采樣單光子探測器及其自適應(yīng)差分判決方法
【專利摘要】一種采樣單光子探測器及其自適應(yīng)差分判決方法，包括APD電路，在APD電路的信號輸出端依次串接采樣電路和數(shù)字信號處理電路，所述的數(shù)字信號處理電路與存儲(chǔ)電路雙向連接；采樣單光子探測器的自適應(yīng)差分判決方法包括：采用APD電路探測輸入光子，輸出光生電流；對APD電路輸出的光生電流進(jìn)行采樣，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)電路中；在數(shù)字信號處理電路中，將當(dāng)前的探測數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)電路保存的最近一次沒有單光子輸入時(shí)的探測數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)差分處理，然后將處理結(jié)果與判決閾值比較，進(jìn)行判決。本發(fā)明提供一種合理的方法來對原始的APD數(shù)字信號進(jìn)行合理的處理，并對信號的直流電平漂移進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。
【專利說明】采樣單光子探測器及其自適應(yīng)差分判決方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及ー種單光子探測技術(shù)，尤其是使用雪崩光電二極管(APD)的單光子探測器，具體的說是ー種采樣單光子探測器及其自適應(yīng)差分判決方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，公知的使用雪崩光電二極管的單光子探測器由APD電路和比較鑒別電路組成。Aro在門控脈沖的驅(qū)動(dòng)下工作于蓋革模式，探測輸入光子，輸出光生電流。比較鑒別電路檢測電流是否超過設(shè)定的閾值，據(jù)此判決單光子探測器是否探測到了光子。為了抑制門控脈沖在Aro輸出上的尖峰噪聲，通常可以采用差分電路、同軸電纜反射、同步門等方法[紅外單光子探測器的研制，劉云，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士學(xué)位論文]。但是，這些方法都是在模擬域?qū)PD的輸出信號進(jìn)行處理和判決，沒有將信號數(shù)字化，因此，不能利用數(shù)字信號處理的方法來獲得更好的抑制效果，也無法對信號的直流電平漂移進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有電路未能對原始的APD數(shù)字信號進(jìn)行合理的處理，并對信號的直流電平漂移進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整的問題，提出ー種采樣單光子探測器及其自適應(yīng)差分判決方法。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
ー種采樣單光子探測器，它包括AH)電路，在APD電路的信號輸出端依次串接采樣電路和數(shù)字信號處理電路，所述的采樣電路將APD電路輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，前述采樣電路的數(shù)字信號輸出端與數(shù)字信號處理電路的信號輸入端相連，數(shù)字信號處理電路與存儲(chǔ)電路雙向連接。
[0005]ー種采樣單光子探測器的自適應(yīng)差分判決方法，應(yīng)用采樣單光子探測器，它包括以下步驟:
采用APD電路探測輸入光子，輸出光生電流；
對APD電路輸出的光生電流進(jìn)行采樣，獲取光生電流的數(shù)字信號并發(fā)送至數(shù)字信號處理電路，數(shù)字信號處理電路將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)電路中；
在數(shù)字信號處理電路中，將當(dāng)前的探測數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)電路保存的最近一次沒有單光子輸入時(shí)的探測數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)差分處理，然后將處理結(jié)果與判決閾值比較，進(jìn)行判決。
[0006]本發(fā)明的具體步驟為:
(a)、設(shè)置采樣單光子探測器的判決閾值為D，選擇ー個(gè)已知沒有單光子輸入的周期開始探測；
(b)采用APD電路對輸入光子進(jìn)行探測，對APD電路輸出的光生電流進(jìn)行采樣，獲取光生電流的數(shù)字信號P并發(fā)送至數(shù)字信號處理電路，數(shù)字信號處理電路將當(dāng)前周期光生電流的數(shù)字信號P和其直流電平I存儲(chǔ)在存儲(chǔ)電路中，P和I即為最近一次沒有單光子輸入時(shí)的APD輸出及其直流電平； (C)、按(b)方法進(jìn)行下ー個(gè)周期的單光子探測，并將光生電流的數(shù)字信號及其直流電平分別保存為q和m ;
(d)、計(jì)算當(dāng)前周期與最近一次沒有單光子輸入周期的光生電流的數(shù)字信號各采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的差值r，r=q-p,即從采樣結(jié)果中扣除APD雪崩特性的漂移；
(e)、計(jì)算各采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的差分探測值s=r-(m-l)，從差值r中進(jìn)ー步扣除APD電路直流電平的漂移，得到差分探測結(jié)果；
(f)、將差分探測值s中的每個(gè)點(diǎn)值與判決閾值D依次進(jìn)行比較，如果s中的任一點(diǎn)值比D大，則判決為探測到單光子，并轉(zhuǎn)(c);如果s中的所有點(diǎn)值都比D小，則判決為沒有探測到單光子，將q改記為P，將m改記為I,然后轉(zhuǎn)(C)。
[0007]本發(fā)明的判決閾值D扣除了 APD雪崩特性的漂移和APD電路直流電平的漂移，設(shè)置步驟為:
(a)、選擇ー個(gè)探測周期不輸入單光子，對APD電路輸出的光生電流進(jìn)行采樣，獲取光生電流的數(shù)字信號P并發(fā)送至數(shù)字信號處理電路，數(shù)字信號處理電路將當(dāng)前周期光生電流的數(shù)字信號P和其直流電平I存儲(chǔ)在存儲(chǔ)電路中，P和I即為當(dāng)前沒有單光子輸入時(shí)的APD輸出及其直流電平；
(b)、在緊接(a)的下一個(gè)探測周期輸入單光子，對APD電路輸出的光生電流進(jìn)行采樣，獲取光生電流的數(shù)字信號q并發(fā)送至數(shù)字信號處理電路，數(shù)字信號處理電路將當(dāng)前周期光生電流的數(shù)字信號q和其直流電平m存儲(chǔ)在存儲(chǔ)電路中，q和m即為當(dāng)前有單光子輸入時(shí)的APD輸出及其直流電平；
(C)、計(jì)算當(dāng)前周期與最近一次沒有單光子輸入周期的光生電流的數(shù)字信號各采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的差值r，r=q-p，得到扣除了 APD雪崩特性的漂移的有單光子輸入時(shí)的采樣結(jié)果；
(e)、計(jì)算各采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的差分探測值s,s=r-(m-l),即從r中進(jìn)ー步扣除APD電路直流電平的漂移，得到APD電路在前后相繼的兩個(gè)探測周期的差分探測結(jié)果；
(f)、從s中的各點(diǎn)數(shù)據(jù)篩選出峰值，記為k；
(g)、重復(fù)步驟(a)— Cf)多次；
(h)、將各次的k從大到小逐個(gè)選取，并逐次計(jì)算不小于所選值的k占所有k的比例；
(i)、將所計(jì)算的各個(gè)比例與所用APD的量子效率及其雪崩概率的乘積比較，找到不大于但最接近于該乘積的臨界比例，將此比例計(jì)算時(shí)所被選中的k記為本輪探測的最佳閾值d ；
(j)、重復(fù)(a) —(i)多次，計(jì)算多個(gè)d的算術(shù)平均值，作為最終的判決閾值D。
[0008]本發(fā)明的直流電平I為光生電流的數(shù)字信號P的各采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的算木平均值。
[0009]本發(fā)明的有益效果:
本發(fā)明提供ー種合理的方法來對原始的APD數(shù)字信號進(jìn)行合理的處理，并對信號的直流電平漂移進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。
[0010]本發(fā)明中，由于P是離q最近的一次無單光子輸入時(shí)的APD輸出，q和p中的尖峰噪聲幾乎相同，所以，(q_P)這個(gè)差分結(jié)果可以基本剔除q中包含的尖峰噪聲；由于保存了P和q的均值I和m，所以，(m-1)這個(gè)差分結(jié)果可以反映APD輸出的直流電平的漂移，將這個(gè)漂移從前ー個(gè)差分結(jié)果中扣除，即[(q_P) - (m-1)]，就實(shí)現(xiàn)了對直流電平漂移進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。將這個(gè)結(jié)果與閾值比較判決，就可以完成準(zhǔn)確的判決。[0011 ]
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]【具體實(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)ー步的說明。
[0015]如圖1所示，ー種采樣單光子探測器，它包括APD電路，其特征是在APD電路的信號輸出端依次串接采樣電路和數(shù)字信號處理電路，所述的采樣電路將APD電路輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，前述采樣電路的數(shù)字信號輸出端與數(shù)字信號處理電路的信號輸入端相連，數(shù)字信號處理電路與存儲(chǔ)電路雙向連接。
[0016]ー種采樣單光子探測器的自適應(yīng)差分判決方法，應(yīng)用采樣單光子探測器，它包括以下步驟:
采用APD電路探測輸入光子，輸出光生電流；
對APD電路輸出的光生電流進(jìn)行采樣，獲取光生電流的數(shù)字信號并發(fā)送至數(shù)字信號處理電路，數(shù)字信號處理電路將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)電路中；
在數(shù)字信號處理電路中，將當(dāng)前的探測數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)電路保存的最近一次沒有單光子輸入時(shí)的探測數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)差分處理，然后將處理結(jié)果與判決閾值比較，進(jìn)行判決。
[0017]本發(fā)明的具體步驟為:
(a)、設(shè)置采樣單光子探測器的判決閾值為D，選擇ー個(gè)已知沒有單光子輸入的周期開始探測；
(b)采用APD電路對輸入光子進(jìn)行探測，對APD電路輸出的光生電流進(jìn)行采樣，獲取光生電流的數(shù)字信號P并發(fā)送至數(shù)字信號處理電路，數(shù)字信號處理電路將當(dāng)前周期光生電流的數(shù)字信號P和其直流電平I存儲(chǔ)在存儲(chǔ)電路中，P和I即為最近一次沒有單光子輸入時(shí)的APD輸出及其直流電平；
(C)、按(b)方法進(jìn)行下ー個(gè)周期的單光子探測，并將光生電流的數(shù)字信號及其直流電平分別保存為q和m ;
(d)、計(jì)算當(dāng)前周期與最近一次沒有單光子輸入周期的光生電流的數(shù)字信號各采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的差值r，r=q-p,即從采樣結(jié)果中扣除APD雪崩特性的漂移；
(e)、計(jì)算各采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的差分探測值s=r_(m-1)，從差值r中進(jìn)ー步扣除APD電路直流電平的漂移，得到差分探測結(jié)果；
(f)、將差分探測值s中的每個(gè)點(diǎn)值與判決閾值D依次進(jìn)行比較，如果s中的任一點(diǎn)值比D大，則判決為探測到單光子，并轉(zhuǎn)(c);如果s中的所有點(diǎn)值都比D小，則判決為沒有探測到單光子，將q改記為P，將m改記為I,然后轉(zhuǎn)(C)。
[0018]本發(fā)明的判決閾值D扣除了 APD雪崩特性的漂移和APD電路直流電平的漂移，設(shè)置步驟為:
(a)、選擇ー個(gè)探測周期不輸入單光子，對APD電路輸出的光生電流進(jìn)行采樣，獲取光生電流的數(shù)字信號P并發(fā)送至數(shù)字信號處理電路，數(shù)字信號處理電路將當(dāng)前周期光生電流的數(shù)字信號P和其直流電平I存儲(chǔ)在存儲(chǔ)電路中，P和I即為當(dāng)前沒有單光子輸入時(shí)的APD輸出及其直流電平；
(b)、在緊接(a)的下一個(gè)探測周期輸入單光子，對APD電路輸出的光生電流進(jìn)行采樣，獲取光生電流的數(shù)字信號q并發(fā)送至數(shù)字信號處理電路，數(shù)字信號處理電路將當(dāng)前周期光生電流的數(shù)字信號q和其直流電平m存儲(chǔ)在存儲(chǔ)電路中，q和m即為當(dāng)前有單光子輸入時(shí)的APD輸出及其直流電平；
(C)、計(jì)算當(dāng)前周期與最近一次沒有單光子輸入周期的光生電流的數(shù)字信號各采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的差值r，r=q-p，得到扣除了 APD雪崩特性的漂移的有單光子輸入時(shí)的采樣結(jié)果；
(e)、計(jì)算各采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的差分探測值s,s=r-(m-l),即從r中進(jìn)ー步扣除APD電路直流電平的漂移，得到APD電路在前后相繼的兩個(gè)探測周期的差分探測結(jié)果；
(f)、從s中的各點(diǎn)數(shù)據(jù)篩選出峰值，記為k；
(g)、重復(fù)步驟(a)— Cf)多次；
(h)、將各次的k從大到小逐個(gè)選取，并逐次計(jì)算不小于所選值的k占所有k的比例；
(i)、將所計(jì)算的各個(gè)比例與所用APD的量子效率及其雪崩概率的乘積比較，找到不大于但最接近于該乘積的臨界比例，將此比例計(jì)算時(shí)所被選中的k記為本輪探測的最佳閾值d ；
(j)、重復(fù)(a) —(i)多次，計(jì)算多個(gè)d的算術(shù)平均值，作為最終的判決閾值D。
[0019]本發(fā)明的直流電平I為光生電流的數(shù)字信號P的各采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的算木平均值。
[0020]本發(fā)明提供ー種合理的方法來對原始的APD數(shù)字信號進(jìn)行合理的處理，并對信號的直流電平漂移進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。
[0021]本發(fā)明中，由于p是離q最近的一次無單光子輸入時(shí)的APD輸出，q和p中的尖峰噪聲幾乎相同，所以，(q_P)這個(gè)差分結(jié)果可以基本剔除q中包含的尖峰噪聲；由于保存了P和q的均值I和m，所以，(m-1)這個(gè)差分結(jié)果可以反映APD輸出的直流電平的漂移，將這個(gè)漂移從前ー個(gè)差分結(jié)果中扣除，即[(q_P) - (m-1)]，就實(shí)現(xiàn)了對直流電平漂移進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。將這個(gè)結(jié)果與閾值比較判決，就可以完成準(zhǔn)確的判決。
[0022]本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。
【權(quán)利要求】
1.ー種采樣單光子探測器，它包括APD電路，其特征是在APD電路的信號輸出端依次串接采樣電路和數(shù)字信號處理電路，所述的采樣電路將APD電路輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，前述采樣電路的數(shù)字信號輸出端與數(shù)字信號處理電路的信號輸入端相連，數(shù)字信號處理電路與存儲(chǔ)電路雙向連接。
2.ー種采樣單光子探測器的自適應(yīng)差分判決方法，應(yīng)用權(quán)利要求1所述的采樣單光子探測器，其特征是它包括以下步驟: 采用APD電路探測輸入光子，輸出光生電流； 對APD電路輸出的光生電流進(jìn)行采樣，獲取光生電流的數(shù)字信號并發(fā)送至數(shù)字信號處理電路，數(shù)字信號處理電路將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)電路中； 在數(shù)字信號處理電路中，將當(dāng)前的探測數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)電路保存的最近一次沒有單光子輸入時(shí)的探測數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)差分處理，然后將處理結(jié)果與判決閾值比較，進(jìn)行判決。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的采樣單光子探測器的自適應(yīng)差分判決方法，其特征是具體步驟為: (a)、 設(shè)置采樣單光子探測器的判決閾值為D，選擇ー個(gè)已知沒有單光子輸入的周期開始探測； (b)采用APD電路對輸入光子進(jìn)行探測，對APD電路輸出的光生電流進(jìn)行采樣，獲取光生電流的數(shù)字信號P并發(fā)送至數(shù)字信號處理電路，數(shù)字信號處理電路將當(dāng)前周期光生電流的數(shù)字信號P和其直流電平I存儲(chǔ)在存儲(chǔ)電路中，P和I即為最近一次沒有單光子輸入時(shí)的APD輸出及其直流電平； (C)、按(b)方法進(jìn)行下ー個(gè)周期的單光子探測，并將光生電流的數(shù)字信號及其直流電平分別保存為q和m ; (d)、計(jì)算當(dāng)前周期與最近一次沒有單光子輸入周期的光生電流的數(shù)字信號各采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的差值r，r=q-p,即從采樣結(jié)果中扣除APD雪崩特性的漂移； (e)、計(jì)算各采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的差分探測值s=r-(m-l)，從差值r中進(jìn)ー步扣除APD電路直流電平的漂移，得到差分探測結(jié)果； (f)、將差分探測值s中的每個(gè)點(diǎn)值與判決閾值D依次進(jìn)行比較，如果s中的任一點(diǎn)值比D大，則判決為探測到單光子，并轉(zhuǎn)(c);如果s中的所有點(diǎn)值都比D小，則判決為沒有探測到單光子，將q改記為P，將m改記為I,然后轉(zhuǎn)(C)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的采樣單光子探測器的自適應(yīng)差分判決方法，其特征是判決閾值D扣除了 APD雪崩特性的漂移和APD電路直流電平的漂移，設(shè)置步驟為: (a)、選擇ー個(gè)探測周期不輸入單光子，對APD電路輸出的光生電流進(jìn)行采樣，獲取光生電流的數(shù)字信號P并發(fā)送至數(shù)字信號處理電路，數(shù)字信號處理電路將當(dāng)前周期光生電流的數(shù)字信號P和其直流電平I存儲(chǔ)在存儲(chǔ)電路中，P和I即為當(dāng)前沒有單光子輸入時(shí)的APD輸出及其直流電平； (b)、在緊接(a)的下一個(gè)探測周期輸入單光子，對APD電路輸出的光生電流進(jìn)行采樣，獲取光生電流的數(shù)字信號q并發(fā)送至數(shù)字信號處理電路，數(shù)字信號處理電路將當(dāng)前周期光生電流的數(shù)字信號q和其直流電平m存儲(chǔ)在存儲(chǔ)電路中，q和m即為當(dāng)前有單光子輸入時(shí)的APD輸出及其直流電平； (C)、計(jì)算當(dāng)前周期與最近一次沒有單光子輸入周期的光生電流的數(shù)字信號各采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的差值r，r=q-p，得到扣除了 APD雪崩特性的漂移的有單光子輸入時(shí)的采樣結(jié)果； (e)、計(jì)算各采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的差分探測值s,s=r-(m-l),即從r中進(jìn)ー步扣除APD電路直流電平的漂移，得到APD電路在前后相繼的兩個(gè)探測周期的差分探測結(jié)果； (f)、從s中的各點(diǎn)數(shù)據(jù)篩選出峰值，記為k； (g)、重復(fù)步驟(a)— Cf)多次； (h)、將各次的k從大到小逐個(gè)選取，并逐次計(jì)算不小于所選值的k占所有k的比例； (i)、將所計(jì)算的各個(gè)比例與所用APD的量子效率及其雪崩概率的乘積比較，找到不大于但最接近于該乘積的臨界比例，將此比例計(jì)算時(shí)所被選中的k記為本輪探測的最佳閾值d ； (j)、重復(fù)(a) —(i)多次，計(jì)算多個(gè)d的算術(shù)平均值，作為最終的判決閾值D。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的采樣單光子探測器的自適應(yīng)差分判決方法，其特征是直流電平I為 光生電流的數(shù)字信號P的各采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的算木平均值。
【文檔編號】G01J11/00GK103528695SQ201310476538
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月14日
【發(fā)明者】周華, 朱勇, 武欣嶸, 蘇洋, 何敏, 王藝敏 申請人:中國人民解放軍理工大學(xué)