自由运行模式单光子探测器的性能参数标定方法与流程

本发明涉及光电探测，具体涉及一种自由运行模式单光子探测器的性能参数标定方法。

背景技术：

1、单光子探测器具有极高的响应灵敏度，能够响应光子能量水平的极微弱信号，在量子保密通信、远距离激光测距与三维成像、生物医学成像等领域具有广泛的用途。目前，单光子探测器包括多种类型，例如：光电倍增管(pmt)、雪崩光电倍增管(apd)、超导纳米线单光子探测器(snspd)等。虽然单光子探测器的类型较多，其基本功能是响应单个或多个光子，并输出相应的电脉冲信号。单光子探测器性能一般可以由光子探测效率、暗计数率、累积后脉冲概率、探测时间抖动等几个通用的指标来标定。

2、单光子探测器工作性能主要由工作温度、偏置电压、死时间等参数决定。由于不同应用背景对单光子探测器性能要求差异较大，需要对单光子探测器的工作参数及相应的探测性能进行标定。针对特定波长的单光子探测器性能标定，通常在无光的条件下首先测量出暗计数率，然后利用单光子源标定不同工作条件下的光子探测效率、累积后脉冲概率、探测时间抖动。

3、因此，现有的标定过程需要采集多组数据才能完成单光子探测器一组参数的标定。

技术实现思路

1、(一)解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了一种自由运行模式单光子探测器的性能参数标定方法，解决了需要采集多组数据才能完成单光子探测器一组参数的标定的技术问题。

3、(二)技术方案

4、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

5、一种自由运行模式单光子探测器的性能参数标定方法，其特征在于，包括：

6、连续采集自由运行模式单光子探测器对脉冲单光子源的光子计数数据，采用符合计数方法标记出含信号光子的脉冲周期和不含信号光子的脉冲周期，分别用作信号参数标定样本、噪声参数标定样本；

7、利用所述噪声参数标定样本及脉冲单光子源触发周期，标定出暗计数率；

8、统计所述信号参数标定样本中的符合光子的数目，并利用所述暗计数率、符合计数门宽进行修正，结合脉冲单光子源的单脉冲平均光子数标定出光子探测效率；

9、统计所述信号参数标定样本中的符合光子以外的光子数目，减去相应的暗计数获得累积后脉冲计数，标定出累积后脉冲概率；

10、根据所述信号参数标定样本中的符合光子的时间分布，通过高斯函数拟合获得探测时间抖动；

11、根据所述暗计数率、光子探测效率、累积后脉冲概率和探测时间抖动，标定该自由运行模式单光子探测器的性能参数。

12、优选的，所述自由运行模式单光子探测器的性能参数标定方法还包括：

13、采用泊松统计分别计算所述暗计数率、光子探测效率、累积后脉冲概率的标准差，各标准差用于定量评估该自由运行模式单光子探测器对应性能参数的精度。

14、优选的，所述暗计数率rd的计算方法为：

15、

16、其中，i为光子计数数据中的脉冲周期索引，n为脉冲周期数目，ni为脉冲周期i内的光子计数数目、t为脉冲周期；g(i)为阶跃函数，当脉冲周期i内含符合光子时g(i)＝1，当脉冲周期i内不含符合光子时g(i)＝0。

17、优选的，所述光子探测效率ηp的计算方法为：

18、

19、其中，τ为符合计数门宽，μ为脉冲单光子源的单脉冲平均光子数。

20、优选的，所述累积后脉冲概率pap的计算方法为：

21、

22、其中，tdead为单光子探测器死时间。

23、优选的，采用高斯函数拟合信号脉冲周期内的符合光子计数的时间分布，获得单光子探测器光子计数时间抖动σjitter；其中，μdelay为高斯分布均值，τpulse为标定系统的激光脉冲的半高全宽。

24、优选的，采用泊松统计分别计算所述暗计数率的标准差，用于定量评估该自由运行模式单光子探测器对应性能参数的精度；

25、所述暗计数率标准差σd的计算方法为：

26、

27、优选的，采用泊松统计分别计算所述光子探测效率的标准差，用于定量评估该自由运行模式单光子探测器对应性能参数的精度；

28、所述光子探测效率标准差σp的计算方法为：

29、

30、优选的，采用泊松统计分别计算所述累积后脉冲概率的标准差，用于定量评估该自由运行模式单光子探测器对应性能参数的精度；

31、所述累积后脉冲概率标准差σap的计算方法为：

32、

33、(三)有益效果

34、本发明提供了一种自由运行模式单光子探测器的性能参数标定方法。与现有技术相比，具备以下有益效果：

35、本发明连续采集自由运行模式单光子探测器对脉冲单光子源的光子计数数据，采用符合计数方法标记出含信号光子的脉冲周期和不含信号光子的脉冲周期，分别用作信号参数标定样本、噪声参数标定样本；基于上述一组连续的光子计数数据，能够同时实现暗计数率、光子探测效率、累积后脉冲概率、时间抖动的参数估计，减少数据采集次数，并且较好地保持测量一致性。

技术特征：

1.一种自由运行模式单光子探测器的性能参数标定方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的自由运行模式单光子探测器的性能参数标定方法，其特征在于，还包括：

3.如权利要求1所述的自由运行模式单光子探测器的性能参数标定方法，其特征在于，所述暗计数率rd的计算方法为：

4.如权利要求3所述的自由运行模式单光子探测器的性能参数标定方法，其特征在于，所述光子探测效率ηp的计算方法为：

5.如权利要求3所述的自由运行模式单光子探测器的性能参数标定方法，其特征在于，所述累积后脉冲概率pap的计算方法为：

6.如权利要求1所述的自由运行模式单光子探测器的性能参数标定方法，其特征在于，

7.如权利要求3所述的自由运行模式单光子探测器的性能参数标定方法，其特征在于，采用泊松统计分别计算所述暗计数率的标准差，用于定量评估该自由运行模式单光子探测器对应性能参数的精度；

8.如权利要求4所述的自由运行模式单光子探测器的性能参数标定方法，其特征在于，采用泊松统计分别计算所述光子探测效率的标准差，用于定量评估该自由运行模式单光子探测器对应性能参数的精度；

9.如权利要求5所述的自由运行模式单光子探测器的性能参数标定方法，其特征在于，采用泊松统计分别计算所述累积后脉冲概率的标准差，用于定量评估该自由运行模式单光子探测器对应性能参数的精度；

技术总结
本发明提供一种自由运行模式单光子探测器的性能参数标定方法，涉及光电探测技术领域。本发明连续采集自由运行模式单光子探测器对脉冲单光子源的光子计数数据，采用符合计数方法标记出含信号光子的脉冲周期和不含信号光子的脉冲周期，分别用作信号参数标定样本、噪声参数标定样本；基于上述一组连续的光子计数数据，能够同时实现暗计数率、光子探测效率、累积后脉冲概率、时间抖动的参数估计，减少数据采集次数，并且较好地保持测量一致性。

技术研发人员：葛鹏,杨露露,周安然,郭静菁,张勇波,李正琦,于溢琛,李江源
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第三十八研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12