扫描相机标定脉冲信号位置的确定及噪声处理

　　扫描相机作为一种高精度的时空分辨测量仪器。它是快速过程,如高压激光状态方程[1-5]实验中测量冲击波渡越时间的主要工具。扫描相机中的变 像管对电子束的控制非常灵活,它可以达到很高的时间分辨本领和扫速。但是,扫描相机扫描速度的不均匀性(或称非线性)是一个普遍存在的问题,它直接影响到 扫描时间的测量。因此,扫描相机的扫速和时间分辨率要经常进行标定[6]。

　　扫描相机标定数据处理中的一个关键问题是如何准确地确定信号的位置,而实验数据的信噪比和数学处理方法都会对标定结果的准确性产生比较大的影响。本文采用了一种“半高宽法”来确定标定信号的位置,在高信噪比和低信噪比两种情况下,该方法均能得到较高准确度的标定结果。

   1　实验方法及结果

　　扫描相机扫速结果的标定需要一个时间上等间隔的稳定的脉冲序列,理论上讲这个脉冲序列的时间间隔越小越好。但是,由于相机本身灵敏度和时间分辨 等因素,需要选择合适的脉冲发生器,尤其对于扫描相机快速扫描档的标定,要求脉冲发生器有极高的重复频率和很好的稳定性。目前国内还没有重复频率和稳定性 都达到标定要求的脉冲发生器,因此,我们用标准具对激光分光后产生的一列强度逐渐衰减的光脉冲序列对扫描相机进行标定。标定实验的排布如图1所示,标准具 (由两片距离连续可调的反射镜组成)的两端镀有与入射激光波长对应的光反射率为r的反射膜,激光在标准具内来回反射,并输出一系列强度衰减的光脉冲,由相 机读出的相邻脉冲峰值时间间隔Δt=2nd/c,为常数(n为两反射镜之间的介质折射率,d为介质厚度,c为光速)。若相机扫速呈线性,则输出的相邻脉冲 位置间间隔应一致。将各个相邻脉冲之间的实际位置间隔与理想间隔相比较,经数学处理后就可得到某个扫描档的扫速。

　　扫描相机慢扫速档(5 ns)的标定结果如图2(a)所示,其中一个典型的脉冲如图2(b)所示。

   2　标定脉冲信号位置的确定

　　要得到扫描相机的准确标定结果需要准确地测量出相邻脉冲的间隔大小,而如何准确地定义脉冲的位置会直接影响标定结果的准确性。常用的方法是把脉 冲的峰值位置定义为脉冲[7]的位置,简称“峰值法”,这种定义方法受噪声的影响比较大。因此,我们采用取半高宽的方法来确定脉冲的位置,简称“半高宽 法”,典型的单个标定脉冲信号(见图2(b)),脉冲的位置可用以下公式计算[6]

式中:-x为用内插方法得到的上升沿或者下降沿的位置;-y是脉冲峰值的一半。信号位置定义为上升沿和下降沿的一半所对应的位置。