用于激光雷达信号实时后脉冲修正的单光子探测器装置的制作方法

本技术涉及单光子探测器领域，尤其涉及一种用于激光雷达信号实时后脉冲修正的单光子探测器装置。

背景技术：

1、单光子激光雷达利用单光子探测器的超高灵敏度及高信噪比进行激光雷达回波光信号的高效探测，实现在相同激光发射功率下相比传统激光雷达更远的探测距离。超导单光子探测器拥有最接近理想单光子探测器的性能，超过90％的探测效率，低至10hz以下的暗计数率，可以忽略不计的后脉冲概率，但其需要配合大型制冷装置制冷至4k的工作温度，限制了其实用化。

2、ingaas/inp单光子探测器具有体积小、低成本、易于系统集成和良好的综合性能指标等优势，是目前实用化单光子激光雷达的最佳选择。为了降低暗计数率、提高信噪比，ingaas/inp单光子探测器通常工作在170-230k的制冷温度下，但这也带来了较高的后脉冲效应，会给激光雷达的回波信号带来畸变。

3、在现有技术中，例如cn106842168a号中国发明专利申请，提出了针对ingaas/inp单光子探测器后脉冲效应引起的激光雷达信号畸变的修正方法及装置，例如图1所示，其主要公开了以下修正过程：将距离bin处的待修正的激光雷达回波信号转换为离散的计数率分布；根据已获取的第一后脉冲概率分布函数和计数率分布，计算激光雷达信号在距离bin处产生的后脉冲计数率；用计数率分布减去后脉冲计数率，得到修正后的第一激光雷达回波信号；对修正后的激光雷达回波信号进行非线性修正，得到修正后的第二激光雷达回波信号。其中，第一后脉冲概率分布函数可以是技术人员预先通过实验获得第二后脉冲概率分布函数，然后对第二后脉冲概率分布函数进行拟合得到的。

4、然而，现有技术中的绝大多数单光子探测器的输出均为与输入光信号及噪声信号相对应的探测脉冲信号，例如通过sma接口输出lvttl电平的探测脉冲电信号。因此，在例如cn106842168a号中国发明专利申请所公开的后脉冲修正方案的具体实施过程中，第一后脉冲概率分布函数通常离线存储在计算机中，在接收激光雷达信号时，使用时间数字转换器(tdc)设备(对应转换单元)累积提取单光子探测器探测脉冲对应的时间-计数分布信息，通过通信线缆将分布数据传输给pc，最后通过pc上设定的计算程序(对应计算单元和修正单元)进行后脉冲修正才能得到最终数据，整个过程通常为离线操作，连接拓扑复杂。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的上述问题，本实用新型公开了一种用于激光雷达信号实时后脉冲修正的单光子探测器装置，其在上述已有的后脉冲修正方案的基础上，以硬件形式将转换单元、计算单元及修正单元等模块集成在单光子探测器装置中，在预先对单光子探测器装置进行性能指标标定时即可完成后脉冲概率分布函数的拟合，并存储拟合系数，从而实现一种针对激光雷达信号实时后脉冲修正的单光子探测器装置，为单光子激光雷达应用提供一种弱光探测及数据后处理一体化的高集成度解决方案。

2、具体而言，本实用新型公开了一种用于激光雷达信号实时后脉冲修正的单光子探测器装置，其包括雪崩光电二极管和制冷盒，其特征在于还包括甄别器、主控fpga单元、计算mcu单元和flash单元；

3、所述制冷盒被设置用于对雪崩光电二极管进行制冷和提取雪崩信号；

4、所述甄别器被设置用于将雪崩信号甄别为探测脉冲信号；

5、所述flash单元被设置用于存储后脉冲概率分布函数；

6、所述主控fpga单元被设置用于获取探测脉冲信号相对于trig信号的时间间隔数据，读取flash单元中的后脉冲概率分布函数，并将时间间隔数据和后脉冲概率分布函数发送给计算mcu单元；

7、所述计算mcu单元被设置用于利用累积的时间-计数分布和后脉冲概率分布函数进行后脉冲修正。

8、进一步地，该单光子探测器装置还包括温度传感单元，且所述制冷盒包括tec；

9、所述tec被设置用于对雪崩光电二极管进行制冷；

10、所述温度传感单元被设置用于获取雪崩光电二极管的温度信息；

11、所述主控fpga单元被设置用于根据温度信息，控制用于tec的制冷工作电压。

12、更进一步地，所述温度传感单元包括热敏电阻和adc单元；所述热敏电阻被设置用于监测雪崩光电二极管的温度；所述adc单元被设置用于采集热敏电阻的分压幅度并发送给主控fpga单元。

13、进一步地，所述制冷盒包括电阻r1、电阻r2、电容c1和第一放大器；

14、所述电阻r1、雪崩光电二极管和电阻r2依次形成串联电路，并连接dc/dc电源以获得偏压；

15、所述电容c1被设置用于以交流耦合的方式从串联电路中提取出雪崩信号；

16、所述第一放大器被设置用于对电容c1输出的雪崩信号进行放大并输出给甄别器。

17、优选地，所述第一放大器为低噪声放大器。

18、进一步地，该单光子探测器装置还包括第二放大器；

19、所述主控fpga单元还被设置用于基于探测脉冲信号，生成死时间控制信号；

20、所述第二放大器被设置用于对死时间控制信号进行放大，并将其作用于雪崩光电二极管上。

21、优选地，所述主控fpga单元被设置用于利用进位延时链时钟内插技术，测量获得探测脉冲信号与trlg信号之间的时间间隔数据。

22、优选地，所述trig信号由外部输入；以及/或者，所述雪崩光电二极管为nfad器件；以及/或者，所述探测脉冲信号具有固定电平；以及/或者，所述后脉冲概率分布函数是预先拟合得到的；以及/或者，所述主控fpga单元与计算mcu单元之间通过高速数据接口进行数据通信。

23、进一步地，该单光子探测器装置还包括用于与外部进行数据通信的数据接口。

24、优选地，所述数据接口为usb接口。

技术特征：

1.一种用于激光雷达信号实时后脉冲修正的单光子探测器装置，其包括雪崩光电二极管和制冷盒，其特征在于还包括甄别器、主控fpga单元、计算mcu单元和flash单元；

2.如权利要求1所述的单光子探测器装置，其特征在于还包括温度传感单元，且所述制冷盒包括tec；

3.如权利要求2所述的单光子探测器装置，其特征在于，所述温度传感单元包括热敏电阻和adc单元；

4.如权利要求1所述的单光子探测器装置，其特征在于，所述制冷盒包括电阻r1、电阻r2、电容c1和第一放大器；

5.如权利要求4所述的单光子探测器装置，其特征在于，所述第一放大器为低噪声放大器。

6.如权利要求1所述的单光子探测器装置，其特征在于还包括第二放大器；

7.如权利要求1-6中任一项所述的单光子探测器装置，其特征在于，所述主控fpga单元被设置用于利用进位延时链时钟内插技术，测量获得探测脉冲信号与trig信号之间的时间间隔数据。

8.如权利要求1-6中任一项所述的单光子探测器装置，其特征在于：

9.如权利要求1-6中任一项所述的单光子探测器装置，其特征在于还包括用于与外部进行数据通信的数据接口。

10.如权利要求9所述的单光子探测器装置，其特征在于，所述数据接口为usb接口。

技术总结
本技术公开了一种用于激光雷达信号实时后脉冲修正的单光子探测器装置，其包括雪崩光电二极管、制冷盒、甄别器、主控FPGA单元、计算MCU单元和FLASH单元，以硬件形式将已有修正方案中的转换单元、计算单元及修正单元等集成在单光子探测器装置中，在预先对单光子探测器装置进行性能指标标定时即可完成后脉冲概率分布函数的拟合，并存储拟合系数，从而实现可对激光雷达信号实时后脉冲修正的单光子探测器装置，为单光子激光雷达应用提供一种弱光探测及数据后处理一体化的高集成度解决方案。

技术研发人员：方余强,张泽旭,黄传成,马睿,蒋连军,唐世彪,高松
受保护的技术使用者：科大国盾量子技术股份有限公司
技术研发日：20230228
技术公布日：2024/1/13