CN106382993B - 一种单光子探测器的参数优化设置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单光子探测器的参数优化设置方法，包括以下步骤：初始化以设定各个参数的初始值，逐个对所述参数进行优化，优化任意一个参数时：固定其余参数，按照预设的步进递增该参数的值直至到达最大值，以相应的初始值和每次递增后的值作为中间值，针对每个中间值，将相应参数设为该中间值后去进行探测并采集测量数组，根据所有中间值的测量数组计算各个中间值对应的信噪比，选择最大信噪比对应的中间值作为该参数的最优值。本发明中仅通过优化单光子探测器的参数即可有效降低后脉冲概率，缩短单光子探测器的死时间，使其适用于OTDR，且有效解决了由于单光子探测器的死时间所引起OTDR测试时间长的问题。
Description
技术领域
本发明属于光电探测技术领域，特别是涉及一种单光子探测器的参数优化设置方法。
背景技术
光时域反射仪(OTDR)可用于光纤衰减、接头损耗、光纤故障点定位等功能测试，是光缆线路维护、施工必不可少的工具。传统OTDR中的光电探测器工作在线性模式，具有测量时间快的优点，但是，由于探测灵敏度受限于其本身的热噪声水平，无法探测到只有十几个到数千个光子的微弱光信号，限制其测量距离、精度的提升。
单光子探测技术的应用则可以弥补上述缺点，该技术可探测到比热噪声还小的极微弱光信号，可以得到更高的测量精度、更大的动态范围，且其仅对首个单光子进行探测的特性避免了传统OTDR内光电探测器对光场的迟豫响应，有效减小或消除系统的测量盲区。
在文献《Photon Counting OTDR:Advantages and Limitations》中提到了在OTDR中采用单光子技术后，动态范围提升10dB，空间分辨率提升了20倍，性能得到了极大的提升，但是同时也提出了测量时间比传统OTDR要慢很多的问题，如200km一次测量需要6小时，限制了其应用。
单光子探测器的后脉冲现象是影响测量时间的关键因素，为了减小后脉冲概率，提升测量速度，中国专利申请号201310380182.5公开了一种采用上转换单光子探测器的OTDR，将近红外长波的1550nm的信号光子转换到近红外短波的800nm左右，采用硅材料的雪崩光电二极管，减小后脉冲概率，提升测量时间和信噪比，但是上转换需要长波长的泵浦光、体布拉格光栅等器件，结构复杂，不利于实际应用。
中国专利申请号201310187847.0提出了一种光时域反射测量装置及方法，其将单光子探测器件与时序控制模块、高速光采样器等器件结合，提高了光时域反射测量的信噪比。该专利中的高速光采样器需要有本身就非常昂贵的飞秒激光器作为取样激光，系统设计复杂，成本高，且并没有提到减小后脉冲概率的方法。
中国专利申请号201310600853.4提出了一种基于超导纳米线单光子探测器(SNSPD)的光时域反射计。SNSPD几乎没有后脉冲效应，可以解决测量时间的问题，但是SNSPD工作在绝对零度附近，对制冷要求很高，需要外接低温液氦杜瓦瓶或设计专门的闭合循环冷藏室，成本高、体积庞大，不适合产品化应用。
目前，探测单光子实用化的器件仍为工作在盖革模式的雪崩光电二极管(GM-APD)，其在可见光和近红外波段具有暗计数低、探测效率高、最高计数率等优点，利用基于GM-APD的光时域反射仪也将具有更高的空间分辨率。但由于GM-APD的后脉冲比较严重，尤其是InGaAs材料的APD，其死时间通常被设置在微秒量级以消除后脉冲影响，这严重影响了探测器门脉冲的重复频率，使基于GM-APD的光时域反射仪工作在逐点扫描模式，具有较长的探测时间，且测量精度越高、扫描点数越多，所需的时间约长。
综上，现有的基于单光子探测的OTDR存在如下的问题：
1)现有单光子探测的死时间通常较长，达到us级，这样导致门脉冲的重复频率很低，测量时间很长。尤其是在应用于OTDR时，相比传统的OTDR，所需的测量时间提升了好几个数量级，一次测量往往需要数小时，限制了应用。
2)已有的基于单光子探测的OTDR采用了全光取样技术、频率上转换技术或这些技术在国内本身尚处于研究阶段，且都需要额外的采样激光器或泵浦激光器，成本高、结构复杂等问题，且并没有提出解决测量时间长的问题。
3)已有的基于超导纳米线单光子探测器(SNSPD)的OTDR几乎没有后脉冲效应，可以解决测量时间的问题，但是SNSPD工作在绝对零度附近，对制冷要求很高，需要外接低温液氦杜瓦瓶或设计专门的闭合循环冷藏室，成本高、体积庞大，不适合产品化应用。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种单光子探测器的参数优化设置方法，本发明通过优化单光子探测器的直流偏置电压、工作温度、门脉冲的幅度和宽度等参数，极大降低探测器后脉冲概率，使单光子探测器的死时间近似为零，这样能够使基于该单光子探测器的OTDR工作在类似传统OTDR的连续状态，在保证测量精度的同时还保证了测量速度，实现了具备高分辨率、超远距离和快速测量的OTDR。
为达到上述目的，本发明采取如下技术方案：一种单光子探测器的参数优化设置方法，其按以下步骤：
步骤一，对单光子探测器进行初始化以设定各个参数的初始值，所述的参数包括直流偏置电压、门脉冲宽度、门脉冲幅度和工作温度；
步骤二，逐个对所述参数进行优化，优化任意一个参数时：固定其余参数，其中已优化参数固定为的最优值，未优化的参数固定为其初始值，按照预设的步进递增该参数的值直至到达最大值，以相应的初始值和每次递增后的值作为中间值，针对每个中间值，将相应参数设为该中间值后去进行探测并采集测量数组，根据所有中间值的测量数组计算各个中间值对应的信噪比，选择最大信噪比对应的中间值作为该参数的最优值。
本发明的单光子探测器工作在高速门控模式，即单光子探测器工作在类似准连续采集模式，探测结果输入到时间相关计数器。时间相关计数器在探测光脉冲输入探测光纤的同时开始工作并计时，其接收单光子探测器的探测数据并记录输入时刻的时间信息。每一个探测光脉冲入射后，单光子探测器都连续探测n次光信号，时间相关计数器对相同输入时间上的单光子信号进行计数，得到测量数组，每个相同时间上的计数结果作为测量数组中的一个元素。
在实际应用时，无论是各个参数的初始值、最大值，还是优化时选择的步进都可以根据实际情况设定，通常，直流偏置电压的最大值通常等于雪崩光电二极管的雪崩电压。
作为优选，步骤一中，初始化时设置直流偏置电压的初始值比单光子探测器内APD的雪崩电压小5～10V。门脉冲宽度、门脉冲幅度的初始值分别设置为200ps、10V；温度的初始值为-20℃。且为保证测量精度，优化前进一步设定门脉冲频率的初始值为500MHz，此时对应的距离采样精度为20cm。
各个参数之间相对影响，各个参数的优化顺序直接影响到最终的优化效果。本发明中步骤二中，按照直流偏置电压、门脉冲宽度、门脉冲幅度和工作温度的顺序依次逐个优化。
进一步优选，步骤二中，按照直流偏置电压、门脉冲幅度、门脉冲宽度和工作温度的顺序依次逐个优化。
步骤二中，所述中间值对应的信噪比S/N的计算式如下：其中：
xm[i]表示第m个中间值对应的测量数组中的第i个元素的值，n为测量数组的元素个数，m的取值为1～M，其中M为中间值的总个数。
步骤二中，针对直流偏置电压预设的步进为1V，最大值为40V；针对门脉冲宽度预设的步进为50ps，最大值为1000ps；针对所述门脉冲幅度预设的步进为2V，最大值为20V；针对工作温度预设的步进为5℃，最大值为30℃。
本发明单光子探测器的参数优化设置方法的具有如下优点：
仅通过优化单光子探测器内雪崩光电二极管的直流偏置电压、温度、门脉冲的幅度、宽度工作参数即可有效降低后脉冲概率，缩短单光子探测器的死时间，使其适用于OTDR，且有效解决了由于单光子探测器的死时间所引起OTDR测试时间长的问题，使基于单光子探测的OTDR在保持空间分辨率为厘米级的前提下还使其测量速度达到传统OTDR测量速度。此外，与现有的高速全光采样器、上转换技术、超导纳米线单光子探测器方法相比较，本发明的方法易于实现，成本低廉，使单光子OTDR走向实用化。
附图说明
图1是本实施例的单光子探测结构框图。
图2是本发明优选实施例的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明优选实施例作详细说明。
如图1所示，本实施例的单光子探测器包括：包括设置有雪崩光电二极管模块、高压电源模块、门脉冲发生器、时间相关计数器(即光子计数器)、限幅放大器、脉冲鉴别器，雪崩光电二极管模块内设置有热电制冷器(TEC)、温度传感器(sensor)、雪崩光电二极管(APD)。
该当光子探测单元还需要配置有相应的主控单元，可以外接也可以直接内置作为单光探测器的一部分。主控单元基于微处理器实现，包括单片机、DSP、FPGA等芯片处理。
本实施例中主控单元基于STM32F429单片机实现，主要包括：STM32F429单片机、D/A转换器、热电制冷器(TEC)驱动器和A/D转换器。STM32F429单片机设有3个控制端口和2个数据端口，三个控制端口分别与D/A转换器、热电制冷器(TEC)驱动器以及门脉冲发生器连接，两个数据端口分别与光子计数器和A/D转换器连接。
温度传感器(sensor)将采集到的温度信号经过A/D转换器进行模数转换后发送给单片机(STM32F429单片机)，单片机根据接收到的温度信号控制TEC驱动器以控制热电制冷器(TEC)使其达到相应的温度下。单片机输出的控制信号经过D/A转化器后发送给高压电源模块以控制高压电源模块的输出电压，进而调节雪崩光电二极管的直流偏置电压。雪崩光电二极管(APD)对接收到的光信号进行光电转换后得到的电信号依次经过脉冲鉴别器、限幅放大器和光子计数器(本实施例中为时间相关计数器)后得到相应的探测结果并发送给主控单元中进行输出。
本实施例的单光子探测器中雪崩光电二极管的直流偏置电压、工作温度、门脉冲的幅度、频率宽度这个几个参数决定了单光子探测器的死时间。进一步，在利用该单光子探测器的光时域反射仪时，为保证光时域反射仪的测试结果的准确性，一方面需要提高单光子探测器的量子效率，并降低后脉冲概率。
基于上述原因，本实施例采用如下方法对单光子探测器进行参数优化设置：
步骤一，对单光子探测器进行初始化以设定各个参数的初始值，所述的参数包括直流偏置电压、门脉冲宽度、门脉冲幅度和工作温度；
步骤二，逐个对所述参数进行优化，优化任意一个参数时：固定其余参数，其中已优化参数固定为的最优值，未优化的参数固定为其初始值，按照预设的步进递增该参数的值直至到达最大值，以相应的初始值和每次递增后的值作为中间值，针对每个中间值，将相应参数设为该中间值后去进行探测并采集测量数组，根据所有中间值的测量数组计算各个中间值对应的信噪比，选择最大信噪比对应的中间值作为该参数的最优值。
针对以上四个参数，可以采用任意顺序逐个进行优化。例如：可以按照直流偏置电压、门脉冲宽度、门脉冲幅度和工作温度的顺序依次逐个优化。也可以按照直流偏置电压、门脉冲幅度、门脉冲宽度和工作温度的顺序依次逐个优化。
直流偏置电压大小决定了单光子探测器的量子效率，只有量子效率达到要求的条件下，单光子探测器才能探测到微弱的单光子信号，是优化过程的基础。因此，优化过程首先对直流偏置电压进行优化，然后优化了门脉冲的宽度和高度。对于工作温度，单光子探测器为降低暗计数，通常工作在-20℃的低温，但是温度越低，后脉冲概率越大，而后脉冲概率单光子探测器用于OTDR模式的重要指标。因此，优化过程最后还优化了温度。即优化过程按直流偏置电压→门脉冲宽度→门脉冲幅度→工作温度顺序进行。
参见图2，本实施例单光子探测器的参数优化时具体优化过程如下：
步骤(a)，主控单元初始化参数设置，包括设置单光子探测器内部的初始直流偏置电压Vb(0)、初始门脉冲宽度Pdur(0)、初始幅度Pamp(0)、初始值工作温度T(0)。Vb(0)的设置与APD的雪崩电压Vb(r)有关，通常比Vb(r)小5～10V，如InGaAs的APD的Vb(r)为40V，Vb(0)设置为32V。
本实施例中门脉冲宽度Pdur(0)、幅度Pamp(0)的初始值分别设置为200ps，10V，工作温度的初始值T(0)采用单光子探测APD常用的-20℃。设置门脉冲频率为500MHz对应的距离采样精度为20cm。
步骤(b)，利用该单光子探测器进行单光子脉冲探测(即进行单光子计数)，同步采集时间相关计数模块输出的单光子信息，得到相应的测量数组X1[1 2,…,n,]；
该测量数组的维度等于对每个脉冲的采集次数。
步骤(c)，从Vb(0)开始，增加直流偏置电压Vb，增加的步进设置为1V，并在增加的直流偏置电压后利用该单光子探测器进行单光子测量，得到第二组测量数组X2[1,2,…,n,]；
步骤(d)，重复步骤(c)，直到Vb<Vb(max)，得到m组测量数组Xm[1,2,…,n,]，Vb(max)表示直流偏置电压Vb的最大值，取值为APD的雪崩电压Vb(r)，如InGaAs的APD的雪崩电压Vb(r)为40V，Vb(max)也设置为40V。
步骤(e)，主控单元计算各组测量数组的信噪比(S/N)，得到不同Vb对应下的不同信噪比值S/N，并根据计算结果选择S/N最大值对应的Vb为最优直流偏置电压Vb(opt)。
本实施例中信噪比S/N计算公式如下：
其中，μ是一组测量数组中所有元素的的平均值，xm[i]表示第m组的第i个数据，
σ是一组测量数组Xm的标准差，
步骤(f)，将直流偏置电压固定在Vb(opt)，增加门脉冲宽度Pdur，门脉冲宽度增加的步进可以设置为50ps，最大门脉冲宽度Pdur(max)可以设置为1000ps，重复步骤(b)得到在m组Pdur下的m组OTDR数据X1[1 2,…,n,]，X2[1 2,…,n,]…Xm[1 2,…,n,]；
步骤(g)，与步骤(e)相同，计算不同Pdur下数据的信噪比S/N，选择S/N最大值对应的Pdur为最优门脉冲宽度Pdur(opt)；
步骤(h)，将直流偏置电压固定在Vb(opt)，门脉冲宽度固定在Pdur(opt)，增加门脉冲幅度(Pamp)，Pamp增加的步进可以设置为2V，最大门脉冲宽度Pamp(max)可以设置为20V，重复步骤(b)得到在m组Pamp下的m组OTDR数据X1[1 2,…,n,]，X2[1 2,…,n,]…Xm[1 2,…,n,]；
步骤(i)，同步骤(e)，计算不同Pamp下的信噪比S/N，选择S/N最大值对应的Pamp为最优门脉冲幅度Pamp(opt)；
步骤(j)，将直流偏置电压固定在Vb(opt)，门脉冲宽度固定在Pdur(opt)，门脉冲幅度固定在Pamp(opt)，逐步增加温度T，T的增加步进可以设置为5℃，最高温度设置在T(max)设置为30℃。重复步骤(b)得到在m组T下测量的m组OTDR数据X1[1 2,…,n,]，X2[1 2,…,n,]…Xm[1 2,…,n,]；
步骤(k)，同步骤(e)，计算不同T下的信噪比S/N，选择S/N最大值对应的T为最优工作温度T(opt)；
步骤(l)，得到Vb(opt)、Pdur(opt)(opt)、Pamp(opt)、T(opt)，优化结束。
本发明中通过参数优化使雪崩光电二极管在单光子探测状态下量子效率效高、后脉冲概率小、且暗计数小，极大的缩短了测量时间，能够大幅度提升光基于单光子探测的光时域反射仪的探测结果的可靠性，并提高其测试效率。
本领域的普通技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (8)
1.一种单光子探测器的参数优化设置方法，所述的单光子探测器包括：雪崩光电二极管模块、高压电源模块、门脉冲发生器、光子计数器、限幅放大器、脉冲鉴别器，雪崩光电二极管模块内设置有热电制冷器、温度传感器、雪崩光电二极管；
所述单光子探测器配置有主控单元，包括：单片机、D/A转换器、TEC驱动器和A/D转换器；单片机设有3个控制端口和2个数据端口，三个控制端口分别与D/A转换器、TEC驱动器以及门脉冲发生器连接，两个数据端口分别与光子计数器和A/D转换器连接；
温度传感器将采集到的温度信号经过A/D转换器进行模数转换后发送给单片机，单片机根据接收到的温度信号控制TEC驱动器以控制热电制冷器使其达到相应的温度下；单片机输出的控制信号经过D/A转化器后发送给高压电源模块以控制高压电源模块的输出电压，进而调节雪崩光电二极管的直流偏置电压；雪崩光电二极管对接收到的光信号进行光电转换后得到的电信号依次经过脉冲鉴别器、限幅放大器和光子计数器后得到相应的探测结果并发送给主控单元中进行输出；
其特征是：所述方法包括以下步骤：
步骤一，对单光子探测器进行初始化以设定各个参数的初始值，所述的参数包括直流偏置电压、门脉冲宽度、门脉冲幅度和工作温度；
步骤二，逐个对所述参数进行优化，优化任意一个参数时：固定其余参数，其中已优化参数固定为最优值，未优化的参数固定为其初始值，按照预设的步进递增该参数的值直至到达最大值，以相应的初始值和每次递增后的值作为中间值，针对每个中间值，将相应参数设为该中间值后去进行探测并采集测量数组，根据所有中间值的测量数组计算各个中间值对应的信噪比，选择最大信噪比对应的中间值作为该参数的最优值。
2.如权利要求1所述单光子探测器的参数优化设置方法，其特征是：步骤二中，按照直流偏置电压、门脉冲宽度、门脉冲幅度和工作温度的顺序依次逐个优化。
3.如权利要求1所述单光子探测器的参数优化设置方法，其特征是：步骤二中，按照直流偏置电压、门脉冲幅度、门脉冲宽度和工作温度的顺序依次逐个优化。
4.如权利要求2或3所述单光子探测器的参数优化设置方法，其特征是：步骤二中，所述中间值对应的信噪比S/N的计算式如下：其中：
xm[i]表示第m个中间值对应的测量数组中的第i个元素的值，n为测量数组的元素个数，m的取值为1～M，其中M为中间值的总个数。
5.如权利要求1所述单光子探测器的参数优化设置方法，其特征是：步骤一，初始化时设置直流偏置电压的初始值比单光子探测器内APD的雪崩电压小5～10V。
6.如权利要求5所述单光子探测器的参数优化设置方法，其特征是：步骤二，针对门脉冲宽度预设的步进为50ps，最大值为1000ps。
7.如权利要求6所述单光子探测器的参数优化设置方法，其特征是：步骤二，针对所述门脉冲幅度预设的步进为2V，最大值为20V。
8.如权利要求7所述单光子探测器的参数优化设置方法，其特征是：步骤二，针对工作温度预设的步进为5℃，最大值为30℃。
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