Устройство цифровой регистрации оптических импульсных сигналов

 

Использование: исследование однократных быстропротекающих процессов, например, в ядерной физике. Технический результат: понижение нижнего предела динамического диапазона измеряемой мощности оптического импульсного сигнала. Сущность: снижение деградации исследуемого сигнала путем уменьшения числа его циркуляций без уменьшения числа выборок. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к информационно-измерительной техники и предназначено для цифровой регистрации однократных оптических импульсных сигналов и может быть использовано в научных исследованиях по ядерной физике.

В настоящее время для измерения формы оптических сигналов в нано- и субнаносекундном диапазоне используют их преобразование в электрический аналог с последующей регистрацией его как обычного электрического сигнала. Для цифровой регистрации электрических сигналов в указанном временном диапазоне чаще всего применяют метод преобразования временного масштаба, в основе которого лежит дискретизация электрического сигнала, т.е. выделение мгновенных значений из этого сигнала - выборок, соответствующих известным моментам времени, запоминание этих значений с последующим относительно медленным считыванием.

Известно устройство [1] для исследования одиночных импульсов, характеризующих переходные процессы, возникающие при атомных взрывах. Устройство состоит из волоконно-оптического направленного ответвителя, кольцевого волоконно-оптического тракта с усилителем и запоминающего осциллоскопа. Исследуемый оптический сигнал вводится через волоконно-оптический направленный ответвитель в волоконно-оптический тракт, где он циркулирует. Потери мощности сигнала, возникающие при циркуляциях, возмещаются усилителем. После каждой циркуляции часть мощности сигнала через волоконно-оптический направленный ответвитель поступает на запоминающий осциллоскоп для регистрации в режиме выборки. Цифровой регистрации данное устройство не производит.

Недостатком данного устройства является необходимость усиления регистрируемого сигнала, что приводит к его искажениям вследствие нелинейности усиления и шумов усилителя.

Известно устройство [2] для регистрации формы однократных или редкоповторяющихся оптических и электрических сигналов, содержащее основной оптический циркуляционный контур, подключенный к основному оптическому ответвителю, светоделитель-раздвоитель, оптический элемент задержки, оптический коммутатор, фотодетекторы, дополнительный оптический циркуляционный контур, подключенный к дополнительному оптическому ответвителю, блок формирования стробирующих импульсов и блок выборки и хранения, причем вход светоделителя-разделителя через оптический коммутатор соединен с информационными входами устройства, первый и второй входы - с основным и дополнительным оптическим ответвителем соответственно, выход дополнительного оптического ответвителя напрямую, а выход основного оптического ответвителя через оптический элемент задержки соединены с первым и вторым фотодетекторами соответственно, выход второго фотодетектора соединен с первым выходом блока выборки и хранения, выход первого фотодетектора через блок формирования стробирующих импульсов - со входом второго входа блока выборки и хранения, выход которого является информационным выходом устройства.

Недостатком этого устройства является то, что он имеет малый динамический диапазон измеряемой мощности оптического импульсного сигнала вследствие ограничения его по нижнему пределу этого диапазона. Это связано с тем, что циркуляция последуемого сигнала в оптическом циркуляционном контуре приводит к его деградации, которая будет выражаться в уменьшении мощности циркулирующего в оптическом контуре сигнала из-за отвода ее части через оптический ответвитель на предыдущих циркуляциях для регистрации и потерях в оптическом ответвителе и оптическом контуре в соответствии с формулой: P_n= K_d(1-K)²K^n-2aⁿ₁^-1aⁿP₀, n=2,3..., (1) где n - номер циркуляции; K_d - коэффициент деления оптического раздвоителя; K - коэффициент связи направленного ответвителя; а, a₁ - коэффициенты пропускания оптического ответвителя и оптического контура соответственно. Нижний предел динамического диапазона P_min из формулы 1 при N циркуляциях (или, что то же самое в данном устройстве, числе выборок), соответствующих временной развертке dT = N^*Δt, определяется по формуле P_min= dP_ф/K_d(1-K)²K^N-2a^N₁^-1a^N, (2) где dP_ф - чувствительность фотодетектора. При N = 32 K_d = 0,5, K = 0,9375, a₁ = 0,9954, a = 0,9988, dP_ф = 0,5 мкВт, нижний предел динамического диапазона будет равен P_min = 2127,5 мкВт.

Наиболее близким техническим решением является устройство [3] для измерения параметров оптических одиночных импульсов, содержащее основной оптический циркуляционный контур, подключенный к оптическому ответвителю, светоделитель-раздвоитель, оптический элемент задержки, оптический коммутатор, фотодетекторы, дополнительный оптический циркуляционный контур, блок формирования строб-импульсов и блок выборки и хранения.

Известное устройство также имеет малый динамический диапазон измеряемой мощности оптического импульсного сигнала.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявленным изобретением, является понижение нижнего предела динамического диапазона измеряемой мощности оптического импульсного сигнала за сет изменения числа циркуляций оптического импульсного сигнала без уменьшения числа выборок.

Технический результат в устройстве цифровой регистрации оптических импульсных сигналов, содержащем волоконно-оптическую рециркуляционную линию задержки, фотодетектор, блок выборки и хранения, генератор стробирующих импульсов, блок преобразования информации, достигается тем, что устройство дополнительно содержит высокочастотный делитель, блок запуска генератора, второй блок выборки и хранения, причем выход волоконно-оптической рециркуляционной линии задержки через фотодетектор подключен к входу высокочастотного делителя, первый и второй выходы которого через первый и второй блоки выборки и хранения подключены к первому и второму входам блока преобразования информации соответственно, а третий выход через блок запуска генератора подсоединен к входу генератора стробирующих импульсов, первый и второй выходы которого подключены к вторым входам первого и второго блоков выборки и хранения соответственно.

Технический результат в устройстве обеспечивается также тем, что генератор стробирующих импульсов содержит источник излучения, оптический делитель, первую и вторую волоконно-оптические рециркуляционные линии задержки, волоконно-оптическую линию задержки, первый и второй фотодетекторы и блок формирования стробирующего импульса, вторую волоконно-оптическую линию задержки и второй блок формирования стробирующего импульса, причем выход источника излучения через первую волоконно-оптическую линию задержки подключен к входу оптического делителя, первый выход которого через первую волоконно-оптическую рециркуляционную линию задержки подключен к входу первого фотодетектора, выход которого подключен к входу первого блока формирования стробирующего импульса, второй выход оптического делителя через вторую волоконно-оптическую линию задержки подключен к входу второй волоконно-оптической рециркуляционной линии задержки, выход которой через второй фотодетектор подключен к входу второго блока формирования стробирующего импульса.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в существенном понижении деградации исследуемого сигнала путем уменьшения числа его циркуляций без уменьшения числа выборок.

Функциональная схема предлагаемого устройства приведена на фиг. 1, функциональная схема генератора стробирующих импульсов - на фиг. 2, временные диаграммы, иллюстрирующие работу устройства, - на фиг. 3.

Устройство состоит из волоконно-оптической рециркуляционной линии задержки (ВОРЛЗ) 1, фотодетектора (ФД) 2, высокочастотного делителя (ВЧД) 3, блока запуска генератора (БЗГ) 4, генератора стробирующих импульсов (ГСИ) 5, блоков выборки и хранения (БВХ) 6 и 7, блока преобразования информации (БПИ) 8.

Генератор стробирующих импульсов ГСИ 5 состоит из источника излучения (ИИ) 9, волоконно-оптической линии задержки (ВОЛЗ) 10, оптического делителя (ОД) 11, ВОЛЗ 12, ВОРЛЗ 13, ВОРЛЗ 14, ФД 15, ФД 16, блоков формирования стробирующего импульса (БФСИ) 17 и БФСИ 18.

Предлагаемое устройство, например, может быть изготовлено из следующих блоков: ВОРЛЗ 1, ВОРЛЗ 13 и ВОРЛЗ 14 - волоконно-оптическая рециркуляционная линия задержки из [4].

ФД 2, ФД 15 и ФД 16 - лавинные фотодиоды ЛФДГ 70, выпускаемые МП "Мэтэк" при заводе "Полюс".

ВЧД 3 - согласованный по нагрузке 50 Ом делитель мощности в полосе частот от 0 до 18 ГГц из комплекта серийно выпускаемого осциллографа С1-19.

БЗГ 4 - серийно выпускаемый генератор Г5-84.

БВХ 6,7 и БФСИ 17, 18 - аналогичные блоки из серийно выпускаемых стробоскопических осциллографов С1-122 ЯЧС-100, известных из технического описания ГВ2.206.120 ТО.

БПИ 8 - устройство преобразования информации СУПИ 24, изготавливаемое Научно-исследовательским институтом импульсной техники Министерства атомной промышленности.

ИИ 9 - лазерный диод ИЛПН-206, изготавливаемый НТЦ "Микролазер" завода "Полюс".

В качестве ВОЛЗ 10, 12 может служить отрезок оптического волокна того же типа, что использован в ВОРЛЗ 1 с длиной L, равной - L = c·t_з, где c - скорость света в оптическом волокне (2·10⁸ м/с), t_з - требуемое время задержки, ОД 11 - оптический разветвитель 1·2, выполненный НПК Перспективных Технологий для волоконно-оптических линий.

Устройство работает следующим образом. Импульсный оптический сигнал (ИОС) поступает на вход ВОРЛЗ 1 (фиг. 3а), где начинает циркулировать, образуя на выходе ВОРЛЗ 1 последовательность импульсных сигналов с периодом То, представляющих собой копии ИОС, амплитуда которых умножена на коэффициент амплитудного масштабирования K, зависящий от номера циркуляции по формуле K(n) = (1-K)²K^n-2aⁿ₁^-1aⁿ, n = 2,...,N. (3)
Эта последовательность поступает через ФД 2, где она преобразуются в последовательность электрических аналогов, на вход ВЧД 3 (фиг. 3б). С первого, второго и третьего выходов ВЧД 3 последовательность электрических аналогов поступает на входы БВХ 6, БВХ 7 и БЗГ 4 соответственно. По первому импульсу этой последовательности БЗГ 4 формирует на своем выходе сигнал, который поступает на вход ГСИ 5 и по которому на первом и втором выходах ГСИ 5 образуется последовательность стробирующих импульсов со следующими временными характеристиками: на первом выходе с временной задержкой и периодом на втором выходе с временной задержкой и периодом где dt - шаг дискретизации по времени, dT - временная развертка. Эти стробирующие импульсы поступают на вторые выходы БВХ 6 и 7 (фиг. 3в, д). По приходу стробирующих импульсов БВХ 6 и 7 делают выборки сигнала, присутствующего в этот момент на их первых входах, которые поступают на первый и второй входы УПИ 8, которое накапливает эти выборки в виде массивов M1 и M2, полученных соответственно с первого и второго входов УПИ 8. Затем УПИ 8 обрабатывает информацию о ИОС по заложенной в него программе, составленной по следующему алгоритму:
1) Элементы массивов M1 и M2 делятся на коэффициент амплитудного машстабирования K(n),
M1 (n) = M1 (n)/K (n),
M2 (n) = M2 (n)/K (n),
n = 1, ..., N.

2) Элементы массива M2 переставляются так, чтобы первый элемент стоял на последнем месте, второй элемент на предпоследнем и т.д.

Если обозничить через M2 переставленный массив, то математически это можно переписать в виде:
M2 (n + 1) = M2 (N-n), n = O, ..., N -1;
3. Формируется массив временных отсчетов:
T (n) = (n - 1)·dt, n = 1, ... 2 N.

4) Формируется массив значений ИОС в моменты времени T(n):
M(n) = M1 (n), n = 1, ..., N;
M(n) = M2 (n - N), n = N+1, ..., 2N.

Сформированные массивы T(N) и M(N) затем могут быть визуализированы или сохранены для дальнейшего использования.

ГСИ 5 работает следующим образом. Входной электрический импульсный сигнал запуска преобразуется на ИИ 9 в оптический аналог импульса запуска. Этот аналог поступает через ВОЛЗ 10, где задерживается на время на вход ОД 11. На ОД 11 сигнал запуска делится на две части, которые с первого и второго выходов ОД 11 поступают на вход ВОРЛЗ 13 и через ВОЛЗ 12 на ВОРЛЗ 14. В ВОРЛЗ 13, 14 поделенный сигнал запуска начинает циркулировать, образуя на их выходах последовательности импульсов с периодами следования соответственно. Импульсы этих последовательностей поступают через ФД 15, 16, где они преобразуются в электрические аналоги, соответственно на входы БФСИ 17, 18, БФСИ 17, 18 преобразуют эти импульсы в импульсы строба, поступающие на выходы ГСИ.

Таким образом получается, что БВХ 6 оцифровывает переднюю половину ИОС, делая выборки слева направо, а БВХ 7 оцифровывает заднюю половину ИОС, делая выборки справа налево. За счет этого удается уменьшить число циркуляций ИОС в два раза по сравнению с прототипом при том же числе выборок. А это в свою очередь позволяет понизить нижний предел динамического диапазона.

Нижний предел динамического диапазона в предлагаемом устройстве определяется формулой

где
N' - число выборок, которое связано с числом циркуляцией N как N'=N/2, остальные параметры прототипа из (2). При тех же значениях параметров, что и в прототипе для предлагаемого устройства получаем = 345,1 мкВт, что примерно в 6 раз лучше в прототипе.

Генератор оптических импульсов имеет те же недостатки, что и в прототипе, однако, так как число циркуляций импульсов по каждому его каналу в два раза меньше, то эти недостатки не существенны.

Таким образом, предлагаемое устройство уменьшает нижний предел динамического диапазона в 6 раз по отношению к прототипу.

Список литературы.

1. Photonics Spectra, v. 29, N 1, 1995, p. 50, 52.

2. Патент РФ N 2100815, 27.12.97.

3. Авторское свидетельство СССР N 571788, кл. G 04 F 13/02, 1977.

4. SPIE Vol.326 Finer Optics-Technology 82(1982), p.108-115.

Формула изобретения

1. Устройство цифровой регистрации оптических импульсных сигналов, содержащее волоконно-оптическую рециркуляционную линии задержки, фотодетектор, блок выборки и хранения, генератор стробирующих импульсов, устройство преобразования информации, отличающееся тем, что дополнительно содержит высокочастотный делитель, блок запуска генератора, второй блок выборки и хранения, причем выход волоконно-оптической рециркуляционной линии задержки через фотодетектор подключен к входу высокочастотного делителя, первый и второй выходы которого через первый и второй блоки выборки и хранения подключены к первому и второму входам блока преобразования информации соответственно, а третий выход через блок запуска генератора - к входу генератора стробирующих импульсов, первый и второй выходы которого подключены к вторым входам первого и второго блоков выборки и хранения.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что генератор стробирующих импульсов содержит источник излучения, оптический делитель, первую и вторую волоконно-оптические рециркуляционные линии задержки, волоконно-оптическую линию задержки, первый и второй фотодетекторы и блок формирования стробирующего импульса, вторую волоконно-оптическую линию задержки и второй блок формирования стробирующего импульсов, причем выход источника излучения через первую волоконно-оптическую линию задержки подключен к входу оптического делителя, первый выход которого через первую волоконно-оптическую рециркуляционную линию задержки подключен к входу первого фотодетектора, выход которого подключен к входу первого блока формирования стробирующего импульса, второй выход оптического делителя через вторую волоконно-оптическую линию задержки подключен к входу второй волоконно-оптической рециркуляционной линии задержки, выход которой через второй фотодетектор подключен к входу второго блока формирования стробирующего импульса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3