Способ регистрации функции изменения интенсивности нестационарных потоков сигналов

) С О Т 1/16 Е ИЗОБРЕТЕН ИС ЦИИ ФУНКЦИИ СТАЦИОНОО ОЪ я к информахнике и предистрации функций ени интенсивности ких процессов, выескими импульсами Изобретенионно-измери относитс льной те воз флу ия ер, в импульс но-физических лняемых по вре пр нои иметриидованияхтной мет иссл прол для ре о вре изиче аэначено зменения е,ью изо рабоче ет является рас различны эыв аемых и иапазона измене ерио ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР Н А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Белорусский государственныйуниверситет им В.И.Ленина(56) Чернявский А.Ф. и др. Исследование кинетики люминесценции методоммногоканального анализа, - Журналприкладной спектрометрии, 970, т,13,вып.5, с.840-844.(54) СПОСОБ РЕГИСТРА ИЗМЕНЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ НЕ АРНЫХПОТОКОВ СИГНАЛОВ(57) Изобретение относится к информационно-измерительной технике ипредназначено для регистрации функций изменения во времени интенсивности различных физических процессов,вызываемых периодическими импульсамивозбуждения, например, в импульснойфлуориметрии и ядерно-физическихисследованиях, выполняемых по времяпролетной методике. Целью изобретения является расширение рабочегодиапазона изменения интенсивностирегистрируемых потоков сигналов и повьппение скорости набора экспериментальных данных при высокой интенсивности этих потоков. Способ основан на формировании заданного количества стартовых импульсов, синхронизированных с моментами возбуждения физического процесса, и регистрации стоповых импульсов, поступивших за заданный диапазон анализа после стартового импульса. При этом выбирают неко" торое целое число К, а в каждой реализации процесса выделяют только один стоповый импульс, порядковый номер которого для каждой последующей реализации циклически изменяют от до К. Оцифровывают временной интервал, соответствующий выбранному стоповому а импульсу, и добавляют единицу в соответствующий канал гистограммы результатов измерений. При этом подсчитывают общее число стоповых импульсов, С поступивших за диапазон анализа, исключают из накопления те измерения, в которых это число превысило К. Далее из накопленной в результате из- СЙ мерений гистограммы рассчитывают СФР искомую функцию изменения интенсивности. Приведено выражение для оптимального значения величины К и блок- (;ф схема устройства для реализации способа. 2 з.п. ф-лы, 4 ил,1638 б 87 8 со а Составитель М.Даниловактор М.Циткина Техред С.Мигунова 1".орректо ипенк аж 307 одписное Г Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул, Гагар каз 927НИИПИ Гос ствепного коми 113035, Моск та по Жобретениям и открьггиямРаущская наб., д. 4/5интенсивности регистрируемых потоков сигналов и повышение скорости набора экспериментальных данных при высокой интенсивности этих потоков .На фиг.1 и 2 показаны временные диаграммы, поясняющие алгоритмы выбора стоповых импульсов для случаев регистрации в рабочем диапазоне измере- . ний одного и нескольких импульсов соО ответственно; на фиг.З - структурная схема одного из возможных вариантов реализации установки, функционирующей в соответствии с предлагаемым способом для случая измерения в каждом цикле, длительность одного интервала времени в рабочем диапазоне; на фиг.4 - зависимость отношения эффективностей предлагаемого и известного способов от интенсивности исследуемоО го процесса.Весь процесс определения функции изменения во времени интенсивности не- стационарного потока сигналов в соответствии с предлагаемым способом разделяется на заранее заданное число повторяющихся циклов измерений, В каждом из этих циклов, сформировав синхронизированные с моментами появления соответственно сигналов воз- Зр буждения и событий исследуемого процесса стартовые и стоповые электрические импульсы,. генерируют также временной интервал Т задающий рабочий диапазон измерения, начало которого связано с соответствующим стартовым импульсом, В пределах этого диапазона при помощи преобразователя время - код проводят измерение, т,е. квантование временного интервала между стартовым импульсом и выделенным стоповым импульсом, порядковый номер которого изменяют от цикла к циклу, начиная с единицы до заранее выбранного числа К, так, что в гервом цикле выделяют первый в диапазоне анализа стоповый импульс, во втором цикле второй,., в К-м цикле - К-й, в (К+1)-м цикле внсвь первый стоповый импульс, причем при отсутствии нмпуль 5 О са с требуемым порядковым номером измерение временного интервала в текущем цикле не производят и переходят к отбору в следующем цикле регистрации импульса со следующим порядковым номером, установленным по приведенному алгоритму, Контролируют в каждом цикле количество поступивших стоповых импульсов, Если за время анализа поступило не более К событий и имеется стоповый импульс с -,ребуемым в данном цикле. порядковым номером, в ячейку гистограммирующего запоминающего устройства, номер которого соответствует цифровому эквиваленту квантованного временного интервала, добавляется единица, Подсчитывается также число М реализаций, в которых количество поступивших в диапазоне анализа стоповых импульсов меньше К. В случае же, когда общее числопоступивших в диапазоне анализа стоповых импульсов превысило К, запрещается накопление результата измерения в запоминающем устройстве, Накапливают путем подсчета чисел а ,появлений каждого из возможных результатов преобразования длительности интервалов времени в цифровой кодгистограмму результатов измеренийвременных интервалов. Общее числоячеек памяти 1,д определяется приэтом величиной шага квантования Ь 1и длительностью рабочего диапазонаизмерений,На этом процесс накапливания данных останавливают и вычисляют значения ординат ф анализируемой функцииинтенсивности потока сигналов путемделения нз произвецение И а увеличенного в К раз содержимого акаж 1дой из ячеек гистограммирующей памяти,Полученные таким образом для каждого из отрезков временной шкалы, накоторые разделен рабочий диапазон измерений, результаты совпадаютс истинным значением интенсивности анализируемого потока сигналов на этом отрезке. Достигается такое совпадение за счет обеспечения равной вероятности регистрации для каждого из К первых импульсов в отдельных реализациях регистрируемых нестационарных потоков сигналов и исключения из анализа реализаций с большим, чем К,числом стоповых импульсов, в которых неконтролируемые потери информации неизбежны. При этом, так как из рассмотрения исключается значительно меньшее число. реализаций потока (только реализации в которых число импульсов больше К а не реализации, в которых число стоповых импульсов превьппает 1), скорость сбора экспе 6 риментальных данных возрастает, особенно при высокой интенсивности входных потоков. Кроме того, тк. число К может быть выбрано достаточно большим, обеспечивается возможность регистрации столь интенсивных потоков, в которых число поступающих в диапазоне измерений импульсов постоянно составляет 2 и более, что невозможно при использовании известного способа.Вся совокупность ординат на интервале Тг, представляет собой функцию изменения интенсивности потока сигналов.Описанная процедура поясняетсяна фиг.для К =3, где представленыстартовый и стоповый импульсы напряжений на временной шкале, причем закрашены регистрируемые импульсы т,естоповые импульсы, для которых измеряется соответствующий временной инте рв ал.На фиг.1 эпюра 1 - положение стартового импульса; эпюра 2 - импульс,задающий диапазон анализа длительности; эпюры 3-7 - стоповые импульсыдля пяти последовательных реализацийпроцесса; эпюра 8 - зарегистрированные события,Для получения максимальной дляданного анализируемого процесса скорости набора экспериментальных данныхпредварительно измеряют интенсивностьэтого процесса путем подсчета сред -него числа Л стоповых импульсов,поступившихдиапазоне анализа, ивыбирают числК таким образом, чтобы выражениеЬ лв . - еК . (1-)1.=принимало максимальное значение.Для дальнейшего повышения скорости набора экспериментальных данных в каждой реализации процесса измеряют п (где( п (К) временных интервалов, от стартового импульса до каждого из и стоповых импульсов, порядковые номера которых не совпадают меж - ду собой и циклически изменяются от реализации к реализации по приведенному ранее правилу.Последняя процедура поясняется на Фиг.2 для п=З и К=4, где эпюры 1-8 имеют тот же смысл, что и на фиг.1, 1 1Установка, реализующая настоящий способ, содержит источник 9 импульсов 38687возбуждения исследуемого объекта 10,детекторы 1 и 12, усилители 13 и14, схемы 15 и 16 временной привязки,5преобразователь 17 время - код, гистограммирующее запоминающее устройство18, Формирователь 19 диапазона временного анализа, двоичные счетчики 20-22,.дешифратор 23, мультиплексоры 24-26,триггеры 27-29, логические схемыИ 30 - 33 и ИЛИ 34 и 35, одновибраторы36 и 37, сдвоенный позиционный переключатель 38.1, 38.2, формирователь39 логической единицы и резисторыК - КВ исходное состояние устройствоприводится сигналом начальной установки БК, который очищает гистограммирующее запоминающее устройствоГЗУ 18, абнуляет двоичный счетчик 22и через схему ИЛИ 35, двоичный счетчик 20, а также пройдя через схемуИЛИ 34, обнуляет двоичный счетчик 21,сбрасывает триггер 27, приводит висходное состояние преобразователь17 время - код ПВК и устанавливаетв единичное состояние триггеры 28и 29.Сигналы возбуждения исследуемого30 объекта, задающие на: зло отдельныхреализаций нсследуе, ого процесса,поступают на детектор 11, где преобразуются в Форму электрических импульсов, которые затем усиливаются35 усилителем 3 и стандартизируютсясхемой 5 временной привязки СП,Сформированные таким образом стартовые сигналы запускают преобразователь17 время - код и формирователь 19Щ диапазона временного анализа, выходным импульсом которого на требуемыйвременной отрезок открывается схемаИ 30.Сигналы регистрируемогослучайного45 потока подаются на детектор 12, преобразующий их в форму электрическихимпульсов, усиливаются усилителем14 и стандартизируются схемой 16 временной привязки, после чего подаются50 на вход схемы И 30, которая открытана время диапазона анализа, и затемна вход схемы И 31, пропускающегона стоповый вход ПВК 17 импульс только с требуемым в данном цикле поряд 55 ковым номером.В исходном состоянии все счетчикии триггер 27 сброшены, а триггеры28 и 29 установлены в единичное сос 1638687тояние. Коды на выходах двоичных счет чиков 20 и 21 совпадают, и высокий уровень с нулевого выхода дешифратора 23 через мультиплексор 24 поступа 5 ет на вход схемы И 31. Таким образом, в первом цикле схема И 31 открыта для первого в диапазоне анализа импульса с выхода СП 16, благодаря чему на стоповый вход ПВК поступает нужный в данном цикле первый стоповый импульс. По заднему фронту этого же импульса добавляется единица в двоичный счетчик 21, вызывая переключение мультиплексоров 24-26 в состояние, 15 в котором к их выходам подключены входы со следующим порядковым номером, в данном случае с первым. Так как в первом цикле на в;ех выходах дешифратора 23, кроме нулевого, при сутствует низкий уровень, то он и поступит на вход схемы И 31 по окончании первого стопового импульса, эапрещая прохождение на ПВК всех после-, дующих стоповых импульсов, каждый 25 из которых, однако, будет добавлять единицу в двоичный счетчик 21. Сдвоенным позиционным переключателем 38.2 с выхода формирователя 39 логической единицы подается на К-й вход мульти плексора 26 высокий уровень так, что с приходом К-го в диапазоне анализа импульса регистрируемого потока этот уровень транслируется на К-вход триггера 29, сбрасывая его, что, в свою очередь, вызывает блокировку схемы И 33, запрещая добавление единицы в двоичный счетчик 22, Аналогичным образом, подачей высокого уровня на(К+1)-й вход мультиплексора 25 сбрасывается по К-входу триггер 28, чтовызывает блокировку схемы И 32, запрещая прохождение на С-вход ГЗУ 18строб-импульса и, следовательно, регистрацию полученного с помощью 45ПВК 17 результата преобразования временного интервала между стартовымимпульсом и выделенным в данном цикле стоповым импульсом. Кроме того,для предотвращения регистрации в ГЗУвыходного кода неостановленного ПВКпри отсутствии стопового импульса стребуемым в данном реализации порядковым номером производится дополнительная блокировка схемы И 32 выход 55ным уровнем сброшенного в исходном состоянии триггера 27, который разблокируется выходным сигналом мультиплексора 24 только при появлении в диапазоне анализа требуемого стопового сигнала, С помощью резисторов В.- К поддерживается низкий уровень на всех входах мультиплексоров 25 и 26, на которые не подается высокий уровень с формирователя 39 логической единицы,Одновибратор 36 по окончании временного интервала анализа вырабатывает импульс, запускающий одновибратор 37, добавляющий единицу в двоичный счетчик 20 и поступающий на входы схем И 32 и 33. Если за время анализа на выходе СП 16 появилось меньше К импульсов, то схема И 33 разблокирована и выходной импульс одновибратора 36 поступает на счетный вход двоичного счетчика 22, добавляя к его содержимому единицу, Кроме того, при наличии в диапазоне анализа стопового импульса с требуемым порядковым номером разблокирована схема И 32 и выходной импульс одновибратора 36 поступает на С-вход ГЗУ 18, что вызывает добавление единицы в ячейку гистограммирующего запоминающего устройства, номер которого определяется цифровым кодом на выходе ПВК.По окончании выходного импульса одновибратора 36 одновибратор 37 вырабатывает свой импульс, который через схему ИЛИ 34 возвращает в исходное состояние триггеры 27-29, ПВК 17, двоичный счетчик 21, после чего установка готова к следующему циклу измерений.Следующий цикл отличается от предыдущего тем, что дешифратор 23, в соответствии с поступающим с выхода двоичного счетчика 20 цифровым кодом, выставляет высокий уровень уже на своем выходе с номером 1 так, что только после окончания первого стопового импульса, когда коды на выходах двоичных счетчиков 20 и 2 сравниваются,. этот высокий уровень будет подан на схему И 31 и разрешит прохождение на ПВК второго из поступивших в данном цикле в диапазоне анализа импульса, после чего схема И 31 будет снова заблокирована, Таким образом, в первом цикле схемой И 31 пропускается на ПВК первый в интервале анализа стопбвый импульс, во втором цикле - второй в К-м цикле - К-й импульс. Выход с порядковым номером К дешифратора 23 через сдвоенный позиционный переключатель 38.1, задающий константу К, соединенс входом схемы 1 В 35 )ак, что ноян)1 Я 1 ОЩ 1111 С 51 1 Ос)ге К 10 цггк,гс вьгСОКИИ уровень на упомянутом нь)ходе дешифраторя 23 через схему ИЛИ 35 сбрасывает двоичный счетчик 20, и следующий (К+1)-й цикл будет полностью аналогичен первомуОписанные циклы повторяют требуемое количество раз, после чего процессО измерений прерывается, Это легко реализуется, если источник импульсов возбуждения исследуемого объекта 10 является управляемым и сам генерирует заданное число импульсов возбуждения. В противном случае установка должна содержать счетчик числа стартовых импульсов, обеспечивающий блокировку стартового входа после поступления заданного числа этих импульсов. 20Для повышения скорости набора экспериментальных данных в каждой из реализаций процесса измеряют не одни, а несколько временных интервалов, 25 число которых и ( К. Для этого в устройстве используют несколько одно- стоповых или один многостоповый изме - ритель временных интервалов. Установка с таким измерителем функционирует 30 аналогично рассмотренной выше с той лишь разницей, что ее элементы управления выделяют в каждом цикле измерений не один, а и стоповых импульсов.Наиболее просто этя операция выполняется при выборе импульсов с последовательными номерами, например, при п=4 и К=6 в первом цикле регистрируют импульсы 1, 2, 3 и 4, во втором -2, 3, 4 и 5, в третьем - 3, 4, 5 и 6, в четвертом - 4, 5, 6 и 1, в пятом - 5, 6, 1 и 2 и т.д. Для реализации указанного алгоритма в состав установки должно быть введено соответствующее число предварительно устанавливаемых счетчиков входных импульсов и дешифраторов их номеров, обес - печивающих выделение импульсов с требуемыми номерами и подачу их на соответствущие входы измерителей временных интервалов.В результате работы устройства в ячейках ГЗУ будут находиться числа появлений каждого из возможных результатов квантования длительности интер 5 валов времени, а н двоичном счетчике 22 - двоичный код общего количества реализаций процесса, в которых количестно поступивших в диапазоне анализа стоповых импульсон было меньше К. Этя информация позволяет после проведения вычислений по приведенному ньппе соотношеник) восстановить истинную функцию изменения по диапазону анялиЗа ИНтЕНСИВНОСтИ РЕГИСТРИРУЕМОГО ПотО - ка сигналов.Покажем аналитически справедливость такого способа регистрации функции изменения интенсивнсоти сигнального потока, гредположе 1 мчто исходны 11 по ток является потоком Пуассона интен - синности Я (С), Обозначим через Я = Т 0, Т диапазон анализа потока импульсов. В соответствии с изложенным вьппе, процесс регистрации заключается в след.ю)ем. Имеется некоторое число К8, Всякая реализация потока, содержащая более К событий, считается пустой (исключаются из накопления полученньге н ней результаты измерений, т.е . ныпопняется процедура режекции). Для остальных реализаций осуществляется регистрация момента возникновения только одного события стопового имгулься, номер которого пг последовательно пробегает значения от 1 до К. Если в очередной реализации число событий меньше текущего номера ш, то реализация также считается пустой, а номер тп в любом случае увеличивается на единицу.Пусть Г (с) - интенсивность зарех1гистрированного потока, тогдаЕ= --- ; Г (с/ш), (1)хх=)где Г х (/ггг) - вероятность того, чтопри текущем номере пг в отрезокС + с 1.попадает ш-е событие реализации потока, полученного после режекции,Для описания случайных потоковбудем использовать систему плотностейи 1 (,Г,1 Й)1 г.= 0 ь 13)задак)щих совместное распределениемоментов наступления событий на 2 .Известно, что указанные плотности вслучае потока Пуассона имеют видле;1 е,е Р) = 1 )Я(е ) ехрЫК=1Я(2)Обозначим через 4 число событийисходного потока, наступивших наинтервале. Тогда вероятность наступления точнособытий на С 2 определяется выражением11 5 ступления точно 1 событий потока после режекпии. Тогда, очевидно,и (, 2) л., (-1)(-щ),) В первой части полученного выражевания, тогда ния меняем местами операции суммироГЛ (с Т)3=.) ----- . (5)РсКПредположим, что проведено Х, циклов измерений исходного потока на диапа 50 зоне анализа Д, разбитого на 1 каналов регистрации с щагом квантования ДСТогда из (5) следует оценка для интенсивности анализируемого потока:а( Кф- (6) 55(Ц 11,)где а- количество: :регистрированных событий потока, попавших в 1-йгде аканал за помин ающег о уст ройств а, т ак где Л =%Я)Ж - среднее число событий потока на интервале Га,1 .Пусть и . (,1:, С Я) - совместная плотность распределения моментов научитывая указанную вьиие вероятностнуюинтерпретацию (рункции 1 (1/в), имеемМ Подставляя в последнее выражение (4) откуда на основании (1) находим для 3", (С, ;, ). с учетом (2),получаем ачто --- является оценкой интен(1,4 есивности Г, (с),Т + (3-1 ИС То +4 +Й; а Ч - число реализаций исходного потока, у котор),):. количество событий меньще К , так что оценкой-"гПроведя сокращения в (6), окончательно получим;ф йЬ (7) Для оценки скорости набора экспериментальнь(х данных при реализации20 1,Способ регистрации функции изменения интенсивности нестационарных потоков сигналов, при котором формипредлагаемого способа используемвеличину , под которой будем понимать вероятность того, что в поступающей реализации будет эарегистри 5ровано какое-либо событие. Так, дляспособа-прототипа эта величина равна-Иа)а =-1 - Л (а) е , (8)В нашем случае эффективность (фпредставлена в виде01К , вгде (1 ь, - вероятность того что впоступившей реализации будет зарегистрировано ш-е событие потока. Оче 5видно, чтотЯ =Г, (й/ш)йй,откуда, с учетоми (9), имеемаф =Г",(с)ас. (1 О)Я.Подставляя в (10) выражение (4),находим1 -; ГЛ ЯЗ -Л(ФК; (1- )25Очевидно, что настоящий способбудет эффективнее известного, если(12) ЗоК Я (х)Иэ анализа формулы (12) следует,что при К=1 эффективность обоих способов одинакова (ц=1), а для любыхК ) 1 и при Л Я) т 1 эффективностьнастоящего способа выше (с ) 1),35Кроме того, для любого Л 32) можно выбрать такое оптимальное значениепараметра К = К, что выражение дляэффективности данного способа Ц иэ(11) будет принимать максимальные значения, Результаты расчетов, выполненных на ЗВМ, представлены на фиг.4 иотражают зависимость величины о отЛ(ф при К = Ко Иэ полученных результатов следует, что величина цпри любых Л ф) не меньше 1,Таким образом, применение предла.гаемого способа статистического временного анализа нестационарных потоков событий позволяет повысить скорость набора экспериментальных данных и расширить рабочий диапазон интенсивностианализируемых потоков сигналов,Формула изобретения55 руют заданное количество стартовых электрических импульсов, синхронизированных с моментами возбуждения исследуемого физического процесса, формируют представляющие собой отдельные реализации этого процесса последовательности стоповых электрических импульсов, синхронизированных с момеитами наступления событий исследуемого процесса, задают временной диапазон Т проведения анализа путем формироивания временных интервалов определенной длительностиначало каждого иэ которых связано с началом соответствующего стартового импульса, подсчи- тывают в каждой реализации процесса количество стоповых импульсов, поступающих в диапазоне анализа, измеряют в реализациях процесса одиночные временные интервалы между стартовым импульсом и выделенным стоповым импульсом, поступившим в диапазоне анализа, путем преобразования времен" ных интервалов в цифровой код с шагом квантования временной шкалы 1, накапливают путем подсчета чисел а, где 1 ( 1 ( 1 , 1 , Т/ДС, появления каждого из возможных значений цифрового кода гистограмму. результатов измерений, исключают из накопления отдельные результаты измерения, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения рабочего диапазона изменения интенсивности регистрируемых потоков сигналов и повышения скорости набора экспериментальных данных при высокой интенсивности этих потоков, предварительно задают некоторое число К, в каждой из реализаций процесса выделяют из числа поступивших в диапазоне анализа один, определяющий окончание измеряемого интервала времени, стоповый импульс, порядковый номер которого для каждой последующей реализации .циклически изменяют от 1 до К с шагом 1, при этом в первой реализации выделяют первый стоповый импульс, во второй реализации - второй в К-й реализации - К-й, в (К+1)-й реализации - вновь первый стоповый импульс и т.д., а затем отбирают в следующей реализации потока стоповый импульс со следующим порядковым номером, установленным по приведенному правилу, исключают иэ накопления те результаты измерений, которые получены в реализациях процесса, в которых количество стоповых им1638687 а Диапазон анализа зация 1 еализация зация еализация 4 еализация 5 Зарегистрированные события обоады регистрации стоцовые шлгульсы рируедые стоповые жигуль пульсов, поступивших в диапазоне анализа, превысило К, подсчитывают общее количество И реализаций процесса, в которых количество стоповых импуль сов, поступивших в диапазоне анализа меньше К, и вычисляют после выполнения заранее заданного числа циклов возбуждения исследуемого процесса соответствующие отдельным интерва лам квантования рабочего диапазона значения ординат ф , Функции изменения во времени, интенсивности регистрируемого потока сигналов путем деления увеличенных в К раз чисел а на 153 число М и шаг квантования временной шкалы ЬГ2.Способ по и,1, о т л н ч а ю - щ и й с я тем, что, с целью получения максимальной для данного анализи О руемого процесса скорости набора экспериментальных данных, предварительно измеряют интенсивность этого процесса путем подсчета среднего числа Я стоповых импульсов, поступивших в. диапазоне анализа, и выбирают число К так, чтобы выражениееК, (з.-1) 1принимало максимальное значение,З.Способ по и.1, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что, с целью повышения скорости набора экспериментальных данных, в каждой реализации процесса измеряют п (где 1 ( пК) временных интервалов от стартового импульса до каждого из и стоповых импульсов, порядковые номера которых не совпадают между собой и циклически изменяются от реализации по приведенному ранее правилу.1638 Ь 87 Старт зон 36ЗЦИЯ еализация е ализа Зарвгистрн ро ванны события отобегистрации стспозыв юшлъск - нерегистрируемые соФиг. 2