韓強(qiáng)盛,張保洲,盧利根 ,艾明澤

(1.北京師范大學(xué)天文系，北京 100875；2.北京市應(yīng)用光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；3.遼寧省計(jì)量測(cè)試研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

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快速光電探測(cè)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間精密測(cè)量裝置

韓強(qiáng)盛1,張保洲1,2,盧利根1,2,艾明澤3

(1.北京師范大學(xué)天文系，北京 100875；2.北京市應(yīng)用光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；3.遼寧省計(jì)量測(cè)試研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

快速光電探測(cè)系統(tǒng)或光電探測(cè)器，在頻閃光源和動(dòng)態(tài)顯示目標(biāo)的光度測(cè)量中應(yīng)用十分廣泛。給出了一套準(zhǔn)確測(cè)量光電探測(cè)系統(tǒng)或光電探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間測(cè)量裝置，該裝置適于測(cè)量的光電探測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間極限為10-7s，為了驗(yàn)證激光方波信號(hào)的質(zhì)量，還采用光電倍增管(PMT)作為快速探測(cè)器制備了快速光電探測(cè)系統(tǒng)，因此本裝置還具有測(cè)量頻閃光源和動(dòng)態(tài)顯示目標(biāo)瞬態(tài)光度的能力。

光電探測(cè)系統(tǒng)；響應(yīng)時(shí)間；激光方波信號(hào)；瞬態(tài)測(cè)量；Lab-view

引言

光電探測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)⑼饨巛斎氲墓庑盘?hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)換速度的快慢取決于探測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。近年來(lái)，閃光源、動(dòng)態(tài)顯示目標(biāo)、快速激光等應(yīng)用日益廣泛，對(duì)這些瞬態(tài)變化的輻射源的研究和評(píng)價(jià)都會(huì)涉及到對(duì)它們的光度測(cè)量[1-15]以及相關(guān)測(cè)量設(shè)備。隨著這些應(yīng)用瞬態(tài)變化輻射源水平的提高，對(duì)光電探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間測(cè)量精度的要求也日益提高，相應(yīng)地提出了高精度測(cè)量光電探測(cè)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間手段的需求。然而，目前市場(chǎng)上罕見(jiàn)能夠用來(lái)準(zhǔn)確測(cè)量快速響應(yīng)光電探測(cè)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的完整裝置，造成在瞬變光源光度測(cè)量領(lǐng)域測(cè)量方法科學(xué)性和可靠性的缺失，常常出現(xiàn)不同測(cè)量裝置獲得的結(jié)果差異性很大的現(xiàn)象，這也是大家仍然不斷探討和關(guān)注光電探測(cè)器或光電探測(cè)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的測(cè)量更佳方法和手段[16-31]。

針對(duì)上述情況，本研究旨在設(shè)計(jì)出一套能夠準(zhǔn)確測(cè)量光電探測(cè)系統(tǒng)或光電探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間的裝置。就目前常見(jiàn)的測(cè)量光電探測(cè)系統(tǒng)或光電探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間的方法而言，直接根據(jù)響應(yīng)時(shí)間定義，電探測(cè)系統(tǒng)或光電探測(cè)器對(duì)方波輻射信號(hào)響應(yīng)上升沿的時(shí)長(zhǎng)還是其最佳的表征?；谶@樣的考慮，裝置的光源采用直接調(diào)制激光器來(lái)獲得測(cè)量用的高質(zhì)量激光方波信號(hào)(上升沿時(shí)間10-8s)，并利用快速放大電路和高速數(shù)據(jù)采集卡來(lái)構(gòu)造信號(hào)放大和采集系統(tǒng)，最后在Lab-view虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)上對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行計(jì)算和顯示。為了驗(yàn)證獲得的激光方波信號(hào)和快速放大電路能夠滿足測(cè)量要求，我們使用快速雪崩二極管(APD)和光電倍增管(PMT)作為快速探測(cè)器制備了快速光電探測(cè)系統(tǒng)來(lái)對(duì)調(diào)制激光信號(hào)進(jìn)行采集驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明該裝置適于響應(yīng)時(shí)間不小于10-7s光電探測(cè)系統(tǒng)或光電探測(cè)器的準(zhǔn)確測(cè)量。

1 裝置的結(jié)構(gòu)

1.1 響應(yīng)時(shí)間測(cè)量原理

響應(yīng)時(shí)間是表征光電探測(cè)系統(tǒng)或光電探測(cè)器對(duì)光輻射響應(yīng)速度快慢的參數(shù)，用響應(yīng)信號(hào)相對(duì)于輸入信號(hào)的延遲時(shí)間來(lái)表示。對(duì)于光電探測(cè)探測(cè)器，傳統(tǒng)上常利用其對(duì)脈沖信號(hào)響應(yīng)圖形中從開(kāi)始上升到上升至峰值的70%所需時(shí)間來(lái)表征響應(yīng)時(shí)間[32]，一方面由于噪聲的存在使得開(kāi)始上升的位置難以準(zhǔn)確選擇；另一方面，由于存在干擾和變形的存在，脈沖響應(yīng)圖形峰值常常存在一定的失真。實(shí)踐表明利用利用其對(duì)方波信號(hào)響應(yīng)圖形上升沿來(lái)確定響應(yīng)時(shí)間更為嚴(yán)格。通?？梢杂梅讲ㄐ盘?hào)響應(yīng)圖形上升沿中從達(dá)到坪區(qū)10%到上升至坪90%所需時(shí)間來(lái)表征響應(yīng)時(shí)間，稱為光電探測(cè)器的上升時(shí)間。因此測(cè)量響應(yīng)時(shí)間最主要的是要獲得比較理想的方波光輻射信號(hào)，即光方波信號(hào)的上升沿具有很好垂直度，而且要有準(zhǔn)確放大和呈現(xiàn)光電探測(cè)探測(cè)器輸出電信號(hào)。

1.2 響應(yīng)時(shí)間測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)

圖1是裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。從圖1中可以看出，裝置圍繞被測(cè)探測(cè)器(或系統(tǒng))主要由四部分構(gòu)成。

光脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊主要包括了產(chǎn)生調(diào)制電信號(hào)的信號(hào)發(fā)生器和作為光輻射源的激光器。激光器在信號(hào)發(fā)生器的調(diào)制下，可輸出比較理想的方波光輻射信號(hào)，測(cè)試時(shí)方波光輻射信號(hào)直接投射到光電探測(cè)探測(cè)器的光敏面上，信號(hào)的強(qiáng)度可以通過(guò)信號(hào)發(fā)生器調(diào)節(jié)和控制。

圖1 裝置的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure of the equipment

信號(hào)調(diào)理模塊主要由濾波和放大電路構(gòu)成，其作用是將被測(cè)探測(cè)器獲得的電信號(hào)轉(zhuǎn)換(如果是電流信號(hào))和放大成適于采集的電壓信號(hào)后，傳輸至數(shù)據(jù)采集卡。當(dāng)然，對(duì)于光電探測(cè)系統(tǒng)，即被測(cè)自身具有輸出模擬信號(hào)的能力，測(cè)試時(shí)就無(wú)需這個(gè)模塊。

數(shù)據(jù)采集模塊主要由高速數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成，其作用對(duì)信號(hào)調(diào)理模(對(duì)于被測(cè)為光電探測(cè)器)或被測(cè)光電探測(cè)系統(tǒng)輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行采集并形成數(shù)字信號(hào)后，傳輸至計(jì)算機(jī)。對(duì)于被測(cè)是自身具有輸出數(shù)字信號(hào)能力的光電探測(cè)系統(tǒng)，測(cè)試時(shí)光電探測(cè)系統(tǒng)輸出的數(shù)字信號(hào)可直接傳輸至計(jì)算機(jī)，測(cè)試時(shí)就無(wú)需經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)采集模塊。

信號(hào)處理及結(jié)果顯示模塊主要由計(jì)算機(jī)和專用軟件構(gòu)成，其作用對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊(對(duì)于被測(cè)為光電探測(cè)器或帶模擬輸出的光電探測(cè)系統(tǒng)輸)或帶數(shù)字輸出的光電探測(cè)系統(tǒng)輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理并呈現(xiàn)測(cè)量圖形和結(jié)果。

2 裝置的性能

2.1 方波光輻射信號(hào)

由于半導(dǎo)體激光器具有閾值低、頻率響應(yīng)高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。裝置采用電壓TTL信號(hào)來(lái)調(diào)制半導(dǎo)體激光器來(lái)獲得測(cè)量所需要的方波光輻射信號(hào)。某公司生產(chǎn)的33600系列的數(shù)字信號(hào)發(fā)生器輸出的方波調(diào)制電壓信號(hào)，驅(qū)動(dòng)可調(diào)制的半導(dǎo)體激光器形成方波光輻射信號(hào)。圖2是用高頻示波器采集到的信號(hào)發(fā)生器輸出的方波電壓信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖幅度和偏置電壓，可以調(diào)節(jié)和控制信號(hào)的強(qiáng)度。圖2(a)為調(diào)制的高頻方波電壓信號(hào)概貌，圖2(b)為相應(yīng)方波上升沿電壓信號(hào)細(xì)節(jié)。由圖2可見(jiàn)，信號(hào)發(fā)生器輸出的電壓方波信號(hào)上升沿時(shí)間僅大致為5 ns。

實(shí)驗(yàn)中使用的半導(dǎo)體激光器響應(yīng)時(shí)間非常短，響應(yīng)時(shí)間在三個(gè)納秒左右。我們利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的電壓方波信號(hào)來(lái)對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行TTL調(diào)制。

圖2 信號(hào)發(fā)生器及其輸出電壓信號(hào)波形圖Fig.2 Signal generator and its output voltage signal waveform

2.2 方波光輻射信號(hào)上升沿垂直度

為了驗(yàn)證通過(guò)直接調(diào)制激光輸出的方波信號(hào)上升沿垂直度滿足設(shè)計(jì)的要求，采用First Sensor公司生產(chǎn)的快速雪崩二極管(APD)為探測(cè)器，其標(biāo)稱響應(yīng)時(shí)間僅為0.35 ns。在測(cè)量過(guò)程中，通過(guò)給雪崩二極管加偏置電路，以讓二極管工作在雪崩放大條件之下。偏置電路如圖3(a)所示，實(shí)測(cè)得到的信號(hào)如圖3(b)所示。

由圖3可見(jiàn)，經(jīng)電壓直接調(diào)制可以得到上升沿垂直度非常好的方波光輻射信號(hào)，上升小于10 ns。

2.3 快速放大電路

快速放大電路承擔(dān)著把被測(cè)探測(cè)器獲得的電信號(hào)轉(zhuǎn)換(如果是電流信號(hào))和放大成適于采集電壓信號(hào)的任務(wù)，其采樣速率應(yīng)當(dāng)不使被測(cè)探測(cè)器獲得的電信號(hào)產(chǎn)生影響結(jié)果的延時(shí)。放大電路的原理圖如圖4所示，為了滿足快速放大的要求，放大電路選用OPA656運(yùn)算放大模塊來(lái)對(duì)輸入電流信號(hào)進(jìn)行放大。OPA656 結(jié)合有一個(gè)超寬頻帶、單位增益穩(wěn)定、電壓反饋運(yùn)算放大器，此運(yùn)算放大器適用于超高動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)放大電路，能滿足不同等級(jí)強(qiáng)度的電流信號(hào)的放大需求。

為了充分利用高速數(shù)據(jù)采集卡的分辨率，需將待測(cè)探測(cè)器輸出的電流信號(hào)或者電壓信號(hào)放大到接近數(shù)據(jù)采集卡的輸入電壓范圍。

2.4 快速放大電路速率

為了驗(yàn)證快速放大電路的速率，采用光電倍增管作為探測(cè)器作為被測(cè)探測(cè)器來(lái)測(cè)試快速放大電路探測(cè)的響應(yīng)速率，由于PMT的上什時(shí)間為ns量級(jí)，所以只要測(cè)試得到的結(jié)果大于10 ns，就可以將測(cè)試結(jié)果視為快速放大電路探測(cè)的響應(yīng)速率。圖5就是PMT作為被試時(shí)快速放大電路的實(shí)際輸出電壓波形。由圖5可以看到，PMT作為被試時(shí)激光方波信號(hào)經(jīng)快速放大電路輸出較理想的方波，其前沿上升時(shí)間約為60 ns，這也就是快速放大電路的響應(yīng)速率。

圖3 APD采集方波光輻射信號(hào)上升沿波形圖Fig.3 Rising edge of the waveform for the square wave radiation signal collected by APD

圖4 放大電路的原理圖Fig.4 Amplifying circuit

圖5 PMT作為被試，快速放大電路的輸出電壓波形Fig.5 Output voltage waveform of the amplifying circuit when the PMT is the testor

2.5 數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW虛擬儀器(VI)開(kāi)發(fā)

數(shù)據(jù)采集卡將對(duì)快速放大電路輸出的信號(hào)(對(duì)于被測(cè)為光電探測(cè)器)或被測(cè)光電探測(cè)系統(tǒng)輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行采集并形成數(shù)字信號(hào)后，傳輸至計(jì)算機(jī)。因此，數(shù)據(jù)采集卡的采樣速率應(yīng)略高于快速放大電路的響應(yīng)速率。裝置中采用的PCI-8514高速數(shù)據(jù)采集卡，具有14位采樣精度，最高采樣頻率為80MHz，支持單端四通道同步模擬量輸入。它采用DMA方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，具有512MB的緩存存儲(chǔ)容量。為了證實(shí)數(shù)據(jù)采集卡的實(shí)際采樣速率，用它對(duì)信號(hào)發(fā)生器給出的高速調(diào)制方波電信號(hào)進(jìn)行直接采樣，結(jié)果表明高速數(shù)據(jù)采集卡可以實(shí)現(xiàn)80MHz的采樣頻率(見(jiàn)圖6)。

圖6 裝置的結(jié)果顯示界面Fig.6 Result desktop of the equipment

為了使裝置實(shí)現(xiàn)在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳送和存儲(chǔ)的智能化，并加強(qiáng)裝置在擴(kuò)展能力，裝置在軟件方面還進(jìn)行了虛擬儀器開(kāi)發(fā)，由于數(shù)據(jù)采集卡自帶了DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，提供了許多上層用戶函數(shù)，這使得用戶不必了解復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集卡硬件線路和控制細(xì)節(jié)，在只需要知道采樣通道、頻率和采樣數(shù)等一些基本參數(shù)的情況下，便能夠通過(guò)Labview的庫(kù)函數(shù)節(jié)點(diǎn)(CLF)訪問(wèn)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集和數(shù)據(jù)的處理，圖6是裝置的結(jié)果顯示界面。

3 結(jié)論

本研究完成了一套能夠直接按照定義準(zhǔn)確測(cè)量光電探測(cè)系統(tǒng)或光電探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間的裝置?；谶@樣的考慮，裝置的光源采用直接調(diào)制激光器來(lái)獲得測(cè)量用的高質(zhì)量激光方波信號(hào)(上升沿時(shí)間10-8s)，利用快速放大電路和高速數(shù)據(jù)采集卡來(lái)構(gòu)造信號(hào)放大和采集系統(tǒng)，最后在Lab-view虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)上對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行計(jì)算和顯示。經(jīng)快速雪崩二極管(APD)和光電倍增管(PMT)作為快速探測(cè)器制備的快速光電探測(cè)系統(tǒng)來(lái)對(duì)調(diào)制激光方波信號(hào)和快速放大電路進(jìn)行采集驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明該裝置適于響應(yīng)時(shí)間不小于10-7s光電探測(cè)器或光電探測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確測(cè)量。由于在構(gòu)建裝置的過(guò)程中，采用光電倍增管(PMT)作為快速探測(cè)器制備了快速光電探測(cè)系統(tǒng)，因此本裝置還具有測(cè)量頻閃光源和動(dòng)態(tài)顯示目標(biāo)瞬態(tài)光度的能力。

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The Precision Measuring Device of Response Time of High-speed Photoelectric Detection System

Han Qiangsheng1, Zhang Baozhou1,2, Lu Ligen1,2, Ai Mingze3

(1.DepartmentofAstronomy,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China;2.BeijingKeyLaboratoryofAppliedoptics,Beijing100875,China;3.InstitutionofMeasurementandTestingofLiaoningProvince,Shenyang110000,China)

High-speed optical detection system or photoelectric detectors have been widely applied in the photo-metric measurement of strobe light and targets of dynamic display. This paper presents a set of measurement device that can complete accurate measurement of response time of the photoelectric detection system or photoelectric detector, and this device is capable of measuring the fastest response time of 10-7s. In order to verify the quality of the laser square wave, a photo-multiplier tube (PMT) is prepared as the detector of a fast optical detection system. So this device also has the ability to measure the instantaneous luminosity values of strobe light and dynamic-displaying targets.

photoelectric detection; response time; laser; measurement; data acquisition card; Lab-view

張保洲，E-mail:zhangbzh@bnu.edu.cn

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.02.001