Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники (1988) (1151949), страница 65
Текст из файла (страница 65)
Это уменьшает вероятность наложения импульсов друг на друга при использовании мало- инерционных фотоумножителей. Поток излучения Рпр (1) детектируется фотоумножителем, соединенным со счетчиком фотонов. Счетчик определяет количество электронов на выходе фотоумножителя за интервал времени Ти, который задается оптвческим затвором, установленным перед фотоумножителем.
Измеренное количество электронов фиксируется многоканальным анализатором (рис. 13.11). По прошествии времени измерения, большего, чем время когерентности света (Т „)) Хр1 (сб))], затвор открывается вновь и измерения повторяются. Выбор интервала времени, большего, чем время когерентности света, обусловлен тем, что необходимо иметь независимые измерения. После достаточного количества измерений можно найти распределение количества отсчетов в интервале времени Т„ Каждый участвующий в фотоэффекте фотон вызывает на аноде фотоумножителя эмиссию электронов, число которых определяется коэффициентом усиления дф Фотоэлектроны заряжают распределенную выходную емкость С 5...20 пФ.
Если за время длительности 273 Ъ(17 Опйачесдай сигнал йа1'гУ' драл»па т 1луги йй ююиеглуллс Рнс 13. 11 Эпюрм потока налучения, среднего значения фотонов в фотозлектронов (фотонмпульсов тока) (а) н структурная схема многоканального анализатора счета фотонов (б): т — фотовлектронный умиоыитель; Š— дискви' минатор; З вЂ” генератор тактовых импульсов; 4— пороговый детектор; Л вЂ” сдвигсвый регистр; Е— накопитель отсчетов .импульса т„20...50 нс емкость успевает разрядиться на нагрузку Йа до прихода следующей лавины электронов, то такой фотоумиожитель регистрирует импульсы, соответствующие приходу на фотокатод отдельных квантов излучения. Вероятность того, что электрон эмиттируется в интервале времени Т„,„, пропорциональна среднему значению количества фотонов п„попадающих за это же время на фотокатод, т.
е. Р (Ти„) пл,Ти,„. Эмиттируемые электроны далее умножаются динодами. Если на динод попадает даже один электрон, то и он вызывает эмиссию лавины электронов. Реальные свойства фотоумножителя не позволяют существенно снизить порог чувствительности метода. При большом усилении фотоумножителя увеличиваются тепловые шумы, которые ограничивают порог разрешения количества импульсов до 10 в секунду с 1 см' площади фотокатода. Другими причинами, ограничивающими временнбе разрешение, являются форма импульса и крутизна его фронта.
Наилучшими фотоумножителями для метода счета фотонов в настоящее время являются ФЭУ-64, ФЭУ-69, ФЭУ-87, ФЭУ-84. Если лазерный дальномер имеет на фотокатоде приемника необходимое пороговое число фотонов, то вероятность срабатывания системы определяется математическим ожиданием порогового количества фотонов п р за время измерения Ти. ти, т. е. подчиняется закону Пуассона, согласно которому дисперсия случайной величины 4оп)в Равна еа математическомУ ожиданию ли,: (п„)в = п„,р. Величину п„,р последовательно можно определить либо на основании измерений и расчета дисперсии, либо по известной из технических условий вероятности обнаружения, либо по спектру функции распределения вероятности фотонов, который зависит от функции автокорреляции "пор )7пп(п, Тиам) = — ~~~~ п(т„) и(ти+ 1), пор т о причем среднее значение по ансамблю фотонов (множеству реализаций )у) равно среднему по времени для произвольно выбранной реализации: тт'„„(и, Т„,„) = (и (0) ) и (т„)), если Т,м -» О.
Для одномодового лазера время когерентности практически меньше времени измерения и гс (и, Т„) не зависит от временнбй задержки, т. е. пп,р — — ()т (и, ти)1' при Ти.„ти. Зная математическое ожидание порогового количества фотонов и„,р„несложно определить пороговое значение мощности на входе фотоумножителя (13.9) дн и в дальнейшем расчет вести по методике прямого фотодетектирования. В схемах измерения, помимо фотоумножителя, применяют генератор калиброванных тактовых импульсов и сдвиговый регистр со сбросом (см, рис. 13.11, б).
В этом случае метод счета фотонов сводится к определению количества импульсов тока (фотоимпульсов) за некоторое заданное время измерения Ти,м. В конце каждого интервала измерения, определяемого стартовым импульсом генератора калиброванных импульсов, количество фотоимпульсов и, накопленное за интервал времени Ти,м, передается в схему для последующей обработки, а счетчик старт-импульсов переводится в исходное состояние для накопления фотоимпульсов следующего интервала измерения. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не накопится требуемое количество фотонов, достаточное для получения достоверной информации об измеряемой физической величине. Статистику фотонов и(1, Т „) задают функцией распределения Р (п, Т„м), т. е.
вероятностью регистрации и, фотонов полезного сигнала за интервал времени Т „, причем необходимое отношение мощностей сигнал/шум (281 (Ре7Р„й (пс) т„,„ (13.1ОУ и„+ и, где л — среднее число электронов, возникающих из-за внутренних шумов фотоумножителя и воздействия внешнего фона. Суммарная средняя скорость эмиссии электронов шума обуоловлена в основном тремя источниками шума: п =л +ле+л,. Среднее значение скорости эмиссии электронов шума с фотокатода нз-за рассеяния излучения в атмосфере (281 ()ххрз(фпзр (х! '„ч"'"о к о Р 64дсК где 9х — спектральная плотность мощности излучения Солнца; В = = пу' — телесный угол расходимости излучения источника. Средняя скорость эмиссии электронов шума с фотокатода, обусловленных солнечным светом, отраженным от объекта, Р,Х.А(ф р, .„ОЯ'Е', -к а па = е !6Ю Средняя скорость эмиссии электронов, вызывающих темновой ток, и, = (,/(едф).
! Сравнение методов дегектнровання прн конкретном определении дальности дейстзвялазерноголокатора проведем, пользуясь типовыми метеорологическими условиями н конструктнвнымн параметрами схем (6,2ГИ Еф !От: Ч = 3,5 10 т; (гр = = 500 кОм; Рч — — Р„= 31 ° 10 ! Вт; Д/ф = 1О Гп; Рф = 44,5 .
10 ! Вт; (т— = 2 . !О з А; Т = 50 нс; и = 6 !О' с ', п = 1,28 10" с !; Р" нзн с — ' ш — ' ° рр = )';зз(з = 4,4 ° !О 'оВт: ет — — !О А(Вт; пр — — 1,43 !Ор с '. Рн = 5 10' Вт; Ч(о=20 СМ;тг=05; ха=03;Кх — — 03СМ ~;ах=004;бХ=!5 !О ЗСМ В результате получим: длн метода гетеродннного приема отношенне (Р,(Рм)„, = =7, дальность действия Ог = 8,5 км; для метода счета фотонов отношение (Р,(Р, ) = 3,5, дальность действия Оз = 12,5 нм, т. е. примерно на 50 Р/о больше, чем прн пспользованнн метода гетеродннного приема.
В методе счетафотонов регнстрапня каждого импульса индивидуальна. Это позволяет исключить влияние шума, обусловленное множительной схемой фотоумножнтеля. Этот метод желательно прнменять в случае приема очень слабых сигналов. Прн увелнченнн уровня входного сигнала эффективность метода счета фотонов уменьшается нз-за увеличения вероятности наложения одного импульса длительностью т„на другой (прн йстн > 1). 13.Ь. Анализ точности лазерных устройств Основной характеристикой любого измерительного прибора является его точность, с которой он воспроизводит выходные параметры. Если же такой прибор установлен в сложную систему, то суммарная погрешность системы в какой-то степени определяется погрешностями этого прибора. Следует отметить, что приоритет учения о точности механизмов и приборов принадлежит отечественным ученым.
Значительный вклад в теорию точности внесли великие русские ученые А. А. Марков, Д. И. Менделеев, П. Л. Чебышев и др. В частности, трудами Н. Г. Бруевича, Н. А. Калашникова, Н. А. Бородачева и др. теоретико-вероятностная концепция заняла прочное место в современных методах расчета и проектирования приборов (14). Реальный, действующий прибор неизбежно отличается от теоретически рассчитанного, спроектированного прибора. Существует множество первичных ошибок, допусков в размерах и характеристи- 276 ках элементов, конфигурациях формы и т.
д, Сборка, настройка, технология, изготовление — все это в совокупности своей влияет на точность работы прибора. Зги причины носят случайный характер и оцениваются вероятностными характеристиками: средним значением ошибки (погрешностью положения центра рассеяния ошибок), дисперсией (средним квадратическим отклонением — полем допуска ошибок) и законом распределения как суммарной, так и первичных погрешностей.
Классическое определевве первичной ошибки — отступленнеот заданных размеров, геометрических форм, номинала, качества, Физических свойств н т. д., которые вызваны погрешностнмм изготовления, температурными влв снловымв деформапвямн, взносом, влвнннем атмосферных условий н т. д. Все зтн отступления должны укладываться в поле заданного допуска. Важное значение в методике расчета точности играют законы распределения первичных ошибок: равной вероятности, Симпсона, Максвелла, Гаусса и т. д. В конечном итоге суммарная погрешность Агрх определения выходной величины должна зависеть от методической погрешности Агрво инструментальной (приборной) погрешности Агр„р и погрешности измерения выходной величины Агро которые, в свою очередь, функционально зависят от первичных ошибок. Методическая погрешность обусловлена погрешностью метода, который принят за основу функционального действия прибора.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
