KR101933616B1 - 디지털 펄스 내의 유효 신호 판별 장치 및 방법 - Google Patents

디지털 펄스 내의 유효 신호 판별 장치 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101933616B1
KR101933616B1 KR1020180075402A KR20180075402A KR101933616B1 KR 101933616 B1 KR101933616 B1 KR 101933616B1 KR 1020180075402 A KR1020180075402 A KR 1020180075402A KR 20180075402 A KR20180075402 A KR 20180075402A KR 101933616 B1 KR101933616 B1 KR 101933616B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
signal
digital
interval
valid
density
Prior art date
Application number
KR1020180075402A
Other languages
English (en)
Inventor
정유진
남현우
고영진
박진호
박병황
Original Assignee
국방과학연구소
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 국방과학연구소 filed Critical 국방과학연구소
Priority to KR1020180075402A priority Critical patent/KR101933616B1/ko
Priority to GB1815005.2A priority patent/GB2575129B/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101933616B1 publication Critical patent/KR101933616B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/44—Electric circuits
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/10—Photometry, e.g. photographic exposure meter by comparison with reference light or electric value provisionally void
    • G01J1/16—Photometry, e.g. photographic exposure meter by comparison with reference light or electric value provisionally void using electric radiation detectors
    • G01J1/18—Photometry, e.g. photographic exposure meter by comparison with reference light or electric value provisionally void using electric radiation detectors using comparison with a reference electric value
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/44—Electric circuits
    • G01J2001/4413—Type
    • G01J2001/442—Single-photon detection or photon counting
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/44—Electric circuits
    • G01J2001/444—Compensating; Calibrating, e.g. dark current, temperature drift, noise reduction or baseline correction; Adjusting
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/44—Electric circuits
    • G01J2001/4446—Type of detector
    • G01J2001/446—Photodiode
    • G01J2001/4466—Avalanche

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른, 디지털 펄스 내의 유효 신호를 판별하는 장치는, 광 검출 소자로부터 수신하는 디지털 펄스 사이의 간격에 기초하여, 상기 디지털 펄스의 병합(merge) 여부를 결정하는 판별부 - 상기 디지털 펄스는 유효 신호와 잡음 신호를 포함함 - 와, 병합 대상 신호로 결정된 디지털 펄스를 연속된 장방형(rectangle) 신호로 병합하는 가공부와, 상기 병합된 장방형 신호 내 디지털 펄스의 분포 특성을 분석하는 분석부를 포함하되, 상기 분포 특성에 기초하여 상기 유효 신호가 판별된다.

Description

디지털 펄스 내의 유효 신호 판별 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DETERMINING EFFECTIVE SIGNALS IN DIGITAL PULSES}
본 발명은 광 검출 소자로부터 수신하는 디지털 펄스 내의 유효 신호를 판별하는 기술에 관한 것이다.
특정 파장에서만 반응하는 반도체 물질 기반의 포토다이오드 기술은 다양한 분야에서 활용되고 있다. 그 중에서, 단일 광자의 검출이 가능한 가이거 모드(Geiger mode)에서 구동하는 애벌런치 포토다이오드(Avalanche photodiode, APD)는 현재 산업 전반적으로 사용되는 광 센서를 대체할 수 있는 차세대 포토다이오드로 각광받고 있다.
단일 광자를 검출하기 위해서는 가이거 모드 구간에서 포토다이오드의 증폭률이 106 이상 유지되도록 신호를 증폭시킬 필요가 있다. 그리고, 일반적으로 포토다이오드의 양 단에 고 전압을 걸어주어 유효 광신호가 입사될 때 증폭된 신호가 출력되는 원리를 이용한다.
포토다이오드는 증폭된 신호를 출력한 후 고 저항 소자에 의해 ?칭(quenching)되어 다른 신호를 받을 수 있는 상태로 돌아가는데, 이를 리셋(reset) 상태라고 한다. 이러한 일련의 과정들은 나노-초(nano-second) 단위로 실행되므로, MHz에서 GHz의 속도로 신호를 처리하는 것이 가능하다.
그러나, 포토다이오드는 신호 처리 과정 중에 고 전압이 지속적으로 걸려 있기 때문에, 유효 광 신호가 입사되지 않아도 잡음 신호가 반도체 칩 소자 내에서 발생할 수 있다. 이러한 잡음 신호를 암신호(dark count)라고 하며, 잡음 신호의 발생 빈도를 암신호 발생률(Dark Count Rate, 이하 'DCR'이라 함)이라 한다.
가이거 모드에서 구동되는 포토다이오드의 출력 신호는 설계한 회로의 저항 값에 따라 그 레벨이 결정되며, 펄스(pulse) 신호는 TTL(Transistor-Transistor Logic) 방식으로 출력된다. 신호의 폭이나 모양 등의 특징은 회로의 설계 값에 따라 결정되므로, 포토다이오드에서 출력되는 유효 신호와 잡음 신호 간의 차이는 없다고 볼 수 있다. 또한, 수광 면적을 넓히기 위해 여러 개(N개)의 칩 소자를 연동한 어레이(array) 타입의 모듈을 적용할 경우, 단일 칩 소자 마다 구동 전압의 차이가 발생하여 펄스 신호가 연달아 발생하게 된다. 이 경우, 펄스 하나의 길이가 칩 소자의 개수인 N개 만큼 늘어나게 된다.
DCR을 줄이고, 포토다이오드 칩 소자의 암전류(leakage current 또는 dark current)에 대한 소자 성능을 확보하기 위해, 칩 소자의 구조나 공정을 개선할 필요가 있다. 그러나, 개선 과정에서 야기되는 시간적/경제적인 부담이 클 뿐만 아니라, 개선이 되더라도 칩 소자의 잡음 신호를 완전히 제거하기에는 기술적인 한계가 있다.
또한, 단순히 광 신호의 입력 여부를 감지하는 방식에서 벗어나, 광 신호의 세기 차이를 식별하여 원하는 광 세기 이상의 신호만을 선별할 필요가 있으며, 이를 위해 칩 소자의 성능 개선만이 아닌 신호의 특성을 반영할 수 있는 신호 처리 기술이 요구되고 있다.
한국공개특허 2013-0113656호 (2013.10.16 공개)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 광 검출 소자(예를 들어, 애벌런치 포토다이오드 등)로부터 수신된 디지털 신호 중에서 유효 신호를 잡음 신호로부터 효율적으로 판별할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에서는, 카운팅 방식의 디지털 출력 신호의 유효 신호를 최적화하기 위한 신호 처리 기술을 제공하고, 입사 광량에 따른 광 검출 소자로부터의 디지털 펄스 신호 간의 간격 특성을 분석하여 원하는 유효 신호를 판별할 수 있는 기술을 제공하고자 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 해결하고자 하는 과제는 아래의 기재들로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에 의해 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따른, 디지털 펄스 내의 유효 신호를 판별하는 장치는, 광 검출 소자로부터 수신하는 디지털 펄스 사이의 간격에 기초하여, 상기 디지털 펄스의 병합(merge) 여부를 결정하는 판별부 - 상기 디지털 펄스는 유효 신호와 잡음 신호를 포함함 - 와, 병합 대상 신호로 결정된 디지털 펄스를 연속된 장방형(rectangle) 신호로 병합하는 가공부와, 상기 병합된 장방형 신호 내 디지털 펄스의 분포 특성을 분석하는 분석부를 포함하되, 상기 분포 특성에 기초하여 상기 유효 신호가 판별될 수 있다.
또한, 유효 신호를 판별하는 장치는 기준 펄스 간격을 설정하는 설정부를 더 포함하고, 상기 판별부는, 상기 제1 디지털 펄스와 제2 디지털 펄스 사이의 간격이 상기 기준 펄스 간격보다 작은 경우, 상기 제1 디지털 펄스와 제2 디지털 펄스를 상기 병합 대상 신호로 결정할 수 있다.
또한, 상기 분석부는 상기 광 검출 소자에 대한 유효 신호 사이의 간격과 잡음 신호 사이의 간격에 대한 누적 분포 함수(Cumulative Distribution Function, CDF) 결과가 저장되어 있는 메모리를 포함할 수 있다.
또한, 상기 분석부는, 상기 누적 분포 함수(CDF) 결과에 기초하여 도출된 유효 간격에 따라 정의되는 유효 신호의 밀집도 임계값에 기초하여, 상기 병합된 장방형 신호 내 디지털 펄스의 분포 특성을 분석할 수 있다.
또한, 상기 병합된 장방형 신호 내 디지털 펄스의 밀집도가 상기 유효 신호의 밀집도 임계값 이상인 경우, 상기 병합된 장방형 신호 내 디지털 펄스는 상기 유효 신호로서 판별될 수 있다.
또한, 상기 광 검출 소자는, 애벌런치 포토다이오드(Avalanche Photodiode, APD)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른, 디지털 펄스 내의 유효 신호를 판별하는 방법은, 광 검출 소자로부터 수신하는 디지털 펄스 사이의 간격에 기초하여, 상기 디지털 펄스의 병합(merge) 여부를 결정하는 단계 - 상기 디지털 펄스는 유효 신호와 잡음 신호를 포함함 - 와, 병합 대상 신호로 결정된 디지털 펄스를 연속된 장방형(rectangle) 신호로 병합하는 단계와, 상기 병합된 장방형 신호 내 디지털 펄스의 분포 특성을 분석하는 단계와, 상기 분포 특성에 기초하여 상기 유효 신호를 판별하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 디지털 펄스 내의 유효 신호를 판별하는 방법은 기준 펄스 간격을 설정하는 단계를 더 포함하고, 상기 결정하는 단계는, 제1 디지털 펄스와 제2 디지털 펄스 사이의 간격이 상기 기준 펄스 간격보다 작은 경우, 상기 제1 디지털 펄스와 제2 디지털 펄스를 상기 병합 대상 신호로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 디지털 펄스 내의 유효 신호를 판별하는 방법은 상기 광 검출 소자에 대한 유효 신호 사이의 간격과 잡음 신호 사이의 간격에 대한 누적 분포 함수(Cumulative Distribution Function, CDF) 결과를 저장하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 분석하는 단계는, 상기 누적 분포 함수(CDF) 결과에 기초하여 유효 간격을 도출하는 단계와, 상기 도출된 유효 간격에 따라 유효 신호의 밀집도 임계값을 설정하는 단계와, 상기 밀집도 임계값에 기초하여, 상기 병합된 장방형 신호 내 디지털 펄스의 분포 특성을 분석하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 판별하는 단계는, 상기 병합된 장방형 신호 내 디지털 펄스의 밀집도가 상기 유효 신호의 밀집도 임계값 이상인 경우, 상기 병합된 장방형 신호 내 디지털 펄스는 상기 유효 신호로서 판별하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 애벌런치 포토다이오드로부터 수신된 디지털 신호 내의 유효 신호를 잡음 신호로부터 효율적으로 분리하여 애벌런치 포토다이오드가 수신한 광 신호의 존재 및 세기를 사용자 시스템에서 파악할 수 있다.
본 발명의 실시예는 애벌런치 포토다이오드가 광학 챔버 내에 있거나, 외부 광 신호가 없는 폐쇄 시스템(closed system)은 물론, 야외 환경 및 입사 신호에 잡음 성분이 포함되어 있는 오픈 시스템(open system) 환경에도 용이하게 적용될 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예는, UV(Ultraviolet) 파장 또는 IR(Infrared) 파장의 광 신호가 존재하는 대기 상태의 오픈 시스템에 적용이 용이하여, 미세하게 광량이 커지는 탐지 대상 신호를 용이하게 파악할 수 있다.
예컨대, 특정 타겟에서 나오는 특정 파장(270nm)의 광 신호를 대기 상태에서 전송 또는 탐지하는 SiC(Silicon Carbide) 또는 GaN(Gallium Nitride) 기반의 애벌런치 포토다이오드를 탐지 센서로서 이용할 경우, 유효 신호로 판별하고자 하는 파장과 동일한 자외선 영역의 광 신호에 대해, 대기 중에 존재하는 자외선에 대한 일정 카운트 값을 기준으로 증가한 만큼의 신호에 대한 광량을 환산하여 특정 타겟에 대한 신호 유무를 판단할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 펄스 내의 유효 신호를 판별하는 장치에 대한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유효 신호 판별 장치에서의 가공부(140)의 상세 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출 소자로부터 출력되는 하나의 디지털 펄스를 예시한 도면이다.
도 4는 애벌런치 포토다이오드에 입력되는 광량과, 설정되는 기준값에 따라 출력되는 단위 시간 당 펄스 신호의 개수를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유효 신호 판별 방법에서의 신호 병합 과정을 예시적으로 설명하는 도면이다.
도 6은 누적 분포 함수 분석을 활용하여 통계학적으로 분석하여 유효 간격에 따른 병합 확률을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 누적 분포 함수 분석을 활용하는 실시예를 도시하고 있다.
도 8a 내지 도 8c 는 본 발명의 실시예에서 장방형 유효 신호의 출력 파형과 잡음 신호의 출력 파형을 예시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에서 애벌런치 포토다이오드에서 출력된 디지털 펄스가 유효 신호 판별 장치(100)를 통해 유효 신호는 연속 신호로 길어지고, 잡음 신호는 제거되어 처리된 것을 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 적용 가능한 SiC 기반 애벌런치 포토다이오드의 광학적 특성 및 전기적 특성을 보여주는 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범주는 청구항에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어 실제로 필요한 경우 외에는 생략될 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 실시예는, 광 검출 소자, 예를 들어 애벌런치 포토다이오드로부터 출력된 디지털 펄스 신호 중에서 유효 신호를 효율적으로 분리하여 출력할 수 있는 기술을 제공하고자 한다. 구체적으로, 본 발명의 실시예는, 카운팅 방식의 디지털 출력 신호의 유효 신호를 최적화하기 위한 신호 처리 기술을 제공하고, 광 검출 소자의 입사 광량에 따른 펄스 신호 간의 간격 특성을 분석하여 원하는 유효 신호를 출력할 수 있는 기술을 제공하고자 한다.
이하 사용되는 '…부', '…기' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는, 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광 검출 소자의 유효 신호 판별 장치에 대한 블록도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 유효 신호 판별 장치(100)는, 광 검출 소자(10), 획득부(110), 설정부(120), 판별부(130), 가공부(140), 분석부(150) 및 출력부(160)를 포함할 수 있다. 도 1에서 광 검출 소자(10)는 예를 들어 애벌런치 포토다이오드를 포함할 수 있다. 그리고, 애벌런치 포토다이오드는 단일 광자 검출이 가능한 가이거 모드에서 구동될 수 있다.
광 검출 소자(10)는 광 신호를 검출하여 전기 신호를 생성하여 디지털 펄스 형태의 신호로 출력할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 광 검출 소자(10)로부터의 펄스의 크기가 소정 크기 보다 큰 경우에 그 펄스는 크기가 1인 펄스로 정규화되고, 광 검출 소자(10)로부터의 펄스의 크기가 상기 소정 크기이하인 경우에 그 펄스는 크기가 0인 펄스로 표현될 수 있다.
획득부(110)는 광 검출 소자(10)로부터 디지털 펄스를 수신하여 획득할 수 있다. 광 검출 소자(10)로부터 디지털 펄스는 유효 신호와 함께 잡음 신호 또한 포함한다. 한편, 획득부(110)는 광 검출 소자로부터 수신한 디지털 펄스를 그대로 판별부(130)로 출력할 수도 있고, 또는 광 검출 소자(10)로부터 수신한 디지털 펄스를 소정 시간 동안 지연(delay)시킨 다음 판별부(130)로 출력할 수도 있다.
설정부(120)는 광 검출 소자(10)를 통해 획득되는 디지털 펄스에서 이웃하는 디지털 펄스 사이의 간격을 판별하기 위한 기준이 되는 기준 펄스 간격을 설정할 수 있다.
판별부(130)는 획득부(110)에서 획득된 디지털 펄스 사이의 간격에 기초하여, 이웃하는 디지털 펄스의 병합 여부를 판별할 수 있다. 예를 들어, 판별부(130)는 광 검출 소자(10)로부터 순차적으로 입력되는 제1 디지털 펄스와 제2 디지털 펄스 사이의 간격을, 설정부(120)에서 설정된 기준 펄스 간격과 비교하여, 제1 디지털 펄스와 제2 디지털 펄스 간격이 기준 펄스 간격보다 작은 경우 제1 디지털 펄스와 제2 디지털 펄스를 병합 대상 신호로 결정할 수 있다.
가공부(140)는 판별부(130)를 통해 병합 대상 신호로 결정된 디지털 펄스를 특정 형태의 결과물로 가공할 수 있다. 예를 들어, 가공부(140)는 병합 대상 신호로 결정된 디지털 펄스를 연속된 장방형(rectangle) 신호로 병합할 수 있다. 이러한 가공부(140)는 후술하는 설명에서와 같이, 병합된 장방형 신호 내 디지털 펄스의 분포 특성을 기초로 유효 신호를 판별하고, 잡음이 제거된 유효 신호("장방형 유효 신호")를 재생산할 수도 있다.
분석부(150)는 가공부(140)에 의해 병합된 장방형 신호의 유효 간격 및 장방형 신호 내 디지털 신호의 밀집도를 분석할 수 있다. 이러한 분석부(150)는, 예를 들어 유효 신호와 잡음 신호의 누적 분포 함수(Cumulative Distribution Function, CDF)를 이용하여 장방형 신호의 유효 간격 및 장방형 신호 내 디지털 신호의 밀집도를 분석할 수 있다. 그리고, 분석부(150)는 누적 분포 함수 결과 및 장방형 신호의 유효 간격 분석 결과 등을 저장하는 메모리부(도시 생략됨)를 포함할 수도 있고, 메모리는 분석부와 별개로 유효 신호 판별 장치(100)에 포함될 수도 있다.
메모리부는, 예를 들어 하드디스크(Hard Disk)와 같은 자기 기록 방식의 기록 매체, SSD(Solid State Disk)와 같은 플래시 메모리(Flash memory) 기반의 기록 매체, 캐시 메모리(Cache memory) 등을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 획득부(110), 설정부(120), 판별부(130), 가공부(140) 및 분석부(150)는 기능적인 설명을 위해 각각 별개의 블록으로 구분하였으나 이는 예시적인 일 실시예일뿐이며, 유효 신호 판별 장치(100) 내의 제어 수단, 예를 들어 마이크로프로세서(microprocessor)에 의해 이들 기능들이 수행되도록 구현할 수도 있다.
출력부(160)는 가공부(140)를 통해 가공된 장방형 신호 또는 가공부를 통해 재 생산된 장방형 유효 신호를 출력할 수 있다. 즉, 출력부(160)는 연속된 장방형 신호를 출력할 수도 있고, 또한 분석부(150)의 유효 간격 분석 결과를 기초로 재 생산된 유효 신호를 출력할 수도 있다.
도 2는 유효 신호 판별 장치 내의 가공부(140)의 상세 구성을 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예에서, 도 2에 도시한 바와 같이, 가공부(140)는 시간 증폭기(140-1), 논리 게이트(140-2), 멀티플렉서(140-3) 및 클럭(140-4)을 포함할 수 있다.
시간 증폭기(140-1)는 획득부(110)에서 획득된 디지털 펄스의 폭을 설정된 시간만큼 확장(연장)할 수 있으며, 논리 게이트(140-2)는 펄스마다 확장된 신호를 논리 신호로 출력할 수 있다.
멀티플렉서(140-3)는 논리 게이트(140-3)에서 출력된 논리 신호를 선택 신호로 사용할 수 있으며, 클럭(140-4)은 논리 게이트(140-2)의 지연 시간을 조정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광 검출 소자로부터 출력되는 하나의 디지털 펄스를 예시적으로 도시한 도면이다.
예를 들어, 애벌런치 포토다이오드 모듈에서 출력되는 디지털 신호는 도 3과 같은 형태로 임의의 설정된 값에 따라 정해진 포맷의 데이터로 출력될 수 있다.
도 4는 애벌런치 포토다이오드에 입사되는 광량의 크기와 회로에서 조정할 수 있는 기준값(Vref)에 따라, 출력 신호의 개수가 일정 시간 내에서 상이하게 출력되는 특성을 보여준다. 이는 일반적인 애벌런치 포토다이오드의 특성이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 유효 신호 판별 방법에서의 신호 병합 과정을 예시적으로 설명하는 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 광 검출 소자로부터 출력된 디지털 펄스는, 설정부(120)에 의해 설정된 기준 펄스 간격에 기초하여, 병합 대상 신호로 결정된 디지털 펄스들을 연속된 장방형 신호로 병합할 수 있다.
예를 들어, 도 5의 왼쪽에 도시된 바와 같이, 제1 디지털 펄스와 제2 디지털 펄스 사이의 간격(t01 또는 t12)이 기준 펄스 간격(tref)보다 작은 경우에는 제1 디지털 펄스와 제2 디지털 펄스를 병합 대상 신호로 결정하여 제1 디지털 펄스와 제2 디지털 펄스를 연속된 장방형 신호로 병합한다. 반면, 제2 디지털 펄스와 제3 디지털 펄스의 펄스 간격(t23)이 기준 펄스 간격(tref)보다 큰 경우에는 제2 디지털 펄스와 제3 디지털 펄스를 병합 대상에서 제외시켜 병합하지 않는다.
도 5에 도시된 장방형 신호는 연속된 펄스 신호들의 집합이며, 유효 신호인지 아니면 잡음 신호인지를 구별하기 어려울 수 있다. 잡음 신호들은 반도체 칩 소자 구조 내에서 발생되거나, 설계된 칩 소자의 밴드 갭에 따른 수광 파장과 일치하는 파장에서 입사되는 잡광 및 광 신호에 의해 발생된다.
그러나, 본 발명의 실시예에서는 병합 대상 신호로 결정된 디지털 펄스의 장방형 신호에 대해 누적 분포 함수를 이용하여 유효 간격을 분석함으로써, 유효 신호를 식별할 수 있고, 또한 잡음 신호가 제거된 유효 신호만을 출력할 수 있다.
예컨대, 본 발명의 일 실시예에서는, 광 검출 소자에 대한 유효 신호 그룹에서의 유효 신호들 사이의 간격에 대한 누적 분포 함수(Cumulative Distribution Function, CDF) 결과와 광 검출 소자에 대한 잡음 신호 그룹에서의 잡음 신호들 사이의 간격에 대한 누적 분포 함수(CDF) 결과를 저장한다. 그리고, 저장된 누적 분포 함수(CDF) 결과에 기초하여 소정의 유효 간격을 설정하여, 설정된 유효 간격에 따라 유효 신호의 밀집도 임계값을 정의한다. 그리고, 정의된 밀집도 임계값에 기초하여 병합된 장방형 신호 내 디지털 펄스의 분포 특성을 분석하여, 병합된 장방형 신호 내 디지털 펄스의 밀집도가 유효 신호의 밀집도 임계값 이상인 경우에는 당해 장방형 신호 내 디지털 펄스는 유효 신호로서 판별할 수 있다. 그리고, 병합된 장방형 신호 내 디지털 펄스의 밀집도가 유효 신호의 밀집도 임계값보다 작은 경우에는, 당해 장방형 신호 내 디지털 펄스는 잡음 신호로 판별될 수 있다.
또한, 누적 분포 함수에서의 유효 간격 임계값에 대응하는 장방형 간격 분포를 갖는 장방형 신호를 장방형 유효 신호로 재 생산하되, 펄스(피크) 신호 밀집도가 기 설정 밀집도 이상인 장방형 신호를 장방형 유효 신호로 재생산할 수도 있다.
그리고, 일 실시예에서는 판별된 유효 신호와 잡음 신호 모두를 출력할 수도 있고, 또 다른 실시예에서는 판별된 잡음 신호를 제거하여 유효 신호만을 출력할 수도 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 적용 가능한 애벌런치 포토다이오드에 대한 잡음 신호들의 무작위성(randomness)과, 일정 시간 내에서 발생되는 잡음 신호의 수가 일정 시간 내에서 발생되는 유효 신호의 수보다 작은 특성(즉, 유효 신호의 펄스 밀집성이 잡음 신호의 펄스 밀집성보다 큰 특성)을 기반으로 통계학적 해석(statistical analysis) 방법을 통해 유효 신호들 사이의 간격(interval) 분포와 잡음 신호들 사이의 간격 분포를 누적 분포 함수 분석을 활용하여 통계학적으로 분석한 것이다. 도 6은 SiC 애벌런치 포토다이오드의 잡음 신호 데이터와 유효 신호 데이터의 펄스 사이의 간격을 누적 분포 함수 분석을 활용하여 통계학적으로 분석하여 유효 간격에 따라 유효 신호가 포함될 확률을 예시적으로 도시하고 있다. 누적 분포 함수 분석 결과에 따라, 유효 간격을 설정할 수 있다. 예컨대, 95%의 확률로 유효 신호를 포함할 수 있는 간격을 유효 간격으로 설정하고, 설정된 유효 간격에 따라 유효 신호의 밀집도(예컨대, 단위 시간 당 존재하는 유효 신호의 개수)를 정의할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 누적 분포 함수 분석을 활용하는 실시예를 도시하고 있다.
유효 신호로 인정되는 밀집된 신호들은 유효 신호 임계값을 적용하면 연속적인 신호로 변환되어 시스템에 연속적이며, 더 많은 유효 데이터를 전송한다. 그러나, 잡음 신호는 신호 처리가 되더라도 출력되는 신호는 짧은 길이의 연속 신호 특성을 갖는다. 이는 시스템에서 신호 처리시 기준이 될 수 있다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 실시예에 따라 누적 분포 함수를 이용하여 장방형 신호의 유효 간격을 분석한 결과를 기초로 재생성된, 장방형 유효 신호와 잡음 신호의 출력 파형을 예시한 도면이다.
보다 구체적으로, 도 8a는 광 신호의 기준 펄스 간격을 3,000ns로 설정한 경우이고, 도 8b는 기준 펄스 간격을 5,000ns로, 그리고 도 8c는 기준 펄스 간격을 8,000ns로 각각 상이하게 설정했을 때의 출력 파형을 나타내고 있다.
즉, 기준 펄스 간격에 따라 동일한 시간 범위(전체 피크 신호의 개수: 62,498개)에서 카운트 되는 신호의 개수는 4,122개(도 8a), 12,577개(도 8b), 그리고 17,013개(도 8c)로 출력됨을 알 수 있다. 따라서, 도 8c와 같이, 유효 신호로 처리되어 연속 신호로 변환되는 정보는 상대적으로 늘어나는 것을 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출 소자로부터의 출력 신호가, 유효 신호 판별 장치(100)를 통해, 유효 신호는 연속된 장방형 신호로 길이가 길어지고, 잡음 신호는 제거된 결과를 보여준다. 이는 오실로스코프를 통해 측정되었다.
한편, 도 10은 본 발명의 실시예에 적용 가능한 SiC 기반 애벌런치 포토다이오드의 광학적 특성 및 전기적 특성을 보여주고 있다.
이상 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예에 의하면, 광 검출 소자, 예를 들어 애벌런치 포토다이오드에 의해 측정된 디지털 신호 중에서 유효 신호를 효율적으로 분리하여 출력할 수 있는 기술을 구현하였다. 구체적으로, 본 발명의 실시예에서는, 카운팅 방식의 디지털 출력 신호의 유효 신호를 최적화하기 위한 신호 처리 기술을 제공하고, 광 검출 소자의 입사 광량에 따른 펄스 신호 간의 간격 특성을 분석하여 원하는 유효 신호를 출력할 수 있는 기술을 구현하였다.
한편, 첨부된 블록도의 각 블록과 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수도 있다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 블록도의 각 블록에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다.
이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 기록매체(또는 메모리) 등에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 기록매체(또는 메모리)에 저장된 인스트럭션들은 블록도의 각 블록에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다.
그리고, 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 블록도의 각 블록에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 블록은 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 적어도 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실시 예들에서는 블록들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 품질에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 유효 신호 판별 장치
110: 획득부
120: 설정부
130: 판별부
140: 가공부
150: 분석부
160: 출력부

Claims (11)

  1. 디지털 펄스 시퀀스 내의 유효 신호를 판별하는 장치로서,
    광 검출 소자로부터 수신하는 상기 디지털 펄스 시퀀스 내 이웃하는 디지털 펄스 사이의 각각의 시간 간격과 소정의 기준 펄스 간격을 비교하여, 상기 이웃하는 디지털 펄스 사이의 시간 간격이 상기 기준 펄스 간격보다 작은 경우, 상기 이웃하는 디지털 펄스를 병합 대상 신호로 결정하는 판별부 - 상기 디지털 펄스 시퀀스는 유효 신호와 잡음 신호를 포함함 - 와,
    상기 병합 대상 신호로 결정된 이웃하는 디지털 펄스들을 연속된 장방형(rectangle) 신호로 병합하는 가공부와,
    상기 장방형 신호로 병합된 상기 이웃하는 디지털 펄스들 사이의 시간 간격에 기초하여, 상기 장방형 신호 내 디지털 펄스의 밀집도를 분석하는 분석부를 포함하되,
    상기 장방형 신호 내 디지털 펄스의 밀집도와 유효 신호의 밀집도 임계값과의 비교에 기초하여, 상기 장방형 신호 내 디지털 펄스가 유효 신호인지 여부를 판별하는
    유효 신호 판별 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 분석부는,
    상기 광 검출 소자에 대한 유효 신호 사이의 간격과 잡음 신호 사이의 간격에 대한 누적 분포 함수(Cumulative Distribution Function, CDF) 결과가 저장되어 있는 메모리를 포함하고
    유효 신호 판별 장치.
  4. 삭제
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 장방형 신호 내 디지털 펄스의 밀집도가 상기 유효 신호의 밀집도 임계값 - 상기 유효 신호의 밀집도 임계값은 상기 누적 분포 함수(CDF) 결과에 기초하여 도출된 유효 간격에 따라 정의됨 - 이상인 경우, 상기 장방형 신호 내 디지털 펄스는 유효 신호로서 판별되는
    유효 신호 판별 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 검출 소자는,
    애벌런치 포토다이오드(Avalanche Photodiode, APD)를 포함하는
    유효 신호 판별 장치.
  7. 디지털 펄스 시퀀스 내의 유효 신호를 판별하는 방법으로서,
    광 검출 소자로부터 수신하는 상기 디지털 펄스 시퀀스 내 이웃하는 디지털 펄스 사이의 각각의 시간 간격과 소정의 기준 펄스 간격을 비교하여, 상기 이웃하는 디지털 펄스 사이의 시간 간격이 상기 기준 펄스 간격보다 작은 경우, 상기 이웃하는 디지털 펄스를 병합 대상 신호로 결정하는 단계 - 상기 디지털 펄스 시퀀스는 유효 신호와 잡음 신호를 포함함 - 와,
    상기 병합 대상 신호로 결정된 이웃하는 디지털 펄스들을 연속된 장방형(rectangle) 신호로 병합하는 단계와,
    상기 장방형 신호로 병합된 상기 이웃하는 디지털 펄스들 사이의 시간 간격에 기초하여, 상기 장방형 신호 내 디지털 펄스의 밀집도를 분석하는 단계와,
    상기 장방형 신호 내 디지털 펄스의 밀집도와 유효 신호의 밀집도 임계값과의 비교에 기초하여, 상기 장방형 신호 내 디지털 펄스가 유효 신호인지 여부를 판별하는 단계를 포함하는
    유효 신호 판별 방법.
  8. 삭제
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 광 검출 소자에 대한 유효 신호 사이의 간격과 잡음 신호 사이의 간격에 대한 누적 분포 함수(Cumulative Distribution Function, CDF) 결과를 저장하는 단계를 더 포함하는
    유효 신호 판별 방법.
  10. 삭제
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 판별하는 단계는,
    상기 장방형 신호 내 디지털 펄스의 밀집도가 상기 유효 신호의 밀집도 임계값 - 상기 유효 신호의 밀집도 임계값은 상기 누적 분포 함수(CDF) 결과에 기초하여 도출된 유효 간격에 따라 정의됨 - 이상인 경우, 상기 장방형 신호 내 디지털 펄스를 유효 신호로서 판별하는 단계를 포함하는
    유효 신호 판별 방법.
KR1020180075402A 2018-06-29 2018-06-29 디지털 펄스 내의 유효 신호 판별 장치 및 방법 KR101933616B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180075402A KR101933616B1 (ko) 2018-06-29 2018-06-29 디지털 펄스 내의 유효 신호 판별 장치 및 방법
GB1815005.2A GB2575129B (en) 2018-06-29 2018-09-14 Apparatus and method for identifying effective signals

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180075402A KR101933616B1 (ko) 2018-06-29 2018-06-29 디지털 펄스 내의 유효 신호 판별 장치 및 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101933616B1 true KR101933616B1 (ko) 2018-12-28

Family

ID=64013117

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180075402A KR101933616B1 (ko) 2018-06-29 2018-06-29 디지털 펄스 내의 유효 신호 판별 장치 및 방법

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR101933616B1 (ko)
GB (1) GB2575129B (ko)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004532391A (ja) 2001-02-09 2004-10-21 コモンウェルス　サイエンティフィック　アンド　インダストリアル　リサーチ　オーガニゼーション ライダーシステムおよび方法
KR101831561B1 (ko) 2017-09-28 2018-04-04 부산대학교 산학협력단 통계적 특성을 이용한 설계 장치 및 방법

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8766161B2 (en) * 2009-12-02 2014-07-01 Nucript LLC System for controling and calibrating single photon detection devices
US9835490B2 (en) * 2012-05-10 2017-12-05 Voxtel, Inc. Discriminating photo counts and dark counts in an avalanche photodiode

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004532391A (ja) 2001-02-09 2004-10-21 コモンウェルス　サイエンティフィック　アンド　インダストリアル　リサーチ　オーガニゼーション ライダーシステムおよび方法
KR101831561B1 (ko) 2017-09-28 2018-04-04 부산대학교 산학협력단 통계적 특성을 이용한 설계 장치 및 방법

Also Published As

Publication number Publication date
GB2575129A (en) 2020-01-01
GB201815005D0 (en) 2018-10-31
GB2575129B (en) 2020-12-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5815532B2 (ja) 放射線検出器によって供給される信号を処理するためのデバイス
US11079479B2 (en) Device for measuring a distance and method for measuring said distance
KR102239319B1 (ko) 시분해 단일 광자 계수 장치
US8716648B2 (en) Photon detection system and method of photon detection
EP1411332A1 (en) Photodetector
US20190205100A1 (en) Improved Random Number Generator, in Particular Improved True Random Number Generator
CN102854204A (zh) 含具有改良光谱测定反应的半导体检测器的电离辐射检测装置
Durbin et al. K-nearest neighbors regression for the discrimination of gamma rays and neutrons in organic scintillators
KR101395330B1 (ko) 단일 광자 검출 장치, 광자수 분해 검출 장치 및 광자 검출 방법
CN108964637A (zh) 一种基于fpga的超高通过率电流型数字化脉冲处理方法
Mahmoudi et al. Statistical study of intrinsic parasitics in an SPAD-based integrated fiber optical receiver
JP2007147472A (ja) 光子検出デバイスの特性測定のためのデータ処理方法および装置とそれを利用した光子受信器
US20180259393A1 (en) Portable Analyzer Using Optical Emission Spectroscopy
KR101933616B1 (ko) 디지털 펄스 내의 유효 신호 판별 장치 및 방법
JP2006287307A (ja) 光子検出回路およびノイズ除去方法
CN106483546B (zh) 信号处理装置及放射线测定装置
JP7435852B2 (ja) 測距装置
IT202100009356A1 (it) Generatore di numeri casuali (rng), in particolare generatore di numeri realmente casuali (trng) di tipo perfezionato
CN107923984B (zh) 用于探测信号脉冲的方法和装置
JPH11118932A (ja) 核分光システムにおけるパルス波形調整及び弁別方法
CN112154546A (zh) 光检测器以及使用该光检测器的光学测距装置
JP7294265B2 (ja) 測距装置
Rech et al. Toward Constraintless Time-Correlated Single-Photon Counting Measurements: A New Method to Remove Pile-Up Distortion
Morais et al. Revealing the number of single photons in real time
CN112504482B (zh) 在线后脉冲概率测量系统

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant