CN114264383B - 应用于面阵列上转换相机的高效率单光子探测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种应用于面阵列上转换相机的高效率单光子探测系统及方法，所述系统至少包括：核心处理模块、主动淬灭模块、快速恢复模块、可调高压模块、可调中压模块、计数信号处理模块和保护模块；核心处理模块，被配置为：通过可调高压模块使雪崩二极管工作在盖革模式，通过计数信号处理模块获取雪崩二极管阴极的雪崩信号，通过主动淬灭模块与可调中压模块进行雪崩二极管的主动淬灭控制，通过快速恢复模块进行雪崩二极管快速恢复到盖革模式控制；保护模块，被配置为：根据雪崩信号在采样电阻上产生的电压信号控制主动淬灭电路与雪崩二极管的连接；降低了暗计数，提高了探测效率，提高饱和计数率。
Description
技术领域
本发明涉及量子探测和量子通信技术领域，特别涉及一种应用于面阵列上转换相机的高效率单光子探测系统及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
近红外波段量子成像是近年来科学及应用研究的重要方向，属于量子精密测量的重要分支，有着广泛的应用前景。在量子成像领域中，通常采用单光子阵列探测器作为探测单元。其中，阵列探测器是由一维或者二维的阵列单光子探测像素组成，其每个单光子探测像素都是独立运行的。
目前，国内及国际上均有32×32像素InGaAs/InP阵列探测器的报道，其工作在门控模式下，其中各阵元暗电流和击穿电压都比较均匀，但暗计数一般在每秒几万个，较高的暗计数会降低系统的信噪比，且探测面元间的串扰严重影响时间分辨，这些因素都会影响成像距离、空间分辨等关键指标。另外，国际上已有64像素的超导纳米线面阵列探测器方面的报道，超导面阵列探测器需要在极低温度下工作，才能保证较高的探测效率及较低的暗计数。
单光子探测器的基本工作原理如下：利用工作于盖革模式(Geiger Mode)下的雪崩光电二极管(Avalanche Photon Diode，APD)进行单光子探测。所谓盖革模式是指APD工作时要加反向偏压，偏压幅度略微超过雪崩阈值电压。光子入射到APD内部引发雪崩，产生雪崩电流脉冲。探测器内部处理电路将微弱电流脉冲转换成电压脉冲并放大、整形，再经过甄别、死时间处理后输出电平、宽度固定的数字脉冲。入射光子引发雪崩发生后，必须尽快将雪崩淬灭，一方面避免APD过度放电，另一方面将APD恢复到可用状态，能够及时检测下一个入射光子事件。
目前，商用单光子探测器由于探测技术的限制，其淬灭电路大多采用被动、门控的方式进行，门控方式需要门信号和光信号同步，其应用领域具有一定的局限性，例如激光测距，激光雷达成像等应用中光子到达时间是未知的场合，因此就不能采用门控方式；而被动淬灭一般采用大电阻方式，淬灭时间或者恢复时间长，需要对应设置较长的死时间，导致探测器探测效率和计数率的潜能未能完全发挥，无法满足一些需要高探测效率和高计数率的应用。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种应用于面阵列上转换相机的高效率单光子探测系统及方法，通过增加主动淬灭模块和快速恢复模块实现了主动淬灭和快速恢复，有效的降低了暗计数，提高了探测效率；通过保护模块减少了电路淬灭反应时间，且在核心处理模块死时间以及其他判决失效情况下进行有效淬灭，更进一步提高了饱和计数率。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明第一方面提供了一种应用于面阵列上转换相机的高效率单光子探测系统。
一种应用于面阵列上转换相机的高效率单光子探测系统，至少包括：核心处理模块、主动淬灭模块、快速恢复模块、可调高压模块、可调中压模块、计数信号处理模块和保护模块；
核心处理模块，被配置为：通过可调高压模块使雪崩二极管工作在盖革模式，通过计数信号处理模块获取雪崩二极管阴极的雪崩信号，通过主动淬灭模块与可调中压模块进行雪崩二极管的主动淬灭控制，通过快速恢复模块进行雪崩二极管快速恢复到盖革模式控制；
保护模块，被配置为：根据雪崩信号在采样电阻上产生的电压信号控制主动淬灭电路与雪崩二极管的连接。
进一步的，所述保护模块包括三极管，当三极管的基极和发射极压差大于阈值时触发三极管动作，主动淬灭电路与雪崩二极管接通。
进一步的，主动淬灭模块，包括：第一电容和第一MOS管，可调中压模块的输出端通过第一MOS管与雪崩二极管的阳极连接。
进一步的，还包括上位机；
所述核心处理模块，还被配置为：通过以太网进行与上位机的通信控制。
更进一步的，所述快速恢复模块，包括：第二电容、第二MOS管、被动淬灭电阻和DCDC隔离电源；
核心处理模块与第二电容的输入端连接，第二电容的输出端与第二MOS管连接，被动淬灭电阻和第二MOS管分别与雪崩二极管的阳极端连接；
隔离的DCDC电源的输出通过分压电阻施加到第二MOS管的栅极和源级。
进一步的，雪崩二极管为硅雪崩二极管，还包括温控模块；
所述核心处理模块，还被配置为：根据温控模块进行硅雪崩二极管的温度控制。
更进一步的，所述温控模块包括热敏电阻和热电制冷器，核心处理模块通过模数转换器采样热敏电阻的电压值，获取硅雪崩二极管的当前温度，通过数模转换器控制驱动电路驱动热电制冷器进行硅雪崩二极管的温度控制。
进一步的，核心处理模块采用FPGA处理器，FPGA处理器用于通过以太网端口与上位机通信连接。
本发明第二方面提供了一种应用于面阵列上转换相机的高效率单光子探测方法。
一种应用于面阵列上转换相机的高效率单光子探测方法，包括以下过程：
配置初始化；
开始探测，首先配置高压进入盖革模式；
雪崩二极管接收到光信号，引起雪崩效应；
雪崩效应在采样电阻上形成电压信号，计数信号处理模块将该电压信号引入核心处理模块；
核心处理模块识别到电压信号，触发主动淬灭模块，将雪崩二极管从盖革模式退出；
在雪崩二极管退出盖革模式预设时间后，核心处理模块触发快速恢复模块，使雪崩二极管重新进入盖革模式，准备下一次探测。
进一步的，保护模块根据雪崩信号在采样电阻上产生的信号控制主动淬灭电路与雪崩二极管的连接，进行雪崩二极管的主动淬灭。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明具有保护模块，可在FPGA识别到雪崩信号之前触发系统进入主动淬灭状态，进一步减少淬灭反应时间，从而提升了APD的性能。
2、本发明具有主动淬灭模块和快速恢复模块，对比被动淬灭具有暗计数低和饱和计数率高的优势。
3、本发明采用常温下工作的APD，相比于超导条件下工作的器件具有设备控制简单、体积小、便于集成化以及产业化应用的优点，可应用于面阵列单光子相机。
4、本发明采用的硅探测器工作在自由运行模式下，相比于门控模式，可以应用在激光测距、激光雷达成像等光子到达时间未知的场合。
5、本发明采用FPGA作为主核心，可以同时调整高压值、中压值、可通过PID算法控制温控模块制冷并维持APD温度稳定，可以满足常温下自由运行的不同APD的温度需求，同时便于集成多通道大规模的阵列相机应用。
6、本发明采用以太网通信接口，保证了足够的通信带宽，便于集成多通道大规模的阵列相机应用。
7、本发明采用带有温控模块的硅探测器，可在常温下自由运行。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例提供的应用于面阵列上转换相机的高效率单光子探测系统的示意图。
图2为本发明实施例提供的上位机与FPGA之间的通信示意图。
图3为本发明实施例提供的高压模块和中压模块配置示意图。
图4为本发明实施例提供的APD控温示意图。
图5为本发明实施例提供的计数信号处理模块示意图。
图6为本发明实施例提供的主动淬灭模块原理图。
图7为本发明实施例提供的快速恢复模块原理图。
图8为本发明实施例提供的主动淬灭与快速恢复时序图。
图9为本发明实施例提供的保护模块电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例：
如图1所示，本发明实施例1提供了一种应用于面阵列上转换相机的高效率单光子探测系统，包括：
FPGA处理器、主动淬灭模块、快速恢复模块、保护模块、可调高压模块、可调中压模块、温控模块、计数信号处理模块和APD(雪崩二极管)和上位机。
具体的：
(1)FPGA处理器
本实施例所述系统采用FPGA作为主核心，可以同时控制可调高压模块、可调中压模块、温控模块等部分的工作，可以满足多种类型APD的控制需求，其主要功能如下：
1)与上位机通信，实现人机交互；
2)可调高压模块、可调中压模块电压、温控模块以及甄别阈值的设置；
3)APD雪崩效应发生后，计数信号的处理(比较器锁存信号的时序控制)；
4)APD雪崩效应发生后，主动淬灭控制信号的给出(包括脉冲宽度控制)；
5)快速恢复信号延时的控制，以及其脉冲宽度的控制；
6)APD计数信号输出电路的控制。
(2)上位机
如图2所示，上位机通过以太网接口下发给FPGA各部分的配置参数，采用以太网通信可以保证高计数率情况下多通道大规模集成化应用时通信带宽满足要求。
(3)可调高压模块与可调中压模块
为了保证探测器工作在盖革模式下，需要配置高压模块的电压。同时，为了保证探测器退出盖革模式，需要给探测器一个低于盖革模式电压的电压值，在此称为中压，该中压值需要根据APD的最佳性能进行配置。
一般情况下，APD的盖革模式电压为V1，其最佳工作点的电压值比盖革模式电压高10～20％，此为高压值，中压值比盖革模式电压低1-5％，例如盖革电压为200V，则配置高压值为230V，中压值可配置为195V(保证中压值低于盖革模式电压，且此压差也不能太大，压差越大MOS的耐压要求越高)，从而保证APD在淬灭时能完全退出盖革模式。
在本实施例中，FPGA通过DAC芯片设置电压来控制可调高压模块、可调中压模块的电压。可调高压模块提供APD进入盖革模式的电压，本实施例采用负高压方式，即APD的阴极接地(正向电压)，阳极接负高压(比如-200V)；而中压模块提供APD退出盖革模式的电压，当雪崩效应发生后，主动淬灭模块将该中压施加到APD两端，使APD退出盖革模式，如图3所示。
(4)APD温控模块
APD是光子检测器件，APD的雪崩电压、雪崩增益、暗计数等参数均与温度相关，温度越低，APD的雪崩电压越小，探测效率越高，暗计数越小，但APD的工作温度也不能太低。因此APD不仅要具有降温功能，还要能够维持温度恒定。
本实施例采用常温下工作的硅APD，可以满足小型化要求。APD温控模块集成了热敏电阻(NTC)和热电制冷器(TEC)，本实施例的控温示意图如图4，FPGA通过ADC采样反应温度信息的热敏电阻的电压值，获取当前温度，然后通过DAC控制TEC驱动电路进行控温。FPGA通过PID算法((Proportional(比例)、Integral(积分)、Differential(微分)的缩写)实现温度稳定控制。
(5)计数信号处理模块
为了尽量减少FPGA在雪崩效应发生后的反应时间，本实施例采用高速差分比较器，其延时时间为ps级。雪崩效应发生后，首先是计数信号处理模块动作，FPGA可通过DAC芯片设置该比较器的动作电压，即甄别阈值，然后与探测器采样信号做比较，满足要求则差分比较器输出计数信号给FPGA进行处理，如图5所示。
(6)主动淬灭模块和快速恢复模块
本实施例提出在被动淬灭基础上叠加主动淬灭技术，在光子到达APD发生雪崩效应后，通过主动淬灭模块将APD的电压主动拉低，使其退出盖革模式，从而可以让APD尽快恢复；同时，因为APD的恢复时长较长，采用快速恢复模块，在淬灭完成后尽快恢复到盖革模式下，使其能够及时检测下一个入射光子。
主动淬灭比被动淬灭能够让APD更快的退出盖革模式，而快速恢复能够让APD更快的恢复到盖革模式，准备下一个光子测量；而保护模块能够在主动淬灭动作之前或者其他异常情况发生时保证电路进入主动淬灭状态，从而进一步提高性能。
当雪崩效应发生后必须尽快完成淬灭。雪崩效应发生后起被动淬灭作用的大电阻首先发挥作用，然后当FPGA识别到图5中的计数信号动作后，立即触发主动淬灭信号动作，淬灭信号通过电容耦合的方式控制MOS管导通，从而将中压模块产生的电压施加到APD两端，使APD退出雪崩模式，其基本原理图如图6所示。
主动淬灭动作后，需要进行一定的延时，FPGA内部采用进位链(carrychain)技术进行精确延时，控制延时精度为ns等级。为了最大化的发挥APD的性能，需要对主动淬灭和快速恢复进行精确的延时控制，一般为几十纳秒，如果采用时钟则需要几百Mhz的时钟(或者采用PLL倍频)以及对应的高性能的FPGA芯片，这会增加非常大的硬件成本；而采用FPGA内部自带的进位链(carrychain)，配合严格的时钟约束设计，则可以不必采用如此高性能的FPGA芯片，通过硬件即可实现ns级的精确时钟延时，从而达到控制主动淬灭和快速恢复精确延时的功能。
主动淬灭完成后，要尽快使APD恢复到盖革模式，从而准备下一次光子探测，此时FPGA控制进入快速恢复模式。快速恢复模式的基本原理是FPGA通过电容耦合方式控制MOS管导通，短路被动淬灭大电阻，从而达到快速恢复的目的。图7中MOS管(即第二MOS管)为起快速恢复主要功能的MOS管。另外，为了维持MOS管的状态，需要在高压信号基础上叠加一个电压信号作为MOS管控制电压，本实施例采用一颗隔离的DCDC芯片，其输出通过分压电阻施加到MOS管栅极和源级。
APD常态下处于盖革模式，当有光子到达后，APD产生电流信号，从而在采样电阻上产生电压信号，该电压信号通过计数信号处理模块产生计数信号，计数信号输入FPGA处理单元。FPGA检测到计数信号后，控制主动淬灭电路动作将中压模块的电压施加到APD两端，从而使APD退出盖革模式，然后快速恢复模块动作，控制APD恢复到盖革模式，准备下一次探测。
FPGA动作的时序图如图8所示，QA为雪崩效应发生后计数信号处理模块输入FPGA的信号，quench为FPGA输出的淬灭信号，restore为FPGA输出的快速恢复信号。
(7)保护模块
APD雪崩信号到达FPGA，FPGA处理后给出淬灭信号，该淬灭信号相对于光子到达时间有延迟，也就是雪崩效应发生后淬灭反应时间不够快速，同时在FPGA初始化之前未配置主动淬灭和快速恢复时间、以及发生其他异常情况导致响应不及时情况下，保护模块电路会动作，使系统进入主动淬灭状态，从而达到进一步提升APD性能的目的。
保护模块部分原理图如图9所示，雪崩效应发生后会触发保护电路三极管动作，从而触发主动淬灭信号，系统进入主动淬灭状态，APD退出盖革模式。需要说明的是，该保护模块部分采用三极管，只有基极和发射极压差达到限值时才会触发三极管动作，其淬灭效果并不完全，因此需要FPGA继续输出主动淬灭信号完全淬灭APD。
本实施例所述探测系统采用被动淬灭技术上叠加主动淬灭技术，并有保护模块硬件电路，可以在雪崩效应发生后极大的限制后脉冲概率，提升APD的性能；采用快速恢复技术，当主动淬灭动作后快速将APD恢复到盖革模式，使APD可以探测下一个光子，从而达到提升探测器探测效率和饱和计数率的目的；采用常温下自由运行的探测器，且采用FPGA作为处理核心，便于后期进行面阵列相机应用时多通道高度集成，便于最终的阵列相机小型化应用。
实施例2：
本发明实施例2提供了一种应用于面阵列上转换相机的高效率单光子探测系统的作业方法，包括以下过程：
配置初始化(相关参数的初始化配置，此时未开始探测)；
开始探测，首先配置高压进入盖革模式；
雪崩二极管接收到光信号，引起雪崩效应；
雪崩效应在采样电阻上形成电压信号，计数信号处理模块将该电压信号引入核心处理模块；
核心处理模块识别到电压信号，触发主动淬灭模块，将雪崩二极管从盖革模式退出；
在雪崩二极管退出盖革模式预设时间后，核心处理模块触发快速恢复模块，使雪崩二极管重新进入盖革模式，准备下一次探测。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种应用于面阵列上转换相机的高效率单光子探测系统，其特征在于：
至少包括：核心处理模块、主动淬灭模块、快速恢复模块、可调高压模块、可调中压模块、计数信号处理模块和保护模块；
核心处理模块，被配置为：通过可调高压模块使雪崩二极管工作在盖革模式，通过计数信号处理模块获取雪崩二极管阴极的雪崩信号，通过主动淬灭模块与可调中压模块进行雪崩二极管的主动淬灭控制，通过快速恢复模块进行雪崩二极管快速恢复到盖革模式控制；
所述核心处理模块采用FPGA处理器，FPGA处理器用于通过以太网端口与上位机通信连接；主动淬灭动作后，FPGA内部采用进位链技术进行精确延时，控制延时精度为ns等级；
所述雪崩二极管为硅雪崩二极管；
保护模块，被配置为：根据雪崩信号在采样电阻上产生的电压信号控制主动淬灭电路与雪崩二极管的连接，具体的：所述保护模块包括三极管，当三极管的基极和发射极压差大于阈值时触发三极管动作，主动淬灭电路与雪崩二极管接通；
所述保护模块在FPGA识别到雪崩信号之前触发系统进入主动淬灭状态。
2.如权利要求1所述的应用于面阵列上转换相机的高效率单光子探测系统，其特征在于：
主动淬灭模块，包括：第一电容和第一MOS管，可调中压模块的输出端通过第一MOS管与雪崩二极管的阳极连接。
3.如权利要求1所述的应用于面阵列上转换相机的高效率单光子探测系统，其特征在于：
所述快速恢复模块，包括：第二电容、第二MOS管、被动淬灭电阻和DCDC隔离电源；
核心处理模块与第二电容的输入端连接，第二电容的输出端与第二MOS管连接，被动淬灭电阻和第二MOS管分别与雪崩二极管的阳极端连接；
隔离的DCDC电源的输出通过分压电阻施加到第二MOS管的栅极和源级。
4.如权利要求1所述的应用于面阵列上转换相机的高效率单光子探测系统，其特征在于：
所述硅雪崩二极管还包括温控模块；
核心处理模块，还被配置为：根据温控模块进行硅雪崩二极管的温度控制。
5.如权利要求4所述的应用于面阵列上转换相机的高效率单光子探测系统，其特征在于：
所述温控模块包括热敏电阻和热电制冷器，核心处理模块通过模数转换器采样热敏电阻的电压值，获取硅雪崩二极管的当前温度，通过数模转换器控制驱动电路驱动热电制冷器进行硅雪崩二极管的温度控制。
6.如权利要求1所述的应用于面阵列上转换相机的高效率单光子探测系统，其特征在于：
还包括上位机；
核心处理模块，还被配置为：通过以太网进行与上位机的通信控制。
7.一种应用于如权利要求1-6任一项所述的面阵列上转换相机的高效率单光子探测系统的方法，其特征在于：
包括以下过程：
配置初始化；
开始探测，首先配置高压进入盖革模式；
雪崩二极管接收到光信号，引起雪崩效应；
雪崩效应在采样电阻上形成电压信号，计数信号处理模块将该电压信号引入核心处理模块；
核心处理模块识别到电压信号，触发主动淬灭模块，将雪崩二极管从盖革模式退出；
在雪崩二极管退出盖革模式预设时间后，核心处理模块触发快速恢复模块，使雪崩二极管重新进入盖革模式，准备下一次探测。
8.如权利要求7所述的应用于面阵列上转换相机的高效率单光子探测系统的方法，其特征在于：
保护模块根据核心处理模块转发的雪崩信号控制主动淬灭电路与雪崩二极管的连接，进行雪崩二极管的主动淬灭。
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2021
- 2021-12-30 CN CN202111667703.6A patent/CN114264383B/zh active Active
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