Устройство для измерения импульсной мощности оптического излучения

 

С.Г. Алексеев, М.И. Гельман, А.Ф. Котюк и С.В. Тихомиров (?2) Авторы изобретения (?I) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ

ИОЩНОСТИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Изобретение относится к технике фотометрии и предназначено для опре деления импульсной мощности повторяющегося оптического излучения на основе измерения его энергии.

Известно устройство для измерения импульсной мощности излучения, содержащее фотоприемник, включенный в цепь пикового детектора (13.

Недостатком известного устройства является большая (1О-254) погрешность измерения.

Наиболее близким технический ре" шением к изобретению является устройство для измерения мощности оптического излучения, содержащее линейный фотоприемник оптического. из" лучения, фотоприемник синхронизации, измеритель абсолютной энергии оптического излучения, аналого-циф" ровой преобразователь, цифровой ге-, нератор ступенчатого напряжения и стробоскопический преобразователь, к соответствующим входам которого подсоединены линейный фотоприемник оптического излучения и цифровой генератор ступенчатого напряжения, а к аналоговому выходу - аналогоцифровой преобразователь P2).

Недостатком данного устройства является ограниченная точность.

Цель изобретения — повышение точности.

16

Указанная цель достигается тем, что в устройство, содержащее линейный фотоприемник оптического излучения, фотоприемник синхронизации, измеритель абсолютной энергии

l$ оптического излучения, аналого-циф" ровой преобразователь, цифровой генератор ступенчатого напряжения и ,стробоскопический преобразователь, к соответствующим входам которого

20 подключены линейный фотоприемник оптического излучения и цифровой генератор ступенчатого напряжения, а к аналоговому выходу - аналого-цифровой преобразователь, введены второй

918798

4 элемента, к входу синхронизации стробоскопического преобразователя . одним из входов непосредственно подсоединен преобразователь время-код, а через второй переключатель присоединены фотоприемник синхронизации и генератор тактовых сигналов, выход стробимпульсов стробоскопического преобразователя непосредственно подключен ко второму входу преобразователя время-код, выходом соединенного с преобразователем код-сопротивление, а параллельно через, первый ключевой элемент выход стробимпульсов подсоединен к первому переключателю и блоку накопления и усреднения данных, через третий переключатель - к первому счетчику и ко второму ключевому элементу, к выходу которого присоединен второй вход управления этого ключевого элемента, а также вход триггера и через третий ключевой элемент вход второго счетчика, кодовый выход которого и кодовый выход первого счетчика присоединены ко второму компаратору кодов, выходом подсоединенному к пятому ключевому элементу, при этом выходы триггера подключены к входам запуска аналого цифровых преобразователей, измерительный вход второго из которых также присоединен к аналоговому выходу стробоскопического преобразователя.

На чертеже показана схема устройства.

Устройство содержит линейный фотоприемник 1 оптического излучения, фотоприемник 2 синхронизации, генератор 3 тактовых сигналов, стробоскопический преобразователь 4 с измерительным входом, входом 6 синхронизации, входом 7 внешней развертки, выходом 8 стробимпульсов, цифровой генератор 9 ступенчатого напряжения (ГСН), первый переключатель 10, делитель 11 исла сигналов, второй переключатель 12, преобразователь 13 время-код, преобразователь

14 код-сопротивление, первый ключевой элемент 15, первый и второй © аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 16 и 17, элемент ИЛИ 18, триггер 19, второй ключевой элемент 20, первый компаратор 21 кодов, третий переключатель 22, третий ключевой элемент 23, первый и второй счетчики 24 и 25, второй компаратор 26 кодов, блок 27 накопления и усреднения данных, цифроаналоговый преобра3 аналого-цифровой преобразователь, генератор тактовых сигналов, делитель числа сигналов, два компаратора кодов, два счетчика, цифроаналоговый преобразователь, преобразователь время-код, преобразователь код-сопротивление, преобразователь напряжение-частота, преобразователь напряжение-сопротивление, два интегратора, элемент ИЛИ, множительный цифровой вольтметр, блок усреднения, триггер, пять ключевых элементов, три переключателя, два резистора и блок накопления и усреднения данных, к соответствующим входам которого подключены цифровой генератор ступенчатого напряжения, делитель числа сигналов и кодовые выходы первого и второго аналого-цифровых преобразователей, выходы сигналов конца измерения аналого-цифровых преобразователей через элемент ИЛИ присоединены к делителю числа сигналов и блоку накопления и усреднения данных, к соответствующим выходам которого присоединены входами управления все переключатели, а также первый, второй и четвертый ключевые элементы, а к кодовому выходу присоединен цифроаналоговый преобразователь, подсоединенный выходом через пятый ключевой элемент,и делитель, образованный первым резистором и преобразователем код-сопротивление, к первому интегратору и непосредственно ко второму интегратору, к выходу которого подключен преобразователь напряжение-сопротивление, образующий со вторым резистором другой делитель, через ко торый к одному из входов множительного цифрового вольтметра подсое- . ю динен блок усреднения, входом подключенный к измерителю абсолютной . энергии оптического излучения, ко второму входу множительного цифрового вольтметра присоединен преобразователь напряжение-частота, а вход запуска цифрового вольтметра через четвертый ключевой элемент подсоединен к соответствующему выходу цифрового генератора ступенчатого напряжения, вход которого через первый переключатель соединен с выходом делителя числа сигналов, и непосредственно к первому компаратору кодов, информационные входы которого присоединены к кодовым выходам обоих аналого-цифровых преобразователей, а выход - к входу управления третьего ключевого

40 р Ем E abc.

Е где Ещ - часть энергии в относительных единицах, соот45 ветствующая импульсной мощности, измеряемой за вре я tм, Е - энергия в импульсе в относительных единицах, Е я энергия в импульсе в абсолютных единицах.

Такой метод определения импульс" ной мощности по известному абсолютному значению энергии в импульсе оказывается более эффективным, так как энергия в импульсе измеряется всегда с больаей точностью по сравнению с методами прямого измерения импульсной мощнрсти.

5 91879 зователь 28, четвертый и пятый ключевые элементы 29 и 30, первый резистор 31, первый и второй интеграторы

32 и 33, преобразователь.34 напряжение-частота, преобразователь 35 напряжение-сопротивление, измери-. тель 36 абсолютной энергии оптического излучения, блок 37 усреднения, второй резистор 38 и множительный цифровой вольтметр 39, Причем к со- 1в ответствующим входам стробоскопического преобразователя 4 подсоединены линейный фотоприемник 1 оптического излучения и цифровой ГСН 9, а к его аналоговому выходу — аналого-цифровые 15 преобразователи 16 и 17. К соответствующим входам блока 27 накопления и усреднения данных подключены ГСН 9, делитель 11 числа сигналов и кодовые выходы двух аналого-цифровых преоб2О разователей 16 и 17, выходы сигналов конца измерения аналого-цифровых преобразователей 16 и 17 через элемент ИЛИ 18 присоединены к делителю

11 числа сигналов и блоку 27 накопления и усреднения данных, к соответствующим выходам которого присоединены входами управления все переключатели 10, 12 и 22, а также первый 15, второй 20 и четвертый 29 ключевые элементы, а к кодовому выходу присоединен цифроаналоговый преобразователь 28, подсоединенйый выходом через пятйй ключевой элемент

30, и делитель, образованный первым резистором 31 и преобразователем 14

35 код-сопротивление, к первому интегратору 34 и непосредственно ко второму интегратору 33, к выходу которого подключен преобразователь 35 напряжение-сопротивление, образующий со вторым резистором 38 другой делитель, через который к одному из входов множительного цифрового вольтметра

39 подсоединен блок 37 усреднения, входом подключенный к измерителю

36 абсолютной энергии оптического излучения. Ко второму входу множительного цифрового вольтметра 39 присоединен преобразователь 34 напряжениечастота, а вход запуска его через четвертый ключевой элемент 29 подсоединен к соответствующему выходу цифрового ГСН 9, вход которого через первый переключатель соединен с выходом делителя 11 числа сигналов, и непосредственно к первому компаратору 21 кодов, информационные входы . которого связаны с кодовыми выходами

8 б обоих аналого-цифровых преобразователей 16 и 17, а выход - к входу управления третьего ключевого элемента 23. К входу 6 синхронизации стробоскопического преобразоваТеля 4 одним из входов непосредственно соединен преобразователь 13 время-код,а через второй переключатель 12 - фотоприемник 2 синхронизации и генератор тактовых сигналов, выход 8 строб- . импульсов стробоскопического преобразователя 4 непосредственно подключен ко второму входу преобразователя

13 время-код, выходом соединенного с преобразователем 14 код-сопротивление, а параллельно через первый ключевой элемент 15 выход 8 стробимпульсов подсоединен к первому переключателю 10 и блоку 27 накопления и усреднения данных через третий переключатель 22 - к первому счетчику 24 и ко второму ключевому элементу 20, к выходу которого присоединен второй вход управления этого ключевого элемента 20, а также вход триггера 19 и через третий ключевой элемент 23 вход второго счетчика 25, кодовый выход которого и кодовый выход первого счетчика 24 присоединен ко второму компаратору 26 кодов, выходом подсоединенному к пятому ключевому элементу 30, при этом выходы триггера 19 подключены к входам запуска аналого-цифровых преобразователей

16 и 17.

Импульсная мощность Р„„, отсчиты-. ваемая на заданном уровне оптическо"

ro импульса, определяется устройством в соответствии с алгоритмом

918798, Работа устройства в соответствии с указанным алгоритмом происходит в два цикла. В первом цикле осуществляется накопление и усреднение измеряемых мгновенных значений импульсного излучения и усреднение измеряемых значений энергии Е я . Во втором цикле определяется величи- на Р„,.

Устройство работает следующим обto разом, В исходном состоянии ключевые элементы 15 и 29 блокированы сигналом блока 27, ключевой элемент 30 блокирован выходным сигналом компа15 ратора 26 кода, ключевые элементы

20 и 23 открыты для строб-импульсов, к входу 6 синхронизации стробоскопического преобразователя 4 через пере" ключатель 12 подключен фотоприемник

2, к выходу переключателя 22 подключен ключевой элемент 20, а выход . делителя 11 через переключатель 10 присоединен к входу запуска ГСН 9.

Выходной уровень напряжения ГСН 9 в исходном состоянии равен нулевому значению, При помощи оптической системы (не показана) оптический сигнал на входе линейного фотоприемника 1 задерживается относительно его появления на входе фотоприемника 2 синхронизации с целью обеспечения необходимой задержки измеряемого сигнала на входе 5 стробоскопического 55 преобразователя. Требуемую временную задержку можно обеспечить и пассивной линией задержки, включенной на измерительном входе 5 стробоскопического преобразователя 4. 40

Напряжение ГСН 9 определяет сдвиг стробимпульса относительно синхроимпульса фотоприемника 2. Этот сдвиг увеЛичивается с увеличением уровня напряжения ГСН 9. 45

Стробоскопический преобразователь работает следующим образом. С поступлением измеряемого оптического импульса соответствующим стробимпульсом переключается триггер 19 и за- 56 пускается только один из АЦП 16 и 17, Одновременно стробимпульсом блокируется ключевой элемент 20, что исключает дальнейшую передачу стробимпульсов в цепь запуска АЦП до тех пор, пока из блока 27 не придет сигнал деблокировки этого ключевого элемента. Такой асинхронный (стартстопный) режим работы при использовании цифрового ГСН с длительным запоминанием установленного уровня позволяет использовать в -устройстве аппаратуру любого быстродействия.

АЦП кодирует расширенное текущее дискретное значение на аналоговом выходе стробоскопического преобразователя, и по сигналу конца измерения, переданному через элемент ИЛИ 18 в блок 27, производится передача кода в этот блок., После приема кода и выполнения операции усреднения (вычисления среднего арифметического совокупности измеренных дискретных значений) блок 27 деблокирует ключевой элемент 20 и описанная операция отсчета повторяется.

ГСН переключается сигналами конца измерения АЦП, но благодаря делителю 11 реализуется режим многократного отсчета и накопления каждого дискретного значения. Число накоплений задают коэффициентом пересчета делителя 11, который в качестве. операнда передается в блок 27. Накопление и усреднение дискретных значений измеряемого сигнала позволяет уменьшить случайную погрешность измерений.

Включение в устройство двух попеременно запускамеых АЦП с компаратором 21 кода обеспечивает автоматический поиск заданного уровня отсчета импульсной мощности, Для этого по каждому сигналу с выхода делителя 11 при последующем запуске одного из

АЦП в компараторе 21 сравниваются коды обоих ALLO, в одном из которых оказывается записанным код последнего измерения предыдущего дискретного значения, а в другом АЦП - код первого измерения следующего дискретного значения оптического сигнала.

Число сравниваемых разрядов, начиная со старших, обусловливает тот или иной уровень отсчета измеряемой величины. Число сравниваемых разрядов

1 задают соответствующим количеством элементов сравнения в компараторе 21..

Так, при поиске максимального (амплитудного) значения измеряемой величины, сравниваются между собой все разряды двух АЦП. При определенном шаге дискретизации сигнала по времени и квантования по уровню поиск может осуществляться с точностью до младшего разряда.

918798 10

9

Число запусков АЦП, т.е. число стробимпульсов по мере их поступления на триггер 19, подсчитывается счетчиком, 25. С появлением на выходе компаратора 21 сигнала равенства кодов блокируется ключевой элемент 23, и в счетчике 25 оказывается записанным число, соответствующее уровню отсчета импульсной мощности излучения.

1О

Отсчет дискретных значений измеряемого статистического сигнала, их усреднение и накопление в блоке 27 продолжаются до тех пор, пока с соответствующего выхода ГСН 9 в блок 27.)5 не поступит сигнал окончания развертки ступенчатого напряжения. По этому сигналу, после усреднения последнего из полученных дискретных значений, блок 27 формирует сигнал управления, переключающий устройство в режим вычисления импульсной мощнос и,. При этом оказываются блокированными ключевые элементы 20, 23 и 30, деблокируются ключевые элементы 15 и 29, к входу 6 синхронизации стробоско" пического преобразователя через переключатель 12 присоединяется генератор

3 тактовых сигналов, вход запуска

ГСН 9 через переключатель 10 и деблокированный ключевой элемент 15 соединяется с выходом 8 стробимпульсов стробоскопического преобразователя, с которым также соединяется через переключатель 22 вход счетчика 24.

К началу второго цикла работы устройства на выходе блока 37 устанавливается напряжение, эквивалентное среднему значению энергии Ео

40 всей совокупности оптических импульсов, по которым в первом цикле были отсчитаны дискретные значения, коды которых накоплены в блоке 27.

В соответствии с тактовыми сигналами генератора 3 формируется после45 довательность стробимпульсов, переключающих ГСН 9, которые одновременно передаются в преобразователь

13 время-код в счетчик 24 и блок

27. По каждому данному стробимпульсу из блока 27 по соответствующему -ад" ресу выбирается код дискретного значения, полученного в первом цикле работы устройства в соответствии с. номером данного стробимпульса. По

55 мере поступления стробимпульсов и выборки кодов они передаются в цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 28.

На выходе ЦАП 28 формируется непрерывно изменяющееся напряжение,повторяющее по форме усредненную форму измеренных оптических импульсов, в масштабе времени, обусловленном перио-! дом следования тактовых сигналов генератора 3, но в однозначном соответствии с шагами дискретизации оптических сигналов во времени.

Напряжение с выхода ЦАП 28 интегрируется в интеграторе 33, на выходе которого появляется напряжение,эквивалентное интегралу входного напряжения по времени, и, следовательно, значению энергии Е оптического импульса в относительных единицах.

Число стробимпульсов, подсчитываемое счетчиком 24, сравнивается во втором компараторе кодов 26 с числом стробимпульсов, накопленным в первом цикле счетчиком 25, которое соответствовало заданному уровню отсчета импульсной мощности. При равенстве чисел обоих счетчиков компаратор 26 формирует сигнал, которым за" мыкается ключевой элемент 30. Начиная с этого момента, на вход второго интегратора 32 также передается выходное напряжение ЦАП 28. Однако в интеграторе 32 при этом интегрируется только часть напряжения ЦАП 28, полученная на делителе, образованном резистором 31 и преобразователем

14 код-сопротивление. Сопротивление преобразователя 14 изменяется пропорционально изменению времени сдвига стробимпульсов. Тем самым на вход интегратора 32 передается напряжение, пропорциональное приращению энергии, деленному на приращение времени,т,е. на сдвиг стробимпульса по времени, соответствующий этому приращению энергии. Таким образом, результат деления представляет собой величину, пропорциональную мгновенной мощности излучения, а интервал, эквивалентный сумме мгновенных мощностей, пропорционален импульсной мощности, отсчитанной на определенном уровне

Ем оптическоГо импульса м

С целью выравнивания масштаба сигналов по уровню .на входе интегратора 33 (внутри блока) включен резистор, равный по величине резистору 31.

Выходное напряжение интегратора

33 в блоке 35 преобразуется в эквивалентное изменение сопротивления, об11 91879 разующее совместно с резистором 38 делитель выходного напряжения блока

37, пропорционального абсолютному значению энергии (усредненная величина) Е . Тем самым получают напряжение, пропорциональное отношению

Е нк, которое далее в цифровом вольтметре 39 время-импульсного типа умноЕм 1о жается на другое отношение вЂ, получи ченное в виде интеграла напряжения на выходе интегратора 32. Для умножения выходное напряжение интегратора

32 преобразуется в пропорциональную частоту следования сигналов в блоке

34. Числом импульсов этой частоты заполняют временной интервал, в который преобразуется напряжение, проЕ . порциональное отношению Е, в циф-! ровом вольтметре 39. Выходной код вольтметра при этом представляет собой код произведения двух величин, т.е. код значения импульсной мощнос- 25 ти.

Запуск цифрового вольтметра осуществляется сигналом конца развертки напряжения ГСН 9, который передается через деблокированный во втором цикле ключевой элемент 29. Одновременно сигнал конца развертки передается и в блок 27, после чего (с небольшой задержкой) устройство вновь переключается в исходное состояние.

Предлагаемое изобретение позволяет повысить точность измерения благодаря статистической обработке сигналов и точному учету временных интервалов стробирования (шагов дискретизации) оптических импульсов. При этом

%накопление и усреднение отдельных

«дискретных значений измеряемого сиг,.нала позволяет уменьшить влияние случайных возмущений в более широком спектре их частот при восстановлении сигнала по сравнению с усреднением по ансамблям дискретных значений.

Формула изобретения

Устройство для измерения импульсной мощности оптического излучения, содержащее линейный фотоприемник оптического излучения, фотоприемник синхронизации, измеритель абсолютной энергии оптического излучения, аналого-цифровой преобразователь, 8 12 цифровой генератор ступенчатого напряжения и стробоскопический преобразователь, к соответствующим входам которого подсоединены линейный фото- . приемник оптического излучения и цифровой генератор ступенчатого напряжения, а к аналоговому выходуаналого-цифровой преобразователь, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, в устройство введены второй аналого-цифровой преобразователь, генератор тактовых сигналов, делитель числа сигналов, два компаратора кодов, два счетчика, цифроаналоговой преобразователь, преобразователь время-код, преобразователь код-сопротивление, = преобразователь напряжение-частота, преобразователь напряжение-сопротивление, два интегратора, элемент ИЛИ, множительный цифровой вольтметр, блок усреднения, триггер, пять, ключевых элементов, три переключателя, два резистора и блок накопления и усреднения данных, к соответствующим входам которого подключены цифровой генератор ступенчатого напряжения, делитель числа сигналов и кодовые выходы первого и второго аналого-цифровых преобразователей, выходы сигналов конца измерения, аналого-цифровых преобразователей через элемент

ИЛИ присоединены к делителю числа сигналов и блоку накопления и усреднения данных, к соответствующим выходам которого присоединены входами управления все переключатели, а также первый, второй и четвертый ключевые элементы, а к кодовому выходу присоединен цифроаналоговый преобразователь, подсоединенный выходом через пятый ключевой элемент и делитель, образоаанный первым резистором и преобразователем код-сопротивление, к первому интегратору и непосредственно к второму интегратору, к выходу которого подключен преобразователь напряжение-сопротивление, образующий с вторым резистором другой делитель, через который к одному из входов множительного цифрового вольтметра подсоединен блок усреднения, входом подключенный к измерителю аб- солютной энергии оптического излучения, к второму входу множительного цифрового вольтметра присоединен преобразователь напряжение-частота, а вход запуска цифрового вольтметра через четвертый ключевой элемент

918798

14 подсоединен к соответствующему вы ходу цифрового генератора ступенчатого напряжения, вход которого через первый переключатель соединен с выходом делителя числа сигналов, и 5 непосредственно к первому компаратору кодов, информационные входы которого присоединены к кодовым выходам обоих аналого-цифровых преобразователей, а выход - к входу управления третьего ключевого элемента, к входу синхронизации стробоскопического преобразователя одним из входов непосредственно подсоединен преобразователь время-код, а через второй переключа- !5 тель присоединены фотоприемник синхронизации и генератор тактовых сигналов, выход стробимпульсов стробоскопического преобразователя непосредственно подключен к второму входу 20 преобразователя время-код, выходом соединенного с преобразователем кодсопротивление, а параллельно через первый ключевой элемент выход стробимпульсов подсоединен к первому пере- t5 ключателю и блоку накопления и усреднения данных, через третий. переключатель — к первому счетчику и к второму ключевому элементу, к выходу которого присоединен второй вход управления . этого ключевого элемента, а также вход триггера и через третий ключевой элемент вход второго счетчика, кодовый выход которого и кодовый выход первого счетчика присоединен к вто" рому компаратору кодов, выходом подсоединенному к пятому ключевому элементу, при этом выходы триггера подключены к входам запуска аналого-цифровых преобразователей, измерительный вход второго из которых также присоединен к аналоговому выходу стробоскопического преобразователя.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Мирский Г.Я. Радиоэлектронные измерения. М., "Энергия", 1975, с. 366-369.

2. Анучин Е.Н. и Кувалдин Э.В.

Стробоскопический метод измерения импульсных характеристик фотоприемников и мощности редкоповторяющихся импульсов. Сб. статей "Импульсная фотометрия". Вып. 5, Л., "Машиностроение", 1978, с. 85-89, рис.1 (прототип).