуществляется нормировка по длительности сигналов с временного селектора, что позволяет формировать импульсы с длительностью, превышающей минимально допустимую величину для счетчика.

Доказательство причинно-следственной связи будет дано ниже при описании работы устройства.

Сущность предлагаемых способа и устройства поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображен одноэлектронный импульс ФЭП.

На фиг. 2 показана типовая кривая амплитудного распределения одноэлектронных импульсов (АРОИ) при равномерной засветке фотокатода одноэлектронного фотоприемника.

На фиг.3 представлены гистограммы распределения нормированной амплитуды сигнальных одноэлектронных импульсов. Математическое ожидание нормированной амплитуды сигнального одноэлектронного импульса равно М= 1,0. Дисперсия нормированной амплитуды ОИ равна D=0,248. Среднеквадратическое отклонение нормированной амплитуды ОИ равно 0,5. Вероятность нулевого события равна Р₀= 8,3•10^-3.

На фиг.4 представлены гистограммы распределения нормированной амплитуды шумовых одноэлектронных импульсов при эмиссии с первого динода всего одного шумового электрона. Математическое ожидание нормированной амплитуды шумовых ОИ равно М= 0,2. Дисперсия нормированной амплитуды ОИ равна D=0,011. Среднеквадратическое отклонение нормированной амплитуды ОИ равно 0,1. Вероятность нулевого события равна Р₀=9,8•10^-3.

На фиг.5 представлены гистограммы распределения нормированной амплитуды шумовых ОИ при эмиссии с первого динода двух вторичных электронов. Математическое ожидание нормированной амплитуды ОИ равно М=0,4 при эмиссии с первого динода двух вторичных электронов. Дисперсия нормированной амплитуды ОИ равна D= 0,021. Среднеквадратическое отклонение нормированной амплитуды ОИ равно 0,14. Вероятность нулевого события равна Р₀=1,0•10^-4.

На фиг.6 представлены гистограммы распределения нормированной амплитуды шумовых ОИ при вторичной эмиссии шумового электрона с второго динода. Математическое ожидание нормированной амплитуды шумовых ОИ равно М=0,042 при эмиссии шумового электрона со второго динода. Дисперсия нормированной амплитуды ОИ равна D=7,96•10^-4. Среднеквадратическое отклонение нормированной амплитуды ОИ равно 0,028. Вероятность нулевого события равна Ро=5,8•10^-2.

На фиг. 7 изображены гистограммы распределения и интегральный закон распределения нормированной длительности сигнального импульса после амплитудной дискриминации по уровню 0,5 от амплитудного значения. Пунктирной линией на графике показано распределение по нормальному закону с теми же значениями математического ожидания и дисперсии. Математическое ожидание нормированной длительности сигнального ОИ равно М= 0,836. Дисперсия нормированной длительности ОИ равна D=0,204. Среднеквадратическое отклонение нормированной длительности ОИ равно 0,45. Вероятность нулевого события равна Р₀=0,16.

На фиг. 8 представлены гистограммы распределения нормированной длительности импульсов, генерируемых с первого динода при амплитудной дискриминации по уровню 0,5 от амплитудного значения. Математическое ожидание нормированной длительности шумовых ОИ равно М=2,4•10^-3. Дисперсия нормированной длительности ОИ равна D=9,5•10^-4. Среднеквадратическое отклонение нормированной длительности ОИ равно 0,031. Вероятность нулевого события равна Р₀=0,993.

На фиг. 9 представлены гистограммы распределения нормированной длительности шумовых импульсов при эмиссии с первого динода двух вторичных электронов и амплитудной дискриминации по уровню 0,5 от среднего амплитудного значения. Математическое ожидание нормированной длительности сигнального ОИ равно М=0,761. Дисперсия нормированной длительности ОИ равна D=0,108. Среднеквадратическое отклонение нормированной длительности ОИ равно 0,42. Вероятность нулевого события равна Р₀=0,761.

В таблицу на фиг.10 сведены данные о зависимости потерь полезного сигнала от верхнего порогового уровня амплитудной дискриминации U_в.АД.

В таблице на фиг.11 представлены данные, позволяющие судить об эффективности предлагаемого способа регистрации слабых световых сигналов
На фиг. 12 изображена структурная схема устройства регистрации слабых световых сигналов.

На фиг. 13 представлена структурная схема возможной модификации устройства регистрации слабых световых сигналов на основе одноэлектронного диссектора.

Временные эпюры, поясняющие работу регистратора слабых световых сигналов, изображены на фиг.14. Здесь показана обработка шумовых (Ш) и сигнальных (С) ОИ (фиг.14, а) при прохождении через АД (фиг. 14, б), временной селектор (фиг.14, в) и ФИ (фиг.14, г). На фиг.14, д показан сигнал таймера, а на фиг. 14, е - управляющие импульсы блока управления.

На фиг. 15 представлена структурная схема амплитудного дискриминатора с верхним и нижним пороговыми уровнями, а на фиг. 16 показаны временные эпюры, поясняющие работу этого устройства.

На фиг.17 представлена структурная схема входного узла регистратора слабых световых сигналов. Временные эпюры, поясняющие работу входного узла регистратора, показаны на фиг. 18.

На фиг.19 представлена структурная схема устройства регистрации световых сигналов на основе фотоэмиссионного прибора с многоканальной электронной умножительной системой.

На фиг. 20 представлены эпюры напряжений на выходе ГТИ (а), умножителя (б), ФИ (в) и блока питания (г).

На фиг.21 представлены временные эпюры, поясняющие работу регистратора с трехканальной МЭУС. Выделение временных каналов обработки потока фотоэлектронов в МЭУС 2 и организацию циклов измерения иллюстрирует фиг.21 а. Работа блока развертки 5 поясняется эпюрами на фиг.21 б, а блока питания ФЭП 4 - на фиг. 21 в. На последующих эпюрах фиг.21 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.

На фиг.22 представлены графики зависимости длительности импульсов после амплитудного дискриминатора с двумя пороговыми уровнями от верхнего порога АД при различных уровнях нижнего порога.

Устройство регистрации слабых световых сигналов (см. фиг. 12) содержит фотоэмиссионный прибор (ФЭП) 1, широкополосный усилитель (ШУ) 2, амплитудный дискриминатор (АД) с верхним и нижним пороговыми уровнями 3, временной селектор 4, формирователь импульсов (ФИ) 5, таймер 6, счетчик импульсов 7, блок управления 8 и решающий блок 9.

Входом регистратора является оптический вход ФЭП 1. Выход ФЭП 1 через ШУ 2, АД 3 с верхним и нижним пороговыми уровнями, временной селектор 4 и ФИ 5 подключен к счетному входу счетчика импульсов 7, управляющий вход которого соединен с выходом таймера 6. Выход счетчика объединен со счетным входом решающего блока 9. Блок управления 8 подключен к электрическому входу ФЭП 1 и к таймеру 6.

В устройстве регистрации слабых световых сигналов на фиг. 13 входом устройства является оптический вход диссектора с ФОС 10, а его выход через ШУ 2, АД 3 с верхним и нижним пороговыми уровнями, временной селектор 4 и ФИ 5 подключен к счетному входу счетчика импульсов 7, управляющий вход которого соединен с выходом таймера 6. Выход счетчика соединен со счетным входом решающего блока 9. Выход генератора тактовых импульсов (ГТИ) 12 соединен со входом таймера 6 и с входом блока развертки 11, выход которого соединен с электрическим входом диссектора 10.

Амплитудный дискриминатор 3 с верхним и нижним пороговыми уровнями содержит (фиг. 15) пороговые устройства 13 и 14, элемент НЕ 15, элемент И 16, триггер 17, элемент И 18 и элемент ИЛИ 19. Первые входы пороговых устройств 13 и 14 объединены между собой и представляют вход амплитудного дискриминатора 3. На второй вход порогового устройства 13 подается напряжение верхнего порогового уровня U_в.АД. На второй вход порогового устройства 14 подается напряжение нижнего порогового уровня U_н.АД. Выход порогового устройства 13 через элемент НЕ 15 соединен с первым входом элемента И 16. Выход порогового устройства 14 соединен непосредственно с первым входом элемента ИЛИ 19 и вторым входом элемента И 16. Выход элемента И 16 подключен непосредственно к первому входу элемента И 18, а через триггер 17 - к второму входу элемента И 18. Выход элемента И 18 соединен с вторым входом элемента ИЛИ 19, выход которого является выходом дискриминатора 3.

На фиг.17 представлена структурная схема входного узла устройства регистрации слабых световых сигналов, включающая фотоэмиссионный прибор (ФЭП) 1, широкополосный усилитель (ШУ) 2, амплитудный дискриминатор (АД) с верхним и нижним пороговыми уровнями 3, временной селектор 4. Временной селектор 4 представляет линию задержки 20 и элемент И 21. Входами устройства являются оптический и электрический входы ФЭП 1, выход которого через ШУ 2 подключен ко входу АД 3. Первый вход элемента И 21 объединен с входом линии задержки и является входом временного селектора. Выход линии задержки соединен с вторым входом элемента И 21, выход которого является выходом временного селектора 4.

Устройство регистрации слабых световых сигналов (см. фиг. 19) содержит фотоэмиссионный прибор (ФЭП) 1 с многоканальной электронной умножительной системой (МЭУС) 22, блоком питания 23 и ФОС 24, широкополосный усилитель (ШУ) 2, амплитудный дискриминатор (АД) с верхним и нижним пороговыми уровнями 3, временной селектор 4, формирователь импульсов 5, счетчик импульсов 7, решающий блок 9, блок развертки 11, ГТИ 12, блок стробирования 25, формирователь импульсов 26, многоотводную линию задержки 27 и умножитель 28.

Входом регистратора является оптический вход ФЭП 1. Выходы многоканальной электронной умножительной системой (МЭУС) 22 ФЭП 1 соединены с отводами ЛЗ 27, концевые выводы которой нагружены на согласующие резисторы R. Один из концевых выводов ЛЗ 27 через ШУ 2, АД 3 с верхним и нижним пороговыми уровнями, временной селектор 4 и первый формирователь импульсов 5 подключен к счетному входу счетчика импульсов 7, управляющий вход которого соединен с выходом ГТИ 12 и входом умножителя 28, выход которого через формирователь импульсов 26 соединен с входами блока развертки 11 и блока стробирования 25. Выход счетчика импульсов 7 соединен со счетным входом решающего блока 9. Выход блока стробирования 25 подключен к входу блока питания 23. Выход блока развертки 11 соединен с электрическим входом ФОС 24.

Регистрация слабых световых сигналов осуществляется следующим образом.

Процесс преобразования оптического поля в поток фотоэлектронов и процесс умножения электронов в ВЭУ прибора носят существенно случайный характер. В связи с этим выходной ток трактуется как случайный во времени процесс независимо от того, является оптическое поле стохастическим или детерминированным.

Временной характер развития выходного тока фотоприемника математически описывается в виде суперпозиции отдельных откликов - одноэлектронных импульсов (см. фиг.1) - на каждый эмитируемый фотоэлектрон:

Здесь t_j - случайный момент появления фотоэлектронов. Целочисленная случайная величина n(t) определяет число фотоэлектронов, эмитируемых в полуинтервале (-∞, t].
Если процесс идеальный, то каждый фотоэлектрон способствует эмиссии ровно G электронов на анод. В случае же неидеального умножения число G_j является случайным.

Заметим, что выходной сигнал не содержит в явном виде наблюдаемого поля в какой-либо хорошо известной форме. Интенсивность принимаемого оптического поля I(t) здесь трансформируется в процесс отсчетов n(t) при фотодетектировании. Следовательно, главной задачей регистрации световых сигналов будет являться определение по наблюдению выходного процесса фотодетектирования во временном интервале τ числа эмитируемых фотоэлектронов.

Описанная модель фотодетектирования показывает, что идеальный фотоприемник должен обеспечивать раздельное различение каждого появившегося фотоэлектрона посредством регистрации его отклика - одноэлектронного импульса. Наиболее полно этим требованиям отвечают так называемые одноэлектронные фотоприемники.

Использование вторично-электронного умножителя (ВЭУ) в одноэлектронных фотоприемниках позволяет получить довольно сильный выходной сигнал, значительно превосходящий шумы нагрузки и выходной цепи. Однако, мгновенные значения коэффициента вторичной эмиссии динодов могут значительно отклоняться от своего среднего значения, т.е. каждый фотоэлектрон, прошедший ВЭУ, умножится в различное число раз, что вызовет дополнительные флуктуации тока на выходе фотоприемника.

Рассмотрим более подробно структуру тока на выходе одноэлектронного фотоприемника. На анод с последнего динода ВЭУ приходят ОИ, длительность которых определяется постоянной времени ВЭУ и обычно находится в пределах от единиц до десятков наносекунд. При коэффициенте умножения ВЭУ G=10⁶...10⁷ на аноде фотоприемника появляется ОИ, несущий заряд e = G•e₀ = 10^-13...10^-12 Кл. Однако в силу того, что мгновенные значения коэффициента умножения случайны, каждый фотоэлектрон, выбитый с фотокатода, будет создавать импульс фототока разной величины. Следствием этого являются флуктуации амплитуд ОИ на коллекторном аноде фотоприемника.

Типовая кривая АРОИ для одноэлектронных фотоприемников, снятая при равномерной засветке фотокатода, представлена на фиг.2 сплошной линией. Режим счета характеризуется наличием одноэлектронного пика в распределении (кривая 1).

Другой особенностью АРОИ при равномерной засветке всего фотокатода является наличие экспоненциальной ветви в области малых амплитуд ОИ (кривая 2 на фиг.2). Причины появления ОИ с малой амплитудой связаны с термоэмиссией, автоэмиссией или фотоэмиссией в умножительной системе прибора, а также с пролетом и попаданием электронов на нерабочие или малоэффективные участки динодов.

Поток пронормированных по амплитуде импульсов после амплитудной дискриминации подвергают временной селекции, обеспечивающей прохождение импульсов с длительностью, превышающей определенную пороговую величину. После временной селекции импульсы нормируются по длительности, величина которой выбирается из условия надежного срабатывания счетчика. Регистратор измеряет интенсивность световых сигналов по количеству пронормированных по длительности импульсов, зафиксированных в решающем блоке за заданное время измерения.

Устройство регистрации слабых световых сигналов (фиг. 12) работает следующим образом.

Световой сигнал преобразуется в поток фотоэлектронов на катоде ФЭП 1 (фиг. 14, а). Отклик ФЭП на принятый им фотоэлектрон представляет ОИ, форма которого описывается выражением (1) и (2).

Постоянная времени пролета электронами междинодного пространства τ_д связана с полосой пропускания ФЭП П_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.

При слабой интенсивности светового сигнала выходной процесс с ФЭП 1 представляет собой последовательность из неперекрывающихся ОИ, которые через широкополосный усилитель 2 подаются на амплитудный дискриминатор 3 с верхним и нижним пороговыми уровнями.

Верхний пороговый уровень амплитудной дискриминации U_в.AД в АД 3 обеспечивает фильтрацию ОИ темнового тока. Выбор верхнего уровня U_в.AД амплитудной дискриминации в районе U_в.AД=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%. Скорость изменения переднего фронта нормированного ОИ достигает 1/(5,8•τ_д), а заднего 1/(7,8•τ_д). При использовании ФЭП с параметрами N_д=14, τ_д = 1 нс (что соответствует полосе пропускания ФЭП в 36 МГц) и средней амплитуде ОИ полезного излучения в 10 мВ скорость изменения переднего фронта ОИ достигает 1,72 В/мкс, а заднего 1,28 В/мкс. Этого достаточно для обеспечения высокой точности регистрации длительности ОИ.

В момент, когда задний фронт ОИ достигнет нижнего порогового уровня U_н.AД амплитудной дискриминации, завершается формирование выходного импульса АД 3. Выбор U_н.AД<U_в.AД обеспечивает генерирование импульса большей длительностью, чем в прототипе. Естественно, что упрощается последующая обработка информации.

Поток пронормированных по амплитуде импульсов после амплитудной дискриминации подвергают временной селекции в селекторе 4, обеспечивающей прохождение импульсов с длительностью, превышающей определенную пороговую величину. Импульсы с выхода формирователя 5 имеют длительность, величина которой выбирается из условия надежного срабатывания счетчика. Счетчик импульсов 7 подсчитывает количество пронормированных по длительности импульсов в течение времени, задаваемого таймером 6.

Решающий блок 9 измеряет интенсивность световых сигналов на основании информации со счетчика импульсов 7.

Устройство регистрации слабых световых сигналов (фиг. 13) работает следующим образом.

Световой сигнал преобразуется в поток фотоэлектронов на катоде диссектора 10 (фиг. 14,а). Диссектор - передающая телевизионная трубка мгновенного действия без накопления заряда - является почти идеальным прибором для работы в системах пространственного поиска. Работа диссектора основана на отклонении электронного потока, образованного фотоэлектронами, число которых в каждой точке фотокатода пропорционально потоку фотонов в этих точках. Электронный поток фокусируется ФОС и отклоняется (сканируется) относительно диафрагмы с вырезающим отверстием, в которое в каждый момент времени попадает некоторое число фотоэлектронов, несущих информацию об изображении с определенного участка фотокатода. Фотоэлектроны, прошедшие через вырезающее отверстие (апертуру), умножаются в электронной умножительной системе и поступают на нагрузочное сопротивление коллектора, образуя поток ОИ.

Диссектор осуществляет последовательное дискретное сканирование контролируемого кадра (пространства) размером 1•r строками, а строки элементами разложения размером a•b. Форма и размеры апертуры диафрагмы определяют требуемую форму и размеры мгновенного поля зрения элемента разложения, а размеры рабочей области фотокатода - угол поля зрения системы поиска.

Отклик ФЭП на принятый им фотоэлектрон представляет ОИ, форма которого описывается выражением (1)-(3).

При слабой интенсивности светового сигнала выходной процесс с диссектора 10 представляет собой последовательность из неперекрывающихся ОИ, которые через широкополосный усилитель 2 подаются на амплитудный дискриминатор 3 с верхним и нижним пороговыми уровнями.

Верхний пороговый уровень амплитудной дискриминации U_в.AД в АД 3 обеспечивает фильтрацию ОИ темнового тока. Выбор верхнего уровня U_в.AД амплитудной дискриминации в районе U_в.AД=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%. Скорость изменения переднего фронта нормированного ОИ достигает 1/(5,8•τ_д), а заднего 1/(7,8•τ_д). При использовании ФЭП с параметрами N_д=14, τ_д = 1 нс (что соответствует полосе пропускания ФЭП в 36 МГц) и средней амплитуде ОИ полезного излучения в 10 мВ скорость изменения переднего фронта ОИ достигает 1,72 В/мкс, а заднего 1,28 В/мкс. Этого достаточно для обеспечения высокой точности регистрации длительности ОИ.

В момент, когда задний фронт ОИ достигнет нижнего порогового уровня U_н.AД амплитудной дискриминации, завершается формирование выходного импульса АД 3. Выбор U_н.AД<U_в.AД обеспечивает генерирование импульса большей длительностью, чем в прототипе. Естественно, что упрощается последующая обработка информации.

Поток пронормированных по амплитуде импульсов после амплитудной дискриминации подвергают временной селекции в селекторе 4, обеспечивающей прохождение импульсов с длительностью, превышающей определенную пороговую величину. Импульсы с выхода формирователя 5 имеют длительность, величина которой выбирается из условия надежного срабатывания счетчика. Счетчик импульсов 7 подсчитывает количество пронормированных по длительности импульсов в течение времени, задаваемого таймером 6.

Время анализа пространственного элемента разложения задается периодом следования импульсов ГТИ 12.

Решающий блок 9 измеряет интенсивность световых сигналов на основании информации со счетчика импульсов 7.

Амплитудный дискриминатор с двумя уровнями дискриминации (фиг. 15) работает следующим образом.

Пусть на вход амплитудного дискриминатора последовательно во времени поступают ОИ полезного сигнала (С) и ОИ темнового тока (Ш), как показано на фиг. 16, а. Проходя через пороговое устройство 13 с уровнем U_н.АД, соответствующее нижнему уровню дискриминации, получим прямоугольный импульс, приведенный на фиг.16,б, в то же время, тот же сигнал, прошедший через пороговое устройство с уровнем U_в.AД, соответствующим нижнему уровню дискриминации, даст на выходе прямоугольный импульс меньшей длительности, приведенный на фиг.16,в. Длительности импульсов будут соответственно равны времени превышения амплитуды ОИ уровней U_н.AД и U_в.AД. Таким образом импульсы, амплитуда которых меньше U_н.AД, не пройдут ни через одно пороговое устройство. Прямоугольный импульс с выхода порогового устройства 13 инвертируется на элементе НЕ 15 и попадает на первый вход элемента И 16. На второй вход приходит сигнал со второго порогового устройства. На выходе элемента И 16 сигнал будет присутствовать лишь в случае присутствия сигналов на обоих пороговых устройствах. В этом случае получим два импульса, равных по длительности фрагментам фронта и спада отклика ФЭП между уровнями U_в.AД и U_н.AД (см. фиг. 16, г). Далее необходимо из двух импульсов оставить лишь последний (равный по длительности фрагменту спада ОИ от уровня U_в.AД до U_н.AД). Для этого импульсы с выхода элемента И 16 подаются на вход триггера 17. На выходе триггера 17 получаем отрицательный импульс (см. фиг.16, д), который заканчивается одновременно с началом второго импульса на входе триггера 17. Оба сигнала подаются на входы элемента И 18. Импульс на его выходе появится лишь во время присутствия логической единицы на обоих входах (см. фиг.16, е). Выходной сигнал порогового устройства с двумя порогами амплитудной дискриминации получается путем увеличения длительности импульса с выхода порогового устройства 14 с уровнем U_в.АД на длительность фрагмента спада ОИ от уровня U_в.AД до U_н.AД (см. фиг. 16, е). Для этого эти сигналы подаются на первый и второй входы элемента ИЛИ 19 соответственно. В результате на выходе элемента ИЛИ получим импульс (см. фиг.16, ж), равный по длительности ОИ, начало которого считается при достижении амплитуды уровня U_в.AД, а конец при падении амплитуды ниже уровня U_н.AД.

Входной узел устройства регистрации световых сигналов (фиг.17) работает следующим образом.

Назначение временного селектора - отфильтровать импульсы, длительность которых меньше заданной. Для этого применяется линия задержки. Время, на которое требуется задержать сигнал, равно τ_пор. Сигнал с ФЭП (см. фиг.18,а), пройдя через амплитудный дискриминатор (см. фиг. 18,б), попадает на первый вход элемента И 21. На его второй вход подается тот же сигнал, задержанный на время τ_пор, равное минимальной длительности импульса, который еще требуется пропустить на выход (см. фиг.18,в). В случае, если длительность ОИ меньше допустимой, то импульс на первом входе закончится раньше, чем появится импульс на втором, и тогда на выходе элемента И 21 ничего не будет. Импульс на выходе появится лишь в случае, когда прямой и задержанный импульсы пересекутся, тогда на выходе временного селектора появится импульс, равный по длительности τ-τ_пор (см. фиг.18,г). Таким образом и выполняется временная селекция.

В результате длительность формируемого импульса на выходе амплитудного дискриминатора будет превышать длительность импульса на выходе АД с одним пороговым уровнем на время, равное длительности спада ОИ между U_в.AД до U_н.AД. При этом вероятность пропуска полезного сигнала будет оставаться на том же уровне, что и в АД с одним пороговым уровнем.

Регистратор световых сигналов (фиг.19) работает следующим образом.

Время измерения определяется периодом следования Т тактовых импульсов ГТИ 12 (фиг.20,а). Посредством умножителя 28 (см. фиг.19) время измерения Т разбивается на N_ц подынтервалов длительностью Т_п (фиг.20,б). Здесь N_ц - коэффициент умножения умножителя 28. Длительность τ_ц импульсов, генерируемых ФИ 27, определяет длительность отдельного цикла измерений, в течение которого ФОС 24 последовательно разворачивает поток фотоэлектронов с фотокатода ФЭП 1 по входам всех каналов МЭУС 22 (фиг.20,в). Одновременно с этим под действием импульса с выхода ФИ 26 блок стробирования 25 увеличивает напряжение питания ФЭП 1 до величины, обеспечивающей нормальную работу ФЭП 1 (фиг.20, г). Отсутствие напряжения на выходе ФИ 26 исключает попадание фотоэлектронов в МЭУС 22 благодаря резкому уменьшению напряжения питания ФЭП 1.

Световой сигнал преобразуется в поток фотоэлектронов на фотокатоде ФЭП 1 (фиг.21,а). С помощью ФОС 24 и блока развертки 11 поток фотоэлектронов разворачивается по входам МЭУС 22. На фиг.21,б показана работа блока развертки 11, 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 1 снижается до запирающего уровня Е_з (фиг.21,в), исключающего чувствительность ФЭП 1 к потоку фотонов.

Отклик канала МЭУС 22 на принятый им фотоэлектрон представляет ОИ, форма которого описывается выражениями (1)-(3).

Для исключения в одном цикле измерений наложения ОИ на входе ШУ 2, поступающих с разных каналов МЭУС 22, применяется многоотводная ЛЗ 27. Время задержки τ_з между сигналами с двух соседних каналов МЭУС 22 выбирается исходя из исключения наложения откликов с выходов последних (фиг.21,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-гo и (i+l)-гo каналов (i=1,.... N_k-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 2 с последнего N_k-гo канала в i-м цикле и с первого канала в (i+l)-M цикле измерений.

Выбор времени обратного хода
τ_обр = T_п-τ_ц = N_кτ_з (5)
исключает наложение ОИ на входе ШУ 2, поступающих с последнего N_k-го канала в i-м цикле и с первого канала (i+l)-гo цикла измерений (см. фиг.21г и фиг.21е).

При слабой интенсивности светового сигнала выходной процесс с ФЭП 1 представляет собой последовательность из неперекрывающихся ОИ, которые через широкополосный усилитель 2 подаются на амплитудный дискриминатор 3 с верхним и нижним пороговыми уровнями.

Верхний пороговый уровень амплитудной дискриминации в АД 3 обеспечивает фильтрацию ОИ темнового тока. Выбор верхнего уровня U_в.AД амплитудной дискриминации в районе U_в.AД=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%. Скорость изменения переднего фронта нормированного ОИ достигает 1/(5,8•τ_д), а заднего 1/(7,8•τ_д). При использовании ФЭП с параметрами N_д=14, τ_д = 1 нс (что соответствует полосе пропускания ФЭП в 36 МГц) и средней амплитуде ОИ полезного излучения в 10 мВ скорость изменения переднего фронта ОИ достигает 1,72 В/мкс, а заднего 1,28 В/мкс. Этого достаточно для обеспечения высокой точности регистрации длительности ОИ.

В момент, когда задний фронт ОИ достигнет нижнего порогового уровня U_н.AД амплитудной дискриминации, завершается формирование выходного импульса АД 3. Выбор U_н.AД<U_в.AД обеспечивает генерирование импульса большей длительностью, чем в прототипе. Естественно, что упрощается последующая обработка информации.

Поток пронормированных по амплитуде импульсов после амплитудной дискриминации подвергают временной селекции в селекторе 4, обеспечивающей прохождение импульсов с длительностью, превышающей определенную пороговую величину. Импульсы с выхода формирователя 5 имеют длительность, величина которой выбирается из условия надежного срабатывания счетчика. Счетчик импульсов 7 подсчитывает количество пронормированных по длительности импульсов в течение времени, задаваемого таймером 6.

Решающий блок 9 измеряет интенсивность световых сигналов на основании информации со счетчика импульсов 7.

Проведем расчет параметров предлагаемого регистратора по схеме на фиг. 19.

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 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 канала ЭУС 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. 1.29, 12. С.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 п 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=0,5h_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= 0,5h_m находим значение параметра τ_кр = 6,05 нс. Расчет условных вероятностей правильного счета п фотоэлектронов по формуле (8) при τ_ан = τ_к = 34 нс дает Р_пр.сч.{2}=0,676 и Р_пр.сч.{3}=0,267.

Воспользовавшись (6) для λ = λ_к, находим
Р{0}=0,670; Р{1}=0,268; Р{2}=0,054; Р{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=D_к ^Nk=0,976³=0,930.

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_k•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 Т=N_ц•Т_п=4•127,5=510 нc составит

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.

Докажем причинно-следственную связь между ожидаемым техническим результатом и признаками заявляемого технического решения.

Проверка эффективности метода амплитудно-временной селекции ОИ проведена посредством моделирования процесса фотодетектирования оптического сигнала.

Для получения с одноэлектронного ФЭП временной информации требуется знание флюктуаций формы ОИ. Причиной этих флюктуаций является статистический характер процессов электронного умножения и разброса времени пролета электронами междинодных расстояний. Для современных одноэлектронных ФЭП флюктуациями формы (длительности) одноэлектронного импульса можно пренебречь, что значительно упрощает моделирование временных процессов в одноэлектронном ФЭП.

При моделировании на ЭВМ используется прикладной пакет для инженерных и научных расчетов MathCad 7 Professional. В процессе моделирования производится 10 000 статистических испытаний для получения одной гистограммы распределения.

Шаг гистограммы при моделировании амплитудного распределения одноэлектронных импульсов равен 0,1.

В начале промоделировано амплитудное распределение одноэлектронных импульсов - откликов ФЭП на появление фотона. Модель предполагает применение одноэлектронного фотоэмиссионного прибора (ОФЭП) с электронной умножительной системой (ЭУС), состоящей из 14 динодов. Процесс вторичного размножения электронов считается безынерционным. Средний коэффициент вторичной эмиссии для первого и второго динодов полагается равным 5, а для последующих - 3. В модели предполагается, что распределение подчиняется закону Пуассона и для упрощения ограничено рассмотрением только первых двух динодов. В результате моделирования получено АРОИ (см. фиг.3), которое совпадает с результатами экспериментальных исследований (см. кривая 1 на фиг.2), описанными в работах С.С. Ветохин, Н.Н. Пустынский, И.В. Резников, А.П. Ташкун. Последнее доказывает правомерность использования предложенной модели для анализа процесса регистрации слабых световых потоков и возможности с ее помощью исследовать процессы во временной области.

Распределение имеет дискретный характер, что обусловлено дискретным характером вторичной электронной эмиссии динодов.

По данным (К выбору порога амплитудной дискриминации одноэлектронного диссектора датчика / С.С. Ветохин и др. // Оптическая и электрическая обработка информации. М.: Наука, 1975. С.41-47) при выборе верхнего порогового уровня амплитудной дискриминации в районе провала АРОИ потери полезного сигнала составляют всего лишь 3-4%. Данные моделирования позволяют установить зависимость потерь полезного сигнала от верхнего порогового уровня амплитудной дискриминации U_в.AД (см. таблицу на фиг. 10). Видно, что в случае U_в.AД=0,5h_m потери составят 15%. Лишь в случае U_в.AД=(0,2...0,3)h_m мы вправе ожидать потерь сигнала на уровне 3-6%.

Шумовые импульсы, вызванные процессами, происходящими в динодной системе, обладают меньшей амплитудой, поскольку при их образовании не полностью используются усилительные свойства динодной системы. Очевидно, именно последние процессы и способствуют формированию экспоненциальной ветви в амплитудном распределении ОИ.

Обратимся к фиг.4. Здесь представлены гистограммы распределения амплитуд ОИ при эмиссии с первого динода всего одного шумового электрона. Выбор U_в.AД= 0,5h_m гарантирует подавление 99,6% шумовых ОИ, генерируемых первым динодом. При U_в.AД=0,4h_m подавляется 97%, при U_в.AД=0,3h_m, - 85%, при U_в.AД= 0,2h_m - 53% шумовых ОИ.

Погрешность измерения могут давать ОИ темнового тока из-за утечек электронов с поверхности колбы ФЭП. Ясно, что в момент достижения первого динода скорость этих электронов будет значительно уступать скорости фотоэлектронов. Следствием этого будет являться меньшее количество вторичных эмиттируемых электронов. В работе исследован случай генерирования этим шумовым электроном только двух вторичных электронов (см. фиг.5). Выбор U_в.AД= 0,5h_m обеспечивает подавление 70% шумовых ОИ. Понижение уровня амплитудной дискриминации до U_в.AД=0,4h_m гарантирует подавление лишь 55%, до U_в.AД=0,3h_m - 35% и, наконец, до U_в.AД=0,2h_m - лишь 20% шумовых электронов, генерируемых первым динодом.

Гистограммы на фиг. 6 подтверждают, что выбор U_в.AД>0,15h_m гарантирует подавление шумовых ОИ, обязанных эмиссии шумового электрона с второго динода. Лишь при U_в.AД=0,1h_m возможно прохождение 3% шумовых ОИ.

На первой фиг.7 изображены гистограммы распределения длительности сигнального импульса после амплитудной дискриминации по уровню 0,5 от амплитудного значения. Если осуществлять временную селекцию по уровню 0,2 от средней длительности ОИ, то, как следует из фиг.7, б, потери полезного сигнала будут такими же, как и в отсутствие временной селекции. Таким образом, введение дополнительной временной селекции не внесет дополнительных потерь сигнала.

Обратимся к фиг.8, где представлены гистограммы распределения длительности одноэлектронных импульсов с первого динода при амплитудной дискриминации по уровню 0,5 от амплитудного значения. Если выбрать порог временной дискриминации по тому же уровню 0,2 от средней длительности ОИ, то это обеспечит фильтрацию дополнительно порядка 18% ОИ темнового тока с первого динода ФЭП. Последнее указывает на высокую эффективность предлагаемого способа регистрации световых сигналов с амплитудно-временной селекцией ОИ темнового тока. Это довольно высокий результат, если учесть, что при измерении интенсивности источников слабых световых сигналов (например, наблюдении дальних звезд) количество темновых фотоэлектронов гораздо выше числа полезных, регистрируемых за сотни минут. Уменьшение количества темновых электронов на 18% позволит на столько же снизить время наблюдения.

Гистограммы распределения длительности шумовых одноэлектронных импульсов при эмиссии с первого динода двух электронов и амплитудной дискриминации по уровню 0,5 показывают, что выбор порога временной дискриминации на уровне 0,2 от средней длительности ОИ обеспечивает фильтрацию дополнительно порядка 16% ОИ темнового тока из-за фотоэлектронов или термоэлектронов, эмиттированным фотокатодом или стенками колбы входной камеры. Последнее указывает на высокую эффективность предлагаемого способа регистрации световых сигналов с амплитудно-временной селекцией ОИ темнового тока.

Аналогичные гистограммы получены и для других значений порога амплитудной дискриминации. Результаты моделирования для других значений порога амплитудной дискретизации сведены в таблицу, представленную на фиг.10 и фиг. 11.

Проведенное моделирование процесса регистрации потока слабых световых сигналов позволяет заключить, что введение дополнительной временной селекции импульсов после амплитудной дискриминации позволяет дополнительно подавить порядка 18,3% одноэлектронных импульсов темнового тока с первого динода. В процессе анализа результатов подтверждено, что наиболее высокая эффективность селекции ОИ темнового тока осуществляется при амплитудной дискриминации по уровню 0,5 от амплитудного значения и временной селекции по уровню 0,2 от средней длительности ОИ.

В отличие от прототипа поток одноэлектронных импульсов с выхода фотоэмиссионного прибора подвергают первичной амплитудной дискриминации. Выбор уровня амплитудной дискриминации в районе половины среднего значения амплитуды ОИ позволяет уменьшить вклад ОИ темнового тока на 70-80%, тогда как потери полезного сигнала составляют всего лишь 3-4%. Скорость изменения переднего фронта нормированного ОИ достигает 1/(5,8•τ_д), а заднего 1/(7,8•τ_д). При использовании ФЭП с параметрами N_д=14, τ_д = 1 нс (что соответствует полосе пропускания ФЭП в 36 МГц) и средней амплитуде ОИ полезного излучения в 10 мВ скорость изменения переднего фронта ОИ достигает 1,72 В/мкс, а заднего 1,28 В/мкс. Этого достаточно для обеспечения высокой точности регистрации длительности ОИ.

Амплитудная дискриминация с нижним пороговым уровнем увеличивает длительность формируемого импульса и, следовательно, упрощает последующую обработку информации. На фиг.22 приведены графики зависимости длительности импульсов на выходе амплитудного дискриминатора от верхнего порога АД при различных уровнях нижнего порога. По этим графикам можно определить требования к быстродействию цифровых микросхем и выбрать серию. Так, если взять длительность импульса на входе ФЭУ 1 нc, то при U_в=0,5 и U_н=0,3 получим длительность импульса на выходе амплитудного дискриминатора, равную 12 нc. Для такой длительности импульса необходимо применить микросхемы быстродействующей серии КР1554, выполненные по КМОП технологии. При использовании АД с одним порогом получим длительность импульса, равную 8 нс. В этом случае быстродействия микросхем серии КР1554 будет недостаточно.

Для правильной работы счетчика длительность импульсов счета должна превышать допустимое время срабатывания счетчика. В предлагаемом способе нормировка по длительности импульсов после временной селекции позволяет сгенерировать импульс с длительностью, превышающей минимально допустимую величину для счетчика. Действительно, пусть применен ФЭП с числом динодов N_д=14 и постоянной времени τ_д = 1 нс (что соответствует полосе пропускания ФЭП в 36 МГц). Ожидаемая длительность ОИ по уровню 0,5•h_m составляет τ_ои = 6,8•τ_д = 6,8 нс. В процессе анализа показано, что наиболее высокая эффективность селекции ОИ темнового тока осуществляется при временной селекции по уровню 0,2 от средней длительности ОИ. В рассматриваемом случае это соответствует τ_пор = 0,2•τ_ои = 1,36 нс. Формирователи импульсов, осуществляющие нормировку по длительности импульсов после временной селекции, обладают существенно большим быстродействием. Следствием этого является уменьшение вероятности потери информации о количестве принятых фотоэлектронов, обеспечивая более высокую точность регистрации световых сигналов.

Выбор уровня амплитудной дискриминации в районе провала кривой АРОИ позволяет уменьшить вклад экспоненциальной составляющей распределения в общем выходном сигнале на 70-80%. Благодаря временной селекции удается дополнительно подавить ОИ темнового тока, генерируемые первым динодом в результате термоэмиссии, автоэмиссии или фотоэмиссии.

Функциональные элементы устройства регистрации (см. фиг.12) удовлетворяют критерию промышленного применения.

Описание схемных решений АД 3 можно найти в (ПТЭ. 1987. 4. С. 112-114) с временным разрешением 40 и 400 нс, в (Приборы для научных исследований. 1987. 10. С.46-52) с рабочей частотой, превышающей 50 МГц.

Выполнение решающего блока 9 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.

Описание конкретных схем блоков стробирования 5, 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. 2. С.174-175 или ПТЭ. 1975. 3. С. 196-198). Схема стробирования, описанная в [ПТЭ. 1978. 1. С. 163-164] , основана на переключении двух соседних динодов из встречного включения в нормальное. Описанная в [ПТЭ. 1983. 11. С. 14-73] схема обеспечивала изменение усиления ФЭП в 10000 раз при времени запирания 20 нс и времени отпирания 50 нс.

Реализацию блока управления 5 в цифровой форме можно найти в (ПТЭ. 1981. 2. С.135-136).

Изобретение относится к технике регистрации слабых световых сигналов и может быть использовано в астрофизике, биофизике, сцинтилляционной технике, светолокации и т.п. В способе, состоящем в измерении интервала времени между началом и центром тяжести одноэлектронного импульса фотоэмиссионного прибора, поток одноэлектронных импульсов с выхода фотоэмиссионного прибора (ФЭП) подвергают первичной амплитудной дискриминации с верхним и нижним пороговыми уровнями, а затем временной селекции, обеспечивающей прохождение импульсов с длительностью, превышающей определенную пороговую величину, причем импульсы после временной селекции подвергаются нормировке по длительности. В устройство, содержащее ФЭП и широкополосный усилитель, таймер, счетчик импульсов, решающий блок, введены блок управления и последовательно соединенные амплитудный дискриминатор, временной селектор и формирователь импульсов. Вариант устройства содержит ФЭП с многоканальной электронной умножительной системой, фокусирующе-отклоняющей системой и блоком питания, многоотводную линию задержки, согласующие резисторы, широкополосный усилитель, блок развертки, генератор тактовых импульсов, счетчик импульсов, умножитель, формирователь импульсов, блок стробирования, решающий блок. В это устройство введены последовательно соединенные амплитудный дискриминатор с верхним и нижним пороговыми уровнями, временной селектор и первый формирователь импульсов. Техническим результатом изобретения является повышение точности регистрации интенсивности светового потока на 18% и расширение динамического диапазона измерений. 3 с.п. ф-лы, 22 ил.

1. Способ регистрации слабых световых сигналов, состоящий в измерении интервала времени между началом и центром тяжести одноэлектронного импульса, отличающийся тем, что поток одноэлектронных импульсов подвергают первичной амплитудной дискриминации с верхним и нижним пороговыми уровнями, а затем временной селекции, обеспечивающей прохождение импульсов с длительностью, превышающей определенную пороговую величину, причем импульсы после временной селекции подвергаются нормировке по длительности. 2. Устройство регистрации слабых световых сигналов, содержащее последовательно соединенные фотоэмиссионный прибор и широкополосный усилитель, а также таймер, выход которого подключен к управляющему входу счетчика импульсов, выход которого соединен с входом решающего блока, отличающееся тем, что в него введены блок управления и последовательно соединенные амплитудный дискриминатор с верхним и нижним пороговыми уровнями, временной селектор и формирователь импульсов, причем вход таймера подключен к выходу блока управления, а выход формирователя импульсов соединен со счетным входом счетчика, выход широкополосного усилителя соединен с входом амплитудного дискриминатора. 3. Устройство регистрации слабых световых сигналов, содержащее фотоэмиссионный прибор с многоканальной электронной умножительной системой, фокусирующе-отклоняющей системой и блоком питания, причем выходы многоканальной электронной умножительной системы соединены с входами многоотводной линии задержки, нагруженной на согласующие резисторы, один из концевых выводов линии задержки подключен к широкополосному усилителю, причем выход блока развертки соединен с электрическим входом фокусирующе-отклоняющей системы, выход генератора тактовых импульсов объединен с управляющим входом счетчика и входом умножителя, выход которого подключен через второй формирователь импульсов к входам блока развертки и блока стробирования, выход которого подключен к блоку питания фотоэмиссионного прибора, выход счетчика соединен со счетным входом решающего блока, отличающееся тем, что в него введены последовательно соединенные амплитудный дискриминатор с верхним и нижним пороговыми уровнями, временной селектор и первый формирователь импульсов, причем вход амплитудного дискриминатора с верхним и нижним пороговыми уровнями подключен к выходу широкополосного усилителя, а выход первого формирователя импульсов соединен со счетным входом счетчика.