Способ определения длительности оптического импульса

 

Изобретение относится к импульсной измерительной технике, точнее оптико-физическим измерениям, и может быть использовано для определения длительности оптических импульсов на заданном уровне мощности, в частности для решения ряда задач для метрологического обеспечения импульсной лазерной дальнометрии. Целью изобретения является повышение точности измерения длительности оптического импульса на заданном уровне мощности. Для этого устанавливают требуемые пороги дискриминации мощности оптического излучения Pi и Ра, формируют электрический сигнал, пропорциональный заданной разности мощности, д Pi2 Pi-P2, делят импульсный оптический поток на два потока, один из которых преобразуют в электрический сигнал, формируют из него два сигнала, при этом первый электрический сигнал пропорционален энергии импульса Е 1, измеренной до уровня мощности Pi, второй - энергии импульса Еа, измеренной от уровня мощности Р2, сравнивают эти энергии и находят разность д E2 E2-Ei, затем формируют электрический сигнал п, пропорциональный искомой длительности оптического импульса на уровне мощности Pi, в виде т- 5E2i/ 5Pi2 , а второй поток излучения преобразуют в электрический сигнал, пропорциональный полной энергии оптического импульса Ео, сравнивают с ней энергию EI, находят долю энергии EI/EO, соответствующую уровню мощности Pi, выводят информацию о найденных величинах на регистратор. 2 ил. vi «raj

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (s<)5 G 01 J 1/44

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4845366/25 (22) 27.06.90 (46) 07.03.92. Бюл. 1Ф 9 (71) Научно-производственное объединение

"Метрология" (72) В.А. Кащей (53) 621.381 (088.8) (56) Грязнов М.И. Интегральный метод измерения импульсов. — М.: Советское радио, 1975, с.280.

Авторское свидетельство СССР

N. 633400, кл. G 01 P 29/00, 1975, (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ОПТИЧЕСКОГО ИМПУЛЬСА (57) Изобретение относится к импульсной измерительной технике, точнее оптико-физическим измерениям, и может быть использовано для определения длительности оптических импульсов на заданном уровне мощности, в частности для решения ряда задач для метрологического обеспечения импульсной лазерной дальнометрии. Целью изобретения является повышение точности измерения длительности оптического импульса на заданном уровне мощности. Для

Изобретение относится к импульсной измерительной технике, точнее к области оптико-физических измерений, и может быть использовано для определения длительности оптических импульсов по заданному уровню мощности, в частности для решения ряда задач метрологического обеспечения импульсной лазерной дальнометрии.

Известен способ определения длительности оптического импульса, основанный на преобразовании оптического сигнала в., . Ж(1717968 А1 этого устанавливают требуемые пороги дискриминации мощности оптического излучения Р1 и Pz, формируют электрический сигнал, пропорциональный заданной разности мощности, д Р12=Р1-Р2, делят импульсный оптический поток на два потока, один из которых преобразуют в электрический сигнал, формируют из него два сигнала, при этом первый электрический сигнал пропорционален энергии импульса Е 1, измеренной до уровня мощности Р1, второй— энергии импульса Ez, измеренной от уровня мощности Рг, сравнивают эти энергии и находят разность д Ez=Ez-Е1, затем формируют электрический сигнал t 1, пропорциональный искомой длительности оптического импульса на уровне мощности Р1, в виде <1 =д Е21/д Р12 а второй поток излучения преобразуют в электрический сигнал, пропорциональный полной энергии оптического импульса Е0, сравнивают с ней энергию Е1, находят долю энергии E1/Eo, соответствующую уровню мощности Р1, выводят информацию о наиденных величинах на регистратор, 2 ил, ", С ! Ъ электрический, который воспроизводит форму импульса, регистрации электриче- . ® ского импульса запоминающим осциллографом и информационной обработке этого )Р сигнала по определенному алгоритму. Это д метод прямого измерения длительности импульса.

К недостаткам способа относятся трудности регистрации формы импульса, обусловленные малым быстродействием устройств временной развертки сигнала. а также ряд неудобств эксплуатации таких приборов (низкая оперативность, сложно1717968 сть метрологической аттестации, процесса измерения и обслуживания), которые затрудняют их использование в системах оперативного контроля за информативными параметрами импульсов (длительности, мощности сигнала по заданному ее уровню, энергии и т.д.).

Наиболее близким к изобретению является способ определения длительности импульсов, относящийся к интегральным методам и основанный на преобразовании оптического сигнала в электрический, формировании из него двух сигналов, преобразовании одного из них в сигнал, пропорциональный полной энергии оптического импульса, а другого — в Сигнал, пропорциональный его пиковой мощности, и вычислении энергетической длительности исходного импульса по формуле измерения.

Однако способ не позволяет определять длительность импульса на заданном уровне мощности (Р1). Этот недостаток способа обусловлен тем, что в его основе лежит идея использования в качестве временной характеристики импульса его энергетической длительности где Ео — энергия импульса;

P»« — пиковая мощность импульса.

Нетрудно видеть, что z E является характеристикой бесконечного множества импульсов различной формы с энергией Ео и пиковой мощностью Р»«и, следовательно, дает грубое представление о длительности импульса. В связи с этим всякое указание точности измерения величины z E носит условный характер, поскольку речь идет о погрешностях измерений полной энергии импульса и его пиковой мощности, которые способны дать только качественное (не количественное) представление о длительности оптического импульса по заданному уровню мощности и ее погрешности. В отдельных случаях погрешность определения длительности импульса может достигать нескольких сот процентов.

Целью изобретения является повышение точности определения длительности оптического импульса на заданном уровне мощности.

Поставленная цель достигается тем, что при способе определения длительности оптического импульса, который включает преобразование потока излучения в электрический сигнал, формирование из электрического сигнала двух сигналов, один

ЗО

На фиг.1 приведен график, разъясняющий физическую суть способа определения длительности оптического импульса на заданном уровне мощности; на фиг.2 — блоксхема устройства, реализующего способ определения длительности оптического импульса.

Способ определения длительности оптического импульса осуществляется следующим образом.

Устанавливают требуемые пороги дискриминации мощности излучения Р1 и Р2 и

45 формируют электрический сигнал, пропорциональный их разности д Р12.

Делят поток импульсного оптического излучения на два потока, Преобразуют первый поток импульсного оптического излучения в импульс электрического тока.

Формируют из этого импульса два электрических сигнала. Формируют из одного из них сигнал, пропорциональный энергии Е1 оптического импульса, отсчитанной от уровня мощности Р1. Формируют из другого сигнала сигнал, пропорциональный энергии Е2 оптического импульса, отсчитанной от уровня мощности Р2, Сравнивают эти энергии и

20 из которых пропорционален энергии оптического импульса, и вычисление искомой величины, предварительно устанавливают верхний и нижний пороги дискриминации мощности оптического излучения Р1 и Р2, формируют электрический сигнал, пропорциональный разности мощностей д P12=P1 Р2, делят исходный поток излучения на два потока, один из которых преобразуют в электрический сигнал и формируют из него два электрических сигнала, при этом первый электрический сигнал пропорционален энергии оптического импульса Е1, измеренной от уровня мощности Р1, а второй — энергии оптического импульса Е2, измеренной от уровня мощности Р2, формируют электрический сигнал, пропорциональный разности энергий д E21=E2-Е1, затем формируют электрический сигнал пропорциональной искомой длительности г1 оптического импульса на заданном уровне мощности Р1 а второй поток излучения преобразуют в электрический сигнал, пропорциональный полной энергии Ео импульса, находят долю энергии E1/Ео, соответствующую уровню мощности р1, и выводят информацию о найденных величинах на регистратор.

5 17 формируют электрический сигнал, пропорциональный их разности д Е21=Е2-Е1.

Формируют электрический сигнал, пропорциональный отношению разностей энергий и разностей порогов дискриминации мощности излучения, определяя тем самым длительность оптического импульса на заданном уровне мощности Р1.

Измеряют энергию второго потока импульсного оптического излучения и находят полную энергию Ео исходного оптического импульса.

Сравнивают энергию Е1, отсчитанную от уровня мощности Р1, с энергией Ер исходного оптического импульса и находят долю энергии Е1/Ео, соответствующую уровню мощности Р1.

Проводят информационную обработку результатов измерений и выводят численные значения всех искомых величин (Ep,E),E)/Ep, fg и тд.) на табло регистратора.

Устройство для реализации способа измерения длительности оптического импульса содержит оптический делительный элемент 1, фотоприемники. 2 (Eo) и 3 (E1), блок 4 сравнения энергий (E>/Ео), дискриминатор 5 верхнего уровня мощности (Р1), блок 6 сравнения порогов дискриминации уровней мощности (д Р12 ), дискриминатор

7 нижнего уровня мощности (P2), регистратор 8 (Ео, Е, Е1/Ео, Р1; r ; д Р12; дт/т1), блок 9 сравнения дифференциалов энергии и мощности (tq -"д Е21/ д Р12), блок 10 оценки погрешности (д тlt> ), интегратор 11 (Е1), блок 12 сравнения энергий (д Ez< ) и интегратор 13 (E2).

Устройство работает следующим образом.

Оптический импульс через оптический делительный элемент 1 передается на входы фотоприемников 2 и 3. Фотоприемник 2 осуществляет измерение энергии исходного оптического импульса Е . Результат . измерения энергии Ео сравнивается в блоке 4 с энергией импульса Е1 и определяется доля энергии импульса, соответствующая условию P Р1. При этом измерение энергии Е1 осуществляется посредством фотоприемника 3, например, сильноточным коаксиальн ы м фотоэлементом, дискриминатора 5 верхнего уровня мощности Р1, например устройства для простой дискриминации импульсов по амплитуде, которое работает на наносекундном диапазоне длительностей, и интегратора 11; Дискриминаторы 5и7уровней мощностей и интеграторы 11 и 13 подвергаются предварительной калибровке и метрологической аттестации. Энергия оптического импульса, соответствующая условию

P Pz, измеряется аналогичным образом с использованием дискриминатора? ниж.i

17968 него уровня мощности Pz и интегратора 13.

Сформированный. в блоке 12 сигнал (пропорциональный разности энергий) поступает в блок 9 сравнения, где он сравнивается с

5 сигналом блока 6 (д Ez)/д P)2), результатом сравнения этого сигнала является выработка электрического сигнала, пропорционального искомой длительности оптического импульса по заданному уровню мощности. Требуе10 мые пороги дискриминации уровней мощности устанавливаются заранее в соответствии с решаемой задачей. Для удобства эксплуатации прибора, реализующего предлагаемый способ измерения длитель15 ности оптического импульса по заданному уровню мощности, в соответствии с блоксхемой (фиг,2) информация о величинах

Ео Е1, Е (/Eo P), т1,д Риг, д (/(,1, выводится на табло регистратора 8, 20 Длительность импульса по заданному уровню мощности Р1 определяется как интервал времени, в течение которого мощность сигнала превосходит уровень Р=Р1.

Обычная процедура измерения длительно25 сти импульса г1 состоит в определении временного интервала между точками Р=Р1 переднего и заднего фронтов импульса (при этом предполагается возможность осуществления всех необходимых для этого операции). Однако возможен и инеи подход к решению этой задачи, Этот подход основан на следующем определении длительности огггического (или иного сигнала) импульса по заданному уровню мощности;

Е2-Е, 2 Ez< ((г- (р)

em = em

Р,= Р, P(2. 8Р(2 0 И P- P, 40 Алгоритм вычисления т1 описан. Систематическую ошибку, связанную с конечностью величины д Р12 вычислим исходя из определения энергии импульса

45 .„й

Т

2 Т2

E., = j (оф - p) dt = i P (tl d t ((((1 з "T, 1, т<п т ( (50 где i=1 2; 1! -,Я о(— = т 2 "1 °

Положив т г) =т )-лт,т(z) =т )+алт, получим следующее соотношение: д Ег1 т1 — — — — Лт о Р1г . д Ег1 т1 — -„—

1717968

<т) т")

1 2 та) 7 (z)

Фиг.1 сточностьюдочлена Лтпорядка(21 д P12/ео.

Это систематическая погрешность и ее можно исключить. Относительная погрешность измерения длительности оптического импульса определяется алгоритмом ее измерения и составляющими погрешности измерения энергии Е и установки уровня мощности P.

В соответствии с формулой измерения получим

При д Е/Е- 0,6%, д P/Р"-1,5%, это приводит к д гlт — 2%. С учетом погрешности, обусловленной гистерезисом дискриминаторов 5 и 7 порядка 1 — 2%,это дает относительную погрешность измерения д t/ — 3 — 4%.

Основная относительная погрешность измерения z1 связана с погрешностями измерений абсолютных значений энергии д Е/Е о — 6%) и мощности излучения д P/P% — 7%) и составляет величину порядка 10 — 15%.

Формула изобретения

Способ определения длительности оптического импульса, включающий преобразование потока излучения в электрический сигнал, формирование из электрического сигнала двух сигналов, один из которых пропорционален энергии оптического импульса, и вычисление искомой величины, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения точности определения длительности оптического импульса на заданном уровне мощности, предварительно устанавливают верхний и нижний пороги дискриминации мощности потока излучения Р1 и Рг, формируют электрический сигнал, пропорциональный разности мощностей д P12=P1 — Рг, делят исходный поток излучения на два потока, один из которых преобразуют в электрический сигнал и формируют из него два электрических сигнала, при этом первый электрический сигнал пропорционален энергии оптического импульса Е1, измеренной от уровня мощности Р1, а второй— энергии оптического импульса Ег, измеренной от уровня мощьности Рг,формируют электрический сигнал, пропорциональный разности энергии дЕ21=Е2-Е1, затем формируют электрический сигнал, пропорциональный искомой длительности t1 оптического импульса на заданном уровне мощности Р1 в виде д Ег1 Р12 а второй поток излучения преобразуют в электрический сигнал, пропорциональный полной энергии Ео оптического импульса, находят долю энергии Е1/Ео, соответствующую уровню мощности Р1, и выводят информацию о найденных величинах на регистратор.

1717968

Составитель А.Ястребов

Редактор О.Юрковецкая Техред М.Моргентал Корректор Э.Лончакова

Заказ 870 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101