Измеритель интенсивности потока сигналов

(71) Заявитель Белорусский государственный университет (ВУ)(72) Авторы Гулаков Иван Романович Зеневич Андрей Олегович Новиков Евгений Владимирович (ВУ)(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет (ВУ)ИЗМЕРИТЕЛЬ ИНТЕНСИВНОСТИ ПОТОКА СИГНАЛОВ(56) Гулаков И.Р. Методы счета фотонов вУСТРОЙСТВО ИЗМСрСНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ СВСТОВОГО потока, содержащее КОММуТИрУЮЩССустройство, вход которого является входом устройства, генератор тактовых импульсов,таймер и счетчик, причем выход коммутируюЩего устройства соединен со входом счетчика, а вход таймера соединен с выходом генератора тактовых импульсов, отличающееся тем, что дополнительно содержит вычитаюЩий счетчик, логический элемент И и два триггера, причем вход пуска устройства соединен с 5-входом первого триггера и входом запуска генератора тактовых импульсов, прямой выход первого триггера подключен ко входу блокировки коммутируюЩего устройства, выход которого подключен к 5-входу второго триггера и к первому входу элемента И, выход генератора тактовых импульсовсоединен с К-входом второго триггера, инверсный выход которого соединен со вторым входом элемента И, выход которого соединен со входом вычитания вычитающего счетчика, выход таймера подключен ко входу блокировки генератора тактовых импульсов и К-входом первого триггера.Изобретение относится К измерительной технике, в частности К средствам измерения интенсивности потока выходных импульсов фотоприемников, работающих в режиме счета фотонов. Оно может найти применение в фотометрии для измерения мощности оптического излучения слабо светящихся объектов.Наиболее близким техническим решением к заявляемому является устройство измерения интенсивности светового потока, определяющее среднюю скорость счета сигналов на выходе амплитудного дискриминатора, включающее коммутирующее устройство, генератор тактовых импульсов, таймер и счетчик 1.На один вход коммутирующего устройства приходит сигнал, сформированный таймером и задающий временной интервал, в течение которого счетчик подсчитывает число поступивших на него с фотоприемника импульсов. Формирование временного интервала таймером осуществляется с использованием эталонной последовательности генератора тактовых импульсов.Однако при регистрации оптического излучения в фотоприемнике, работающем в режиме счета фотонов, вслед за его импульсами возникают послеимпульсы, которые являются помеховыми и приводят к ухудшению точности измерения интенсивности входного потока сигнала.Известное устройство не позволяет регистрировать такую важную характеристику фотоприемного тракта, как вероятность образования послеимпульсов, необходимую для корректной оценки интенсивности регистрируемых потоков сигналов.Для уменьшения погрешности измерения необходимо учитывать и компенсировать количество поступивших послеимпульсов. Такая коррекция послеимпульсов в известных устройствах не производится.Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерения интенсивности потока импульсов фотоприемника, работающего в режиме счета фотонов, за счет устранения погрешности, вносимой послеимпульсами, и расширение функциональных возможностей устройства путем определения, кроме интенсивности входного потока сигналов, и вероятности образования послеимпульсов.Поставленная задача решается таким образом, что устройство измерения интенсивности светового потока, содержащее коммутирующее устройство, вход которого является входом устройства, генератор тактовых импульсов, таймер и счетчик, причем выход коммутирующего устройства соединен со входом счетчика, а вход таймера соединен с выходом генератора тактовых импульсов, дополнительно содержит вычитающий счетчик, логический элемент И и два триггера, причем вход пуска устройства соединен с 5-входом первого триггера и входом запуска генератора тактовых импульсов, прямой выход первого триггера подключен ко входу блокировки коммутирующего устройства, выход которого подключен к 5-входу второго триггера и к первому входу элемента И, выход генератора тактовых импульсов соединен с К-входом второго триггера, инверсный выход которого соединен со вторым входом элемента И, выход которого соединен со входом вычитания вычитающего счетчика, выход таймера подключен ко входу блокировки генератора тактовых импульсов и К-входом первого триггера.Сущность изобретения заключается в устранении погрешности измерений интенсивности светового потока, вносимой послеимпульсами фотоприемника, работающего в режиме счета фотонов. Рассмотрим фотоприемник, работающий в режиме счета фотонов, на который подается световой поток с распределением фотонов согласно статистике Пуассо 2на. Число импульсов Ы на выходе фотоприемника за промежуток времени, больший времени затухания послеимпульсов, при квантовой эффективности регистрации, равной единице, будет определяться следующим выражениемгде Ыф - число сигнальных импульсов на выходе фотоприемника за время г без учета послеимпульсов 2 - вероятность образования послеимпульсов М - суммарное Количество импульсов, которое реально поступает на вход измерителя интенсивности сигналов.Послеимпульсы возникают в фотоприемнике вслед за основными импульсами, поэтому если за промежуток времени г не зарегистрировано ни одного сигнального импульса,то не будет и послеимпульсов. Из этого следует, что в статистическом распределении числа импульсов за время г на выходе фотоприемника с послеимпульсами вероятность появления нулевого события Р(О) ехр(-11 ф) будет такой же, как и на выходе фотоприемника без послеимпульсов. Для фотоприемника без послеимпульсов статистическое распределение выходных импульсов подчиняется статистике Пуассона со средним значением числа импульсов Ыф за промежуток времени г. Поэтому, измерив Р(О) для фотоприемника с послеимпульсами, можно определить Мф следующим образомС учетом полученных соотношений ( 1) и (2) можно определить вероятность образования послеимпульсов 2 на основании результатов измерения двух величин Р(О) и МТаким образом, с учетом приведенных выражений поставленная задача решается следующим образом. В схему устройства измерения интенсивности светового потока дополнительно введены вычитающий счетчик, логический элемент И и два триггера, причем вход пуска устройства соединен с 5-входом первого триггера и входом запуска генератора тактовых импульсов, прямой выход первого триггера подключен ко входу блокировки коммутирующего устройства, выход которого подключен к 5-входу второго триггера и к первому входу элемента И, выход генератора тактовых импульсов соединен с К-входом второго триггера, инверсный выход которого соединен со вторым входом элемента И,выход которого соединен со входом вычитания вычитающего счетчика, выход таймера подключен ко входу блокировки генератора тактовых импульсов и К-входом первого триггера.Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и фиг. 2. На фиг. 1 показана, схема устройства, позволяющего выполнять измерения с учетом приведенных выражений, а временная диаграмма его работы - на фиг. 2.Устройство включает в себя коммутирующее устройство К, таймер Т, генератор тактовых импульсов ГТИ, суммирующий счетчик Сч 1, вычитающий счетчик Сч 2, триггеры Т 1 и Т 2, логический элемент И.Устройство функционирует следующим образом. Весь интервал измерений г, на котором подсчитывается суммарное количество поступивших сигналов М, дополнительно разделяется на отдельные более короткие подинтервалы, из которых выделяются те, на которые не поступило ни одного входного сигнала. Количество таких п пустых подинтервалов суммируется.В общем случае длительность отдельных подинтервалов выбирается близкой к ожидаемому времени появления послеимпульсов, а длительность всего интервала регистрации г определяется из соображений получения допустимой статистической погрешности измерений. При этом на интервале г должно укладываться не менее нескольких сотен отдельных подинтервалов.Перед началом цикла измерений суммирующий счетчик Сч 1 сброшен, в вычитающий счетчик Сч 2 заносится число, равное количеству подинтервалов регистрации, триггер Т 1И Т 2 сброшены, генератор тактовых импульсов ГТИ выключен. При этом коммутирующее устройство К блокировано низким потенциалом с выхода Т 1.По сигналу Пуск, фиксирующему начало цикла измерений, триггер Т 1 устанавливается в единичное состояние и включает генератор тактовых импульсов ГТИ. В результате снимается блокировка с коммутирующего устройства и сигналы входного регистрируемого потока начинают поступать с его выхода на суммирующий счетчик Сч 1, триггер Т 1 и схему И.Таким образом, счетчиком Сч 1 подсчитывается общее количество входных импульсов, поступивших на интервале регистрации, длительность которого определяет таймер Т. Выходной сигнал таймера, появившийся через заданное число тактов генератора, сбросит триггер Т 1, блокируя коммутирующее устройство К, и остановит тактовый генератор ГТИ. Этот же сигнал таймера является признаком окончания цикла измерений.Сигналы тактового генератора разделяют весь интервал регистрации длительностью г на отдельные подинтервалы длительностью т и общим числом М, каждый из которых проверяется на наличие на нем хотя бы одного входного сигнала.Для этого подсчитывается количество пустых реализаций, т.е. тех подинтервалов, на которые не поступило ни одного входного сигнала. При этом предполагается, что все подинтервалы, число которых предварительно записано в счетчике Сч 2, являются пустыми. Если на текущем подинтервале появится хотя бы один импульс, то из записанного в Сч 2 числа вычитается единица. Делается это с помощью триггера Т 2 и логической схемы И. Первый появившийся на подинтервале импульс поступает через разблокированный логический вентиль И на счетчик Сч 2 и одновременно переключает своим задним фронтом Т 2 в единичное состояние. При этом сигналом с инверсного выхода Т 2 вентиль И блокируется на все оставшееся до окончания данного подинтервала время. Очередной импульс тактового генератора, определяющий окончание подинтервала, сбрасывает триггер Т 2 и разрешает поступление следующего входного импульса через И на вычитающий счетчик, как это показано на временной диаграмме.Таким образом, в счетчике Сч 1 по окончании цикла измерений фиксируется общее число входных сигналов М, а в счетчике Сч 2 - число пустых реализаций п.Вероятность нулевого события можно определить следующим образомгде М - число всех интервалов. Реальная интенсивность входного потока сигналов с учетом выражений (4) и (2) определяется по данным измерений в соответствии со следующим соотношениемВероятность образования послеимпульсов с учетом выражения ( 1) определяется соотношениемС помощью предлагаемого устройства возможно определение рассматриваемых характеристик анализируемого потока сигналов как при наличии, так и при отсутствии априорных сведений об этом потоке и характеристиках используемого фотоприемника.Для этого первоначально производим регистрацию числа всех входных импульсов за достаточно большой промежуток времени г (десятки секунд в типовом случае). При необходимости (малое число зарегистрированных входных сигналов) увеличиваем в требуемое число раз длительность интервала регистрации. Длительность подинтервалов т выбираем таким образом, чтобы их общее количество на интервале регистрации было не менее ста с одной стороны, а с другой стороны величина т превосходила время затухания послеимпульсов в фотоприемнике.