[发明专利]测量具有高动态范围的脉冲信号的方法和设备

说明书

测量具有高动态范围的脉冲信号的方法和设备。本发明涉及表征单个未知脉冲信号的设备和方法。所述设备和方法通过划分通过节点的信号并且使用可以施加时间延迟的不同信号路径来创建原始信号的可以更可靠地测量的多个副本。所述设备和方法具有多个应用领域，最值得注意的是惯性约束聚变工业。

技术领域

本发明总体上涉及用于测量未表征的单脉冲发射的装置和方法，特别是用于调节单脉冲发射的未知幅度特性以匹配测量设备的测量范围的装置和方法。

背景技术

存在许多需要测量脉冲信号的时间分布的领域。纳秒和亚纳秒长度脉冲用于各种应用中，包括但不限于LIDAR、遥感和基于激光的惯性约束聚变(ICF)。能够准确测量ICF中使用的高对比度激光脉冲的脉冲形状是有利的。

在已知的测量技术中，脉冲照射传感器，即光电二极管、光电倍增管或生成与脉冲的入射功率成比例的时变电压的其它设备。然后在示波器上记录该时变电压，从而给出脉冲的时间分辨功率的表示。

如果已知入射脉冲的峰值功率，则使用光电二极管或类似设备效果很好。在这种情况下，脉冲可以被衰减，使得它位于光电二极管和示波器的动态范围的中间，并且可以进行高保真测量。然而，如果功率未知，则信号幅度可能太弱而不能准确测量或者可能太高且因此使检测器或示波器饱和。

对于重复信号，可以改变衰减直到达到适当的信号电平为止。然而，对于单次激发(single shot)测量，必须对信号电平进行估计。这使得很难准确地测量未知脉冲。

已经开发了增强基于光电二极管-示波器的系统的动态范围和或分辨率的各种方法。

一些已知的设备生成变化幅度的脉冲序列，并且使用光纤环形腔(fibre loopring cavity)将各个脉冲转换成强度减小的脉冲链。其缺点在于，如果该链的第一脉冲使检测器饱和，则不能从随后的脉冲读取进一步的信息。

一种已知的设备描述了单次激发光采样示波器。在内部具有有源增益介质的光纤环形腔将单个脉冲转换成能量增加的脉冲链。然后，这些脉冲与由第二锁相源生成的脉冲相互作用，以生成第三信号，该第三信号被数字化和分析。该设备非常复杂，并且对本发明寻求解决的饱和效应没有帮助。

一种已知的方法是使用光电二极管将脉冲转换成电信号，随后在多个示波器通道之间对该电信号进行拆分，各个示波器通道被设置到不同的电压范围。

这种技术也可以在光学上应用，在这种情况下，入射光脉冲被分成多个相同(或不相同)的脉冲，这些脉冲中的各个脉冲被发送到它自己的光电二极管和示波器通道。

在多个检测器之间对信号进行拆分的缺点是使用许多示波器通道和检测器来测量单个信号。

US2009/0072811公开了一种方案，在该方案中激光脉冲被光纤分成256个相同副本(replicas)的链。然后通过光电二极管来测量这些副本，并且使用统计平均技术来生成输入脉冲形状的比从单次测量所生成的更高保真的测量。

该技术给出了激光脉冲的高保真测量，但仍然具有有限的动态范围。如果入射激光功率意外升高并且光电二极管变得饱和或者超出示波器的电压范围，则将不会读取任何数据。

如果检测器接收到大于它能够处理的信号，则检测器会饱和并且需要时间来恢复。检测器受到入射信号的影响越大，恢复所花费的时间越长，因此随后的任何信号都会被淹没。在衰荡信号(例如由光纤环形腔生成的信号)或一系列相同脉冲的情况下，如果第一信号大于检测器可以处理的信号，则不再可能从任何副本获得任何有用数据。

发明内容

本发明的目的是克服这些问题中的至少一些问题，并提供用于可靠地记录单个未表征的脉冲信号的特性的设备和方法。