死時間產生方法
【專利摘要】本發明公開了一種適用于單光子探測器的死時間產生方法,該方法使用了控制器對光電脈沖信號進行屏蔽以產生死時間，當檢測到有效光子信號后，通過對內部時鐘計數的方式將屏蔽電信號拉低，并利用邏輯與運算使光電脈沖信號在屏蔽電信號低電平時不會輸出，從而實現了單光子探測器中的死時間控制。本發明簡化了死時間的產生方法，避免了傳統的反饋控制電路存在的“控制盲區”問題，使得單光子探測在高重復頻率下依然可以實現精確地死時間控制，數字化的時間控制方法也使得死時間的設定范圍和精度得到提升，并支持動態修改功能，具有更好的靈活性和穩定性；有效提升了單光子探測的數據可靠性。
【專利說明】死時間產生方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及單光子探測器領域，具體涉及在高速單光子探測器中，提供一種死時間產生方法。
【背景技術】
[0002]單光子探測技術是指能夠對單個光子產生響應的光電探測技術，其超高靈敏度使其在超靈敏光譜，量子通信，生物發光等領域有著廣泛的應用。目前實現單光子探測技術的手段有雪崩光電二極管(APD)探測，超導探測，光電倍增管探測等。其中利用雪崩光電二極管APD實現的單光子探測器工作穩定、驅動簡單，是目前被使用得最多的單光子探測實現手段。
[0003]衡量雪崩光電二極管APD單光子探測器的性能好壞有幾項重要參數包括:暗計數、量子效率和后脈沖等。其中后脈沖的產生是由于當雪崩光電二極管Aro工作處在雪崩狀態下時，光子打出的電子將產生持續的碰撞電離，PN結中的載流子將不斷增加，雖然可以通過關閉“門脈沖”的方式使雪崩光電二極管APD淬滅，但是載流子并不能在短時間內完全釋放，這樣當下一個門脈沖到來時，殘留的載流子可能造成一次額外的計數，這個信號脈沖就稱之為后脈沖，后脈沖并不是由光子激發產生的，屬于誤計數，在某些特殊的應用如量子通信中，后脈沖將極大的影響系統的誤碼率。
[0004]目前，為了減少后脈沖，一種有效的方法是對探測器設定死時間，所謂死時間是指在產生一次有效光子計數后的一段時間內不再對新的信號進行響應。當前常采用的死時間的實現辦法是利用光子信號作為反饋，在得到一次有效計數后，利用電路邏輯處理手段在一段時間內屏蔽門脈沖。這種方式存在一個顯著的缺陷，就是反饋建立的時間往往較長，從得到有效的光子信號，再到信號處理，最后關斷門脈沖，這段時間往往超過10ns，形成一段“控制盲區”。這段延時對于低重復頻率(100MHz以下)不會造成影響，但是對于更高頻率(大于100MHz)而言，由于門脈沖的周期小于10ns，因此在反饋還未建立之前會有新的門脈沖送出，這些門脈沖由于緊挨著有效光子信號，因此更容易產生后脈沖。這種弊端會隨著頻率的升高變得更加明顯，嚴重影響死時間的控制效果。
【發明內容】
[0005]本發明是為了解決上述課題而進行的，目的在于提供一種可實現能夠避免建立反饋時間從而精確控制死時間的死時間產生方法。
[0006]本發明提供了一種死時間產生方法，應用在雪崩光電二極管APD的探測中，利用屏蔽電信號對雪崩光電二極管APD的光電脈沖信號在預定拉低時間內進行屏蔽，從而使得光電脈沖信號不被響應，其特征在于，具有以下步驟:(1)設定控制器中計數器的計數值，根據被設定計數值通過控制器中的內部時鐘獲得預定拉低時間；(2)采集雪崩光電二極管AH)發出的光電脈沖信號；(3)當判斷到所采集的光電脈沖信號一旦處于上升沿后，控制器對光電脈沖信號進行數據采集；(4)當判斷到所采集的光電脈沖信號一旦處于下降沿后，通過內部時鐘開始計時預定拉低時間，同時，將屏蔽電信號的電平在預定拉低時間被形成低電平屏蔽電信號；(5)將所采集的光電脈沖信號和低電平屏蔽電信號進行邏輯與運算，所采集的光電脈沖信號在預定拉低時間內不進行輸出，所采集的光電脈沖信號不被響應；其中，所采集的光電脈沖信號不被響應的死時間的長度等于計數值除以內部時鐘的頻率得到的時間長度。
[0007]在本發明所提供的死時間產生方法，還可以具有這樣的特征:其中，內部時鐘的頻率通過晶振倍頻后產生的頻率確定，根據設定計數值步驟和計數值得到死時間。
[0008]在本發明所提供的死時間產生方法，還具有這樣的特征，還包括以下步驟:雪崩光電二極管APD探測器通過接收由控制器發出的驅動信號被驅動開始工作。
[0009]在本發明所提供的死時間產生方法，還可以具有這樣的特征:其中，控制器通過現場可編程邏輯陣列FPGA實現。
[0010]發明的作用與效果
[0011]根據本發明所涉及的死時間產生方法，控制器產生一個高頻率內部時鐘，當控制器采集到一個有效的光電脈沖信號時，在光電脈沖信號的下降沿到來時開始計數，并根據死時間的寬度要求產生屏蔽電信號(屏蔽電信號在死時間范圍內為低電平，其余時間為高電平)，然后把屏蔽電信號和光電脈沖信號信號進行邏輯與運算并輸送出，這樣在屏蔽電信號的作用下，死時間內所有的光電脈沖信號被屏蔽，即獲得帶有嚴格寬度死時間要求的輸出信號，當屏蔽電信號重新拉高后，控制器又可以對下一次光電脈沖信號進行響應，這樣周而復始的進行，即可實現精確的死時間控制功能。本發明使用了控制器對雪崩光電二極管Aro的輸出信號進行屏蔽以產生死時間，并支持死時間范圍的精確調節。本發明簡化了死時間的產生方法，并從實現機制上確保了不會有“控制盲區”產生，使得單光子探測器在高頻時仍可獲得良好的后脈沖抑制效果，即可實現精確的死時間控制功能。數字化的時間控制方法也使得死時間的設定范圍和精度得到提升，并支持動態修改功能，具有更好的靈活性和穩定性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1是本發明實施例中的死時間產生方法的框圖；
[0013]圖2是本發明實施例中的死時間產生方法的流程圖；以及
[0014]圖3是本發明實施例中的死時間產生方法中的現場可編程邏輯陣列FPGA產生死時間的時序圖。
[0015]具體實施案例
[0016]為了使本發明實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，以下實施例結合附圖對本發明所涉及的死時間產生方法作具體闡述。
[0017]〈實施例〉
[0018]圖1是本發明實施例中的死時間產生方法的框圖。
[0019]如圖1所示，在本實施例中的死時間產生方法100中的控制器采用現場可編程邏輯陣列FPGA。現場可編程邏輯陣列FPGA中的內部時鐘頻率為200MHz，通過外部晶振倍頻后產生，現場可編程邏輯陣列FPGA中的計數器對內部時鐘計數。
[0020]圖2是本發明實施例中的死時間產生方法的流程圖。[0021]如圖2所示，在本實施例中的死時間產生方法100步驟如下:
[0022]步驟S-1:
[0023]設定計數器的計數值，如果要實現IOOns的死時間，則設定計數值為20即可。
[0024]步驟S-2:
[0025]現場可編程邏輯陣列FPGA產生門脈沖驅動信號驅動雪崩光電二極管APD開始工作。
[0026]步驟S-3:
[0027]將雪崩光電二極管Aro采集到單光子信號后將單光子信號的光電脈沖信號signal傳送給現場可編程邏輯陣列FPGA。
[0028]步驟S-4:
[0029]當現場可編程邏輯陣列FPGA判斷到采集到的光電脈沖信號signal出現上升沿時，現場可編程邏輯陣列FPGA對光電脈沖信號signal進行數據采集。
[0030]步驟S-5:
[0031]當現場可編程邏輯陣列FPGA判斷到采集到的光電脈沖信號signal出現下降沿時，現場可編程邏輯陣列FPGA中的計數器開始對內部時鐘進行計數，同時，現場可編程邏輯陣列FPGA將屏蔽電信號mask的電平拉低得到低電平屏蔽信號，低電平屏蔽信號的低電平時間長度等于內部時鐘計數時間長度。
[0032]步驟S-6:
[0033]將現場可編程邏輯陣列FPGA將采集的光電脈沖信號signal和低電平屏蔽信號進行邏輯與運算后，輸送出輸出信號。
[0034]圖3是本發明實施例中的死時間產生方法中的現場可編程邏輯陣列FPGA產生死時間的時序圖。
[0035]如圖3所示，圖3中包含頻率為200MHz的內部時鐘21、光電脈沖信號22、低電平屏蔽信號23和輸出信號24。
[0036]內部時鐘21作為現場可編程邏輯陣列FPGA主時鐘，管理內部時序。現在假設需要控制死時間長度為35ns，則設定計數器的計數值為7，根據內部時鐘的頻率200MHz和計數值7可以確定預定拉低時間即死時間長度為35ns。
[0037]光電脈沖信號signal22中含有第一個脈沖、第二個脈沖和第三個脈沖。第一個脈沖含有上升沿22a和下降沿22b，第三個脈沖含有上升沿22c。現場可編程邏輯陣列FPGA接收到的光電脈沖信號signal包含有效光電脈沖信號和后脈沖信號，為了更好的說明本發明，現假設圖3中第一個脈沖和第三個脈沖為有效光電脈沖信號，第二個脈沖為后脈沖信號。
[0038]低電平屏蔽電信號23中含有低電平信號23a。
[0039]本實施例中，當有光電脈沖信號signal從雪崩光電二極管APD輸送出時,現場可編程邏輯陣列FPGA通過內部時鐘接收光電脈沖信號signal后，判斷得到到光電脈沖信號signal22中出現第一個脈沖的上升沿22a時，現場可編程邏輯陣列FPGA進行數據采集。當現場可編程邏輯陣列FPGA判斷得到光電脈沖信號signal22中出現第一個脈沖的下降沿22b時，計時器開始對內部時鐘21進行計數，同時將屏蔽電信號mask的在計數期間內的電平拉低，得到低電平屏蔽信號23。低電平屏蔽信號23的低電平信號23a長度由所設定的計數值確定的死時間決定。當計數器計滿7即7個內部時鐘周期時，拉高低電平屏蔽信號23的電平。當現場可編程邏輯陣列FPGA判斷得到光電脈沖信號signal22中第三個脈沖的上升沿22c時，這樣周而復始的進行數據采集。最后將光電脈沖信號signal22和低電平屏蔽信號23做邏輯與運算后，現場可編程邏輯陣列FPGA輸送出輸出信號24。
[0040]由于第二個脈沖處在低電平屏蔽信號23的低電平信號23a持續的時間內，因此由現場可編程邏輯陣列FPGA送出的輸出信號24僅保留了有效光電脈沖信號signal中的第一個脈沖和第三個脈沖，第二個脈沖即后脈沖信號被屏蔽，將不被響應。
[0041]實施例的作用與效果
[0042]根據本發明所涉及的死時間產生方法，控制器產生一個高頻率內部時鐘，當控制器采集到一個有效的光電脈沖信號時，在光電脈沖信號的下降沿到來時開始計數，并根據死時間的寬度要求產生屏蔽電信號(屏蔽電信號在死時間范圍內為低電平，其余時間為高電平)，然后把屏蔽電信號和光電脈沖信號信號進行邏輯與運算并輸送出，這樣在屏蔽電信號的作用下，死時間內所有的光電脈沖信號被屏蔽。即獲得帶有嚴格寬度死時間要求的輸出信號。當屏蔽電信號重新拉高后，控制器又可以對下一次光電脈沖信號進行響應，這樣周而復始的進行，即可實現精確的死時間控制功能。本發明使用了控制器對雪崩光電二極管APD的輸出信號進行屏蔽以產生死時間，并支持死時間范圍的精確調節；本發明簡化了死時間的產生方法，并從實現機制上確保了不會有“控制盲區”產生，使得單光子探測器在高頻時仍可獲得良好的后脈沖抑制效果，即可實現精確的死時間控制功能。數字化的時間控制方法也使得死時間的設定范圍和精度得到提升，并支持動態修改功能，具有更好的靈活性和穩定性。
[0043]在本實施例中的現場可編程邏輯陣列FPGA，用于對光電脈沖信號進行屏蔽以產生死時間，當檢測到有效光電脈沖信號后，通過對內部時鐘計數的方式將屏蔽電信號拉低，并利用邏輯與運算使光電脈沖信號在屏蔽電信號低電平時不會被輸出，從而實現了單光子探測器中的死時間控制。從而簡化了死時間的產生方法，避免了傳統的反饋控制電路存在的“控制盲區”問題，使得單光子探測在高重復頻率下依然可以實現精確地死時間控制，現場可編程邏輯陣列FPGA的數字化的時間控制方法也使得死時間的設定范圍和精度得到提升，并支持動態修改功能，具有更好的靈活性和穩定性；有效提升了單光子探測的數據可靠性。
[0044]上述實施方式為本發明的優選案例，并不用來限制本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種死時間產生方法，應用在雪崩光電二極管APD的探測中，利用屏蔽電信號對雪崩光電二極管APD的光電脈沖信號在預定拉低時間內進行屏蔽，從而使得光電脈沖信號不被響應，其特征在于，具有以下步驟: (1)設定控制器中計數器的計數值，根據被設定所述計數值通過所述控制器中的內部時鐘獲得所述預定拉低時間； (2)米集所述雪崩光電二極管APD發出的所述光電脈沖信號； (3)當判斷到所采集的光電脈沖信號一旦處于上升沿后，所述控制器對光電脈沖信號進行數據采集； (4)當判斷到所采集的光電脈沖信號一旦處于下降沿后，通過所述內部時鐘開始計時所述預定拉低時間，同時，將所述屏蔽電信號的電平在所述預定拉低時間被形成低電平屏蔽電信號； (5)將所采集的光電脈沖信號和所述低電平屏蔽電信號進行邏輯與運算，所述所采集的光電脈沖信號在所述預定拉低時間內不進行輸出，所采集的光電脈沖信號不被響應； 其中，所述所采集的光電脈沖信號不被響應的死時間的長度等于所述計數值除以所述內部時鐘的頻率得到的時間長度。
2.根據權利要求1所述的死時間產生方法，其特征在于: 其中，所述內部時鐘的頻率通過晶振倍頻后產生的頻率確定，根據所述設定所述計數值步驟和所述計數值得到所述死時間。
3.根據權利要求1所述的死時間產生方法，其特征在于，還包括以下步驟: 所述雪崩光電二極管APD探測器通過接收由所述控制器發出的驅動信號被驅動開始工作。
4.根據權利要求1所述的死時間產生方法，其特征在于: 其中，所述控制器通過現場可編程邏輯陣列FPGA實現。
【文檔編號】G01J11/00GK104020702SQ201410251335
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月9日 優先權日:2014年6月9日
【發明者】陳杰, 曾和平 申請人:上海理工大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
