CN111896127A - 基于单光子探测器的延时多通道光子计数接收方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于单光子探测器的延时多通道光子计数接收方法和系统,该方法包括以下步骤:获取一束经不同延时光路传输的光脉冲序列;将光脉冲序列依次传输至同一个单光子探测器中;单光子探测器对光脉冲序列依次进行光子计数探测,得到一束计数脉冲序列;对计数脉冲序列积分;其中,积分结果为光脉冲的最终探测结果。本发明的目的在于提供一种基于单光子探测器的延时多通道光子计数接收方法和系统,利用延时光路使单光子探测器在不同时刻对光脉冲进行多次探测,使系统只需利用单个单光子探测器即可实现对脉冲的多通道接收效果,节省设备成本,降低系统复杂度;同时还可以增加单光子探测器有效工作时间,提高系统对单光子探测器的利用率。
Description
技术领域
本发明涉及光子雷达探测技术领域,尤其涉及一种基于单光子探测器的延时多通道光子计数接收方法和系统。
背景技术
单光子探测器(SPD,single-photon detector)是一种能够响应光子量级信号的高灵敏度光电探测器,常用技术包括盖革模式APD、光电倍增管、超导纳米线等多类单光子探测器,是单光子雷达探测、量子通信等领域的基础设备。然而,单光子探测器在激光雷达和通信应用中存许多技术局限,包括一般的单光子探测器为达到单光子量级的灵敏度,增益高但动态范围有限,对光的探测通常只能输出表示光子“有”或“无”两个状态的标准光子计数脉冲,无法对到达的光子数,即光强进行分辨,也无法借助输出信号的强度在一次探测中识别有用信号和噪声信号。
为解决该缺陷,目前一般采用时间相关单光子符合计数的方式,利用光子到达时间的相关性,通过累积足够数量的光子计数脉冲脉冲,获得高对比度的光子计数分布以区别噪声,为此,需要进行较长时间的重复累积,或利用多套设备对同一个光信号进行并行接收,时间成本或设备成本较高,严重影响了探测速度,浪费大量的资源。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于单光子探测器的延时多通道光子计数接收方法和系统,利用延时光路的分束和延时作用,将一个较强的光子脉冲分束延时后形成一串小的脉冲序列,并将光脉冲序列输入一个单光子探测器中,使单光子探测器可在不同时刻对同一个光脉冲进行多次探测,实现单探测器对脉冲的多通道接收效果,降低系统复杂度,增加单光子探测器的有效工作时间,提高探测器的利用率。
本发明通过下述技术方案实现:
一种基于单光子探测器的延时多通道光子计数接收方法,包括以下步骤:
S1:获取多束同步的光脉冲信号A,并分别将所述光脉冲信号A经不同延时光路传输,以得到一串具有先后顺序的光脉冲序列;其中,所述光脉冲序列中相邻两个光脉冲信号的时间间隔大于探测器的最短死时间;
S2:将所述光脉冲序列依次传输至同一个单光子探测器中;
S3:所述单光子探测器对所述光脉冲序列依次进行光子计数探测,从而得到一组对应的计数脉冲序列;
S4:对所述计数脉冲序列进行积分,积分结果为所述单光子探测器对所述光脉冲信号A的最终探测结果。
进一步的,所述光脉冲信号A的获取方式为:通过单一的光学接收端接收一束光脉冲信号B;对所述光脉冲信号B进行分束,得到多束同步的所述光脉冲信号A。
进一步的,所述光脉冲信号A的获取方式为:通过多个独立的光学接收端接收同一个光脉冲信号B,得到多束同步的所述光脉冲信号A。
一种基于单光子探测器的延时多通道光子计数接收系统,包括获取模块、探测模块以及处理模块;
所述获取模块,用于获取多束同步的光脉冲信号A,并根据所述光脉冲信号A获取光脉冲序列;其中,所述光脉冲序列中相邻两个光脉冲的时间间隔大于所述探测模块的最短死时间;
所述探测模块,用于对所述光脉冲序列依次进行光子计数探测,得到一组对应的计数脉冲序列;
所述处理模块,用于对所述计数脉冲序列积分;其中,积分结果为探测模块对所述光脉冲信号A的最终接收结果。
进一步地,所述探测模块为单光子探测器。
进一步的,所述获取模块包括获取单元和延时单元;
所述获取单元,用于获取多束同步的所述光脉冲信号A;
所述延时单元,用于对所述光脉冲信号A分别进行不同的延时处理,得到具有时间间隔的所述光脉冲序列。
进一步的,当所述获取单元包含一个光学接收端时,所述获取模块包括接收单元、分束单元和第一延时子单元;
所述接收单元,用于接收光脉冲信号B;
所述分束单元,用于将所述光脉冲信号B分成多路同步的所述光脉冲信号A;
所述第一延时子单元,用于对多路所述光脉冲信号A延时,得到具有时间间隔的所述光脉冲序列。
进一步的,当所述获取单元包含多个独立的光学接收端时,所述获取模块包括多个接收单元和第二延时子单元;
所述接收单元,用于接收所述光脉冲信号B,得到多束同步的所述光脉冲信号A;
所述第二延时子单元,用于对多路所述光脉冲信号A延时,得到具有时间间隔的所述光脉冲序列。
本方案的技术原理为:利用一个多光路延时系统,将接收到的光脉冲信号A经多光路延时系统中不同的延时光的延时操作后(每一个延时通道的延时时间不相同),依次输入同一个单光子探测器中,使单光子探测器可在不同时刻上对该光脉冲信号进行多次探测,并将多次探测结果的积分作为最终结果,从而达到利用一个单光子探测器实现对光脉冲进行多通道探测的效果,提高接收效率。
在本方案中,仅需要单个单光子探测器,即可实现对光脉冲的多通道探测的效果,有效的降低了系统的复杂度,提高了探测效率,弥补了现有相关光子计数探测技术需要多次探测累积,探测时间较长的缺陷,提高资源利用率。除此之外,由于光脉冲信号经分束镜分束后,不同延时光路通道中的光脉冲信号的光强降低,使得单光子探测器光敏感面每次接收的光强降低,在一定程度上保护了单光子探测器。
本发明与现有技术相比,具有如下的优点和有益效果:
1、利用延时光路使单光子探测器在不同时刻对光脉冲进行多次探测,系统只需利用单个单光子探测器即可实现对脉冲的多通道探测效果,节省了设备成本,降低系统复杂度;
2、利用延时光路使单光子探测器在不同时刻对光脉冲进行多次探测,使单光子探测器有效工作时间增加,提高系统对单光子探测器的利用率;
3、利用延时光路使单光子探测器在不同时刻对光脉冲进行多次探测,并将多次探测的积分作为最终的探测结果,使系统接收到光脉冲的信息增加,提高信噪比;
4、利用延时光路使探测器在不同时刻对光脉冲进行多次探测,并将多次探测的积分作为最终的探测结果,提高探测速度;
5、降低了到达单光子探测器光敏感面的光强,一定程度上保护了单光子探测器免受强光伤害。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解,构成本申请的一部分,并不构成对本发明实施例的限定。在附图中:
图1为本发明单光子探测器多通道延时接收系统原理示意图;
图2为本发明单光学接收端-单探测器多通道延时接收系统示意图;
图3为本发明多光学接收端-单探测器多通道延时接收系统示意图;
图4为传统非延时单光子探测接收系统;
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,下面结合实施例和附图,对本发明作进一步的详细说明,本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明,并不作为对本发明的限定。
如图1和图3所示,一种基于单光子探测器的延时多通道光子计数接收方法,包括以下步骤:
S1:获取一组经不同延时光路传输的光脉冲序列;其中,光脉冲序列来自同一光脉冲,不同延时光路之间的延时时间间隔大于探测器的死时间(死时间:单光子探测器从接收光子到产生电响应输出需要一定的时间,在该时间段内无法进行光子探测,两次正常探测与处理光子脉冲事件的最小间隔时间称为死时间);
S2:将光脉冲序列依次传输至同一个单光子探测器中;
S3:单光子探测器对光脉冲序列依次进行光子计数探测,得到对应的一束计数脉冲序列;
S4:对计数脉冲序列积分;其中,积分结果为单光子探测器对输入光脉冲的最终探测结果。
在本方案中,利用一个多光路延时系统,将接收到的光脉冲信号A经多光路延时系统中不同的延时光路通道延时操作后,得到一个光脉冲序列,将该光脉冲序列依次输入同一个单光子探测器中,从而达到利用一个单光子探测器实现对光脉冲进行多通道接收的效果。
另外,将该光脉冲序列依次输入同一个单光子探测器中,使得单光子探测器可在不同时刻对该脉冲信号进行多次探测,并将不同时刻获取的计数脉冲进行积分,得到探测器对该光脉冲信号总的最终探测结果。
进一步地,在本实施例中,光脉冲信号A的获取方式有两种:
(1)当只有一个光学接收端时,如图2所示,通过一个光学接收端接收到达的光脉冲信号,得到一束脉冲,再将接收到的光脉冲信号分成多束,分别输入到不同的延时通道,形成一组光脉冲序列,并将该光脉冲序列依次输入单光子探测器中进行光子计数探测。
(2)当有多个独立的光学接收端时,如图3所示,通过多个光学接收端接收到达的光脉冲,得到多束同步的接收光束(光脉冲信号A),再将各路光脉信号A输入到不同的延时通道,得到一组光脉冲序列,并将序列依次输入单光子探测器进行光子计数探测。
一种基于单光子探测器的延时多通道光子计数接收系统,包括获取模块、探测模块以及处理模块;其中,在本实施例中,探测模块为单光子探测器。
获取模块,用于获取多束同步的光脉冲信号A,并根据光脉冲信号A获取光脉冲序列;其中,光脉冲序列中相邻两个光脉冲的时间间隔大于单光子探测器的最短死时间;
单光子探测器,用于对光脉冲序列依次进行光子计数探测,得到一组对应的计数脉冲序列;
处理模块,用于对计数脉冲序列积分;其中,积分结果为探测模块对光脉冲信号A的最终接收结果。
具体的,在本实施例中,获取模块包括获取单元和延时单元;
获取单元,用于获取多束同步的光脉冲信号A;
延时单元,用于对光脉冲信号A分别进行不同的延时处理,得到具有时间间隔的光脉冲序列。
进一步的,在本实施例中,获取模块包含两种形式:
(1)当获取单元只包含一个光学接收端时:获取模块包括接收单元、分束单元和第一延时子单元;
接收单元,用于接收光脉冲信号B;
分束单元,用于将光脉冲信号B分成多路同步的光脉冲信号A;
第一延时子单元,用于对多路光脉冲信号A延时,得到具有时间间隔的光脉冲序列。
(2)当获取单元包含多个独立的光学接收端时,获取模块包括多个接收单元和第二延时子单元;
接收单元,多个接收均用于对光脉冲信号B进行接收,从而得到多束同步的光脉冲信号A;
第二延时子单元,用于对多路光脉冲信号A延时,得到具有时间间隔的光脉冲序列。
下面以具体的实施例对本发明的增益原理进行说明:
如图1和图4所示,图1中,当接收端接收到一束较强的光脉冲,延时多通道光子计数接收系统会对该光脉冲进行分束和延时后,形成一组具有一定先后顺序的光脉冲序列,并将其依次输入单光子探测器中进行多次光子计数探测,得到对应的计数脉冲序列;图4中,当不进行分束和延时时(即传统的探测方式),接收到的光脉冲直接被输入单光子探测器中进行探测,由于该过程中单光子探测器只能对光脉冲探测一次,因此最多只能输出一个光子计数信号。虽然图4中较强的光脉冲信号触发单光子探测器产生计数脉冲的概率较高,然而由于光最多只能被探测一次,因此,只能输出一次计数脉冲,最大输出期记为“1”;对图1的延时多通道光子计数接收系统,虽然对原光脉冲分束后得到的光脉冲序列中,单个脉冲的强度减小,触发探测器产生计数脉冲的概率降低,然而由于单光子探测器对光脉冲的探测次数增加,最终积分后探测结果的期望也将随之增加。
以上所述的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施方式而已,并不用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于单光子探测器的延时多通道光子计数接收方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:获取多束同步的光脉冲信号A,并分别将所述光脉冲信号A经不同延时光路传输,以得到一串具有先后顺序的光脉冲序列;其中,所述光脉冲序列中相邻两个光脉冲信号的时间间隔大于探测器的最短死时间;
S2:将所述光脉冲序列依次传输至同一个单光子探测器中;
S3:所述单光子探测器对所述光脉冲序列依次进行光子计数探测,从而得到一组对应的计数脉冲序列;
S4:对所述计数脉冲序列进行积分,积分结果为所述单光子探测器对所述光脉冲信号A的最终探测结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于单光子探测器的延时多通道光子计数接收方法,其特征在于,所述光脉冲信号A的获取方式为:通过单一的光学接收端接收一束光脉冲信号B;对所述光脉冲信号B进行分束,得到多束同步的所述光脉冲信号A。
3.根据权利要求1所述的一种基于单光子探测器的延时多通道光子计数接收方法,其特征在于,所述光脉冲信号A的获取方式为:通过多个独立的光学接收端接收同一个光脉冲信号B,得到多束同步的所述光脉冲信号A。
4.一种基于单光子探测器的延时多通道光子计数接收系统,其特征在于,包括获取模块、探测模块以及处理模块;
所述获取模块,用于获取多束同步的光脉冲信号A,并根据所述光脉冲信号A获取光脉冲序列;其中,所述光脉冲序列中相邻两个光脉冲的时间间隔大于所述探测模块的最短死时间;
所述探测模块,用于对所述光脉冲序列依次进行光子计数探测,得到一组对应的计数脉冲序列;
所述处理模块,用于对所述计数脉冲序列积分;其中,积分结果为探测模块对所述光脉冲信号A的最终接收结果。
5.根据权利要求4所述的一种基于单光子探测器的延时多通道光子计数接收系统,其特征在于,所述探测模块为单光子探测器。
6.根据权利要求4或5所述的一种基于单光子探测器的延时多通道光子计数接收系统,其特征在于,所述获取模块包括获取单元和延时单元;
所述获取单元,用于获取多束同步的所述光脉冲信号A;
所述延时单元,用于对所述光脉冲信号A分别进行不同的延时处理,得到具有时间间隔的所述光脉冲序列。
7.根据权利要求6所述的一种基于单光子探测器的延时多通道光子计数接收系统,其特征在于,当所述获取单元包含一个光学接收端时,所述获取模块包括接收单元、分束单元和第一延时子单元;
所述接收单元,用于接收光脉冲信号B;
所述分束单元,用于将所述光脉冲信号B分成多路同步的所述光脉冲信号A;
所述第一延时子单元,用于对多路所述光脉冲信号A延时,得到具有时间间隔的所述光脉冲序列。
8.根据权利要求6所述的一种基于单光子探测器的延时多通道光子计数接收系统,其特征在于,当所述获取单元包含多个独立的光学接收端时,所述获取模块包括多个接收单元和第二延时子单元;
所述接收单元,用于接收所述光脉冲信号B,得到多束同步的所述光脉冲信号A;
所述第二延时子单元,用于对多路所述光脉冲信号A延时,得到具有时间间隔的所述光脉冲序列。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20201106 |
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