CN104075802A - 一种高动态范围的光子计数型微弱光信号测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高动态范围的光子计数型微弱光信号测量装置，包括光时域反射传感系统、波形发生器、门控信号发生模块、探测器驱动模块、信号处理模块、时间信号分析模块和处理器；处理器最终获得不同时间点光子计数的比率。门控信号发生模块包括依次连接的正弦信号发生模块、幅度调制器、带通滤波器和幅度放大模块；信号处理模块包括带阻滤波器、信号放大模块和判决器。本发明还公开了一种高动态范围的光子计数型微弱光信号测量方法。本发明能够实现在单个测量周期内，即可实现对微弱光信号大动态范围的测量，测量效率高、可以显著缩短测量时间。

Description

一种高动态范围的光子计数型微弱光信号测量装置及方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是一种高动态范围的光子计数型微弱光信号测量装置及方法。

背景技术

单光子雪崩探测器(Single Photon Avalanche Diode,SPAD)能够检测单个光子，在量子通信和光纤传感等领域有着重要的理论研究价值与应用价值。单光子雪崩探测器(SPAD)工作在盖革模式时，两端的工作电压要高于其雪崩击穿电压，这样探测器吸收单个光子时，会产生自雪崩信号，可用于单光子检测。在盖革模式下，工作电压与雪崩击穿电压的差值称为过偏电压，单光子的探测效率随着过偏电压的增大而增大。

在盖革模式下，需要采取抑制方法，避免单光子雪崩探测器(SPAD)的工作电压长期大于雪崩击穿电压，对探测器造成很大的损伤。常用的抑制方式有无源抑制、有源抑制和门控模式，其中门控模式有着更高的计数率、更低的暗计数率、更小的后脉冲影响、更安全等优点在三类方式中效果最好。常用的门控模式信号有两类，具体如下：

第一种是方波门控：通过把方波信号(或双极性方波信号)和偏置电压一起施加到探测器的两端，使得单光子雪崩探测器(SPAD)工作在盖革模式。Xiao-Lei Liang,Jian-HongLiu,和Quan Wang《Fully integrated InGaAs/InP single-photon detector module withgigahertz sine wave gating》就是用到了方波信号作为门控，取得很好地探测效率。Abdessattar Bouzid，Jun-Bum Park和Se Min Kim等的《Near Infrared Single PhotonDetector Using an InGaAs/InP Avalanche Photodiode Operated with a Bipolar GatingSignal》提到了双极性的方波信号作为门控信号，后脉冲影响被极大地抑制。但是，方波方式的死区时间太长，使得探测器性能没有得到完全发挥。

第二种是正弦门控：通过把等振幅正弦波信号和偏置电压一起施加到探测器的两端，使得单光子雪崩探测器(SPAD)工作在盖革模式。N.Namekata、S.Sasamori和S.Inoue的《800MHz Single-photon detection at1550-nm using an InGaAs/InP avalanchephotodiode operated with a sine wavegating》及Y.Nambu,S.Takahashi和K.Yoshino等的《Efficient and low-noise single-photon avalanche photodiode for1.244-GHzclocked quantum keydistribution》使用正弦的门控方式使得单光子探测速率大幅提高，并有效降低噪声影响。

不论是方波门控模式，还是正弦门控模式，单光子雪崩探测器(SPAD)的动态范围都受到探测器的饱和功率和噪声等效功率的限制。通常，为了获得更宽的动态范围，传统的正弦门控方式常采用下面两种方法：方法一、在探测周期前期，信号较强，通过加衰减器衰减输入光信号，来避免探测器饱和，获得一次检测结果；在探测周期的后期，信号较弱，通过去掉衰减器增强输入光信号，获得末端信噪比较好的检测结果；最后，将前后的检测结果拼接起来，得到最终的检测结果。方法二、在探测前期，采用较弱的输入光信号，以避免探测器饱和，获得一次检测结果；在探测周期的后期，将输入光信号增强，以获取较好的检测结果；最后，将前后的检测结果拼接起来，得到最终的检测结果。这两种方法在测量微弱光信号时都将一个测试分为多次测量以增加动态范围，但需要额外的测量次数并且加大了测量的时间。

如何克服现有技术的不足已成为现有光纤传感技术领域亟待解决的重点难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种高动态范围的光子计数型微弱光信号测量装置及方法，它能够实现在单个测量周期内，即可实现对微弱光信号大动态范围的测量，测量效率高、缩短了测量次数且节省了测量时间。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种高动态范围的光子计数型微弱光信号测量装置，包括光时域反射传感系统、波形发生器、门控信号发生模块、探测器驱动模块、信号处理模块、时间信号分析模块和处理器；其中：

光时域反射传感系统，用于输出背向散射光信号、第一路同步信号和第二路同步信号；

波形发生器，用于接收第一路同步信号并且产生调制信号；

门控信号发生模块，用于接收调制信号并产生门控信号；

探测器驱动模块，用于接收背向散射光信号和门控信号，输出雪崩脉冲信号以及容性背景噪声；

信号处理模块，用于从容性噪声背景中分离出雪崩脉冲信号，转换成幅度满足逻辑电平预设要求的数字信号；

时间信号分析模块，用于接收第二路同步信号和数字信号并进行处理，获得每个周期内各时间点光子的数量；

处理器，对接收的每个周期内各时间点光子的数量进行累加、修正处理后，获得不同时间点光子计数的比率；

所述门控信号发生模块包括依次连接的正弦信号发生模块、幅度调制器、带通滤波器和幅度放大模块；其中，正弦信号发生模块用来产生基准正弦门控信号，该基准正弦门控信号和调制信号输入至幅度调制器，幅度调制器用来调制基准正弦门控信号，使得在一个探测周期内，幅度调制器输出的门控信号的幅度随时间逐渐由小变大；带通滤波器用于对调制后的门控信号进行滤波并输出门控信号；幅度放大模块对门控信号的幅度放大后输出至探测器驱动模块；

所述信号处理模块包括带阻滤波器、信号放大模块和判决器；其中，带阻滤波器用于抑制容性背景噪声并将雪崩脉冲信号输出，信号放大模块为雪崩脉冲信号提供增益，判决器用于将接收的雪崩脉冲信号转换成幅度满足逻辑电平预设要求的数字信号。

作为本发明的一种高动态范围的光子计数型微弱光信号测量装置的进一步优化的方案，所述的探测器驱动模块包括温度控制模块、高压偏置模块和SPAD单光子雪崩探测器；其中，温度控制模块为SPAD单光子雪崩探测器提供稳定的工作温度；高压偏置模块为SPAD单光子雪崩探测器提供偏置电压；SPAD单光子雪崩探测器在门控信号的控制下检测背向散射光信号后输出雪崩脉冲信号以及容性背景噪声。

作为本发明的一种高动态范围的光子计数型微弱光信号测量装置的进一步优化的方案，所述的背向散射光信号是由探测光脉冲产生，所述第一同步信号和第二同步信号的周期均与探测光脉冲的周期同步。

作为本发明的一种高动态范围的光子计数型微弱光信号测量装置的进一步优化的方案，所述带通滤波器的通带宽度小于或等于带阻滤波器的阻带宽度。

作为本发明的一种高动态范围的光子计数型微弱光信号测量装置的进一步优化的方案，所述光时域反射传感系统采用光时域反射传感系统、布里渊光时域反射传感系统、拉曼光时域反射传感系统、偏振敏感光时域反射传感系统或者相位敏感光时域反射传感系统。

作为本发明的一种高动态范围的光子计数型微弱光信号测量装置的进一步优化的方案，所述正弦信号发生模块采用DDS芯片，幅度调制器采用Mini-Circuit公司的ZX73-2500+可变衰减器，幅度放大模块采用Mini-Circuit公司的ZFL-1000H+放大器，信号放大模块可以采用Mini-Circuit公司的ZFL-1000LN+功率运放，时间信号分析模块采用PicoQuant公司的HydraHarp400时间分析仪。

作为本发明的一种高动态范围的光子计数型微弱光信号测量装置的进一步优化的方案，所述SPAD单光子雪崩探测器采用Princeton Lightwave公司的PGA-400的InGaAs/InP探测器。

根据本发明提出的一种高动态范围的光子计数型微弱光信号测量方法，包括以下步骤：

步骤一、SPAD单光子雪崩探测器探测入射光光功率信号，测得探测效率与过偏电压的关系、暗计数概率与过偏电压的关系，拟合出探测效率与过偏电压、暗计数概率与过偏电压均成正相关的模拟曲线；

步骤二、根据步骤一中探测效率与过偏电压、暗计数概率与过偏电压之间的对应关系，计算出噪声等效功率NEP与过偏电压的关系，噪声等效功率NEP的最小值所对应过偏电压为单光子雪崩探测器的最佳过偏电压，该过偏电压对应的探测效率为最佳探测效率；

步骤三、入射光经光时域传感系统输出背向散射光信号、第一路同步信号和第二路同步信号，根据背向散射光信号的峰值功率进行计算，选择一个过偏电压使得背向散射光触发雪崩的概率不超过40％，该过偏电压对应的探测效率为SPAD单光子雪崩探测器前期最大不饱和探测效率；

步骤四、根据步骤二、步骤三得到的最佳探测效率和前期最大不饱和探测效率，计算探测效率与探测时间的关系，根据步骤一所得的探测效率与过偏电压的关系得到过偏电压与探测时间的关系，将该过偏电压与探测时间的关系作为基准正弦门控信号的振幅调制的系数，正弦信号发生模块用来产生基准正弦门控信号，波形发生器接收第一路同步信号并且产生调制信号，幅度调制器接收调制信号对基准正弦门控信号进行调制，再经过带通滤波和幅度放大模块后，得到幅度呈周期性变化的门控信号，且单个周期内门控信号的幅度逐渐增大；

步骤五、稳定SPAD单光子雪崩探测器的工作温度和电压后，SPAD单光子雪崩探测器的探测效率将由门控信号唯一确定；SPAD单光子雪崩探测器探测光功率保持恒定的入射光，由此获得标定的过偏电压与对应的探测效率的比率关系，通过步骤四中得到的过偏电压与探测时间关系，最终获得标定的探测效率与探测时间相关的参数k(t)，t为探测时间；

步骤六、在门控信号的控制下，SPAD单光子探测器检测背向散射光信号，输出雪崩脉冲信号以及容性背景噪声作为信号处理模块的输入，信号处理模块从容性噪声背景中分离出雪崩脉冲信号，转换成幅度满足逻辑电平预设要求的数字信号；时间信号分析模块接收第二路同步信号和数字信号并进行处理，获得每个周期内各时间点光子的数量；

步骤七、将每个周期内各时间点光子的数量经处理器处理累加后，得到雪崩信号计数值P(t)；对该雪崩信号计数值P(t)进行修正，计算修正后的不同时间点光子计数的比率P_final(t)，

$P_{\mathrm{final}}\left(t\right)=\frac{P\left(t\right)}{k\left(t\right)}.$

作为本发明的一种高动态范围的光子计数型微弱光信号测量方法的进一步优化的方案，所述步骤四中探测效率与探测时间为线性关系或者指数关系，该指数关系是与入射光信号指数衰减对应的指数关系。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)测量微弱光信号时，在单个探测周期内，前期探测器的探测效率低于最小饱和探测效率，避免探测器饱和；之后，探测器的探测效率不断增大，在探测周期后期，探测器的探测效率高，能很好抑制噪声的影响，获得较高的信噪比；获得测量结果后，根据探测效率与探测时间的关系，恢复出探测曲线；使得单次探测的动态范围得到提升。

(2)测量微弱光信号时，由于在单个探测周期内，探测器的探测效率随探测时间的增长而增大，刚好补偿待探测信号随时间衰减的情况，使得单次测量就能够获得足够的动态范围，无需额外的测量次数，能节省大量的测量时间。

附图说明

图1是本发明的装置示意图。

图2是门控信号发生模块的结构示意图。

图3是信号处理模块的结构示意图。

图4是探测器驱动模块的结构示意图。

图5a是过偏电压与暗计数概率关系图。

图5b是探测效率与过偏电压的关系图。

图6是过偏电压与NEP的关系曲线图。

图7是最佳探测效率所对应的过偏电压和前期最大不饱和探测效率对应的过偏电压示意图。

图8是计算的探测效率与探测时间的关系示意图。

图9是计算过偏电压与探测时间的关系示意图。

图10是时间相关参数k(t)示意图。

图11是测量结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，是本发明一种高动态范围的光子计数型微弱光信号测量装置，包括光时域反射传感系统、波形发生器、门控信号发生模块、探测器驱动模块、信号处理模块、时间信号分析模块和处理器；其中：光时域反射传感系统，用于输出背向散射光信号、第一路同步信号和第二路同步信号；波形发生器，用于接收第一路同步信号并且产生调制信号；门控信号发生模块，用于接收调制信号并产生门控信号；探测器驱动模块，用于接收背向散射光信号和门控信号，输出雪崩脉冲信号以及容性背景噪声；信号处理模块，用于从容性噪声背景中分离出雪崩脉冲信号，转换成幅度满足逻辑电平预设要求的数字信号；时间信号分析模块，用于接收第二路同步信号和数字信号并进行处理，获得每个周期内各时间点光子的数量，其大小与接收的光功率有关，反映了背向散射光功率在空间上的分布情况。具体可以采用PicoQuant公司的HydraHarp400实现，也可以采用高性能的示波器实现，还可以采用其它实现方式；处理器，对接收的每个周期内各时间点光子的数量进行累加、修正处理后，获得不同时间点光子计数的比率。处理器可由计算机实现，波形发生器据同步信号，产生调制信号，具体可以采用函数波形发生器、任意波形发生器等仪器实现。

如图2是门控信号发生模块的结构示意图，所述门控信号发生模块还包括依次连接的正弦信号发生模块、幅度调制器、带通滤波器和幅度放大模块；其中，正弦信号发生模块用来产生基准正弦门控信号，该基准正弦门控信号和调制信号输入至幅度调制器，幅度调制器用来调制基准正弦门控信号，使得在一个探测周期内，幅度调制器输出的门控信号的幅度随时间逐渐由小变大；带通滤波器用于对调制后的门控信号进行滤波并输出门控信号；幅度放大模块对门控信号的幅度放大后输出至探测器驱动模块。正弦信号发生模块可以采用DDS芯片和相应的外围电路实现，也可以采用其它方式实现；幅度调制器采用Mini-Circuit公司的ZX73-2500+可变衰减器，也可以采用VGA或者其它方式实现；带通滤波器可以定制特定频率响应特性的滤波器；幅度放大模块可以采用Mini-Circuit公司的放大器ZFL-1000H+放大器实现，也可以采用其它放大器实现。

如图3是信号处理模块的结构示意图，所述的信号处理模块包括带阻滤波器、信号放大模块和判决器；其中，带阻滤波器用于抑制容性背景噪声并将雪崩脉冲信号输出，信号放大模块为雪崩脉冲信号提供增益，判决器用于将接收的雪崩脉冲信号转换成幅度满足逻辑电平预设要求的数字信号。信号处理模块从容性噪声背景中分离出雪崩信号，生成幅度满足逻辑电平要求的数字信号。带阻滤波器可以定制特定频率响应的滤波器，使其可以允许大部分雪崩脉冲的能量通过，而抑制信号中的门控信号的容性耦合噪声；信号放大模块可以采用Mini-Circuit公司的ZFL-1000LN+功率运放实现，也可以采用其它方式实现；判决器可以采用比较器实现。时间信号分析模块根据同步信号，处理数字信号，获得检测结果。该结果是对应于各个时间点的一系列雪崩信号计数值，可以采用PicoQuant公司的HydraHarp400实现。

如图4是探测器驱动模块的结构示意图，探测器驱动模块包括温度控制模块、高压偏置模块和SPAD单光子雪崩探测器；其中，温度控制模块为SPAD单光子雪崩探测器提供稳定的工作温度；高压偏置模块为SPAD单光子雪崩探测器提供偏置电压；SPAD单光子雪崩探测器在门控信号的控制下检测背向散射光信号后输出雪崩脉冲信号以及容性背景噪声。探测器驱动模块将门控信号叠加在高压直流偏置上，以设定SPAD单光子雪崩探测器的工作点，检测背向散射光信号，并将产生的雪崩脉冲信号、门控信号通过雪崩二极管结电容耦合产生的背景噪声。高压偏置模块可以采用MAXIM公司的MAX5026芯片配合相应的外围电路设计实现；温度控制模块可以采用帕尔贴、控温电路和相应的散热、密封设备实现，也可以用市场上可以购买的恒温箱实现；SPAD单光子雪崩探测器可采用PrincetonLightwave公司的PGA-400的InGaAs/InP探测器，也可以采用其它实现方式。

所述光时域反射传感系统产生周期性的，且在单个探测周期内，能量随时间成指数规律衰减背向散射光信号，同时产生与探测周期同步的同步信号，光时域反射传感系统具体可以为光时域反射传感系统(OTDR)、布里渊光时域反射传感系统(BOTDR)、拉曼光时域反射传感系统(ROTDR)、偏振敏感光时域反射传感系统(POTDR)或者相位敏感光时域反射传感系统(φ-OTDR)。所述的背向散射光信号是由探测光脉冲产生，所述第一同步信号和第二同步信号的周期均与探测光脉冲的周期同步。所述带通滤波器的通带宽度小于或等于带阻滤波器的阻带宽度。

一种高动态范围的光子计数型微弱光信号测量方法，包括以下步骤：

步骤一、SPAD单光子雪崩探测器探测入射光光功率信号，测得探测效率与过偏电压的关系、暗计数概率与过偏电压的关系，拟合出探测效率与过偏电压、暗计数概率与过偏电压均成正相关的模拟曲线；如图5a所示是过偏电压与暗计数概率关系图，图5b是探测效率与过偏电压的关系图，暗计数概率和过偏电压之间可以采用线性拟合，拟合公式为：

P_dc＝9.5355V_p-66.6085   (dB)

其中，p_dc为暗计数概率，V_p为过偏电压；

探测效率η与过偏电压V_p通过二次曲线拟合，拟合公式为：

$\mathrm{\η}=3.9279V_p^2+1.6194V_p+0.0141(\%)$

步骤二、根据探测效率与过偏电压、暗计数概率与过偏电压之间的对应关系，计算出噪声等效功率NEP与过偏电压的关系，噪声等效功率NEP的最小值所对应过偏电压为单光子雪崩探测器的最佳过偏电压，该过偏电压对应的探测效率为最佳探测效率。具体计算公式如下：

$\mathrm{NEP}=\frac{\mathrm{hv}}{\mathrm{\η}}\sqrt{{2p}_{\mathrm{dc}}}$

其中，h为普朗克常数，v为光波频率，η为探测效率。NEP取值最小处的过偏电压是这款SAPD单光子雪崩探测器的最佳工作偏压，该过偏电压对应的探测效率为最佳探测效率，如附图6所示是过偏电压与NEP的关系曲线图。

步骤三、入射光经光时域传感系统输出背向散射光信号、第一路同步信号和第二路同步信号，根据背向散射光信号的峰值功率进行计算，选择一个过偏电压使得背向散射光触发雪崩的概率不超过40％，该过偏电压对应的探测效率为SPAD单光子雪崩探测器前期最大不饱和探测效率。具体来说，p表示单个门控信号触发雪崩的概率，可以按照下式计算，且满足p≤40％；

$p=1-{(1-\mathrm{\η})}^{\frac{P_r\·\mathrm{\Δt}}{\mathrm{hv}}}$

其中，P_r表示背向散射光信号的最大功率，Δt表示单个门控信号中的测量时间。图7是最佳探测效率所对应的过偏电压和前期最大不饱和探测效率对应的过偏电压示意图。

步骤四、根据步骤二、步骤三得到的最佳探测效率和前期最大不饱和探测效率，计算探测效率与探测时间的关系，根据步骤一所得的探测效率与过偏电压的关系得到过偏电压与探测时间的关系，将该过偏电压与探测时间的关系作为基准正弦门控信号的振幅调制的系数，正弦信号发生模块用来产生基准正弦门控信号，波形发生器接收第一路同步信号并且产生调制信号，幅度调制器接收调制信号对基准正弦门控信号进行调制，再经过带通滤波和幅度放大模块后，得到幅度呈周期性变化的门控信号。调制信号的周期与同步信号一致，调制信号的变化规律与基准正弦门控信号的振幅调制的系数一致。

如附图8所示是计算的探测效率与探测时间的关系示意图，探测效率与探测时间的拟合公式：

η＝5×10^421.37t(％)

其中，t为探测时间；

再根据探测效率与过偏电压的关系得到过偏电压与探测时间的关系，如附图9所示是计算过偏电压与探测时间的关系示意图，偏置电压V_p与探测时间t的公式：

$V_p=-0.2060+0.1272\sqrt{2.4013+78.5945\×{10}^{421.37t}}$

步骤五、稳定SPAD单光子雪崩探测器的工作温度和电压后，SPAD单光子雪崩探测器的探测效率将由门控信号唯一确定；SPAD单光子雪崩探测器探测光功率保持恒定的入射光，由此获得标定的过偏电压与对应的探测效率的比率关系，通过步骤四中得到的过偏电压与探测时间关系，最终获得标定的探测效率与探测时间相关的参数k(t)，t为探测时间；具体的计算方法如下，如附图10所示是时间相关参数k(t)示意图，本发明门控信号的测量结果P_T(t)可以用最大探测效率时的等幅门控信号检测结果P_n(t)与一个时间相关的参数k(t)相乘表示，如下式：

P_T(t)＝P_n(t)·k(t)

据此可以计算出k(t)。

步骤六、在门控信号的控制下，SPAD单光子探测器检测背向散射光信号，输出雪崩脉冲信号以及容性背景噪声作为信号处理模块的输入，信号处理模块从容性噪声背景中分离出雪崩脉冲信号，转换成幅度满足逻辑电平预设要求的数字信号；时间信号分析模块接收第二路同步信号和数字信号并进行处理，获得每个周期内各时间点光子的数量；

步骤七、每个周期内各时间点光子的数量在处理器处理累加后，得到雪崩信号计数值P(t)；对该雪崩信号计数值P(t)进行修正，计算修正后的不同时间点光子计数的比率P_final(t)，

$P_{\mathrm{final}}\left(t\right)=\frac{P\left(t\right)}{k\left(t\right)}.$

具体本发明中的雪崩信号计数值P(t)、P_final(t)、时间相关参数k(t)与等幅门控测量结果的关系如附图11所示。

所述的步骤四中探测效率与探测时间为线性关系或者指数关系，该指数关系是与入射光信号指数衰减对应的指数关系。

Claims (9)

1.一种高动态范围的光子计数型微弱光信号测量装置，包括光时域反射传感系统、波形发生器、门控信号发生模块、探测器驱动模块、信号处理模块、时间信号分析模块和处理器；其中：

光时域反射传感系统，用于输出背向散射光信号、第一路同步信号和第二路同步信号；

波形发生器，用于接收第一路同步信号并且产生调制信号；

门控信号发生模块，用于接收调制信号并产生门控信号；

探测器驱动模块，用于接收背向散射光信号和门控信号，输出雪崩脉冲信号以及容性背景噪声；

信号处理模块，用于从容性噪声背景中分离出雪崩脉冲信号，转换成幅度满足逻辑电平预设要求的数字信号；

时间信号分析模块，用于接收第二路同步信号和数字信号并进行处理，获得每个周期内各时间点光子的数量；

处理器，对接收的每个周期内各时间点光子的数量进行累加、修正处理后，获得不同时间点光子计数的比率；

其特征在于，所述门控信号发生模块包括依次连接的正弦信号发生模块、幅度调制器、带通滤波器和幅度放大模块；其中，正弦信号发生模块用来产生基准正弦门控信号，该基准正弦门控信号和调制信号输入至幅度调制器，幅度调制器用来调制基准正弦门控信号，使得在一个探测周期内，幅度调制器输出的门控信号的幅度随时间逐渐由小变大；带通滤波器用于对调制后的门控信号进行滤波并输出门控信号；幅度放大模块对门控信号的幅度放大后输出至探测器驱动模块；

所述信号处理模块包括带阻滤波器、信号放大模块和判决器；其中，带阻滤波器用于抑制容性背景噪声并将雪崩脉冲信号输出，信号放大模块为雪崩脉冲信号提供增益，判决器用于将接收的雪崩脉冲信号转换成幅度满足逻辑电平预设要求的数字信号。

2.根据权利要求1所述的一种高动态范围的光子计数型微弱光信号测量装置，其特征在于，所述的探测器驱动模块包括温度控制模块、高压偏置模块和SPAD单光子雪崩探测器；其中，温度控制模块为SPAD单光子雪崩探测器提供稳定的工作温度；高压偏置模块为SPAD单光子雪崩探测器提供偏置电压；SPAD单光子雪崩探测器在门控信号的控制下检测背向散射光信号后输出雪崩脉冲信号以及容性背景噪声。

3.根据权利要求1所述的一种高动态范围的光子计数型微弱光信号测量装置，其特征在于，所述的背向散射光信号是由探测光脉冲产生，所述第一同步信号和第二同步信号的周期均与探测光脉冲的周期同步。

4.根据权利要求1所述的一种高动态范围的光子计数型微弱光信号测量装置，其特征在于，所述带通滤波器的通带宽度小于或等于带阻滤波器的阻带宽度。

5.根据权利要求1所述的一种高动态范围的光子计数型微弱光信号测量装置，其特征在于，所述光时域反射传感系统采用光时域反射传感系统、布里渊光时域反射传感系统、拉曼光时域反射传感系统、偏振敏感光时域反射传感系统或者相位敏感光时域反射传感系统。

6.根据权利要求1所述的一种高动态范围的光子计数型微弱光信号测量装置，其特征在于，所述正弦信号发生模块采用DDS芯片，幅度调制器采用Mini-Circuit公司的ZX73-2500+可变衰减器，幅度放大模块采用Mini-Circuit公司的ZFL-1000H+放大器，信号放大模块可以采用Mini-Circuit公司的ZFL-1000LN+功率运放，时间信号分析模块采用PicoQuant公司的HydraHarp400时间分析仪。

7.根据权利要求2所述的一种高动态范围的光子计数型微弱光信号测量装置，其特征在于，所述SPAD单光子雪崩探测器采用Princeton Lightwave公司的PGA-400的InGaAs/InP探测器。

8.一种高动态范围的光子计数型微弱光信号测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、SPAD单光子雪崩探测器探测入射光光功率信号，测得探测效率与过偏电压的关系、暗计数概率与过偏电压的关系，拟合出探测效率与过偏电压、暗计数概率与过偏电压均成正相关的模拟曲线；

步骤二、根据步骤一中探测效率与过偏电压、暗计数概率与过偏电压之间的对应关系，计算出噪声等效功率NEP与过偏电压的关系，噪声等效功率NEP的最小值所对应过偏电压为单光子雪崩探测器的最佳过偏电压，该过偏电压对应的探测效率为最佳探测效率；

步骤三、入射光经光时域传感系统输出背向散射光信号、第一路同步信号和第二路同步信号，根据背向散射光信号的峰值功率进行计算，选择一个过偏电压使得背向散射光触发雪崩的概率不超过40％，该过偏电压对应的探测效率为SPAD单光子雪崩探测器前期最大不饱和探测效率；

步骤四、根据步骤二、步骤三得到的最佳探测效率和前期最大不饱和探测效率，计算探测效率与探测时间的关系，根据步骤一所得的探测效率与过偏电压的关系得到过偏电压与探测时间的关系，将该过偏电压与探测时间的关系作为基准正弦门控信号的振幅调制的系数，正弦信号发生模块用来产生基准正弦门控信号，波形发生器接收第一路同步信号并且产生调制信号，幅度调制器接收调制信号对基准正弦门控信号进行调制，再经过带通滤波和幅度放大模块后，得到幅度呈周期性变化的门控信号，且单个周期内门控信号的幅度逐渐增大；

步骤五、稳定SPAD单光子雪崩探测器的工作温度和电压后，SPAD单光子雪崩探测器的探测效率将由门控信号唯一确定；SPAD单光子雪崩探测器探测光功率保持恒定的入射光，由此获得标定的过偏电压与对应的探测效率的比率关系，通过步骤四中得到的过偏电压与探测时间关系，最终获得标定的探测效率与探测时间相关的参数k(t)，t为探测时间；

步骤六、在门控信号的控制下，SPAD单光子探测器检测背向散射光信号，输出雪崩脉冲信号以及容性背景噪声作为信号处理模块的输入，信号处理模块从容性噪声背景中分离出雪崩脉冲信号，转换成幅度满足逻辑电平预设要求的数字信号；时间信号分析模块接收第二路同步信号和数字信号并进行处理，获得每个周期内各时间点光子的数量；

步骤七、将每个周期内各时间点光子的数量经处理器处理累加后，得到雪崩信号计数值P(t)；对该雪崩信号计数值P(t)进行修正，计算修正后的不同时间点光子计数的比率P_final(t)，

$P_{\mathrm{final}}\left(t\right)=\frac{P\left(t\right)}{k\left(t\right)}.$

9.根据权利要求8所述的一种高动态范围的光子计数型微弱光信号测量方法，其特征在于，所述步骤四中探测效率与探测时间为线性关系或者指数关系，该指数关系是与入射光信号指数衰减对应的指数关系。