Способ измерения интервалов времени между импульсами излучения

Способ относится к исследованию однократных быстропротекающих физических процессов, сопровождаемых световым и инфракрасным излучением, в частности формированием импульсов света длительностью около 0,2 мкс, количество которых может достигать величины порядка 10. В способе измерения интервалов времени между импульсами излучения каждый из импульсов, формируемых исследуемым объектом, вводят в соответствующий световод, противоположные концы световодов располагают в виде матрицы, ее изображение с помощью оптической системы, включающей вращающееся зеркало, перемещают по фоточувствительной поверхности фотоприемника, на которой фиксируют световые отметки. Определяют интервалы времени между отметками как частное от деления расстояний между ними на скорость развертки изображения, при этом интервалы времени разбивают на две части: первую, общую для всех интервалов (время задержки Т_зад), величина которой на 1 мкс меньше времени развития исследуемого процесса, полученного расчетным путем, и вторую, требующую измерения для каждого интервала ΔT_ik, где i, k - номера столбца и строки изображения световода в матрице. В момент Т_зад формируют, передают с помощью световодов в угловые точки матрицы и фиксируют с помощью цифрового регистратора световой сигнал, задержанный по отношению к пусковому на заданную величину, фиксируют в том же кадре импульсы излучения из световодов на завершающей стадии процесса и метки времени, формируемые с заданной частотой, используя координаты угловых точек матрицы световодов, а также зная количество столбцов m и строк n в ней, расчетным путем определяют координаты всех световодов в момент Т_зад, определяют разность координат ΔХ_iк вдоль направления развертки изображения для каждого из световодов в момент излучения ими световых импульсов и в момент Т_зад, при этом применяют регистратор на основе ПЗС-матрицы, в качестве координат световых отметок принимают координаты пиксела в изображении световода, накопившего максимальный заряд, с помощью меток времени определяют скорость развертки изображения, находят интервалы ΔТ_iк как частное от деления соответствующей разности координат на скорость развертки, определяют искомые интервалы времени Т_iк как сумму интервалов Т_зад+ΔТ_iк. Технический результат заключается в обеспечении уменьшения погрешности измерений. 3 ил., 1 табл.

 

Предлагаемый способ может быть применен в области измерительной техники при исследовании однократных быстропротекающих физических процессов, сопровождаемых световым и инфракрасным излучением, в частности формированием импульсов света длительностью около 0,2 мкс, количество которых в исследуемом объекте, являющемся источником световых импульсов, может достигать величины порядка 10³.

Формирование импульсов света происходит на начальной и завершающей стадии исследуемого процесса, длительность которого составляет несколько десятков мкс и может быть оценена заранее с погрешностью порядка 1 мкс.

На начальной стадии одновременно с электрическим сигналом, инициирующим процесс, формируются несколько световых импульсов, которые используются в качестве точек отсчета. Формирование световых импульсов при завершении процесса происходит в разных точках поверхности исследуемого объекта в интервале, не превышающем нескольких мкс.

Задача заключается в том, чтобы зафиксировать пространственно-временную структуру световых импульсов и в ходе обработки полученной картины провести измерение интервалов времени развития исследуемого физического процесса от его начала до формирования каждого светового импульса на завершающей стадии.

В настоящее время эта задача решается с помощью высокоскоростных фоторегистраторов типа СФР [1] (прототип) следующим способом: каждый из световых импульсов, формируемых испытываемым объектом, вводят в соответствующий световод, противоположные концы световодов располагают в планке в виде матрицы с определенным количеством столбцов (рядов) и строк (световодов в ряду), изображение матрицы со световодами с помощью оптической системы, включающей вращающееся с заданной скоростью зеркало, перемещают по фоточувствительной поверхности фотоприемника, фиксируют на фоточувствительной поверхности фотоприемника световые отметки, формируемые на начальной и завершающей стадии исследуемого процесса, измеряют расстояния между отметкой, определяющей начало процесса, и отметками, формируемыми при его окончании, определяют интервалы времени как частное от деления расстояний между отметками на скорость развертки изображения.

Для реализации указанного способа применяют скоростной фотохронографический регистратор (СФР) [1], в котором в качестве фотоприемника, фиксирующего импульсы оптического излучения, применяют фотопленку.

На фиг.1 приведена фотохронограмма опыта по исследованию быстропротекающего физического процесса, полученная с помощью СФР на фотопленке.

Принятые обозначения:

1 - отметки от световых импульсов, определяющих начало исследуемого процесса, из световодов, расположенных в средней части рядов, обозначенных буквами от а до f;

2 - отметки от световых импульсов, формируемых в конце процесса, передаваемых по световодам, расположенным в рядах, обозначенных буквами от а до f в матрице;

3 - интервал на фотопленке по направлению развертки ΔX₁ между отметкой, определяющей начало процесса для первого ряда световодов, и отметкой от светового импульса, сформированного в конце процесса и переданного в первый световод ряда, обозначенного буквой а на фиг.1.

Проведя измерение по фотоотпечатку рабочего кадра величины интервала 3 ΔX₁ и зная скорость развертки изображения по пленке V_разв, находят искомый интервал времени по формуле:

Аналогичные действия совершают в отношении отметок от световых импульсов, передаваемых другими световодами 1 и 2 формируемых в начале и в конце исследуемого процесса.

При этом необходимо отметить следующее:

- при характерных временах развития исследуемого процесса 10² мкс и скорости развертки изображения около 3 мм/мкс длина рабочего кадра на фотопленке составляет около 300 мм, что делает невозможным применение фотоприемных устройств с чувствительной поверхностью меньших размеров при регистрации интервалов 3 указанным способом;

- фотоотпечаток рабочего кадра для удобства обработки выполняют с увеличением 5 и более раз, при этом отметки 1 и 2, фиксирующие излучение световода, по форме представляющие эллипс с большой осью, вытянутой вдоль направления развертки изображения, размер которой составляет несколько мм, не всегда имеют резкие границы; в качестве координаты отметки 1 и 2 принимают ее границу или центр, определяемые оператором на глаз, что дает значительную погрешность определения координаты.

Недостатком приведенного выше способа определения интервалов времени является значительная погрешность их определения, составляющая от 1 до 2% от зарегистрированного интервала 3, что связано с неточностью определения скорости вращения зеркала в момент регистрации, деформацией фотопленки и фотобумаги при проявлении и сушке, погрешностью определения координат отметок и т.д.

Вторым недостатком указанного способа является длительное время, затрачиваемое на получение результатов измерений, из-за необходимости проявления фотопленки и проведения дальнейших работ по извлечению информации из полученного рабочего кадра, таких как получение увеличенных отпечатков рабочих кадров на фотобумаге, проведение вручную измерений расстояний 3 между отметками и т.д.

Техническим результатом изобретения является уменьшение погрешности измерения интервалов времени в 2-10 раз (в зависимости от наличия или отсутствия меток времени на фотопленке) и снижение времени обработки зарегистрированной информации с десятков часов до нескольких минут.

Технический результат в предлагаемом способе измерения интервалов времени между импульсами излучения достигается тем, что каждый из световых импульсов, формируемых исследуемым объектом, вводят в соответствующий световод, противоположные концы световодов располагают в планке в виде матрицы с определенным количеством столбцов (рядов) и строк (световодов в ряду), изображение матрицы со световодами с помощью оптической системы, включающей вращающееся с заданной скоростью зеркало, перемещают по фоточувствительной поверхности фотоприемника, фиксируют на фоточувствительной поверхности фотоприемника световые отметки, формируемые на разных этапах исследуемого процесса, определяют интервалы времени между отметками как частное от деления расстояний между ними на скорость развертки изображения, искомые интервалы времени разбивают на две части: первую, общую для всех интервалов (время задержки Т_зад), величина которой на 1 мкс меньше времени развития исследуемого процесса, полученного расчетным путем на основании имеющейся информации о нем, и вторую, индивидуальную и требующую измерения для каждого интервала ΔT_ik, где i, k - номера столбца и строки изображения световода в матрице, имеющую порядок 1 мкс, в момент Т_зад формируют, передают с помощью световодов в угловые точки матрицы и фиксируют с помощью цифрового регистратора световой сигнал, задержанный по отношению к пусковому на заданную величину, фиксируют в том же кадре импульсы излучения из световодов на завершающей стадии процесса и метки времени, формируемые с заданной частотой, используя координаты угловых точек матрицы световодов, а также зная количество столбцов m и строк n в ней, расчетным путем определяют координаты всех световодов в момент Т_зад, определяют разность координат ΔХ_iк вдоль направления развертки изображения для каждого из световодов в момент излучения ими световых импульсов и в момент Т_зад, при этом в качестве цифрового регистратора световых сигналов применяют регистратор, у которого чувствительным к излучению элементом является ПЗС-матрица, а в качестве координат световых отметок принимают координаты пиксела в изображении световода, накопившего максимальный электрический заряд, с помощью меток времени определяют скорость развертки изображения, находят интервалы ΔТ_iк как частное от деления соответствующей разности координат на скорость развертки, определяют искомые интервалы времени Т_iк как сумму интервалов Т_зад+ΔТ_iк.

На фиг.2 приведена иллюстрация процесса нахождения интервала Т_iк на примере одного световода.

Принятые обозначения:

4 - метка времени в левой части кадра;

5 - метка времени в правой части кадра;

6 - четыре отметки от светового сигнала, задержанного по отношению к пусковому на величину Т_зад и переданного с помощью световодов в угловые точки матрицы;

7 - расчетное положение изображения световода на фоточувствительной поверхности ПЗС-матрицы с координатой Х_{Тзад iк};

8 - отметка от светового импульса, формируемого на завершающей стадии исследуемого процесса, имеющая координату Х_{раб iк};

ΔХ_iк - интервал на фоточувствительной поверхности ПЗС-матрицы между изображением световода в момент Т_зад и на завершающей стадии процесса.

Способ реализуется следующим образом:

- искомый интервал времени между началом и завершением процесса, найденный расчетным путем на основании имеющейся информации, разбивают на две части: первую, величина которой на 1 мкс меньше расчетного (время задержки Т_зад), и вторую (ΔТ_iк), требующую измерения;

- в момент Т_зад формируют, передают с помощью световодов в угловые точки матрицы и фиксируют с помощью цифрового регистратора четыре отметки 6 от светового сигнала, задержанного по отношению к пусковому на величину Т_зад, фиксируют в том же кадре отметку 8 от светового импульса, формируемого на завершающей стадии исследуемого процесса, имеющую координату Х_{раб iк}, а также метки времени, формируемые с заданной частотой,

- используя координаты угловых точек 6 матрицы световодов, а также зная количество столбцов (m) и строк (n) в ней, расчетным путем определяют координату 7 световода в момент Т_зад по формуле:

где X₁ и Х₃ - координаты световых отметок от световодов 6, расположенных в левой и правой верхних угловых точках матрицы световодов, X₂ - координата световой отметки от световода 6, расположенного в левой нижней угловой точке матрицы, в пикселах,

i, k - номера столбца и строки матрицы, в которых расположен световод: 1≤i≤m, 1≤k≤n;

- определяют разность координат ΔХ_iк вдоль направления развертки изображения для каждого из световодов в момент излучения ими световых импульсов и в момент Т_зад по формуле:

где Х_{раб iк} - координата отметки от светового импульса 8, формируемого на завершающей стадии исследуемого процесса, Х_{Тзад iк} - расчетная координата изображения световода 7 на фоточувствительной поверхности ПЗС-матрицы в момент Т_зад;

- определяют скорость развертки изображения V_разв по поверхности фотоприемника, для чего определяют координату Х_{лев метки} 4 и Х_{прав метки} 5 меток времени в левой и правой части кадра и количество периодов p между ними и, зная величину периода меток Т_метки, находят скорость развертки изображения в единицах пикселов в мкс по формуле:

- определяют интервалы времени ΔТ_iк по формуле:

- находят искомый интервал Т_iк от начала процесса до выхода излучения из световода 8, находящегося в столбце и строке с номерами i и k соответственно:

На фиг.3 приведен рабочий кадр, полученный при исследовании процесса приведенным в настоящей заявке способом для случая тринадцати световодов, расположенных в один ряд (номер ряда i=1 для всех световодов и номер световода в ряду находятся в пределах 1≤k≤13).

Принятые обозначения:

9 - метки времени, формируемые с заданной частотой;

10 - отметки от светового сигнала, задержанного по отношению к пусковому на величину Т_зад=29 мкс и переданного с помощью световодов в верхнюю и нижнюю точки ряда световодов;

11 - отметки от тринадцати световых импульсов, сформированных на завершающей стадии исследуемого процесса.

В таблице даны результаты программно-математической обработки изображения рабочего кадра, приведенного на фиг.3, по формулам (2)-(6).

Среднее значение измеренных интервалов времени составило 30,53 мкс, среднеквадратичное отклонение равно 0,02 мкс.

В качестве регистратора световых импульсов, выполненного на базе ПЗС-матрицы, был применен цифровой регистратор импульсного светового излучения [2].

Предлагаемый способ измерения интервалов времени позволил уменьшить погрешность измерения в 2-10 раз (в зависимости от наличия или отсутствия меток времени на фотопленке) и уменьшить время обработки информации с десятков часов до нескольких минут.

ЛИТЕРАТУРА

1. А.С.Дубовик. Фотографическая регистрация быстропротекающих процессов. М., «Наука», 1984 г., стр.51.

2. Цифровой регистратор импульсного светового излучения. Патент на полезную модель, №54478, опубл. 27.06.2006.

№ ряда (i)	№ световода в ряду (k)	Интервал времени Тiк, мкс
1	1	30.51
1	2	30.51
1	3	30.48
1	4	30.54
1	5	30.53
1	6	30.52
1	7	30.54
1	8	30.56
1	9	30.51
1	10	30.49
1	11	30.57
1	12	30.54
1	13	30.52
Среднее значение	30.53
Среднеквадратичное отклонение	0,02

Способ измерения интервалов времени между импульсами излучения, заключающийся в том, что каждый из световых импульсов, формируемых исследуемым объектом, вводят в соответствующий световод, противоположные концы световодов располагают в планке в виде матрицы с определенным количеством столбцов (рядов) и строк (световодов в ряду), изображение матрицы со световодами с помощью оптической системы, включающей вращающееся с заданной скоростью зеркало, перемещают по фоточувствительной поверхности фотоприемника, фиксируют на фоточувствительной поверхности фотоприемника световые отметки, формируемые на разных этапах исследуемого процесса, определяют интервалы времени между отметками как частное от деления расстояний между ними на скорость развертки изображения, отличающийся тем, что искомые интервалы времени разбивают на две части: первую, общую для всех интервалов (время задержки Т_зад), величина которой на 1 мкс меньше времени развития исследуемого процесса, полученного расчетным путем на основании имеющейся информации о нем, и вторую, индивидуальную и требующую измерения для каждого интервала ΔТ_ik, где i, k - номера столбца и строки изображения световода в матрице, имеющую порядок 1 мкс, в момент Т_зад формируют, передают с помощью световодов в угловые точки матрицы и фиксируют с помощью цифрового регистратора световой сигнал, задержанный по отношению к пусковому на заданную величину, фиксируют в том же кадре импульсы излучения из световодов на завершающей стадии процесса и метки времени, формируемые с заданной частотой, используя координаты угловых точек матрицы световодов, а также зная количество столбцов m и строк n в ней, расчетным путем определяют координаты всех световодов в момент Т_зад, определяют разность координат ΔХ_ik вдоль направления развертки изображения для каждого из световодов в момент излучения ими световых импульсов и в момент Т_зад, при этом в качестве цифрового регистратора световых сигналов применяют регистратор, у которого чувствительным к излучению элементом является ПЗС-матрица, а в качестве координат световых отметок принимают координаты пиксела в изображении световода, накопившего максимальный электрический заряд, с помощью меток времени определяют скорость развертки изображения, находят интервалы ΔТ_ik как частное от деления соответствующей разности координат на скорость развертки, определяют искомые интервалы времени Т_ik как сумму интервалов Т_зад+ΔТ_ik.