Способ определения постоянной времени фотоприемника и устройство для его осуществления Советский патент 1991 года по МПК G04F10/00 

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

Целью изобретения является повышение точности измерений постоянной времени фотоприемника.

На фиг.1 представлены результаты измерений передней части импульса второй гармоники моноимпульсного лазера на стекле с неодимом (кривые II, IV) и передней части импульса основной частоты того же лазера (кривые МП); на фиг.2 - структурная схема устройства для осуществления предлагаемого способа, на фиг 3 - временные диаграммы сигналов блоков устройства.

Способ измерения постоянной времени фотоприемника заключается в том что на вход фотоприемника подают импульсный сигнал, измеряют форму сигнала-отклика, определяют максимальное значение сигнала-отклика, значение его и его производной в какой-либо момент времени от момента максимума сигнала-отклика, преобразуют входной импульсный сигнал по квадратичному нелинейному преобразованию, подают его на вход фотоприемника, измеряют форму сигнала-отклика и значение его и его производной в тот же момент времени от момента достижения максимума сигнала-отклика, что и для непреобразованного входноО 4 ГО 4 N

to

го импульсного сигнала, а постоянную времени фотоприемника определяют по формуле

2ViVi v2

где Ач, А2 - максимальные значения непреобразованного и преобразованного сигналов-откликов;

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

V2, /2 - значения сигнала-отклика и его производной от преобразованного импульсного сигнала.

Устройство для измерения импульсной постоянной времени фотоприемника содержит источник 1 оптических импульсов (ИОИ), делитель 2 энергии импульсов (ДЭН), первый переключатель 3 направления (ПНИ), нелинейный преобразователь 4 формы импульса (НПФ), второй переключатель 5 направления (ПНИ), второй и первый фотоприемники 6 и 7 (ФП), первый усилитель 8, первую линию 9 задержки (ЛЗ), первый блок 10 выборки-хранения (БВХ), блок 11 синхронизации, второй усилитель 12, вторую линию 13 задержки, второй блок 14 выборки-хранения, третью линию 15 задержки, третий усилитель 16, дефференциатор 17, дискриминатор 18 нулевого уровня (ДНУ), первый одновибратор 19 (ОВ), первый триггер 20, второй одновибратор 21, второй триггер 22, инвертор 23 и блок 24 регулировки длительности (БРД).

Выход источника оптических импульсов соединен с входом делителя энергии импульсов, первый выход которого соединен с входом второго фотоприемника, а второй выход-с входом первого переключателя направления, первый выход которого соединен с первым входом второго переключателя направления, а второй выход - через нелинейный преобразователь формы с вторым входом второго переключателя направления, выход которого соединен с входом первого фотоприемника, первый выход которого через первый усилитель и первую линию задержки соединен

с первым входом первого блока выбррки- хранения, а второй выход первого фотоприемника через второй усилитель и вторую линию задержки соединен с первым входом

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

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

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

20 которого соединен с выходом первого одно- вибратора, а выход - с входом первого одновибратора, выход которого соединен с вторыми входами триггеров, второй выход усилителя соединен с входом дифференци

25 атора.

Способ реализуется следующим образом.

Для импульсной переходной функции - (ИПФ) фотоприемника как линейной одно30 родной системы имеется уравнение типа свертки

+ 00

/ B(r)h(t-r)dr V(t):(2)

-00

35B(t) h(t) V(t),

. где B(t), V(t) - подаваемый на вход и снимаемый с выхода пронормированные на амплитуду импульсы; 40 W ИПФ фотоприемника.

Записывая уравнение (2) для двух импульсных воздействий Bi(t) и B2(t), между которыми имеется нел инейное уравнение связи

B2(t) Bi(t)n,(3)

можно получить два уравнения

Bt(t)h(t) Vi(t):(4)

B2(t) h(t) V2(t).

Применяя известное свойство свертки, уравнения (4) можно записать в виде произ- ведения их Фурье-образов:

V2;F 81 (ft) (ш) Vi (ш) VZtf ; (5) (ft) (ш) V2 (ш) V27r ,

Обычно ИПФ линейной системы представляется в виде

1 -t/r

т О,

е

, t 0, КО,

(6)

где т - постоянная времени фотоприемника.

Фурье-образ функции h(t)

ли

1

1 )Т

(7)

где i - мнимая единица.

Из (5), (6) и (7) можно получить

ллл

Bi(ft)) Vi(ft)} + шт Vi{w);

Bl(W)(u)+iWT V2(W).

ЛЛ

Производя над Bi(w) и 62(0)) обратное преобразование Фурье и применяя теорему о дифференцировании, получаем:

Bi(t) Vi(t) + Vi(t) -r B2(t) V2(t) + V2(t)-r

(9)

Подставляя (9) в (3), получаем Vi(t)+ rVi(t)f V2(t)+ rV2(t), (10)

где Vi , V2 - производные входных сигналов Vi и V2, пронормированные на амплитуды сигналов Vi и V2 соответственно.

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

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

Устройство работает следующим образом.

Импульсы ИОИ1 поступают ни ФП6 и 7 при таком положении ПНИЗ, при котором импульс поступает на ПНИ5, минуя НПФ4. ФП6 преобразует импульс ИОИ1 в пропорциональный электрический импульс V(t), который усиливается в соответствующих каналах усилителями 8 и 12, задерживается Л39 и 13 и поступает на сигнальные входы БВХЮи 14, БВХЮи 14 проводят измерения мгновенного значения огибающей импульса по команде блока 11 синхронизации.

Управление работой БВХ 10 и 14 осуществляется блоком 11 синхронизации следующим образом.

Выходной сигнал ФП7 усиливается усилителем 16 и поступает на вход дифференциатора 17, на выходе которого формируется сигнал перехода производной сигнала V(t) через ноль, и на вход первого триггера 20, который срабатывает при достижении сигналом V(t) уровня V0, устанавливаемого таким, чтобы он превышал наибольшее значение фона, шума и флуктуации.

По переднему фронту импульса на выходе первого триггера 20 срабатывает второй одновибратор 21, на выходе которого формируется импульс с регулируемой длительностью Т. По заднему фронту импульса на выходе второго одновибратора 21 срабатывает второй триггер 22, по переднему фронту которого запускается инвертор 23. Выходной импульс с инвертора 23 деблокируется ДНУ 18, выполненным в виде триггера. При переходе ДНУ 18 в отличное

от нуля состояние, что реализуется при достижении импульсом V(t) пикового значения, запускается первый одновибратор 19, формирующий импульс стандартной длительности для запуска БВХ 10 и 14,

по заднему фронту которого ДНУ 18, первый триггер 20 и второй триггер 22 возвращаются в исходные состояния. Для импульсов со структурой, имеющей несколько пиковых значений, регулировкой

длительности Т импульса на выходе вторе го одновибратора 21 с помощью БРД 24 можно выбрать требуемое экстремальное значение сигнала V(t), что позволяет для каждого конкретного импульса ИОИ1 заблокироватьДНУ 18 от экстремумов, предшествующих измеряемому. От экстремумов, следующих за требуемым, ДНУ 18 блокируется импульсом на выходе инвертора 23,

При поступлении импульса с выхода

первого одновибратора 19 на вход синхронизации БВХ 10 последний начинает проводить последовательную выборку мгновенных значений сигнала V(t), начиная со значения в момент времени to - A tn з, где

to - время достижения импульсом пикового значения, выбранного блоком 11 синхронизации; АТ.Л з - время задержки сигнала V(t) первой Л39. При этом время Д гл з выбирают не более времени (Ti + At3c), где

TI - время нарастания импульса от А V до измеряемого значения V(t); Д t3 с - имеющаяся в БВХ задержка между временем поступления синхроимпульса и временем выборки БВХ; Д V - абсолютная погрешность второго БВХ 14. а шаг выборки AtB - не менее (Ti + Т2)/М, где М - число выборок при полном цикле сканирования (например, М 1000 для Импульсного вольтмера В9-5); Т2 - время спада импульса от измеряемого значения до AV. Такой выбор Atn.a. и Ate позволяет зарегистрировать весь импульс с максимальным временным, разрешением и минимальной задержкой импульса, т.е. с минимальным временем измерения. Если длительность импульса предварительно неизвестна, то выбирают А Тл.з. ( AtBm М/2) + Ata.c-, гдеДгв - минимальный шаг выборки дл я применяемого БВХ (например, AtBm 0,1 не), что соответствует установке временной шкалы таким образом, чтобы по обе стороны от пикового значения на нарастающей и спадающей части было измерено одинаковое число мгновенных значений напряжения.

Перед поступлением импульса с выхода первого одновибратора 19 на вход синхронизации БВХ 14 импульс синхронизации задерживается в плавно перестраиваемой Л315 для того, чтобы с учетом задержки сигнала V(t) в Л313 БВХ14 произвел выборку мгновенного значения V(t) в момент времени t0. Таким образом, БВХ14 измеряет то же пиковое значение импульса V(t), к которому осуществлена временная привязка блока 11 синхронизации.

Выходные сигналы с БВХ 10 и 14 в цифровом виде поступают на встроенные в них табло и регистрируются. Затем в БВХ 10 осуществляют сдвиг времени выборки на + A to. При поступлении на ФП6 следующего импульса цикл измерений повторяется, причем БВХ 14 проводит выборку по-прежнему в момент времени to, а БВХ 10 - в момент времени t0 - АТ.Л.З. + At0. Результат измерений снова регистрируется наряду с номером измерения и временной координатой выборки.

Таким образом, регистрируется либо вся форма импульса излучения, либо его участок. Если V(t), К и N(t) - соответственно входное напряжение, коэффициент преобразования и выходной цифровой сигнал первого БВХ 10, VQ(t0), K0, N0(t0) - аналогичные величины второго БВХ 14, то

KV(t)

ттеи

Когда времена выборки в обоих каналах совпадают, т.е. в обоих каналах измеряется амплитуда импульса, то t t0 и К/К0 N(to)/N0(to) сГ1 . поскольку V(t0) V0(to). так как на вход первого 8 и второго 12 усилителей поступает одно и то же напряжение. Для определения нормированной формы импульса V(t) считаем V0(to) 1. Тогда

V(t)

а

Таким образом, умножив зарегистрированную зависимость на постоянную для данной аппаратуры величину а , равную отношению выходного сигнала БВХ14 к выходному сигналу БВХ10 при совпадении их моментов выборки, что выставляется с помощью первой 9 и второй 13 ЛЗ, получим нормированную к единице зависиомсть напряжения импульса от времени.

После того, как зафиксированы зависимости пронормированных на амплитуду

мгновенных значений огибающей импульса ИОИ1 от времени, ПНИ 3 и 5 переродятся во второе положение, в котором импульс ИОИ 1 проходит НПФ 4 и через ПНИ 5 поступает на ФП 6. При этом на ФП7 поступает тот же импульс, что и ь предыдущем случае, и привязка шкалы времени по- прежнему осуществляется к амплитуде непреобразованного импульса ИОИ1. В то же время на ФП6 в отличие от предыдущего случая поступает импульс ИОИ 1, форма которого преобразована по нелинейному закону в НПФ4. В дальнейшем процесс измерений повторяется в той же последовательности, как и при измерениях

формы преобразованного импульса источника 1. Регистрируется зависимость пронормированных на амплитуду мгновенных значений огибающей преобразованного по нелинейному закону импульса ИОИ1

от времени, причем в том же временном диапазоне, что и при измерениях непреобразованного импульса ИОИ1. Поскольку привязка шкалы времени блока 11 синхронизации при измерениях обоих импульсов

производится к моменту времени достижения непреобразованным импульсом амплитудного значения, .шкалы времени в измерениях формы обоих импульеов совпадают.

После того, как офрма непреобразованного и преобразованного импульсов зарегистрируется, вместе с цифровыми значениями соответствующих временных координат формируется массив значений:

Vi,) (Vi,j-M - Vi,H) /(Ati+ At2);

V2J (V2,i+1-V2.J-l)/(Ati+ At2),

.где Vi,j, Vi,j+i, Vi.j-i - пронормированные на амплитуду мгновенные значения огибающей непреобразованного импульса в точке шкалы времени номер j, j+1, )-1 соответственно;

Ati и At2 - интервал времени между j-1-й и j-й, j-й и j+1-й выборками соответственно;

V2,j, V2.H-1, Va,j-i - аналогичные величины для преобразованного по нелинейному за- кону импульса.,

Поскольку V представляет собой производную во времени в точке j, то Ati и At2 необходимо выбрать такими, чтобы V в диапазоне от Vj+1 до Vj-i изменялось линейно. Чем ближе V(t) к линейно нарастающей функции, тем большими можно выбрать An и At2 и тем меньшей будет погрешность определения V. Большинство импульсов с гладким фронтом нарастания имеют наи- более линейный участок в диапазоне 0,1- 0,9 от максимального знечения, особенно вблизи полувысоты импульса. Для определения постоянной времени фотоприемника либо подбирают импульс с гладким квазилинейным нарастанием, либо уменьшают интервал времени At между выборками Vj+i и VJ-L Если импульс имеет такой участок, то в его пределах V AV/ At, где AV- разность пронормирован- ных значений двух соседних выборок на огибающей импульса, сделанных по краям линейного участка с интервалом времени At.

После того, как зарегистрированы мае- сивы значений Vij и V2,j из уравнения

(Vi

J+ TVi,j)n V2.j + TV2ij ,(11)

где п - показатель закона нелинейности преобразования формы импульса, находится постоянная времени т по формуле (1). Если измерено m значений огибающей каждого из импульсов, то уравнений типа (11) будет (т-2). Каждое из уравнений (11) позволяет получить значение ц на основании трех последовательных измерений Vi и V2 на определенном уровне нарастания или спада импульса. Затем строят график зависимости т от времени на основании полученных (т-2) значений ц. Если ц не имеет систематической зависимости от j, a только случайную, то в этом случае полученные) значения TJ усредняются, причем найти г можно и на основании двух пар зна- чений VLJ и V-2J. Для этого на огибающей обоих импульсов в одном и том же интервале времени находят линейный участок наибольшей протяженности Atm и определяют V AV/Atm, где AV - разность значений V по краям интервала Atm. Например, на фиг.1а в интервал значений 0,1-0,9 от максимального попадают точки 1-3 на огибающей импульса основной частоты, и точки 1-3 на огибающей импульса второй гармоники. Очевидно, что точка З1 He- соответствует действительному значению огибающей (если огибающая импульса основной частоты плавная, то плавной должна быть и огибающая импульса второй гармоники) и получена в результате случайного сбоя в системе регистрации. Поэтому при расчете г используют пары точек 1-11 И2-21. Тогда получают п 2,062 не. При трехкратном сканировании и поточечном усреднении (фиг.1,6) обе огибающие заметно отличаются от случая однократного сканирования (фиг.1а). В диапазон 0,1-0,9 попадают также три точки на каждой из огибающих, однако между точками 11 и 2 импульс еще не вышел на линейное нарастание (в отличие от этого же участка на фиг.1а), поэтому пои оасчете используют пары точек 2-21 и З-З1. Тогда получают тг ; 2,070 не, т.е. постоянная времени г совпадает с полученным ранее значением с погрешностью 2-, .

Таким образом, изобретение позволяет определять постоянную времени г фотоприемника с погрешностью не более ±2% при длительности применяемого для измерений импульса на прядок больше т, причем в наносекундной области значений т.

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

2ViVl

A3

2У А

где Ai, A2 - максимальные значения преобразованного и непреобразованного сигналов откликов;

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

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

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

входом второго переключателя направления, выход которого соединен с входом первого фотоприемника, первый выход которого через первый усилитель и первую

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

выборки-хранения, второй вход которого соединен с выходом третьей линии задержки, выход второго фотоприемника соединен с входом блока синхронизации, первый выход которого соединен с входом третьей линии задержки, а второй выход - с вторым входом первого блока выборки-хранения.

3. Устройство по п.2, отличающее- с я тем, что блок синхронизации содержит третий усилитель, дифференциатор, дискриминатор нулевого уровня, первый и второй одновибратор, первый и второй триггеры, инвертор, блок регулировки длительности, причем первый выход усилителя соединен с первым входом первого триггера, выход которого соединен с первым входом второго одновибратора, выход которого соединен с первым входом второго триггера, выход которого через инвертор соединен с первым входом дискриминатора нулевого уровня,

второй вход которого соединен с выходом дифференциатора, третий вход - с первым выходом первого одновибратора, а выход - с входом первого одновибратора, выход которого соединен с вторыми входами

триггеров, второй выход усилителя соединен с входом дифференциатора.

0,5о

с5 10

Л

,HC

IS 20 25 10

3

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

%al

flfeJ