Средства и методы измерений параметров пикосекундных сигналов при наличии шумов и искажений в электронно-оптическом тракте телевизионной системы

Бурное развитие принципиально новых технологий в 70—е годы XX века привело к созданию нового направления в приборостроении и окончательно сформировало такие разделы в методах научных исследований и метрологии, как высокоскоростная фотография и метрология быстро протекающих процессов [1]. Аппаратно они обеспечивались такими приборами, как электронно—оптические камеры, которые долгое время представляли собой уникальные разработки и изготавливались в единичных экземплярах под тот или иной научный эксперимент [2—5]. Только в начале 80—х годов несколько компаний, лидерами среди которых были Hadland Photonics, НПО «Всесоюзный научно—исследовательский институт оптико—физических измерений» в СССР, Thomson, и присоединившаяся к этому списку позже Hamamat-su, наладили серийный выпуск нескольких типов электронно—оптических камер.

Среди диагностических методов и средств, используемых в современной экспериментальной физике для изучения быстро—протекающих процессов (БПП), высокоскоростная электронно—оптическая фотография выделяется своим рекордным быстродействием (теоретический предел временного разрешения Ю-" 14 с), большим объемом одновременно регистрируемой пространственной информации (до 10б.108 разрешаемых элементов), предельной чувствительностью (регистрируется каждый электрон, эмиттируе-мый входным фотокатодом), широким спектральным диапазоном регистрации (от мягкого рентгеновского до ближнего ИК излучения), возможностью быстрого (доли секунды) ввода зарегистрированных изображений БПП в компьютер для их последующего хранения, обработки, визуализации и анализа.

Электронно—оптические камеры делятся на два основных классахронографические, иначе времяанализирующие, применяющиеся для исследования непрерывных временных эволюций процессов, сопровождающихся электромагнитным излучением с длинами волн от инфракрасного диапазона вплоть до жесткого рентгена, и камеры для покадровой регистрации, позволяющие получать последовательность двумерных изображений отдельных фаз, или какой—либо одной очень короткой во времени фазы того или иного процесса [6].

Ядром каждой электронно—оптической камеры является импульсный электронно—оптический преобразователь (ЭОП), в котором осуществляется пространственно—временное кодирование или выделение фаз исследуемого процесса. Такие преобразователи изображения для скоростного управления электронными пучками включают в себя быстродействующие электромагнитные системы развертки и электронные затворы [7,8]. Принцип действия ЭОП заключается в линейном (по интенсивности) преобразовании в пленке фотокатода толщиной 100.300 А оптического изображения БПП в фотоэлектронный аналог, фокусировании этого фотоэлектронного изображения на выходной экран (слой люминофора, мишень видикона, ПЗС—матрица) и развертке либо всего фотоэлектронного изображения, либо его части, ограниченной, например, узкой щелью, по выходному экрану. При этом фазовая скорость перемещения изображения по экрану может в несколько раз превышать скорость света, что достигается за счет практически безынерционного отклонения электронного пучка быстроменяющимся электрическим полем.

Если в электронно—оптических камерах ранних разработок конечная регистрация изображения осуществлялась на фотопленку, то уже к середине 90—х годов все они имели системы бесфильмового съема изображений с экрана электронно—оптического преобразователя и их последующей обработки. Это позволило во много раз сократить время получения результатов исследований. На начальном этапе усилия разработчиков сосредотачивались на достижении максимального быстродействия электронно—оптических преобразователей и камер, которое к середине—концу 90—х годов вышло на уровень сотен фемтосекунд и вплотную приблизилось к своему теоретическому пределу, рассчитанному в 1955 году академиком A.M. Прохоровым. В последующем развитие этой техники шло по пути наращивания информационных возможностей, повышения функциональности и ее миниатюризации, которая осуществлялась на базе совершенствования элементной базы. Так, появление волоконно—оптических и микроканальных пластин позволило отказаться в камерах от громоздких каскадных усилителей яркости с магнитной фокусировкой, заменив их компактными микроканальными усилителями с электростатическими фокусирующими системами, и от линзовой оптики для переноса изображения внутри камер, что позволило сразу же в несколько раз уменьшить их массо—габаритные характеристики и энергопотребление [10]. Следующий шаг в этом направлении был сделан путем отказа от ламповой схемотехники и перевода управляющей и питающей преобразователь электроники на твердотельные активные элементы, а считывающих устройств с телевизионных передающих трубок на матричные твердотельные преобразователи свет—сигнал на приборах с зарядовой связью, которые, непрерывно развиваясь, не только перестали уступать по своим информационным способностям передающим трубкам типа видиконов, но и превзошли их.

В новом тысячелетии в электронно—оптические камеры для управления ими все шире стали внедряться микропроцессоры, благодаря чему возможности камер еще более расширились.

Благодаря непрерывному общему совершенствованию техники, а так же все повышающейся сложности научных экспериментов, электронно— оптические камеры из разряда уникальных приборов начинают постепенно переходить в категорию довольно привычного научного инструментария. Однако существенным тормозом для более широкого внедрения в практику научного эксперимента является по—прежнему их относительно высокая стоимость, обусловленная как объективной сложностью этих устройств, так и их малотиражностью. В отношении последнего возник замкнутый круг — с одной стороны камеры дороги потому, что производятся практически поштучно, а с другой стороны тиражируются в малых количествах потому, что далеко не всякая исследовательская организация имеет бюджет, делающий возможным приобретение электронно—оптической камеры для какого— нибудь одного эксперимента. Такая ситуация не утраивает как экспериментаторов, так и разработчиков телевизионных камер.

Выход видится в создании универсальной электронно—оптической измерительной системы, способной работать как в хронографическом, так и в кадровом режимах в наиболее часто используемых исследователями временных диапазонах. Это позволило бы использовать такую электронно— оптическую систему в широком спектре различных научных экспериментов и технологических задач, а также применять ее в качестве диагностическо— измерительной аппаратуры на производстве. При этом такая система должна быть достаточно компактной и обладать всем набором современных возможностей по обработке результатов измерений с заданной погрешностью.

Разработка методов и средств измерения параметров светоизлучающих процессов с пикосекундным временным разрешением и создание на их основе электронно—оптической измерительной системы нового поколения составила суть настоящей работы.

Актуальность проблемы.

В настоящее время в промышленности и науке для визуализации процессов в оптическом диапазоне широко используют цифровые системы регистрации на основе твердотельных приемников с зарядовой связью (ПЗС). Несмотря на простоту и удобство их использования, им присущ ряд недостатков, к главным из которых можно отнести достаточно высокий уровень шумов и невысокую частоту кадровой съемки, ограниченную необходимостью накопления и переноса зарядов вдоль поверхности фоточувствительного кристалла [11,12]. Одним из способов увеличить чувствительность и динамический диапазон ПЗС фотоприемного устройства является использование связки ПЗС с электронно—оптическим преобразователем, который в пределе способен регистрировать одиночные фотоны, в хронографическом режиме обеспечить разрешающую способность до сотен фемтосекунд, а в режиме электронного затвора — экспозиции в единицы наносекунд и частоту съемки до нескольких ГГц [13].

Исследованию и разработке электронно—оптических методов регистрации быстропротекающих процессов посвящены труды A.M. Прохорова, A.M. Леонтовича, JI.A. Арцимовича, М. М. Бутслова, Б. М. Степанова, С.Д. Фанчен-ко, М. Я. Щелева, Е. К. Завойского, Д. Герберта, Е. Милота, Ф. Шабана и других отечественных и зарубежных ученых. Вместе с тем в данной области имеются вопросы, требующие более глубокой проработки и развития.

Наиболее широко во всем мире для измерения длительности нано— и субнаносекундных оптических импульсов на сегодняшний день используется автокорреляционный метод в различных его интерпретациях. Он сравнительно прост, но ему присущ целый ряд недостатков. Главный из них заключается в том, что априори предполагается, что фаза оптических колебаний в измеряемых импульсах линейно изменяется во времени, то есть отсутствует так называемый «чирп—эффект» [14]. Реально же это может быть не так, поскольку отсутствие «чирп—эффекта» мало кто контролирует из—за сложности этой процедуры, и тогда ошибка измерений может оказаться очень большой, поэтому автокорреляционный метод является косвенным, а не прямым. Единственным на сегодняшний день прямым методом измерения параметров оптических импульсов в этом временном диапазоне по—прежнему является электронно—оптический метод. Кроме того, исследованию быстропротекающих процессов, сопровождающихся излучением в области ультрафиолета (включая вакуумный), мягкого и жесткого рентгена, альтернативы электронно—оптическим методам на сегодняшний момент не существует.

Проведенный автором анализ современного состояния развития электронно—оптических измерительных систем показал, что в данном направлении имеются важные вопросы, которые требуют дополнительной проработки и развития. Так, описываемые в действующих по настоящее время ГОСТ 25 677–83, 21 815.(0—17)—86, 21 815.18(19)—90 и других «Преобразователи импульсного излучения электронно—оптические измерительные» методы проведения измерений устарели и не учитывают современного уровня развития технологий, а рекомендованная для проведения измерений аппаратура в настоящее время уже не выпускается. В то же время с 2009 г. в России введен национальный стандарт ГОСТ Р ИСО 11 554—2008 «Методы испытаний лазеров и измерений мощности, энергии и временных характеристик лазерного пучка», который отводит большое значение измерению временных характеристик и формы оптического импульса. В этой связи особенно актуальной становится задача разработки и производства методов и средств измерений (СИ) временных параметров и соответствующего метрологического обеспечения, особенно в области наносекундного и субнаносекундного диапазонов.

В соответствии с ГОСТ Р ИСО 11 554—2008 форму лазерного импульса характеризуют следующими параметрами: '.

• длительность импульса на полувысоте — тн;

• длительность на уровне 0,1 — т10;

• время нарастания импульсах я — временной интервал между точками, соответствующими 0,1Ррки 0,9Ррк;

Прибор для измерения формы импульса лазерного излучения, в состав которого входят первичный измерительный преобразователь (ПИП), а также электронные звенья, должен иметь временные характеристики, позволяющие без искажений воспроизводить импульс, фронт которого не менее чем в 10 раз короче длительности фронта регистрируемого импульса. В диапазоне 10-^-10 7 с существуют технические средства, позволяющие воспроизводить форму импульса и получать его характеристики, хотя соответствующее метрологическое обеспечение отсутствует даже в этом диапазоне.

Так, например, в изданном в 2008 г. Справочнике JIAC по средствам контроля и измерения параметров лазерного излучения представлены 34 прибора, включая эталоны различного уровня и дозиметры, для измерения энергетических характеристик стационарного и импульсного излучения, и только 4 установки для измерения временных параметров. Из них 3 автокоррелятора предназначены для фемтосекундного диапазона и одна установка — производства ИФ HAH Республики Беларусь — для измерения импульсов длительностью (на половине максимальной мощности) от 10 не до 1 мс. Среди зарубежных приборов можно назвать выпускаемый фирмой OPHIR фотодетектор FPS 10, предназначенный для измерения длительности и формы импульсов с временем нарастания более 6 не.

В наносекундном и субнаносекундном диапазонах отсутствуют не только эталонные, но даже унифицированные сертифицированные средства измерений временных характеристик оптических импульсов, поскольку для работы с импульсами длительностью менее Ю-10 с необходимо иметь полосу пропускания измерительного тракта порядка 30 ГГц и выше.

За последние 10—15 лет в научно—технической литературе опубликован ряд работ по применению электронно—оптических методов не только для получения феноменологической информации о регистрируемых процессах, но и для получения измерительной информации, такой, как характерные пространственные и характерные временные интервалы, относительные, а и иногда даже и абсолютные интенсивности сигналов, длительности сигналов и др. [15—19]. При этом разброс одноименных параметров для однотипных систем, построенных на однотипных времяанализирующих электронно— оптических преобразователях, являющихся первичным звеном в цепи из нескольких измерительных преобразователей различного вида, чрезвычайно велик. Так, данные по такому важнейшему параметру, как линейный динамический диапазон, разнятся в десятки — сотни раз, чего в принципе быть не должно. Причиной этому является отсутствие в России современной технологической базы для разработки и изготовления электронно—оптической измерительной техники нового поколения, устаревшие методы проектирования и изготовления даже стандартных деталей и узлов, входящих в состав ЭОП, а также отсутствие какого—либо метрологического обеспечения, эталонов и стандартов для фотометрии нано— и субнаносекундного диапазона.

Решение этой серьезной научной проблемы определяет актуальность диссертационной работы, направленной на разработку и исследование высокоточных методов и средств измерения параметров и характеристик пикосе-кундных сигналов, что позволяет существенно повысить точность измерений пространственно—временных характеристик импульсного излучения электронно—оптическими камерами в интересах всех отраслей экономики страны.

Целью работы является:

• исследование возможности усовершенствования существующих высокоскоростных гибридных видеографических измерительных систем с целью улучшения их динамических характеристик;

• создание современных средств и методов измерения пространственно—временных характеристик оптического излучения на основе разработанных ЭОП, обладающих широкими динамическим диапазоном, высокой временной и пространственной разрешающей способностью;

• разработка методов повышения точности измерений характеристик импульсного излучения электронно—оптическими системами (ЭОС);

• создание метрологической базы для измерения характеристик, поверки и аттестации электронно—оптических камер.

В соответствии с целями в работе решены следующие задачи:

• разработана новая конструкция и предложена специальная технология изготовления пикосекундного малогабаритного измерительного ЭОП;

• создана оригинальная математическая модель измерительного ЭОП с использованием современных средств компьютерного моделирования, оценены степень и величина влияния каждого из его узлов на пространственно—¦ временные передаточные характеристики измерительной системы;

• исследованы виды и характер искажений сигналов, возникающих в тракте гибридной видеографической измерительной системы и уровень вклада каждого вида искажений в полную погрешность измерений;

• впервые предложены методы повышения параметров пространственно—временных характеристик электронно—оптических измерительных систем, позволившие существенно уменьшить величину искажений в сквозном передаточном тракте электронно—оптических измерительных систем;

• разработана оригинальная комплексная методика поверки и измерения пространственно—временных и спектральных характеристик электронно— оптических измерительных систем.

Методы исследования. При проведении исследований в работе использованы: методы спектрально анализа, аппарат теории поля и классической электродинамики, дифференциальные и интегральные преобразования двумерных сигналов, методы аппроксимации радиальными полиномами Церни-ке, теория вероятностей и математическая статистика, различные способы аппроксимации и интерполяции функций, теория передачи и преобразования информации, методы топологических преобразований, методы компьютерного моделирования и проектирования.

Научной новизной обладают следующие результаты.

1.Усовершенствованная математическая модель расчета и оригинальные методы конструирования универсальных малогабаритных времяанализирующих измерительных ЭОП телевизионных систем.

2.Высокоэффективный программный метод устранения пространственно—временных искажений в сквозном преобразующем тракте измерительной электронно—оптической телевизионной системы.

3.Новый сверхминиатюрный универсальный пикосекундный времяанали-зирующий ЭОП, не имеющий зарубежных аналогов по габаритам среди приборов аналогичного уровня.

4.Методы повышения параметров пространственно—временных характеристик электронно—оптических измерительных систем, позволившие существенно уменьшить величину искажений в сквозном передаточном тракте электронно—оптических измерительных систем.

5.Оригинальная комплексная методика поверки и измерения пространственно—временных и спектральных характеристик электронно—оптических измерительных систем.

Практическая ценность заключается в:

• разработке и создании полностью автоматизированной управляемой дистанционно пикосекундной измерительной камеры для исследования пространственно—временных характеристик оптического излучения с гарантированной погрешностью, отвечающей мировым стандартам;

• разработке и создании макета измерительного комплекса для хранения и передачи временных характеристик импульсного оптического излучения во временном диапазоне от 10~3 с до 10~9с;

• создании оригинальной комплексной методики поверки и измерении пространственно—временных и спектральных характеристик электронно— оптических измерительных систем.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1. Новый класс малогабаритных импульсных электронно—оптических измерительных телевизионных систем, обладающих широкими динамическим диапазоном и полосой пропускания, высокой пространственно— временной разрешающей способностью.

2. Метод коррекции геометрических и фотометрических искажений электронно—оптического тракта и линеаризации передаточной характеристики.

3. Новые методы измерения пространственно—временных характеристик оптического излучения на основе импульсных электронно—оптических телевизионных систем нового поколения.

4. Оригинальные методы повышения точности измерений пространственно— временных характеристик импульсного излучения электронно—оптическими телевизионными системами.

5. Метрологическая и аттестационная база для измерения характеристик, поверки и аттестации электронно—-оптических камер.

Основные результаты работы внедрены в ведущих научно— технических центрах и организациях: ВНИИОФИ, РФЯЦ ВНИИЭФ, ИТЭФ, ИПХФ РАН, НПФ РАН, ГНТЦ им. Хруничева, ТРИНИТИ, в учебном процессе МИРЭА.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались с 2000 по 2009 гт. на Российских и международных научно—практических конференциях и семинарах: Всероссийской научно—технической конференции «Высокоскоростная фотография и фотоника» в Москве, Российской конференции по атмосферному электричеству в г. Владимир, International Conference on Lightning and Static Electricity, International Congress on HSP and Photonics, Международном симпозиуме по ударным волнам ISSW, SPIE и ряде других.

Достоверность основных положений и выводов подтверждена экспериментально в процессе исследований с применением разработанных электронно—оптических камер, сравнении результатов измерений с эталонами частоты и яркости, совпадением результатов измерений с расчетами и данными, полученными другими авторами, а также актами о внедрении и использовании научных и практических результатов диссертации.

Публикации. Результаты диссертационных исследований опубликованы автором более, чем в 20 работах (из них 4 работы в ведущих научных журналах и изданиях, выпускаемых в Российской Федерации и рекомендуемых ВАК для публикация основных материалов диссертаций, представляемых на соискание ученой степени кандидата наук).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, пяти приложений, списка использованных источников информации, включающего 89 наименований, содержит 175 страниц текста, 52 рисунка и 12 таблиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполнения диссертационной работы по теме «Средства и методы измерений параметров пикосекундных сигналов при наличии шумов и искажений в электронно-оптическом тракте телевизионной системы» был создан экспериментальный образец малогабаритного электронно-оптического преобразователя с пикосекундным временным разрешением, который, имея приблизительно такую же информационную способность, в четыре и более раз меньше аналогичных приборов предшествующего поколения.

В рамках работы проведены расчёты и разработана конструкция малогабаритного пикосекундного электронно-оптического преобразователя, отработан основной ряд технологических процессов, применявшихся при изготовлении экспериментальных образцов, разработан и изготовлен стенд для исследований характеристик электронно-оптических преобразователей.

Проведены измерения основных параметров четырех экспериментальных макетов ЭОП. Показано, что преобразователь обладает хорошим пространственным разрешением, малыми геометрическими искажениями и приемлемой чувствительностью отклоняющей системы. Предельное временное разрешение на уровне ~ 2пс, как и остальные характеристики, в новом электронно-оптическом преобразователе достигается при в пять раз более низком напряжении питания ~3 кВ вместо 15 кВ у преобразователей предыдущего поколения. Кроме того, в новом преобразователе имеется возможность эффективно запирать изображение с помощью фокусирующего электрода относительно небольшим управляющим напряжением.

На основе нового преобразователя разработана универсальная электронно-оптическая измерительная система (камера), способная работать как в хронографическом режиме (режиме линейной развёртки изображения), так и в режиме многокадровой регистрации. Изготовлены и испытаны два экспериментальных образца системы и три образца миниатюрного пикосекундно-го электронно-оптического преобразователя.

Универсальная электронно-оптическая камера отличается широкими функциональными возможностями, обладая при этом малыми массо-габаритными параметрами и энергопотреблением, что позволяет использовать её при решении широкого круга задач в самом разнообразном спектре I научных и технологических экспериментов. Высокая надёжность и устойчивость к внешним воздействиям позволяют также работать с ней не только в лабораторных, но и в производственных, а при соблюдении определённых требований, и в полевых условиях. Последнее делает возможным её применение для диагностики некоторых природных явлений, а также для проведения испытаний определённого круга изделий на производстве или в процессе их эксплуатации. В самой камере применяются исключительно отечественные комплектующие изделия и материалы.

В хронографическом режиме разработанная универсальная камера позволяет измерять в ближней инфракрасной, видимой и ближней ультрафиолетовой области временные характеристики процессов в микро-, нанои суб-наносекундном диапазонах с временным разрешением вплоть до нескольких пикосекунд. При многокадровой регистрации она обеспечивает экспозицию в широком интервале от 8 не до 600 мс. Камера снабжена современной системой считывания, обработки и визуализации регистрируемых изображений, а также программным обеспечением, предоставляющими в совокупности необходимые сервисы для быстрого получения информации об исследуемом процессе.

В процессе выполнения работы были решены все технологические вопросы по изготовлению электронно-оптического преобразователя и камеры в целом, выпущена конструкторская документация на ЭОП камеру. Конструкторская документация была также выпущена на технологическую оснастку и приспособления, которые были изготовлены и опробованы. Созданы измерительные стенды для исследования характеристик ЭОП. Помимо конструкторской была выпущена эксплуатационная документация в виде объединённого документа, включающего паспорт, техническое описание и инструкцию по эксплуатации универсальной камеры, а также разработаны программа и методика механических и климатических испытаний.

Таким образом, по сути была осуществлена подготовка мелкосерийного производства универсальной электронно-оптической камеры.

Камера может использоваться и как самостоятельный инструмент, и как одна из составных частей сложной измерительной аппаратуры. Всё это создаёт необходимые предпосылки для разработки и производства на основе такого прибора нового поколения сравнительно недорогих миниатюрных электронно-оптических камер, доступных для отечественных исследовательских организаций и научных центров.

Испытания показали, что по всем техническим характеристикам изготовленные экспериментальные образцы универсальной камеры полностью удовлетворяют требованиям мирового уровня и может иметь спрос как на отечественном, так и на международном рынке.