Способ регистрации интенсивности излучения и устройство его реализации в виде счетчика фотонов с коррекцией мертвого времени
METHOD FOR RECORDING RADIATION INTENSITY AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION IN THE FORM OF A PHOTON COUNTER WITH DEAD TIME CORRECTION

Область применения
Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в лазерных локаторах при приеме сигнала в режиме счета фотонов.
Уровень техники
В большинстве работ и патентов  предлагаются различные способы уменьшения влияния темновых фотоэлектронных импульсов ФЭП и увеличения быстродействия  цифрового тракта счетчика фотонов без учета влияния мертвого времени продлевающего типа  на динамический диапазон счетчика фотонов.
Так, например, в патенте (SU1755065A1) состоящего из фотоэлектронного умножителя (ФЭУ),  дискриминатора одноэлектронных импульсов (ДОИ), N разрядного счетчика импульсов, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), блока вычисления и управления (БВУ), схемы синхронизации, триггера режима, двух управляемых тактовых генератора, адресного счетчика и регистра адреса отличающегося от типового тем, что в качестве  ОЗУ использовано накапливающее ОЗУ. Цель изобретения,  уменьшение погрешности  оценки интенсивности потока  импульсов, связана с оптимизацией структуры цифровой регистрации событий. В этом устройстве  не рассматриваются искажения вызванные наложением  одноэлектронных импульсов ФЭП. Регистрация событий осуществляется по переднему фронту импульса с выхода амплитудного дискриминатора, что исключает возможность отличить одноэлектронный импульс от импульса с наложением нескольких.
В патенте RU 47099 разработанный счетчик фотонов, фиксирует количество фотонов приходящих на ФЭУ в течение малых интервалов времени, на которые разбивается вся трасса зондирования. Причем, малые интервалы, в свою очередь, делятся на четные и нечетные. Канал счета состоит из двух попеременно работающих N разрядных счетчиков импульсов, один из которых производит счет на четных интервалах, а другой на нечетных. Техническим результатом  является  повышение  пространственно-временного разрешения и помехозащищенности. Поставленная задача решается счетчиком фотонов, который состоит из канала счета, содержащего последовательно включенные ФЭУ, ДОИ, схему разделения одноэлектронных импульсов, два N-разрядных счетчика импульсов, выходы которых через мультиплексор соединены с шиной данных ОЗУ, счетчик адреса, и блока управления, включающего ЭВМ, соединенную через блок коммуникации с триггером режима, схему синхронизации, УТГ, генератор управляющих сигналов и регистр строба, при этом выход ФЭУ соединен с входом ДОИ, его выход подключен к входу схемы разделения, управляемой УТГ, выходы которой - к входам N-разрядных счетчиков импульсов, а выход ОЗУ - с входным регистром блока управления, причем выход счетчика адреса соединен с адресными входами ОЗУ, а вход - с выходом генератора управляющих импульсов, вход которого соединен с выходом управляемого тактового генератора, один из управляющих входов которого соединен с триггером режима, соединенного со схемой синхронизации, а другой - с регистром строба.
В заявленной модели отсутствуют возможности расширения динамического диапазона и не предусмотрена компенсация просчетов, вызванных наложением импульсов.
Одним из аналогов к заявляемому техническим решению является счетчик фотонов BY 15045,  содержащий фотоприемник, усилитель импульсов, два амплитудных дискриминатора, причем фотоприемник соединен со входом усилителя импульсов, выход которого подсоединен к первым входам первого и второго амплитудных дискриминаторов, на вторые входы которых поданы потенциалы, задающие уровни амплитудной селекции, дополнительно содержит диафрагму, инвертор, RS-триггер, два логических элемента "И", два интенсиметра, два коммутатора, два переключателя, два дифференциальных усилителя, усилитель обратной связи, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, аналого-цифровой преобразователь, генератор тактовых импульсов, таймер, первый, второй и третий нерегулируемые резисторы, первый и второй регулируемые резисторы,  регулируемый источник постоянного напряжения. Задачей предлагаемого изобретения являлось  повышение точности измерений интенсивности оптического излучения счетчиком фотонов за счет устранения ошибки измерения, связанной с наложениями сигнальных импульсов друг на друга и шумов на сигнальные импульсы. При практических измерениях таким устройством не всегда удается обеспечить корректный учет изменения формы и длительности  амплитудного распределения выходных импульсов ФЭП. Таким образом, данное устройство предназначено для одновременного измерения сигнальных и шумовых импульсов с помощью двухпорогового  дискриминатора. Оно не выполняет функции расширения динамического диапазона и не компенсирует просчеты, вызванные наложением импульсов, так как базовые соотношения, лежащие в обосновании данного решения, не учитывают влияния просчетов.
Наиболее близким к заявленному  изобретению с повышенным динамическим диапазоном является способ (RU 2190196)  состоящий в измерении интервала времени между началом и центром тяжести одноэлектронного импульса фотоэмиссионного прибора, когда  поток одноэлектронных импульсов с выхода фотоэмиссионного прибора (ФЭП) подвергают первичной амплитудной дискриминации с верхним и нижним пороговыми уровнями, а затем временной селекции, обеспечивающей прохождение импульсов с длительностью, превышающей определенную пороговую величину, причем импульсы после временной селекции подвергаются нормировке по длительности. В устройство, содержащее ФЭП и широкополосный усилитель, таймер, счетчик импульсов, решающий блок, введены блок управления и последовательно соединенные амплитудный дискриминатор, временной селектор и формирователь импульсов.
Недостатком изобретения является ограничение динамического диапазона при поступлении перекрывающихся одноэлектронных импульсов. Кроме того технически сложно изготовить устройство для измерения временного интервала между началом и центром тяжести одноэлектронного импульса, длительность которого для современных ФЭУ составляет единицы наносекунд.
Одним из способов повышения динамичекого диапазона но с иным техническим решением является способ, предложенный в работе  Амплиева А. Е. “Разработка и исследование двухканального приемника оптических импульсов в режиме счета фотонов для систем вхождения в связь с  летательными (мобильными) аппаратами.” Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Таганрог, 2016 г.  Показано, что  низкий предел максимального числа регистрируемых фотонов вызван как недостаточной  широкополосностью (слабым временным разрешением) однофотонных фотоприемников, так и несовершенством обработки сигнала в     счетчиках фотонов.  В проведенных исследованиях показано, что для одноканальной системы приема импульсного оптического излучения в результате частичного наложения откликов в ФЭП из-за ограниченной полосы пропускания ухудшаются параметры приемной аппаратуры. Для повышения динамического диапазона предлагается входное оптическое излучение разделить на несколько и направить каждый из их на свою систему счета фотонов.  По сравнению с одноканальной системой частота поступления фотонов на вход ФЭП будет снижена. Следствием сниженной частоты поступления фотонов будет являться меньшая вероятность наложения откликов на выходах каждого ФЭП. После обработки этих откликов, сформированные импульсы, поступающие на соответствующие счетчики,  подсчитываются и затем суммируются по всем каналам. Это гарантирует повышение точности подсчета фотонов. Переход от одноканальной к многоканальной  схеме позволяет расширить диапазон регистрации фотоэлектронов в сторону более интенсивных засветок.
К недостаткам данного способа следует отнести:
- потери на зеркалах, линзах и волокнах  при оптическом разделении входного излучения;
- необходимость установки нескольких ФЭП в соответствии с числом каналов, что приводит к усложнению и удорожанию системы;
Техническим результатом заявляемого способа является повышение максимальной скорости счета фотоотсчетов при  регистрации  интенсивности излучения в режиме счета фотонов.
Достигаемый при этом технический результат позволяет:
- повысить точность регистрации интенсивности излучения;
- увеличить максимальную скорость счета, величина которой определяется только длительностью эталонного одноэлектронного импульса, что повышает верхний порог динамического диапазона при измерении  интенсивности излучения и компенсирует негативное влияние эффекта понижения скорости счета вследствие перекрытия соседних одноэлектронных импульсов.
- устранить неоднозначность счета фотонов, когда двум разным интенсивностям входного потока на выходе системы счета фотонов наблюдается одно и то же зарегистрированное значение.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе регистрации интенсивности излучения в режиме счета фотонов, состоящим в измерении количества эталонных одноэлектронных импульсов укладывающихся в потоке импульсов на выходе дискриминатора и регистрации этой величины как фактического числа одноэлектронных импульсов.
Временная дискриминация перекрывающихся одноэлектронных импульсов, благодаря которой компенсируются просчеты, позволяет увеличить динамический диапазон регистрации интенсивности пуассоновского входного потока, приводящая к повышению максимальной скорости регистрации фотоотсчетов  в 2,72 раза.
Задачей заявляемого устройства является создание  счетчика фотонов с частичной компенсацией негативного эффекта наложения одноэлектронных импульсов при разработке систем счета фотонов с повышенным динамическим диапазоном, приводящим к повышению максимальной скорости регистрации фотоотсчетов при пуассоновском входном потоке  в 2,72 раза.
Технический результат достигается тем, что в  счетчик фотонов, состоящий из последовательно соединенных фотоэлектронного прибора, широкополосного усилителя, амплитудного дискриминатора и счетчика  введен  формирователь счетных импульсов на основе временного дискриминатора длительности импульсов с наложением , вход которого подключен к выходу амплитудного дискриминатора, а выход, к входу счетчика импульсов.
Введение временного дискриминатора длительности импульсов частично компенсирует негативное влияния эффекта наложения, увеличивает скорость регистрации в 2.72 раза.
Принимаемое оптическое излучение  преобразуется  ФЭП  в поток фотоэлектронов (первичных электронов). После усиления и нормировки по амплитуде в амплитудном дискриминаторе сформированный поток импульсов направляется для формирования счетных импульсов на временной дискриминатор и затем на счетный вход электронного счетчика.  По истечении заданного времени измерения  с помощью импульса с блока управления количество накопленных импульсов в цифровом передается на ПК для последующей обработки, а содержимое электронного счетчика обнуляется.
Одним из параметров, характеризующих качество  приема сигналов в режиме счета фотонов, является динамический диапазон. Снизу  динамический диапазон ограничен собственным шумом ФЭП, сверху – быстродействием ФЭП, полосой пропускания импульсного усилителя, быстродействием амплитудного дискриминатора и цифрового счетчика импульсов. Максимальная частота регистрации потока фотонов ограничена мертвым временем. Выделяют,  постоянное  мертвое время, независящее от поступления следующего события в его пределах и продлевающееся мертвое время в случае, когда оно формируется после любого события независимо от факта его регистрации или пропуска и гибридные модели. Мертвое время, обусловленное  наложением соседних импульсов в ФЭП и усилителе, классифицируется как мертвое время продлевающего типа. Быстродействие  счетчика порождает  постоянное мертвое время.  При создании систем регистрации в режиме счета фотонов общее мертвое время формируется как комбинация мертвых времен продлевающего и постоянного типа.  Современная элементная база позволяет создавать цифровые счетчики со скоростью счета десятки гигагерц, и, следовательно, с постоянным мертвым  временем равным десяткам пикосекунд.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 представлена блок-схема модифицированного счетчика фотонов, состоящего из последовательно соединенных фотоэлектронного прибора (1), широкополосного усилителя (2), амплитудного дискриминатора (3), блока управления (6), ПК (7) и счетчика (5), с  формирователем счетных импульсов (4).  Алгоритм работы формирователя счетных импульсовго поясняется на  фиг. 2.  На фиг. 2 по оси ординат отложена амплитуда одноэлектронных импульсов, а по оси абсцисс – время. Длительность t1 одноэлектронного импульса (8) без наложения на выходе амплитудного дискриминатора c порогом (10) определяет продлевающееся мертвое время системы регистрации. Для частично перекрывающихся одноэлектронных импульсов (9) длительность t2 счетного импульса на выходе дискриминатора будет такой, что t2>t1. В существующих системах счета фотонов наличие счетного импульса определяется по переднему фронту импульса на выходе дискриминатора. Фиксируя помимо переднего и задний фронт импульса на выходе дискриминатора, можно оценить длительность импульса t2-t1 и сравнить ее с длительностью одноэлектронного импульса. Если   entier((t2-t1)/t1) = 0, засчитывается один фотоотсчет, а при entier ((t2-t1)/t1) =k>0, импульс воспринимается как k+1 фотоотсчетов,  entier ((х) - целая часть, не превосходящая х.  Подобные операции легко реализуются, если цифровая обработка реализована на программируемых логических интегральных схемах.  Длительность действительно одноэлектронного импульса необходимо предварительно измерить инструментальными методами, например, с помощью осциллографа.
На фиг. 3 показана блок-схема и эпюры сигналов одного из вариантов построения на логических элементах формирователя счетных импульсов, в котором  сигнал (15) с выхода амплитудного дискриминатора, проходя через триггер (14), тактируемый им, становится синхронным с  сигналом внутреннего генератора (11), тактовая частота которого определяется длительностью эталонного одноэлектронного импульса,  гарантируя прохождение на выход через логическое & (13) целого количества периодов внутреннего генератора и значит целого количества импульсов (7), поступающих без пропуска на счетчик.
На фиг. 4 представлены результаты имитационного моделирования. Мертвое время, обусловленное  наложением соседних импульсов в ФЭП и усилителе, классифицируется как мертвое время продлевающего типа. Быстродействие  цифрового счетчика порождает  постоянное мертвое время.  При создании систем регистрации в режиме счета фотонов общее мертвое время формируется как комбинация мертвых времен продлевающего и постоянного типа.  Современная элементная база позволяет создавать цифровые счетчики со скоростью счета десятки гигагерц, и, следовательно, с постоянным мертвым  временем равным десяткам пикосекунд.  В тоже время мертвое время продлевающего типа, обусловленное параметрами фотодетекторов, используемых в лидарах, совместно с усилительным трактом, составляет не менее единиц наносекунд.
max
max
По оси абсцисс и ординат отложены соответственно средние числа поступивших и зарегистрированных событий за интервал мертвого времени.  Из графика (4) на фиг. 4 следует, что мертвое время продлевающего типа, формируемое в типовых счетчиков фотонов, может привести к неоднозначной оценке интенсивности входного потока, когда определенному значению зарегистрированных событий можно сопоставить две интенсивности входного потока. Для регистратора с постоянным мертвым временем, представленным графиком (3) фиг.4 подобное явление не наблюдается. Таким образом, мертвое время продлевающего типа ограничивает динамический диапазон регистрации и формирует неопределенность при интерпретации результатов измерений. Из графиков (4) и (3) следует, что  динамический диапазон модифицированного счетчика превышает динамический диапазон типового счетчика фотонов. Так максимальная скорость счета модифицированного регистратора  n= 1/, в то время как для типового счетчика она равна n= 1/(e* ), что приводит к повышению динамического диапазона на 270%. Оценить количественно различие между различными регистраторами с постоянным и продлевающимся мертвым временем и идеальным счетчиком фотонов можно оценить из сравнения счетных характеристик,  графиков (1),(2),(3),(4) представленных на фиг. 4.
Устройство измеряет интенсивность излучения, которое  поступает на вход ФЭП, где преобразуется в стохастический поток импульсов. Импульсы усиливаются и подаются на вход амплитудного дискриминатора, с выхода которого импульсы со стандартным логическим уровнем и переменной длительностью поступают на вход формирователя счетных импульсов, в котором с частотой вспомогательного автогенератора осуществляется трансформация длительности импульса, полученного на выходе амплитудного дискриминатора в последовательность счетных импульсов, для счета  и оценки интенсивности излучения.