Устройство для счета фотонов Советский патент 1984 года по МПК G01J1/44 

Устройство относится к оптическому зондированию атмосферы и может быть использовано для регистрации слабых и сверхслабых световых пото.ков в физике, спектроскопии, химии, астрономии, космических исследованиях и т.д.

В экспериментах по лазерному зондрованию атмосферы необходимо исследовать атмосферные процессы, значитель но изменяющиеся во времени. В таких экспериментах, когда регистрация отраженного сигнала происходит в режиме счета отдельных фотонов,а информации, получаемой из одного отраженного атмосферой сигнала, недостаточно и требуется производить накопление данных в течение многих циклов зондирования, необходимо сокращать общее время эксперимента, т.е. увеличивать скорость накопления фотонов так как существует возможность ошиб-; ки в измерениях быстроменяющихся параметров атмосферы за счет того, что эти параметры изменяются в процессе измерения. Такая ошибка существует независимо от точности регистри рующей атмосферы, способ ее уменьшв ния - увеличение скорости накопления фотонов путем увеличения частоты посылок зондирующего излучения.

Специфика отраженного.атмосферой сигнала такова, что интенсивность поступления на приемник фотонов, отраженных атмосферой, распределена во времени неравномерно, а именно в первые моменты времени после посылки зондирующего оптического импульса с близких расстояний количество поступающих фотонов велико и ячейки опера тивного запоминающего устройства,. где фиксируются моменты поступления фотонов или их количество, оказываются почти все заполненными, а по мере удаления от источника излучения их число резко уменьшается по закону обратного квадрату расстояния плюс ослабление зондирующего импульса, вносимое атмосферой, и в последние интервалы fячейки памяти) попадает очень малое их количество, т.е.основная масса ячеек памяти в результате оказывается незаполненной. Распределение моментов появления одноэлектронных импульсов (фотонов) во времени происходит случайным образом, поэтому считывание данных, полученных в данном цикле счета, из оперативного

запоминающего устройстваf в электронную вычислительную машину в основном производится вхолостую, так как в большинстве ячеек информации нет.

По этой причине для увеличения частоты зондирующих посылок оптического излучения с целью увеличения точности определения параметров атмосферы путем сокращения времени эксперимента необходимо исключить пустые ячейки оперативного запоминающего устройства из цикла считывания данных из оперативного запоминающего устройства в электронную вычислительную машину или в устройство подготовки данных, а считывать только те, в которых имеется информация, что приводит к существенному сокращению цикла считывания , повысив в конечном счете точность измерения параметров атмосферы путем сокращения времени эксперимента.

Известно устройство для счета фотоновJ содержащее последовательно включенные ФЭУ., дискриминатор, счетчик и оперативное запоминающее устройство ,

Недостатком данного устройства является низкое быстродействие элементов устройства - сумматора и магнитного оперативного запоминающего устройства, в результате чего зондирование атмосферы с большой частотой посьшок импульсов оптического возбуждения невозможно, так как устройство не успевает обрабатывать данные от предьщущего зондирования. Низкая частота зондирования приводит к росту ошибки при определении параметров атмосферы, так как за время зондирования,необходимое для достижения необходимой статистической точности, измеряемые параметры атмосферы значительно изменяются.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для счета фотонов, содержащее последовательно включенные ФЭУ, дискриминатор, счетчик и оперативное запоминающее устройство, а также блок управления, электронную вычислительную машину и схему синхронизации причем оперативное запоминающее устройство подключено информационным выходом к входному регистру электронной вычислительной машины, адресные выходы блока управления подключены к адресным входам оперативного запомииающего устройства и вхо1;иому регистру электронной вычислительной машины zl.

Однако известное устройство имеет ограничение по частоте посылок оптического излучения, так как счет и распределение данных (поступающих с дискриминатора одноэл«ктронных импульсов) по ячейкам первого оперативного запоминающего устройства и считывание из ячеек первого оперативног запоминающего устройства в электронную вычислительную машину происходят со скоростью, с которой электронная вычислительная машина может принимать данные, и без анализа содержимого ячеек первого оперативного запоминающего устройства, т.е. с одной скоростью для всех ячеек - пустых и заполненных.

Цель изобретения - повышение точности измерений параметров атмосферы путем увеличения скорости накопления фотонов.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для счета фотонов, содержащее последовательно включенные ФЭУ дискриминатор, счетчик и оперативное запоминающее устройство, а также блок управления, электронную вычислительную машину и схему синхронизации, причем оперативное запоминаю1Г;ее устройство подключено информационным выходом к входному регистру электронной вычислительной машины, адресные выходы блока управления подключены к адресным входам оперативного запоминающего устройства и входному регистру электронной вычислительной машины, введены триггер и логический элемент ИЛИ, п входов которого подключены к ттьформационному п-разрядному выходу оперативного запоминающего устройства (п 1) R-вход триггера подключен к однрму из разрядов выходного регистра электронной вычислительной машины, выход триггера подключен к входу блока управления, который выполнен на генераторе временных интервалов и адресном счетчике, причем выход схемы синхронизации подключен к первому. входу генератора временных интервалов, выход которого подключен к адресному счетчику, адресные выходы которого подключены к адресным входам оперативного запоминающего устройства и входному регистру электронной П1 1числите.и1,ной машины, а к второму входу генератора временных интервалов подключен выход триггера, S-вход которого подключен к выходу логического элемента ИЛИ.

На чертеже представлена блок-схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит ФЭУ 1, дискриминатор 2, счетчик 3, оперативное запоминающее устройство 4, электронную вычислительную машину 5, схему 6 синхронизации, блок 7 управления, состоящий из генератора 8 временных интервалов и адресного счетчика 9, триггер 10 и логический элемент ИЛИ 11.

Выход ФЭУ 1 подключен к входу дискриминатора 2 , его выход - к входу счетчика 3, выход счетчика - к информационному входу оперативного запоминающего устройства 4, его информационный выход - к входному регистру электронной вычислительной машины 5 и входам логического элемента ИЛИ 11, выход логического элемента подключен к одному из входов триггера 10, к R-входу которого подключен выход одного разряда выходного регистра электронной вычислительной машины 5., выход триггера 10 соединен с первым входом управления генератора 8 временных интервалов блока 7 управления. Выход схемы 6 синхронизации подключен к второму входу управления генератора 8 временных интервалов, а его выход - к входу адресного счетчика 9, который.расположен в блоке управления. Адресные выходы адресного счетчика 9 под ключены к адресным входам оперативного запоминающего устройства 4 и входному регистру электронной вычислительной машины 5.

Устройство работает следующим об-ч разом.

Генератор 8 временных интервалов запускается импульсом со схемы 6 синхронизации, определяющим- начало цикла счета. В этом цикле оперативное запоминающее устройство 4 находится в режиме Запись и записывает по соответствующим ячейкам, номера которых определяет адресный счетчик 9, содержимое счетчика 3. После прохождения всех возможных состояний адресного счетчика 9 оперативное запоминащее устройство 4 переходит в режим Считывание, при этом данные с оперативного запоминающего устройства а передаются вместе с соответствую1цим адресом с адресного счетчика 9 на входной регистр электронной вычислительной машины. При этом блок 7 управления работает следующим образом. Генератор 8 временных интервалов продолжает вырабатывать тактовые импульсы, которые, поступая на адресный счетчик 9, изме няют его состояние, и тем самым прои водится последовательное считывание данных из оперативного запоминающего устройства 4, одновременно поступающих на входной регистр электронной вычислительной машины 5 и дополнитель нь1й-триггер 10 через логический элемент ИЛИ 11. . Если в читаемых ячейках нет информации, смена состояний адресного счет чика 9происходит быстро,со скоростью ,работы генератора 8 временных интерI валов, происходит лишь просмотр ячеек оперативного запоминающего устройства, а считывания данных из оперативного запоминающего устройства в электронную вычислительную машину нет, так как выходной нулевой сигнал с выхода опер атйвного запоминающего устройства свидетельствует ,0 том что в даннрй ячейке информации нет. При появлении на выходе оператив. ного запоминающего устройства информации 10 сигналом с выхода логичес кого элемента ИЛИ 11 перебрасывается в состояние, запрещающее дальнейшую работу генератора 8 временных интер валов о.станавливает его. Этот же сиг кал поступает на входной регистр электронной вычислительной машины 5, сообщая, что в данной ячейке с адреС сом находящимся в данный момент в адресном счетчике 9, записан в цикле записи хотя бы один фотон, т.е, адрес и содержание данной ячейки необходимо (так как генератор В временны интервалов остановлен, и быстрой сме ны адресов на входном регистре электронной вычислительной машины нет,)) записать в память электронной вычислительной машины. Последняя записывает со своей скоростью информацию (адрес с адресного счетчика и данные из оперативного запоминающего устройства), и выдает сигнал на выходной регистр о том, что данные приняты, Этот сигнал сбрасывает триггер 10, и он разрешает дальнейшую работу с 746 .большой скоростью генератора 8 временных интервалов, адресного счетчика 9 и оперативного запоминающего устройства 4. Если в последуюпщх ячейках информации нет, на выходе элемента ИЛИ I1 сохраняется нулевой уровень, триггер 10 не срабатывает и генератор 8 временных интервалов продолжает работу с высокой частотой до тех пор,, пока в очередной ячейке не появляется снова информация. Тогда триггер 10 опять устанавливается, останавливает генератор 8 временшп х интервалов и электронная вычислителт.ная машина 5 принимает данные (адрес и состояние оперативного запоминающего устройства) со своей малой скоростью. Об Окончании приема она опять сообщает импульсом с.выходного регистра, который сбрасывает триггер 10, и генератор временных интервалов начинает перебирать с высокой скоростью адреса ячеек оперативного запоминающего устройства далее. Многократное повторение циклов запись-считывание приводит к тому, что в ячейках памяти электронной вычислительной машины 5, адреса которых определяют положение поступивших фотонов, происходит накопление числа фотонов до необходимого заданного уровня. ( Возможны следующие варианты подключения оперативных запоминающих устройств 4, если их число 1. Выхода. fi одноразрядных оперативных запоминающих устройств 4 подключаются к п+к разрядам входного регистра электронной вычислительной машины 5, где к - разрядность адресного счетчика 9, и к п входам логического элемента ИЛИ 11, соединенного своим быходом с одним из входов триггера 10, причем считыванием в электронную вычислительную машину п+к адреса,- где п - номер одноразрядного оперативного запоминающего устройства, к - номер ячейки этого оперативного запоминающего устройства, из которой считывается информация, производится одновременно идентификация ячейки оперативного запоминающего устройства и самого оперативного запоминающего устройства чем достигается дополни-тельное повьш ение скорости обмена путем уменьшения количества операций при передаче и накоплении данных в

электронной вычислительной машине в случае многоканальных систем.

Выходы nm-разрядных оперативных запоминающих устройств 4 подключены к n+m+k разрядам входного ;регистра 5 .электронной вычислительной машины 5, где п - число т-разрядных оперативг; ных запоминающих устройств 4, k разрядность адресного счетчика 9 и к n+m входам логического элемента 10 ИЛИ II, соединенного своим выходом с одним из входов триггера 10, причем считыванием в электронную вычислительную машину 5 п+т+и-разрядного .адреса, где п - номер т-разрядного 15 оперативного запоминающего устройства k -номер ячейки это го оперативного запоминающего устройства,из которой счи тывается числот,щ оизводится одновременная ндеитификадия ячейки оператив- 20 ного запоминакщегоустройства,самого оперативного запоминакщего устройства и числа запи санного в нем, что также позволяет уменьшить количество операций при передаче и накоплении данных в электронную вычислительную машину для многоканальных систем счета.

Таким образом, считывание данных из оперативного запоминающего устройства со скоростью электронной вычис лительной машины не из всех подряд ячеек, а лишь из тех. где есть информация и только просмотр всех других с высокой скоростью, позволяет значительно сократить время считывания данных из оперативного запоминающего устройства в электронную вычислительную машину, что в свою очередь дает возможность -увеличить частоту посылок зондирующих световых импульсов, и, увеличив тем самым скорость накопления одноэлектронных импульсов, сократить время эксперимета и увеличить точность измерения параметров атмосферы.

Изобретение позволяет повысить точность измерений.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЧЕТА ФОТОНОВ, содержащее последовательно включенные ФЭУ, дискриминатор, счетчик и оперативное запоминающее устройство, а .также блок управления, электронную вычислительную машину и схему синхронизаи,ии, причем оперлтивное запоминающее устройство подключено информационньм выходом к входному регистру электронной вычислительной машины адресные выходы блока управления подключены к адресным входам оперативного запоминающего устройства и входному регистру электронной вычислительной машины, о т л и ч а.ющ е е с я тем, что, с целью повыше НИН точности измерений параметров атмосферы путем увеличения скорости накопления фотонов, в него введены триггер и логический элемент ИЛИ, п входов которого подключены к информационному п-разрядному выходу оперативного запоминающего устройства (п 2-1) , R-вход триггера подключен к одному из разрядов выходного регистра электронной вычислительной машины, выход триггера подключен к входу блока управления,который выполнен на генераторе временных ин(Л тервалов иадресном счетчике, причем выход схены синхронизации подключен к первому входу генератора временных интервалов, выход которого подключен к адресному счетчику, адресные выходы которого подключены к адресным входам оперативного запоминающего i устройства и входному регистру электронной вычислительной машины, а к САд второму входу генератора.временных о интервалов подключен выход триггера, sl S-вход которого подключен к выходу i логического элемента ИЛИ. dd