CN112629683B - 一种单光子计数装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单光子计数装置及其方法，包括：光子探测单元，用于接收激光并生成电脉冲信号；数据处理单元，用于接收所述电脉冲信号并输出计数信号，其中，所述数据处理单元包括串并转换模块和并行计数模块，在所述数据处理单元接收到所述电脉冲信号的情况下，所述串并转换模块将所述电脉冲信号转换为并行数据，所述并行计数模块采集所述并行数据包含的脉冲个数并进行统计计数，生成所述计数信号。本发明通过引入串并转换模块，使得时间测试精度按照串并转换比例成倍提高，有效提升了计数精度，并且使得数据处理单元所使用电路完全数字化，保证了计数装置的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及通信测试技术领域，具体涉及一种单光子计数装置及其方法。
背景技术
传统的测试系统和传感系统中，通常会将一些随机变量转换为电信号脉冲，再通过检测、定位、统计脉冲信号重现物理量的运行规律或分布形态，因此，上述系统所使用的脉冲计数器定位精度和计数准确性决定了测试系统精度。而传统的脉冲计数器通常采用频率稳定的晶体振荡器作为参考时钟，由于振荡器频率和逻辑电路响应频率在几百MHz，因此该类计数器的时间精度在几ns量级，定位精度有限，无法满足高精度测试需求。
因此，为提高脉冲计数器的时间精度，现有技术中通常引入高线性时间幅度转换器（TAC）和高精度模数转换器（ADC），通过TAC把电脉冲之间的时间差线性转换为电压差，并使用ADC采样，把电压差转换为数字信号，再通过逻辑电路进行计数统计，提高计数器的时间定位精度到0.1ns数量级。但是，该种电路所使用的高精度TAC和ADC属于非常用电子原器件，难以大量获取且成本较高，并且其中的转换器和模数变换器属于模拟电路，性能受环境影响，随着使用时间而劣化，导致整体计数器的可靠性较差。
综上所述，传统的脉冲计数装置存在计数精度低、可靠性差的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种单光子计数装置，通过引入高速串并转换器，使得时间测试精度按照串并转换比例成倍提高，有效提升了计数精度，并且使得数据处理单元所使用电路完全数字化，保证了计数装置的可靠性，解决了传统的脉冲计数装置存在的计数精度低、可靠性差的问题。
为解决以上问题，本发明的技术方案为采用一种单光子计数装置，包括：光子探测单元，用于接收激光并生成电脉冲信号；数据处理单元，用于接收所述电脉冲信号并输出计数信号，其中，所述数据处理单元包括串并转换模块和并行计数模块，在所述数据处理单元接收到所述电脉冲信号的情况下，所述串并转换模块将所述电脉冲信号转换为并行数据，所述并行计数模块采集所述并行数据包含的脉冲个数并进行统计计数，生成所述计数信号。
可选地，所述数据处理单元还包括数据存储模块，在所述并行转换模块将所述电脉冲信号转换为多组所述并行数据后，所述并行计数模块基于各组所述并行数据对应的时序关系，按照时序递增的方式为多组所述并行数据分配所述数据存储模块的存储地址，所述数据存储模块按照移位寄存的方式存储所述并行数据包含的脉冲信号。
可选地，所述数据处理单元还包括同步脉冲激发模块和同步控制模块，所述同步脉冲激发模块周期性输出同步时钟信号传输至所述同步控制模块，所述同步控制模块输出多路同步控制信号并分别传输至所述串并转换模块、并行计数模块和数据存储模块。
可选地，所述数据存储模块为移位寄存器。
相应地，本发明提供，一种单光子计数方法，包括：接收激光并生成电脉冲信号；对所述电脉冲信号进行串并转换生成并行数据；计算并统计所述并行数据包含的脉冲个数，生成计数信号。
可选地，计算并统计所述并行数据包含的脉冲个数生成所述计数信号，包括： 将所述电脉冲信号转换为多组所述并行数据后，基于各组所述并行数据对应的时序关系，按照时序递增的方式为多组所述并行数据分配数据存储模块的存储地址，所述数据存储模块按照移位寄存的方式存储所述并行数据包含的脉冲信号；调用所述数据存储模块存储的所述并行数据，计算所述并行数据包含的脉冲信号个数，并统计所述脉冲信号对应的所述数据存储模块的存储地址，生成包含脉冲信号个数和脉冲信号时隙信息的所述计数信号。
可选地，对所述电脉冲信号进行串并转换生成并行数据，包括：基于预设时间转换周期将所述电脉冲信号分割为多组所述并行数据。
可选地，接收激光并生成电脉冲信号，包括：接收所述激光，并基于所述激光的脉冲持续时间周期生成多组所述电脉冲信号。
本发明的首要改进之处为提供的单光子计数装置，通过引入串并转换模块，使得在光子探测单元接收激光并传输电脉冲信号至数据处理单元时，串并转换模块能够将电脉冲信号转换为并行数据并进行统计计数，使得时间测试精度按照串并转换比例成倍提高，有效提升了计数精度，并且使得数据处理单元所使用电路完全数字化，保证了计数装置的可靠性，解决了传统的脉冲计数装置存在的计数精度低、可靠性差的问题。
附图说明
图1是本发明的单光子计数装置的的简化装置连接图；
图2是本发明的电脉冲信号的示例；
图3是本发明的并行数据的示例；
图4是本发明的并行数据存储于数据存储模块时的示例；
图5是本发明的单光子计数方法的简化流程图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，一种单光子计数装置，包括：光子探测单元，用于接收激光并生成电脉冲信号；数据处理单元，用于接收所述电脉冲信号并输出计数信号，所述数据处理单元包括串并转换模块和并行计数模块，在所述数据处理单元接收到所述电脉冲信号的情况下，所述串并转换模块将所述电脉冲信号转换为并行数据，所述并行计数模块采集所述并行数据包含的脉冲个数并进行统计计数，生成所述计数信号。
进一步的，所述数据处理单元还包括数据存储模块，在所述并行转换模块将所述电脉冲信号转换为多组所述并行数据后，所述并行计数模块基于各组所述并行数据对应的时序关系，按照时序递增的方式为多组所述并行数据分配所述数据存储模块的存储地址，所述数据存储模块按照移位寄存的方式存储所述并行数据包含的脉冲信号。其中，所述数据存储模块可以是移位寄存器。
更进一步的，所述数据处理单元还包括同步脉冲激发模块和同步控制模块，所述同步脉冲激发模块周期性输出同步时钟信号传输至所述同步控制模块，所述同步控制模块输出多路同步控制信号并分别传输至所述串并转换模块、并行计数模块和数据存储模块。
为便于理解本单光子计数装置的工作原理，以使用串并转换比例为1:40的所述串并转换模块、同步脉冲激发模块输出频率250MHz的时钟信号为例（即，预设时间转换周期为4ns），如图2所示，在所述激光的脉冲持续时间周期为640ns时，光子探测单元基于所述脉冲持续时间周期生成多组所述电脉冲信号。以第一组所述电脉冲信号为处理示例，如图3和图4所示，串并转换模块将长度为640ns所述第一组所述电脉冲信号转换为160组40位的所述并行数据输出，所述并行计数模块所使用的逻辑电路基于各组所述并行数据对应的时序关系，将所述并行数据定义为帧，共有160帧。在本示例中，每帧包含40位，每一位代表脉冲信号的0.1ns时隙，每一位分配一个对应的所述数据存储模块的存储地址。其中，存储地址的分配规则可以是存储地址=40*（帧序-1）+位序。
本发明通过引入串并转换模块，使得在光子探测单元接收激光并传输电脉冲信号至数据处理单元时，串并转换模块能够将电脉冲信号转换为并行数据并进行统计计数，使得时间测试精度按照串并转换比例成倍提高，有效提升了计数精度，并且使得数据处理单元所使用电路完全数字化，保证了计数装置的可靠性，解决了传统的脉冲计数装置存在的计数精度低、可靠性差的问题。
相应的，如图5所示，本发明提供，一种单光子计数方法，包括： 接收激光并生成电脉冲信号；对所述电脉冲信号进行串并转换生成并行数据；计算并统计所述并行数据包含的脉冲个数，生成计数信号。
进一步的，计算并统计所述并行数据包含的脉冲个数生成所述计数信号，包括：将所述电脉冲信号转换为多组所述并行数据后，基于各组所述并行数据对应的时序关系，按照时序递增的方式为多组所述并行数据分配数据存储模块的存储地址，所述数据存储模块按照移位寄存的方式存储所述并行数据包含的脉冲信号；调用所述数据存储模块存储的所述并行数据，计算所述并行数据包含的脉冲信号个数，并统计所述脉冲信号对应的所述数据存储模块的存储地址，生成包含脉冲信号个数和脉冲信号时隙信息的所述计数信号。
更进一步的，对所述电脉冲信号进行串并转换生成并行数据，包括：基于预设时间转换周期将所述电脉冲信号分割为多组所述并行数据。
更进一步的，接收激光并生成电脉冲信号，包括：接收所述激光，并基于所述激光的脉冲持续时间周期生成多组所述电脉冲信号。
以上对本发明实施例所提供的一种单光子计数系统及其方法进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
Claims (6)
1.一种单光子计数装置，其特征在于，包括：
光子探测单元，用于接收激光并生成电脉冲信号；
数据处理单元，用于接收所述电脉冲信号并输出计数信号，所述数据处理单元包括串并转换模块和并行计数模块，所述串并转换模块分别与所述光子探测单元、所述并行计数模块电气连接，所述串并转换模块用于将所述电脉冲信号转换为并行数据，所述并行计数模块由逻辑电路构成，用于采集所述并行数据包含的脉冲个数并进行统计计数并生成所述计数信号，其中，
生成所述计数信号包括：将所述电脉冲信号转换为多组所述并行数据后，基于各组所述并行数据对应的时序关系，按照时序递增的方式为多组所述并行数据分配数据存储模块的存储地址，所述数据存储模块按照移位寄存的方式存储所述并行数据包含的脉冲信号；调用所述数据存储模块存储的所述并行数据，计算所述并行数据包含的脉冲信号个数，并统计所述脉冲信号对应的所述数据存储模块的存储地址，生成包含脉冲信号个数和脉冲信号时隙信息的所述计数信号。
2.根据权利要求1所述的单光子计数装置，其特征在于，所述数据处理单元还包括同步脉冲激发模块和同步控制模块，所述同步脉冲激发模块与所述同步控制模块电气连接，所述同步控制模块分别与所述串并转换模块、所述并行计数模块和所述数据存储模块电气连接，其中，
所述同步脉冲激发模块周期性输出的同步时钟信号传输至所述同步控制模块，所述同步控制模块输出的多路同步控制信号分别传输至所述串并转换模块、所述并行计数模块和所述数据存储模块。
3.根据权利要求1所述的单光子计数装置，其特征在于，所述数据存储模块为移位寄存器。
4.一种单光子计数方法，其特征在于，包括：
接收激光并生成电脉冲信号；
对所述电脉冲信号进行串并转换生成并行数据；
计算并统计所述并行数据包含的脉冲个数，生成计数信号，其中，生成所述计数信号包括：将所述电脉冲信号转换为多组所述并行数据后，基于各组所述并行数据对应的时序关系，按照时序递增的方式为多组所述并行数据分配数据存储模块的存储地址，所述数据存储模块按照移位寄存的方式存储所述并行数据包含的脉冲信号；调用所述数据存储模块存储的所述并行数据，计算所述并行数据包含的脉冲信号个数，并统计所述脉冲信号对应的所述数据存储模块的存储地址，生成包含脉冲信号个数和脉冲信号时隙信息的所述计数信号。
5.根据权利要求4所述的单光子计数方法，其特征在于，对所述电脉冲信号进行串并转换生成并行数据，包括：
基于预设时间转换周期将所述电脉冲信号分割为多组所述并行数据。
6.根据权利要求5所述的单光子计数方法，其特征在于，接收激光并生成电脉冲信号，包括：
接收所述激光，并基于所述激光的脉冲持续时间周期生成多组所述电脉冲信号。
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