CN117232667A - 一种应用于单光子探测器的雪崩信号提取系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于单光子探测器的雪崩信号提取系统及方法，所述系统包括监控芯片、门控信号电路、双APD平衡电路、带通滤波器A、带通滤波器B、模拟延时器、差分放大电路、锁相环和带阻滤波器。双APD平衡电路分别与带通滤波器A、带通滤波器B相连，带通滤波器B与模拟延时器串联后再与带通滤波器A并联连接且输出端与差分放大电路相连；差分放大器的输出引脚与锁相环、带阻滤波器的输入引脚分别相连。本发明公开的系统通过双APD平衡电路输出两路雪崩信号，并通过模拟延时器对其中一路雪崩信号进行精准的延时调节后进入差分放大器进行有效地滤除尖峰噪声，使得最终提取的雪崩信号强度远大于微分噪声，并保持稳定的波形。
Description
技术领域
本发明涉及单光子探测领域，具体涉及一种应用于单光子探测器的雪崩信号提取系统及方法。
背景技术
单光子探测器可以对单个光子进行计数，实现对极微弱目标信号的探测，在高分辨率的光谱测量、非破坏性物质分析、高速现象检测、精密分析、生物发光、放射探测、高能物理、光谱探测、量子密钥分发系统等多个领域有着广泛的应用。单光子探测器在光电子探测技术领域的重要地位，使其已经成为各个国家光电子学重点研究的课题之一。但由于雪崩光电二极管结电容的噪声通常会淹没光生载流子的雪崩信号，导致无法对雪崩信号进行有效的鉴别。
现有应用中采用功率分配器来输出两路信号后进入差分放大器进行滤除噪声并输出雪崩信号，该技术方案采用功率分配器会导致系统的损耗太大且冗余度高，且并没有采取具体的滤除噪声装置导致系统的噪声干扰大，这将会导致最终提取的雪崩信号不够理想，波纹不平整且雪崩信号不稳定。
因此，有待对现有技术的不足进行改进，提出一种应用于单光子探测器的雪崩信号提取系统及方法。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，为了解决雪崩信号的提取问题，提出了一种应用于单光子探测器的雪崩信号提取系统及方法。
本发明方法通过下述技术方案实现的：
一种应用于单光子探测器的雪崩信号提取系统，所述系统包括监控芯片、门控信号电路、双APD平衡电路、带通滤波器A、带通滤波器B、模拟延时器、差分放大电路、锁相环和带阻滤波器；
所述监控芯片、门控信号电路和双APD平衡电路依次顺序相连；
所述双APD平衡电路分别与所述带通滤波器A、带通滤波器B相连，所述带通滤波器B与所述模拟延时器串联后再与所述带通滤波器A并联连接且输出端与差分放大电路相连；所述差分放大器的输出引脚分别与所述锁相环和所述带阻滤波器的输入引脚相连，所述锁相环的输出引脚与所述带阻滤波器的输入引脚相连。
所述监控芯片用于定期监控门控信号电路设备的工作状态，在设备异常的状况下发出复位信号；
所述门控信号电路用于触发双APD平衡电路生成两路雪崩信号；
所述带通滤波器A和带通滤波器B用于滤除两路雪崩信号的干扰频率；
所述模拟延时器用于对过滤后的雪崩信号进行延时处理，延时时间为一个尖峰噪声周期；
所述差分放大电路用于对过滤及延迟后的雪崩信号进行信号放大处理；
所述锁相环用于将带阻滤波器的输入信号频率和输出信号频率进行同步处理；
所述带阻滤波器用于滤除干扰频率分量。
优选地，所述双APD平衡电路包括并联连接的雪崩光电二极管APD1和雪崩光电二极管APD2。
优选地，所述双APD平衡电路的两个光电二极管生成雪崩信号分别输入到带通滤波器A和带通滤波器B中。
优选地，所述双APD平衡电路包括电容C1、电源VCC、电阻R1和两个雪崩光电二极管APD1、APD2。
优选地，所述电容C1的一端与所述门控信号电路相连，另一端接入电源VCC并与电阻R1串联；
所述电阻R1分别与雪崩光电二极管APD1、APD2的。
根据权利要求7所述的一种应用于单光子探测器的雪崩信号提取系统，其特征在于，所述电源VCC的电压大于所述雪崩光电二极管APD1、APD2两端的电压。
优选地，所述监控芯片的型号为TPS3703。
一种基于单光子探测器的雪崩信号提取方法，应用了上述的一种应用于单光子探测器的雪崩信号提取系统，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1：门控信号电路发出门控信号输入到双APD平衡电路触发所述双APD平衡电路生成第一路雪崩信号和第二路雪崩信号；
步骤2：所述第一路雪崩信号进入带通滤波器A滤除噪声后输入到差分放大电路；
第二路雪崩信号进入带通滤波器B滤除噪声后进入到模拟延时器进行尖峰噪声周期的延时处理并输入到差分放大电路；
步骤3：所述差分放大电路将第一路雪崩信号和第二路雪崩信号中的尖峰噪声信号作为共模信号进行滤除；同时，所述差分放大电路将第一路雪崩信号和第二路雪崩信号作为差模信号放大输出放大雪崩信号；
步骤4：所述放大雪崩信号分别进入到锁相环和带阻滤波器；
放大雪崩信号输入到锁相环后控制锁相环内部的振荡信号的频率和相位并将带阻滤波器的输入信号频率和输出信号频率进行同步；
放大雪崩信号输入到带阻滤波器中滤除干扰频率分量后输出最终雪崩信号。
本发明的有益效果为：
本发明公开的一种应用于单光子探测器的雪崩信号提取系统及方法，通过双APD平衡电路输出两路雪崩信号，并通过模拟延时器对其中一路的雪崩信号进行精准的延时调节后进入差分放大器进行有效地滤除尖峰噪声，使得最终提取的雪崩信号强度远大于微分噪声，并保持稳定的波形。
附图说明
图1为本发明的系统框图；
图2为本发明的双APD平衡电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明，但本发明要求保护的范围并不局限于下述具体实施例。
一种应用于单光子探测器的雪崩信号提取系统，如图1所示，所述系统包括监控芯片、门控信号电路、双APD平衡电路、带通滤波器A、带通滤波器B、模拟延时器、差分放大电路、锁相环和带阻滤波器。
其中，所述监控芯片、门控信号电路和双APD平衡电路依次顺序相连；所述双APD平衡电路分别与所述带通滤波器A、带通滤波器B相连，所述带通滤波器B与所述模拟延时器串联后再与所述带通滤波器A并联连接且输出端与差分放大电路相连；所述差分放大器的输出引脚与所述锁相环、所述带阻滤波器的输入引脚分别相连，所述锁相环的输出引脚与所述带阻滤波器的输入引脚相连。
所述监控芯片用于定期监控门控信号电路设备的工作状态，在设备异常的状况下发出复位信号；所述监控芯片的型号为TPS3703。
所述门控信号电路用于触发双APD平衡电路生成雪崩信号；
所述双APD平衡电路用于生成雪崩信号；
所述带通滤波器A和带通滤波器B用于滤除干扰频率，其中，所述带通滤波器A和带通滤波器B采用贝塞尔带通滤波器；
所述模拟延时器用于延时尖峰噪声的周期，其中，所述模拟延时器采用的型号为LTC6994-1；
所述差分放大电路用于消除尖峰噪声后输出放大的雪崩信号；
所述锁相环用于同步输入信号与输出信号的频率；
所述带阻滤波器用于滤除干扰频率分量。
所述监控芯片的原理为：门控信号电路每隔两个周期便输出一个电信号到监控芯片，如果门控信号电路超出两个周期后没有发出电信号，即监控芯片超过门控信号电路的两个周期后没有接收到电信号，便会发出复位信号进而对门控信号电路设备进行重启。另外，门控信号电路设备会受到来自外界电磁场的干扰，导致门控信号电路设备陷入异常工作状态，无法产生门控信号进而影响单光子探测器的工作。采用监控芯片与门控信号电路相连可以在门控信号电路设备异常的状况下对设备进行复位，保证单光子探测器的正常工作。
所述门控信号电路的门控信号到达双APD平衡电路时，所述双APD平衡电路生成雪崩信号。如图2所示，所述双APD平衡电路包括电容C1、电源VCC、电阻R1和两个雪崩光电二极管APD1、APD2，所述电容C1的一端与所述门控信号电路相连，另一端接入电源VCC并与电阻R1串联；所述电阻R1分别与雪崩光电二极管APD1、APD2的阴极相连；
其中，所述电源VCC的电压大于所述雪崩光电二极管APD1、APD2两端的电压，即大于雪崩二极管APD1、APD2击穿电压，当电源VCC的电压加载在雪崩二极管APD1、APD2的阴极时，雪崩二极管APD1、APD2处于盖革模式并发生雪崩效应产生雪崩信号。盖革模式指正常工作时雪崩二极管的反向工作电压大于二极管反向击穿电压，此时当单光子入射到雪崩二极管的光接收区时，雪崩二极管会产生雪崩信号。
双APD平衡电路输出的雪崩信号进入带通滤波器A和带通滤波器B滤除干扰频率，带通滤波器是筛选某一频率范围内的频率分量通过，而将该频率范围外的频率分量衰减到极低水平的滤波器，由于它对信号具有选择性，故而被广泛地应用现代电子设计中。在本系统中，带通滤波器可以使雪崩信号得以通过而对其余频率的噪声进行有效抑制。
其中，双APD平衡电路输出的第一路雪崩信号和第二路雪崩信号，其中，第一路雪崩信号进入带通滤波器A滤除噪声后进入差分放大电路，第二路雪崩信号进入模拟延时器。模拟延时器可以对模拟信号进行精准延时，在本系统中，采取对输入的第二路雪崩信号中的尖峰噪声延时一个周期，即模拟延时器输出一个对尖峰噪声有延时周期的第二路雪崩信号进入到差分放大电路。
差分放大电路有差模和共模两种基本输入信号，由于其对称性，当两输入端所接信号大小相等、极性相反时，称为差模输入信号；当两输入端所接信号大小相等、极性相同时，称为共模信号。通常我们将要放大的信号作为差模信号进行输入，而将由温度等环境因素对电路产生的影响的噪声信号作为共模信号进行输入。采用差分放大电路的目的要放大差模信号，抑制共模信号；在本系统中，雪崩信号作为差模信号输入，尖峰噪声信号作为共模输入。
其中，一个信号延时一个周期和它本来的信号电平幅值是一样的，相减后数值为零。即通过模拟延时器延时一个尖峰噪声周期的第二路雪崩信号与第一路雪崩信号在差分放大电路中相遇后进行叠加，第一路雪崩信号与第二路雪崩信号中的尖峰噪声因相差一个周期，二者叠加后被消除，两路雪崩信号的周期不变则不抵消，即差分放大电路消除尖峰噪声后输出放大的雪崩信号。
差分放大电路输出的放大雪崩信号进入所述锁相环，锁相环是一种典型的反馈控制电路，本系统中使用的锁相环利用输入的放大雪崩信号控制环路内部振荡信号的频率和相位，实现了输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，稳定输入带阻滤波器的雪崩信号的频率，最大限度地保证了输入与输出的信号一致性，并有助于带阻滤波器对输入的放大雪崩信号滤除干扰的频率分量。其中，带阻滤波器是指一种能够抑制某一阻带的频率分量，并允许阻带外频率分量通过的滤波器。
带阻滤波器用来消除带通滤波器的滚降和外界高频噪声，输出雪崩信号，使得提取的雪崩信号强度远大于微分噪声，可以很好地保持雪崩信号的波形。
一种基于单光子探测器的雪崩信号提取方法，应用上述的一种应用于单光子探测器的雪崩信号提取系统，所述方法包括如下步骤：
步骤1：门控信号电路发出门控信号输入到双APD平衡电路触发所述双APD平衡电路生成第一路雪崩信号和第二路雪崩信号；
步骤2：所述第一路雪崩信号进入带通滤波器A滤除噪声后输入到差分放大电路；
第二路雪崩信号进入带通滤波器B滤除噪声后进入到模拟延时器进行尖峰噪声周期的延时处理并输入到差分放大电路；
步骤3：所述差分放大电路将第一路雪崩信号和第二路雪崩信号中的尖峰噪声信号作为共模信号进行滤除；同时，所述差分放大电路将第一路雪崩信号和第二路雪崩信号作为差模信号放大输出放大雪崩信号；
步骤4：所述放大雪崩信号分别进入到锁相环和带阻滤波器；
放大雪崩信号输入到锁相环后控制锁相环内部的振荡信号的频率和相位并将带阻滤波器的输入信号频率和输出信号频率进行同步；
放大雪崩信号输入到带阻滤波器中滤除干扰频率分量后输出最终雪崩信号。
本发明采用监控芯片与门控信号电路相连可以在门控信号电路设备异常的状况下对设备进行复位，保证单光子探测器的正常工作。
本发明采用双APD平衡电路输出两路雪崩信号，并使得其中第二路雪崩信号进入模拟延时器进行对尖峰噪声的周期延时从而通过差分放大电路滤除尖峰噪声，使得最终提取的雪崩信号强度远大于微分噪声。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对发明构成任何限制。
Claims (8)
1.一种应用于单光子探测器的雪崩信号提取系统，其特征在于，所述系统包括监控芯片、门控信号电路、双APD平衡电路、带通滤波器A、带通滤波器B、模拟延时器、差分放大电路、锁相环和带阻滤波器；
所述监控芯片、门控信号电路和双APD平衡电路依次顺序相连；
所述双APD平衡电路分别与所述带通滤波器A、带通滤波器B相连，所述带通滤波器B与所述模拟延时器串联后再与所述带通滤波器A并联连接且输出端与差分放大电路相连；所述差分放大器的输出引脚分别与所述锁相环和所述带阻滤波器的输入引脚相连，所述锁相环的输出引脚与所述带阻滤波器的输入引脚相连；
所述监控芯片用于定期监控门控信号电路设备的工作状态，在设备异常的状况下发出复位信号；
所述门控信号电路用于触发双APD平衡电路生成两路雪崩信号；
所述带通滤波器A和带通滤波器B用于滤除两路雪崩信号的干扰频率；
所述模拟延时器用于对过滤后的雪崩信号进行延时处理，延时时间为一个尖峰噪声周期；
所述差分放大电路用于对过滤及延迟后的雪崩信号进行信号放大处理；
所述锁相环用于将带阻滤波器的输入信号频率和输出信号频率进行同步处理；
所述带阻滤波器用于滤除干扰频率分量。
2.根据权利要求1所述的一种应用于单光子探测器的雪崩信号提取系统，其特征在于，所述双APD平衡电路包括并联连接的雪崩光电二极管APD1和雪崩光电二极管APD2。
3.根据权利要求1所述的一种应用于单光子探测器的雪崩信号提取系统，其特征在于，所述双APD平衡电路的两个光电二极管生成雪崩信号分别输入到带通滤波器A和带通滤波器B中。
4.根据权利要求1所述的一种应用于单光子探测器的雪崩信号提取系统，其特征在于，所述双APD平衡电路包括电容C1、电源VCC、电阻R1和两个雪崩光电二极管APD1、APD2。
5.根据权利要求4所述的一种应用于单光子探测器的雪崩信号提取系统，其特征在于，所述电容C1的一端与所述门控信号电路相连，另一端接入电源VCC并与电阻R1串联；所述电阻R1分别与雪崩光电二极管APD1、APD2的阴极相连。
6.根据权利要求5所述的一种应用于单光子探测器的雪崩信号提取系统，其特征在于，所述电源VCC的电压大于所述雪崩光电二极管APD1、APD2两端的电压。
7.根据权利要求1所述的一种应用于单光子探测器的雪崩信号提取系统，其特征在于，所述监控芯片的型号为TPS3703。
8.一种基于单光子探测器的雪崩信号提取方法，应用了1-7任意一项权利要求书所述的一种应用于单光子探测器的雪崩信号提取系统，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1：门控信号电路发出门控信号输入到双APD平衡电路触发所述双APD平衡电路生成第一路雪崩信号和第二路雪崩信号；
步骤2：所述第一路雪崩信号进入带通滤波器A滤除噪声后输入到差分放大电路；
第二路雪崩信号进入带通滤波器B滤除噪声后进入到模拟延时器进行尖峰噪声周期的延时处理并输入到差分放大电路；
步骤3：所述差分放大电路将第一路雪崩信号和第二路雪崩信号中的尖峰噪声信号作为共模信号进行滤除；同时，所述差分放大电路将第一路雪崩信号和第二路雪崩信号作为差模信号放大输出放大雪崩信号；
步骤4：所述放大雪崩信号分别进入到锁相环和带阻滤波器；
放大雪崩信号输入到锁相环后控制锁相环内部的振荡信号的频率和相位并将带阻滤波器的输入信号频率和输出信号频率进行同步；
放大雪崩信号输入到带阻滤波器中滤除干扰频率分量后输出最终雪崩信号。
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