SU1717968A1 - Способ определени длительности оптического импульса - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к импульсной измерительной технике, точнее оптико-физическим измерени м, и может быть использовано дл  определени  длительности оптических импульсов на заданном уровне мощности, в частности дл  решени  р да задач дл  метрологического обеспечени  импульсной лазерной дальнометрии. Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерени  длительности оптического импульса на заданном уровне мощности. Дл  этого устанавливают требуемые пороги дискриминации мощности оптического излучени  Pi и Ра, формируют электрический сигнал, пропорциональный заданной разности мощности, д Pi2 Pi-P2, дел т 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 уровн  мощности Pi, второй - энергии импульса Еа, измеренной от уровн  мощности Р2, сравнивают эти энергии и наход т 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 излучени  преобразуют в электрический сигнал, пропорциональный полной энергии оптического импульса Ео, сравнивают с ней энергию EI, наход т долю энергии EI/EO, соответствующую уровню мощности Pi, вывод т информацию о найденных величинах на регистратор. 2 ил. vi «raj

Description

Изобретение относитс  к импульсной измерительной технике, точнее к Области оптико-физических измерений, и может быть использовано дл  определени  длительности оптических импульсов по заданному уровню мощности, в частности дл  решени  р да задач метрологического обеспечени  импульсной лазерной дальнометрии .

Известен способ определени  длительности оптического импульса, основанный на преобразовании оптического сигнала в

электрический, который воспроизводит форму импульса, регистрации электрического импульса запоминающим осциллографом и информационной обработке этого сигнала по определенному алгоритму. Это метод пр мого измерени  длительности импульса.

К недостаткам способа относ тс  трудности регистрации формы импульса, обусловленные малым быстродействием устройств временной развертки сигнала, а также р д неудобств эксплуатации таких приборов (низка  оперативность, сложноос

сть метрологической аттестации, процесса измерени  и обслуживани ), которые затрудн ют их использование в системах оперативного контрол  за информативными параметрами импульсов (длительности, мощности сигнала по заданному ее уровню, энергии и т.д.).

Наиболее близким к изобретению  вл етс  способ определени  длительности импульсов , относ щийс  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 дру- того - в сигнал, пропорциональный его пиковой мощности, и вычислении энергетической длительности исходного импульса по формуле измерени .

Однако способ не позвол ет опреде- л ть длительность импульса на заданном уровне мощности (Pi). Этот недостаток способа обусловлен тем, что в его основе лежит иде  использовани  в качестве временной характеристики импульса его энергетиче- ской длительности

ТЕ Ер 1 Рмакс Р

макс

& Kt)dt,

где Ео - энерги  импульса; РМЗКС пикова  мощность импульса.

Нетрудно видеть, что ТЕ  вл етс  характеристикой бесконечного множества импульсов различной формы с энергией Е0 и пиковой мощностью Рмакс и, следовательно, дает грубое представление о длительности импульса. В св зи с этим вс кое указание точности измерени  величины ТЕ носит условный характер, поскольку речь идет о по- грешност х измерений полной энергии импульса и его. пиковой мощности, которые способны дать только качественное (не количественное ) представление о длительно

сти оптического импульса по заданному

уровню мощности и ее погрешности. В отдельных случа х погрешность определени  длительности импульса может достигать нескольких сот процентов.

Целью изобретени   вл етс  повыше- ние точности определени  длительности оптического импульса на заданном уровне мощности.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что при способе определени  длительно- сти оптического импульса, который включает преобразование потока излучени  в электрический сигнал, формирование из электрического сигнала двух сигналов, один

из которых пропорционален энергии оптического импульса, и вычисление искомой ве- личины, предварительно устанавливают верхний и нижний пороги дискриминации мощности оптического излучени  Pi и Р2, формируют электрический сигнал, пропорциональный разности мощностей д Pi2 Pi-P2, дел т исходный поток излучени  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 EI, измеренной от уровн  мощности PI, а второй -энергии оптического импульса Е2, измеренной от уровн  мощности Р2, формируют электрический сигнал, пропорциональный разности энергий б E2i E2-Ei, затем формируют электрический сигнал пропорциональной искомой длительности т оптического импульса на заданном уровне мощности Pi

Г1

,5Е21

frpll

а второй поток излучени  преобразуют в электрический сигнал, пропорциональный полной энергии Е0 импульса, наход т долю энергии Ei/Eo , соответствующую уровню мощности PI, и вывод т информацию о найденных величинах на регистратор.

На фиг.1 приведен график, разъ сн ющий физическую суть способа определени  длительности оптического импульса на заданном уровне мощности; на фиг.2 - блок- схема устройства, реализующего способ определени  длительности оптического импульса .

Способ определени  длительности оптического импульса осуществл етс  следующим образом.

Устанавливают требуемые пороги дискриминации мощности излучени  Pi и PZ и формируют электрический сигнал, пропорциональный их разности д Pi2.

Дел т поток импульсного оптического излучени  на два потока. Преобразуют первый поток импульсного оптического излучени  в импульс электрического тока. Формируют из этого импульса два электрических сигнала. Формируют из одного из них сигнал, пропорциональный энергии EI оптического импульса, отсчитанной от уровн  мощности PI. Формируют из другого сигнала сигнал, пропорциональный энергии Е2 оптического импульса, отсчитанной от уровн  мощности РЗ. Сравнивают эти энергии и

517

формируют электрический сигнал, пропорциональный их разности д E2i E2-Ei.

Формируют электрический сигнал, пропорциональный отношению разностей энергий и разностей порогов дискриминации мощности излучени , определ   тем самым длительность оптического импульса на заданном уровне мощности Pi.

Измер ют энергию второго потока импульсного оптического излучени  и наход т полную энергию Е0 исходного оптического импульса.

Сравнивают энергию EI, отсчитанную от уровн  мощности PL с энергией Е0 исходного оптического импульса и наход т долю энергии EI/EO, соответствующую уровню мощности PL

Провод т информационную обработку результатов измерений и вывод т числен- ные значени  всех искомых величин (E0,Ei,Ei/Eo, Т2 и т.д.) на табло регистратора.

Устройство дл  реализации способа измерени  длительности оптическопо импульса содержит оптический делительный элемент 1, фотоприемники, 2 (Е0) и 3 (Ei), блок 4 сравнени  энергий (Ei/E0), дискри- минатор 5 верхнего уровн  мощности (Pi), блок 6 сравнени  порогов дискриминации уровней мощности (д Pi2 ), дискриминатор 7 нижнего уровн  мощности (Р2), регистратор 8 (Ео, EL Ei/E0; Pi; TI ; д Рте; дт/т), блок 9 сравнени  дифференциалов энергии и мощности (ri уд Е21/ б Pi2), блок 10 оценки погрешности (5 т/т), интегратор 11 (Ei), блок 12 сравнени  энергий ( д Ј21) и интегратор 13 (Е2).

Устройство работает следующим образом .

Оптический импульс через оптический делительный элемент 1 передаетс  на входы фотоприемников 2 и 3. Фотоприемник 2 осуществл ет измерение энергии исходного оптического импульса Е0. Результат измерени  энергии Ео сравниваетс  в блоке 4 с энергией импульса EI и определ етс  дол  энергии импульса, соответствующа  условию Р . PL При этом измерение энергии Ei осуществл етс  посредством фотоприемника 3, например, сильноточным коаксиаль- ным фотоэлементом, дискриминатора 5 верхнего уровн  мощности PL например устройства дл  простой дискриминации импульсов по амплитуде, которое работает на наносекундном диапазоне длительностей, и интегратора 11. Дискриминаторы 5иТуров- ней мощностей и интеграторы 11 и 13 подвер- гаютс  предварительной калибровке и метрологической аттестации. Энерги  оптического импульса, соответствующа  условию Р Р2, измер етс  аналогичным образом с использованием дискриминатора 7 нижЛ

0

5

0

5

0

5

него уровн  мощности Р2 и интегратора 13. Сформированный-в блоке 12 сигнал (пропорциональный разности энергий) поступает в блок 9 сравнени , где он сравниваетс  с сигналом блока 6(5 Ј21 /д Pi2), результатом сравнени  этого сигнала  вл етс  выработка электрического сигнала, пропорционального искомой длительности оптического импульса по заданному уровню мощности. Требуемые пороги дискриминации уровней мощности устанавливаютс  заранее в соответствии с решаемой задачей. Дл  удобства эксплуатации прибора, реализующего предлагаемый способ измерени  длительности оптического импульса по заданному уровню мощности, в соответствии с блок- схемой (фиг.2) информаци  о величинах Ео, EL EI/EO, Pi, TI,5 Pi2, д т/Т, выводитс  на табло регистратора 8.

Длительность импульса по заданному уровню мощности PI определ етс  как интервал времени, в течение которого мощность сигнала превосходит уровень Обычна  процедура измерени  длительности импульса TI состоит в определении временного интервала между точками переднего и заднего фронтов импульса (при этом предполагаетс  возможность осуществлени  всех необходимых дл  этого операций ). Однако возможен и иной подход к решению этой задачи. Этот подход основан на следующем определении длительности оптического (или иного сигнала) импульса по заданному уровню мощности:

Ъ i

tm ,

Ег-Ј.

Pt-PiVp o Р

- г

ЈF2, dE(p)

irn

Ш

11

dP

P-P,

Алгоритм вычислени  TI описан. Систематическую ошибку, св занную с конечностью величины д Pi2 вычислим исход  из определени  энергии импульса

T(i

2

тм

г

-W -(ill

Е;л p( PWdt-pitT -o,

T il-r(i)

та 

Положив

т(2))-дт,тЈ)тЈ1)+ дт,

получим следующее соотношение:

О Р12

ИЛИ

с точностью до члена АТпор дкагт 5 Pi2/Eo. Это систематическа  погрешность и ее можно исключить. Относительна  погрешность измерени  длительности оптического импульса определ етс  алгоритмом ее измерени  и составл ющими погрешности измерени  энергии Е и установки уровн  мощности Р. В соответствии с формулой измерени  получим

1.

При (5лЕ/Е50,6%, д ,5%, это приводит к - 2%. С учетом погрешности, обусловленной гистерезисом дискриминаторов 5 и 7 пор дка 1 - 2%,это дает относительную погрешность измерени  3 г/Г| - 3 - 4%. Основна  относительна  погрешность измерени  л св зана с погрешност ми измерений абсолютных значений энергии д - 6%) и мощности излучени  д - 7%) и составл ет величину пор дка 10-15%.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Способ определени  длительности оптического импульса, включающий преобразование потока излучени  в электрический сигнал, формирование из электрического сигнала двух сигналов, один из которых пропорционален энергии оптического импульса , и вычисление искомой величины, о т л и0

   5

   0

   чающийс  тем, что, с целью повышени  точности определени  длительности оптического импульса на заданном уровне мощности , предварительно устанавливают верхний и нижний пороги дискриминации мощности потока излучени  Pi и Р2, формируют электрический сигнал, пропорциональный разности мощностей д - Р2, дел т исходный поток излучени  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 EI, измеренной от уровн  мощности Pi, а второй - энергии оптического импульса Е2, измеренной от уровн  мощьности Р2,формируют электрический сигнал, пропорциональный разности энергии (5E2i E2-Ei, затем формируют электрический сигнал, пропорциональный искомой длительности t оптического импульса на заданном уровне мощности Pi в виде

   т

   5E2i ЗТ

   а второй поток излучени  преобразуют в электрический сигнал, пропорциональный полной энергии Е0 оптического импульса, наход т долю энергии Ei/E0, соответствующую уровню мощности Pi, и вывод т информацию о найденных величинах на регистратор.

   гт Т

   Фиг.1

   т,т

   ч

   SN

   r

   s

   0

   §

   «С

   J

   I