单点采样判决单光子探测器及其采样判决方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种单光子探测技术，尤其是使用雪崩光电二极管（APD)的单光子探 测器，具体的说是一种单点采样判决单光子探测器及其采样判决方法。
【背景技术】
[0002] 目前，公知的使用雪崩光电二极管的单光子探测器由APD电路和比较鉴别电路组 成。AH)在门控脉冲的驱动下工作于盖革模式，探测输入光子，输出光生电流。比较鉴别电 路检测电流是否超过设定的阈值，据此判决单光子探测器是否探测到了光子。大多数方法 都是在模拟域对Aro的输出信号进行处理和判决[红外单光子探测器的研制，刘云，中国 科学技术大学博士学位论文]。专利[201310476538.5]提出了通过采样将信号数字化、并 运用数字信号处理技术来自适应判决的方法，但由于需要对每个探测周期内的信号进行多 次采样，这种方法探测的工作频率和采样得到的数据量会是APD电路输入的数十倍甚至数 百倍，随着输入信号速率提高，其实现将会越来越复杂和困难。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是针对现有采样单光子探测方法需要对每个探测周期内的信号进 行多次采样，导致探测的工作频率和采样得到的数据量会是APD电路输入的数十倍甚至数 百倍的问题，提出一种单点采样判决单光子探测器及其采样判决方法。
[0004] 本发明的技术方案是：
[0005] -种单点采样判决单光子探测器，在它包括APD电路、采样电路、数字信号处理电 路、存储电路、控制电路、探测时钟电路和采样时钟电路，所述的APD电路的探测信号输出 端依次串接采样电路和数字信号处理电路，采样电路用于将APD电路输出的模拟信号转换 为数字信号，数字信号处理电路对采样电路输出的信号进行处理，控制电路与数字信号处 理电路双向连接，读取数据处理结果并控制数据处理的步骤，控制电路的控制信号输出端 与采样时钟电路的控制信号输入端连接，控制采样时钟电路输出的采样时钟的相移量，探 测时钟电路的时钟信号输出端同时连接APD电路和采样时钟电路，为APD电路和采样时钟 电路提供同源时钟，采样时钟电路的时钟信号输出端与采样电路的时钟信号输入端连接， 将移相了的探测时钟输出给采样电路作采样时钟，使得采样电路能够按指定的相位在每个 探测周期内采集数据。
[0006] 本发明的数字信号处理电路与存储电路双向连接，对处理的数据进行存储和读 取。
[0007] -种单点采样判决单光子探测器的采样判决方法，应用单点采样判决单光子探测 器，它包括以下步骤：
[0008] 采用APD电路探测输入光子，输出光生电流；
[0009] 采样电路对APD电路输出的光生电流在相位G进行单点采样，获取光生电流在该 相位的数字信号并发送至数字信号处理电路，数字信号处理电路将相位G的数字信号作为 实时探测值进行存储；
[0010] 在数字信号处理电路中，将当前的探测值与判决阈值D比较，进行判决。
[0011] 本发明的米样相位G和判决阈值D根据APD电路在有光子输入和无光子输入时的 输出统计特性进行设置，设置步骤为：
[0012] (a)、在一个探测周期T内选择η个采样相位，η满足：n/T不小于APD探测信号带 宽的2倍，其中第i个相位为23ii/ n+23it/T，其中i为整数，且OS i <n-l，t表示时间， 0〈t〈T/n，2 π t/T表示相位偏移量；
[0013] 设置统计周期数为m，使其不小于探测要求的暗计数概率的倒数的100倍；
[0014] (b)、设置采样时钟电路的时钟相移量，使得采样电路的采样相位为η个采样相位 中的任意一个，记为P ;
[0015] (c)、在一个探测周期内不输入单光子，采样电路对APD电路输出的光生电流在当 前采样相位进行单点采样，获取光生电流的数字信号并发送至数字信号处理电路，数字信 号处理电路将该数字信号标记为无单光子输入时APD电路的输出样值J 1，存储在存储电路 中；
[0016] ⑷、重复步骤（c)，共探测m个周期，获得m个无单光子输入时的APD输出样值 Jl~Jn1;
[0017] (e)、在一个探测周期内输入单光子，采样电路对APD电路输出的光生电流在当前 采样相位进行单点采样，获取光生电流的数字信号并发送至数字信号处理电路，数字信号 处理电路将该数字信号标记为有单光子输入时APD电路的输出样值K 1，存储在存储电路 中；
[0018] (f)、重复步骤（e)，共探测m个周期，获得m个有单光子输入时的AH)输出样值
[0019] (g)、将Λ~J "和K广K "共2m个数值按从小到大排列为D广D 2";
[0020] (h)、针对D1- D 2m中的任意一个D q，统计J\~JmllI11不小于D q的个数j，计算判决 阈值为Dq时的暗计数概率E q= j/m，统计K K "中不小于D q的个数k，计算判决阈值为D q 时的探测效率Fq= k/m ;
[0021 ] ⑴、重复步骤（h)，遍历所有的Df D 2"，共可获得2m个暗计数概率Ef E 2"和2m 个探测效率F1-F2ni;
[0022] (j)、在Ef E 2M和F丨~F 2M中，选择一组最符合探测要求的暗计数概率和探测效 率，同一组的E和F下标相同，对应于同一个Dq，记为第p个采样相位的最佳暗计数概率Ep 和最佳探测效率Fp，记其对应的Dq为第p个采样相位的最佳阈值D p;
[0023] (k)、重复步骤（b)~（j)，遍历所有的采样相位，共可获得η个最佳暗计数概率 E1~E η、η个最佳探测效率F1~F "和η个最佳阈值D 1~D η;
[0024] (1)、在E1~E "和F I F η中选择一组最符合探测要求的暗计数概率和探测效率， 同一组的E和F下标相同，对应于同一个Dq，记为最终暗计数概率E和最终探测效率F，记 其对应的采样相位为G，记其对应的最佳判决阈值为D。
[0025] 本发明的步骤j和1中，选择一组最符合探测要求的暗计数概率和探测效率是将 同一组的暗计数概率和探测效率与探测要求的暗计数概率和探测效率进行比较，选取两者 同时较为接近的一组。
[0026] 本发明的有益效果：
[0027] 本发明提供一种合理的方法将探测的工作频率和采样得到的数据量减少到与APD 电路输入信号相同，并按照探测要求的暗计数概率和探测效率对采样相位和判决阈值作统 计意义上的最优选择。
[0028] 本发明中，由于对有光子输入和无光子输入时都做了 m次探测，最佳阈值是在对 2m个探测数据进行处理的基础上选择的，所以对于每个采样相位，最佳阈值是统计意义上 的最优选择，对于最终设置的采样相位，判决阈值也是如此；由于最终设置的采样相位是在 对η个采样相位的η组最佳统计数据进行比较后选择的，所以最终设置的采样相位是η个 采样相位中统计意义上的最优选择。将Aro输出的光生电流在指定的相位作单点采样，将 采样结果与判决阈值比较，就可以完成统计意义上的最优判决。
【附图说明】
[0029] 图1是本发明的结构示意图。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0031] 如图1所示，一种单点采样判决单光子探测器，它包括APD电路、采样电路、数字 ?目号处理电路、存储电路、控制电路、探测时钟电路、米样时钟电路，其中：在APD电路的探 测信号输出端依次串接采样电路和数字信号处理电路，采样电路将APD电路输出的模拟信 号转换为数字信号，数字信号处理电路对采样电路输出的信号进行处理，数字信号处理电 路还与存储电路双向连接，对处理的数据进行存储和读取；控制电路与数字信号处理电路 双向连接，读取数据处理结果并控制数据处理的步骤，控制电路还与采样时钟电路连接，控 制采样时钟电路输出的采样时钟的相移量，探测时钟电路同时连接APD电路和采样时钟电 路，为APD电路和采样时钟电路提供同源的探测时钟，采样时钟电路与采样电路连接，将移 相了的探测时钟输出给采样电路作采样时钟，这样采样电路可以按指定的相位在每个探测 周期内采集数据。
[0032] -种单点采样判决单光子探测器的采样判决方法，应用单点采样判决单光子探测 器，它包括以下步骤：
[0033] (a)、米用APD电路探测输入光子，输出光生电流；
[0034] (b)、采样电路对APD电路输出的光生电流在相位G进行单点采样，获取光生电流 在该相位的数字信号并发送至数字信号处理电路，数字信号处理电路将相位G的数字信号 作为实时探测值存储在存储电路中；
[0035] (c)、在数字信号处理电路中，将当前的探测值与阈值D比较，进行判决。
[0036] 假设探测要求的暗计数概率为< 8X10 6、探测效率为多10%，本发明的采样相位 G和判决阈值D设置步骤为：
[0037] (a)、在一个探测周期T内选择η个采样相位，第i个相位为2 π i/n+2 π t/T，其中 i为整数，且0彡i彡n-1，使得n/T不小于APD探测信号带宽的2倍，0〈t〈T/n ;选择统计周 期数为m，使其不小于探测要求的暗计数概率的倒数的100倍；
[0038] (b)、设置采样时钟电路，使得采样电路的采样相位为η个采样相位中的任意一 个，记为P ;
[0039] (c)、在一个探测周期内不输入单光子，采样电路对APD电路输出的光生电流在当 前采样相位进行单点采样，获取光生电流的数字信号并发送至数字信号处理电路，数字信 号处理电路将该数字信号标记为无单光子输入时APD电路的输出样值J 1