單點(diǎn)采樣判決單光子探測(cè)器及其采樣判決方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種單光子探測(cè)技術(shù)，尤其是使用雪崩光電二極管（APD)的單光子探 測(cè)器，具體的說(shuō)是一種單點(diǎn)采樣判決單光子探測(cè)器及其采樣判決方法。
【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(cè)器由APD電路和比較鑒別電路組 成。AH)在門(mén)控脈沖的驅(qū)動(dòng)下工作于蓋革模式，探測(cè)輸入光子，輸出光生電流。比較鑒別電 路檢測(cè)電流是否超過(guò)設(shè)定的閾值，據(jù)此判決單光子探測(cè)器是否探測(cè)到了光子。大多數(shù)方法 都是在模擬域?qū)ro的輸出信號(hào)進(jìn)行處理和判決[紅外單光子探測(cè)器的研制，劉云，中國(guó) 科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士學(xué)位論文]。專(zhuān)利[201310476538.5]提出了通過(guò)采樣將信號(hào)數(shù)字化、并 運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來(lái)自適應(yīng)判決的方法，但由于需要對(duì)每個(gè)探測(cè)周期內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行多 次采樣，這種方法探測(cè)的工作頻率和采樣得到的數(shù)據(jù)量會(huì)是APD電路輸入的數(shù)十倍甚至數(shù) 百倍，隨著輸入信號(hào)速率提高，其實(shí)現(xiàn)將會(huì)越來(lái)越復(fù)雜和困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有采樣單光子探測(cè)方法需要對(duì)每個(gè)探測(cè)周期內(nèi)的信號(hào)進(jìn) 行多次采樣，導(dǎo)致探測(cè)的工作頻率和采樣得到的數(shù)據(jù)量會(huì)是APD電路輸入的數(shù)十倍甚至數(shù) 百倍的問(wèn)題，提出一種單點(diǎn)采樣判決單光子探測(cè)器及其采樣判決方法。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0005] -種單點(diǎn)采樣判決單光子探測(cè)器，在它包括APD電路、采樣電路、數(shù)字信號(hào)處理電 路、存儲(chǔ)電路、控制電路、探測(cè)時(shí)鐘電路和采樣時(shí)鐘電路，所述的APD電路的探測(cè)信號(hào)輸出 端依次串接采樣電路和數(shù)字信號(hào)處理電路，采樣電路用于將APD電路輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換 為數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)處理電路對(duì)采樣電路輸出的信號(hào)進(jìn)行處理，控制電路與數(shù)字信號(hào)處 理電路雙向連接，讀取數(shù)據(jù)處理結(jié)果并控制數(shù)據(jù)處理的步驟，控制電路的控制信號(hào)輸出端 與采樣時(shí)鐘電路的控制信號(hào)輸入端連接，控制采樣時(shí)鐘電路輸出的采樣時(shí)鐘的相移量，探 測(cè)時(shí)鐘電路的時(shí)鐘信號(hào)輸出端同時(shí)連接APD電路和采樣時(shí)鐘電路，為APD電路和采樣時(shí)鐘 電路提供同源時(shí)鐘，采樣時(shí)鐘電路的時(shí)鐘信號(hào)輸出端與采樣電路的時(shí)鐘信號(hào)輸入端連接， 將移相了的探測(cè)時(shí)鐘輸出給采樣電路作采樣時(shí)鐘，使得采樣電路能夠按指定的相位在每個(gè) 探測(cè)周期內(nèi)采集數(shù)據(jù)。
[0006] 本發(fā)明的數(shù)字信號(hào)處理電路與存儲(chǔ)電路雙向連接，對(duì)處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和讀 取。
[0007] -種單點(diǎn)采樣判決單光子探測(cè)器的采樣判決方法，應(yīng)用單點(diǎn)采樣判決單光子探測(cè) 器，它包括以下步驟：
[0008] 采用APD電路探測(cè)輸入光子，輸出光生電流；
[0009] 采樣電路對(duì)APD電路輸出的光生電流在相位G進(jìn)行單點(diǎn)采樣，獲取光生電流在該 相位的數(shù)字信號(hào)并發(fā)送至數(shù)字信號(hào)處理電路，數(shù)字信號(hào)處理電路將相位G的數(shù)字信號(hào)作為 實(shí)時(shí)探測(cè)值進(jìn)行存儲(chǔ)；
[0010] 在數(shù)字信號(hào)處理電路中，將當(dāng)前的探測(cè)值與判決閾值D比較，進(jìn)行判決。
[0011] 本發(fā)明的米樣相位G和判決閾值D根據(jù)APD電路在有光子輸入和無(wú)光子輸入時(shí)的 輸出統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置步驟為：
[0012] (a)、在一個(gè)探測(cè)周期T內(nèi)選擇η個(gè)采樣相位，η滿(mǎn)足：n/T不小于APD探測(cè)信號(hào)帶 寬的2倍，其中第i個(gè)相位為23ii/ n+23it/T，其中i為整數(shù)，且OS i <n-l，t表示時(shí)間， 0〈t〈T/n，2 π t/T表示相位偏移量；
[0013] 設(shè)置統(tǒng)計(jì)周期數(shù)為m，使其不小于探測(cè)要求的暗計(jì)數(shù)概率的倒數(shù)的100倍；
[0014] (b)、設(shè)置采樣時(shí)鐘電路的時(shí)鐘相移量，使得采樣電路的采樣相位為η個(gè)采樣相位 中的任意一個(gè)，記為P ;
[0015] (c)、在一個(gè)探測(cè)周期內(nèi)不輸入單光子，采樣電路對(duì)APD電路輸出的光生電流在當(dāng) 前采樣相位進(jìn)行單點(diǎn)采樣，獲取光生電流的數(shù)字信號(hào)并發(fā)送至數(shù)字信號(hào)處理電路，數(shù)字信 號(hào)處理電路將該數(shù)字信號(hào)標(biāo)記為無(wú)單光子輸入時(shí)APD電路的輸出樣值J 1，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)電路 中；
[0016] ⑷、重復(fù)步驟（c)，共探測(cè)m個(gè)周期，獲得m個(gè)無(wú)單光子輸入時(shí)的APD輸出樣值 Jl~Jn1;
[0017] (e)、在一個(gè)探測(cè)周期內(nèi)輸入單光子，采樣電路對(duì)APD電路輸出的光生電流在當(dāng)前 采樣相位進(jìn)行單點(diǎn)采樣，獲取光生電流的數(shù)字信號(hào)并發(fā)送至數(shù)字信號(hào)處理電路，數(shù)字信號(hào) 處理電路將該數(shù)字信號(hào)標(biāo)記為有單光子輸入時(shí)APD電路的輸出樣值K 1，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)電路 中；
[0018] (f)、重復(fù)步驟（e)，共探測(cè)m個(gè)周期，獲得m個(gè)有單光子輸入時(shí)的AH)輸出樣值
[0019] (g)、將Λ~J "和K廣K "共2m個(gè)數(shù)值按從小到大排列為D廣D 2";
[0020] (h)、針對(duì)D1- D 2m中的任意一個(gè)D q，統(tǒng)計(jì)J\~JmllI11不小于D q的個(gè)數(shù)j，計(jì)算判決 閾值為Dq時(shí)的暗計(jì)數(shù)概率E q= j/m，統(tǒng)計(jì)K K "中不小于D q的個(gè)數(shù)k，計(jì)算判決閾值為D q 時(shí)的探測(cè)效率Fq= k/m ;
[0021 ] ⑴、重復(fù)步驟（h)，遍歷所有的Df D 2"，共可獲得2m個(gè)暗計(jì)數(shù)概率Ef E 2"和2m 個(gè)探測(cè)效率F1-F2ni;
[0022] (j)、在Ef E 2M和F丨~F 2M中，選擇一組最符合探測(cè)要求的暗計(jì)數(shù)概率和探測(cè)效 率，同一組的E和F下標(biāo)相同，對(duì)應(yīng)于同一個(gè)Dq，記為第p個(gè)采樣相位的最佳暗計(jì)數(shù)概率Ep 和最佳探測(cè)效率Fp，記其對(duì)應(yīng)的Dq為第p個(gè)采樣相位的最佳閾值D p;
[0023] (k)、重復(fù)步驟（b)~（j)，遍歷所有的采樣相位，共可獲得η個(gè)最佳暗計(jì)數(shù)概率 E1~E η、η個(gè)最佳探測(cè)效率F1~F "和η個(gè)最佳閾值D 1~D η;
[0024] (1)、在E1~E "和F I F η中選擇一組最符合探測(cè)要求的暗計(jì)數(shù)概率和探測(cè)效率， 同一組的E和F下標(biāo)相同，對(duì)應(yīng)于同一個(gè)Dq，記為最終暗計(jì)數(shù)概率E和最終探測(cè)效率F，記 其對(duì)應(yīng)的采樣相位為G，記其對(duì)應(yīng)的最佳判決閾值為D。
[0025] 本發(fā)明的步驟j和1中，選擇一組最符合探測(cè)要求的暗計(jì)數(shù)概率和探測(cè)效率是將 同一組的暗計(jì)數(shù)概率和探測(cè)效率與探測(cè)要求的暗計(jì)數(shù)概率和探測(cè)效率進(jìn)行比較，選取兩者 同時(shí)較為接近的一組。
[0026] 本發(fā)明的有益效果：
[0027] 本發(fā)明提供一種合理的方法將探測(cè)的工作頻率和采樣得到的數(shù)據(jù)量減少到與APD 電路輸入信號(hào)相同，并按照探測(cè)要求的暗計(jì)數(shù)概率和探測(cè)效率對(duì)采樣相位和判決閾值作統(tǒng) 計(jì)意義上的最優(yōu)選擇。
[0028] 本發(fā)明中，由于對(duì)有光子輸入和無(wú)光子輸入時(shí)都做了 m次探測(cè)，最佳閾值是在對(duì) 2m個(gè)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的基礎(chǔ)上選擇的，所以對(duì)于每個(gè)采樣相位，最佳閾值是統(tǒng)計(jì)意義上 的最優(yōu)選擇，對(duì)于最終設(shè)置的采樣相位，判決閾值也是如此；由于最終設(shè)置的采樣相位是在 對(duì)η個(gè)采樣相位的η組最佳統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較后選擇的，所以最終設(shè)置的采樣相位是η個(gè) 采樣相位中統(tǒng)計(jì)意義上的最優(yōu)選擇。將Aro輸出的光生電流在指定的相位作單點(diǎn)采樣，將 采樣結(jié)果與判決閾值比較，就可以完成統(tǒng)計(jì)意義上的最優(yōu)判決。
【附圖說(shuō)明】
[0029] 圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0031] 如圖1所示，一種單點(diǎn)采樣判決單光子探測(cè)器，它包括APD電路、采樣電路、數(shù)字 ?目號(hào)處理電路、存儲(chǔ)電路、控制電路、探測(cè)時(shí)鐘電路、米樣時(shí)鐘電路，其中：在APD電路的探 測(cè)信號(hào)輸出端依次串接采樣電路和數(shù)字信號(hào)處理電路，采樣電路將APD電路輸出的模擬信 號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)處理電路對(duì)采樣電路輸出的信號(hào)進(jìn)行處理，數(shù)字信號(hào)處理電 路還與存儲(chǔ)電路雙向連接，對(duì)處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和讀??；控制電路與數(shù)字信號(hào)處理電路 雙向連接，讀取數(shù)據(jù)處理結(jié)果并控制數(shù)據(jù)處理的步驟，控制電路還與采樣時(shí)鐘電路連接，控 制采樣時(shí)鐘電路輸出的采樣時(shí)鐘的相移量，探測(cè)時(shí)鐘電路同時(shí)連接APD電路和采樣時(shí)鐘電 路，為APD電路和采樣時(shí)鐘電路提供同源的探測(cè)時(shí)鐘，采樣時(shí)鐘電路與采樣電路連接，將移 相了的探測(cè)時(shí)鐘輸出給采樣電路作采樣時(shí)鐘，這樣采樣電路可以按指定的相位在每個(gè)探測(cè) 周期內(nèi)采集數(shù)據(jù)。
[0032] -種單點(diǎn)采樣判決單光子探測(cè)器的采樣判決方法，應(yīng)用單點(diǎn)采樣判決單光子探測(cè) 器，它包括以下步驟：
[0033] (a)、米用APD電路探測(cè)輸入光子，輸出光生電流；
[0034] (b)、采樣電路對(duì)APD電路輸出的光生電流在相位G進(jìn)行單點(diǎn)采樣，獲取光生電流 在該相位的數(shù)字信號(hào)并發(fā)送至數(shù)字信號(hào)處理電路，數(shù)字信號(hào)處理電路將相位G的數(shù)字信號(hào) 作為實(shí)時(shí)探測(cè)值存儲(chǔ)在存儲(chǔ)電路中；
[0035] (c)、在數(shù)字信號(hào)處理電路中，將當(dāng)前的探測(cè)值與閾值D比較，進(jìn)行判決。
[0036] 假設(shè)探測(cè)要求的暗計(jì)數(shù)概率為< 8X10 6、探測(cè)效率為多10%，本發(fā)明的采樣相位 G和判決閾值D設(shè)置步驟為：
[0037] (a)、在一個(gè)探測(cè)周期T內(nèi)選擇η個(gè)采樣相位，第i個(gè)相位為2 π i/n+2 π t/T，其中 i為整數(shù)，且0彡i彡n-1，使得n/T不小于APD探測(cè)信號(hào)帶寬的2倍，0〈t〈T/n ;選擇統(tǒng)計(jì)周 期數(shù)為m，使其不小于探測(cè)要求的暗計(jì)數(shù)概率的倒數(shù)的100倍；
[0038] (b)、設(shè)置采樣時(shí)鐘電路，使得采樣電路的采樣相位為η個(gè)采樣相位中的任意一 個(gè)，記為P ;
[0039] (c)、在一個(gè)探測(cè)周期內(nèi)不輸入單光子，采樣電路對(duì)APD電路輸出的光生電流在當(dāng) 前采樣相位進(jìn)行單點(diǎn)采樣，獲取光生電流的數(shù)字信號(hào)并發(fā)送至數(shù)字信號(hào)處理電路，數(shù)字信 號(hào)處理電路將該數(shù)字信號(hào)標(biāo)記為無(wú)單光子輸入時(shí)APD電路的輸出樣值J 1