使用感应电荷位敏阳极的极紫外单光子计数成像系统

研制了用于月基极紫外成像相机的二维极紫外位敏阳极光子计数成像探测器原型样机,该探测器系统主要由工作在脉冲计数模式下的微通道板堆、楔条形感应位敏阳极及相关的模拟和数据处理电路组成。设计和制备了周期为1.5mm,有效直径为47 mm的三电极楔条形位敏阳极,研制了最高计数率为200 kHz的前端模拟和数字电路。测量了探测器的暗计数率、脉冲高度分布、增益、线性及空间分辨率等工作特性。测量结果表明,探测器的空间分辨率为7.13 lp/mm(即0.14 mm),满足月基极紫外相机对空间分辨率的要求。     

基于化学发光磁酶免疫的HCG检测系统研究

介绍了一种基于化学发光磁酶免疫分析技术测定人绒毛膜促性腺激素(HCG)的检测系统。该检测系统通过良好的屏蔽和抗干扰设计,以高速高频的FPGA器件完成光子计数,实现对HCG的定量检测。对HCG抗原溶液的检测结果表明,检测系统在HCG抗原浓度为0.06～600ng/mL范围内线性关系良好,相关系数R=0.951。对检测系统进行重复性测试,变异系数为0.61%,重复性较好。该系统具有小型便携、灵敏度高、重复性好等特点,在疾病标志物现场检测领域具有较为广阔的应用前景。     

星载光子计数激光雷达海面点云仿真方法

星载光子计数激光雷达作为一种新的探测体制激光雷达,已开始应用于海面测量。然而受海风等多种因素的影响,海面存在一定的粗糙度和较大的起伏变化,因此光子计数激光雷达返回的信号点云在返回能量和信号光子分布上存在较大的变化,潜在的影响到了海面高程测量精度。本文基于JONSWAP海浪谱和微面元模型理论,结合蒙特卡洛方法建立了光子计数激光雷达海洋目标的仿真模型。以ICESat-2星载光子计数激光雷达的系统参数作为输入,仿真了不同风速条件下海面的信号光子分布,通过与ICESat-2实测结果对比证明了仿真方法的正确性。基于仿真模型,分析了不同风速条件下,光子计数激光雷达的测距误差分布。结果表明,光子计数激光雷达测得的海面高程小于实际参考海面,且测量偏差和标准差随风速增加而增大,当风速为10m/s,累计脉冲次数为100次时,测量偏差约为-2.5 cm,标准差为3.6 cm。所建立的仿真模型和分析结果对优化针对海面观测的星载光子计数激光雷达的系统参数设计和平均海面观测结果修正具有重要的参考意义。     

基于FPGA的高精度光子计数检测系统研究

为了实现微弱光信号的高精度检测,设计了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的光子计数检测系统.采用高灵敏度的光电倍增管作为光电转换器件,有效地实现微弱光信号的获取与处理.基于FP-GA,设计了时序控制模块、光子计数模块、串口通信模块、存储模块和键盘扫描控制模块,完成信号的处理与存储.使用该系统对三磷酸腺苷(ATP)样品...     

基于光子计数激光雷达的时域去噪

激光雷达传统的成像方法需要经过长时间积分探测生成光子计数统计直方图的方式来减少背景噪声的影响,获得目标场景的深度估计信息。为了快速准确地获取目标场景的3D图像,提出基于光子计数激光雷达的三维距离图像时域去噪算法。该算法不需要生成光子计数统计直方图,利用信号和噪声在时间轴上不同的分布特性,结合了泊松过程统计规律。此算法提高了信号的探测概率,能够在低信噪比的环境下将信号和噪声分离,获得目标场景准确的3D图像。实验结果表明在低信噪比的条件下,此算法获得深度图像的RMSE与传统基于最大似然估计成像方法相比成像精度至少提高了3倍。有利于激光雷达三维成像在高背景噪声环境下的使用,拓宽了激光雷达的应用范围。     

光子计数激光雷达时间-数字转换系统

时间测量系统在激光雷达中主要用于激光脉冲飞行时间的测量,其性能直接影响着激光雷达的各项指标.基于FPGA设计了一种应用于光子计数激光雷达的时间-数字转换(Time-to-Digital Converter,TDC)系统,利用延迟线内插在FPGA内部实现了高精度的时间测量,通过实验分析,研究了TDC系统的性能及其应用于光子计数激光雷达后的效果.实验结果表明,TDC系统的时间分辨率达到29 ps,测时精度37 ps,能够实现9通道的高精度事件计时功能,用于光子计数激光雷达后,整个激光雷达系统的测时精度为421 ps,达到6.3 cm的距离测量精度,能够实现高精度高分辨率的激光三维成像.     

Low-power compact tunable quenching configuration for minimizing afterpulsing in single-photon avalanche diodes

This paper unveils two efficient free running (FR) quenching circuits with the aim of reducing quenching time (QT) to minimize avalanche charge. Likewise, one circuit is compactly designed with low power consumption, suitable for single-photon avalanche diode ( SPAD) with hold-off time below 10 ns. In second circuit, tunable hold-off and reset-time are provided within a wide range without decreasing QT, which are desirable in many applications. Proper operation and circuit uncertainty is assessed by Monte Carlo analysis in a standard 90-nm complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) technology. In a bid to do a comparison between previously reported circuits and the proposed circuits, they are simulated with same SPAD model and parameters and results corroborate the proposed circuits guarantee active quenching time (AQT) of below 1 ns. Proposed circuits with current and area consumption of 0.74 μA, 32 μm² for 7-ns dead time and 16.2 μA, 93 μm² for 21-ns dead time are more efficient in terms of QT, area, and power consumption in comparison with other works.     

针对肺癌标志物CYFRA21-1检测的三通道高精度光学检测系统

构建了一种针对肺癌标志物细胞角蛋白19的可溶 性片段CYFRA21-1的三通道高精 度光学检测系统。系统基于 磁酶免疫分析实验的特点,通过巧妙的机械结构和精确的控制系统设计,利用FPGA高频计数 功能、NIOS核控制功能,配 合自己编写的上位机软件,实现了对CYFRA21-1的定量检测;在确保 高精度的前提下,实现了3个通道的同时检测,大大 节省了检测时间,提高了检测效率。通过多次实验验证,系统3个通道间干扰小、一致性好 ,相对偏差小于1%。在CYFRA21-1 抗 原溶液检测实验中,系统在CYFRA21-1浓度为2~100 ng/mL范围内线性关系良好, 相关系数为0.979。系统具有小型便 携、灵敏度高、检测时间短和重复性好等特点,为疾病标志物的快速检测提供了强有力的工 具。     

基于相关光子定标光电探测器量子效率的基本模型

相关光子是由强激光泵浦非线性晶体的自发参量下转换效应产生的。从两方面阐述了对探测器量子效率的定标,包括光子计数型探测器和模拟探测器。针对每一方面详细地介绍了目前主流的定标方案,并给出了详细的理论表达式及实验方案。根据理论分析其优点及缺点,并与传统的定标方法进行比较。重点对模拟探测器量子效率的定标在不同方案下的应用范围及表达式进行归纳,总结了探测器定标的最新进展,分析了这些方法的基本思想。提出下一步研究方向及可实现的方法,展望该领域的发展前景。     

楔条形阳极光子计数探测器成像性能的检测

基于楔条形位置灵敏阳极的光子计数成像探测器能够记录入射的单光子或带电粒子两维位置图像。它们在生化科学、空间探测科学、分析仪器等领域有着应用广泛。本文首先详细描述了我们研制的一套WSA光子计数成像探测器样机的设计结构及工作原理；分析了这类探测器的图像畸变产生的原因，提出了校正图象畸变的方法，并得了无畸变的图像；然后我们以美国空军标准分辨率检测板(USAF1951)为目标进行了检测，采集的检测图像显示人的裸眼能分辨出检测板的第2组第6单元条纹。最后，为了消除人眼观测的主观性，我们通过计算探测器对该单元条纹的成像调制度来确保检测结果的准确性。计算结果为：探测器对该单元条纹的水平、垂直方向成像调制度分别为57%、37%。这一结果表明我们的探测器完全能够分辨该单元条纹,对应的分辨率为7.13linepair/mm，即探测器空间分辨率达到了0.14mm。