考虑脉冲高度分布（PHD）的光电倍增管光子探测模型

光电倍增管（Photomultiplier Tubes,PMT）具有光子级别的灵敏度,而且没有物理意义上的死区时间,在光子计数雷达应用中有独有的优势,但PMT响应单光子输出脉冲高度呈高斯随机分布,且不同脉冲之间还有可能产生堆叠,传统的单光子模型不能准确描述PMT的光子探测过程。针对PMT输出脉冲高度随机分布,脉冲堆叠现象和光子事件鉴别阈值的设置对光子事件探测概率的影响提出了一个新的PMT光子探测模型,并根据实际应用场景进行了简化,通过蒙特卡洛仿真验证了简化模型的适用性。搭建了光子计数雷达系统,通过和盖革模式APD进行实验对比,发现PMT光子探测模型虽然有略微的探测概率损失,但在测距应用中具有更小行走误差和更高测距精确度。实验也证明了新模型相比于传统单光子探测模型更符合PMT的光子事件探测概率分布,新模型对基于PMT光子计数雷达的系统设计和理论分析具有重要的指导意义。     

化学发光免疫分析仪测量系统的改进

化学发光免疫分析仪采用单光子计数技术实现了免疫反应微弱荧光的测量系统。针对测量系统存在光子脉冲堆积效应的问题,设计了多光子脉冲的甄别电路和计数电路,对光子脉冲堆积效应进行了补偿,改进了测量系统的性能。实验表明,该设计的补偿方法使光子数的测量效率提高了6.67％,补偿的相对偏差值为1.3％,有效地提高化学发光免疫分析仪测量系统的测量精度。     

APD单光子探测的电路设计

在气体分析领域,由于分子密度的减小,拉曼技术很难获得足够强的信号,为提高检测灵敏度,利用雪崩光电二极管设计了单光子探测器,来检测微弱的拉曼光。系统围绕APD设计了三个主要模块：偏置/测试电源、温控模块、信号调理。测试了系统的暗计数率,并用标准气校验了系统的准确度。实验结果表明：标准差最大为0.905,按总量程计算可得重复性相对偏差为0.905%,而非线性误差取最大引用误差0.13%。其多次测量结果的线性度很好,能够用于线性检测。     

基于单光子计数的半自动化学发光免疫分析仪的研究

研究了一种基于单光子计数技术的新型半自动化学发光免疫分析仪。利用光电倍增管(PMT,Photomultiplier)作为微弱荧光的检测元件,采用单光子计数技术来测量微弱荧光光强,并且使用自主设计的测量暗室和聚光光路来提高光子采集效率。以浓度为3mIU/ml的卵泡刺激素(FSH)为例,分别用不加聚光光路、单独加抛物面反射器、加了聚光光路测量其反应后的光子数值,所得光子数平均值分别是91 610.8、115 307.4、149 500.8,单独加抛物面反射器和加上聚光光路后的光子采集效率比不加聚光光路时分别提高了25.86%和63.19%。设计的新型半自动化学发光免疫分析仪采用自主研发的测量暗室和聚光光路,极大的提高了测量结果的准确性。     

提高PMT光子计数系统探测灵敏度的方法

光电倍增管（PMT）光子计数是光子计数技术的一种,通过选择合适的低噪声光电倍增管,并对光电倍增管的光阴极和前几级倍增极进行致冷。以及合理地设计光电倍增管的高压偏置电路和设定后续甄别器的鉴别闽值,可以使PMT光子计数系统对弱光的探测灵敏度达到甚至优于10^-17W。文中阐述了PMT光子计数的原理及系统组成．并对提高系统探测灵敏度的技术环节进行了分析。     

Vernier阳极探测器及其电子读出电路的设计

介绍基于一维游标阳极的紫外单光子计数成像探测系统及其信号预处理电路的原理,重点设计和制作了一维游标阳极探测器的前端电子读出电路,用以探测脉宽100~200 ms,电荷量为1~20 pc的脉冲。通过使用自己实验室搭建的单光子计数成像系统对电子读出电路进行了测试。测试结果表明,电子读出电路能够满足探测系统的成像要求,并在实验中利用电路对掩膜板成像,成功获得了灰度图像。     

用于APD激光探测的电荷灵敏前置放大器设计

雪崩光电二极管（APD）作为探测元件实现光电转换广泛应用于激光脉冲探测技术中。前置放大器是影响APD激光脉冲探测系统好坏的关键因素,前置放大器的信噪比决定了整个探测系统的信噪比优劣。提出了电荷灵敏前置放大器应用于APD激光脉冲探测系统以提高探测距离和探测精度的方法。讨论了激光脉冲探测技术和APD特性,在此基础上设计了以结型场效应管和集成运放为主要器件的低噪声电荷灵敏前置放大器电路并对设计电路进行了实验分析。实验结果表明：将电荷灵敏前置放大器应用于APD激光脉冲探测系统可以有效提高系统的信噪比,改善激光探测性能。     

基于光电倍增管单光子脉冲幅度分布的多比特光量子随机源

提出并验证了一种基于光电倍增管单光子脉冲高 度分布的多比特光量子随机源。将紫外LED发出 的光衰减成离散的单光子序列,光电倍增管探测到的单光子后,输出脉冲幅度随机分布的单 光子脉冲,通 过数字化单光子脉冲的峰值作为熵源来提取随机数,实现了一个单光子事件产生多个随机比 特位。为减小 所提取原始随机数存在的偏差,提出并实现了基于FPGA的SHA-256后 处理方法。光量子随机源工作在 500kc/s时,平均每个探测光子可提取7bit随机位,获得了3.5Mbit/s的随机位产生速率。运用随机性 测试程序ENT和STS对所获的随机位序列进行测试,测试结果表明,序列的随机性满足真随机 数的标准。     

模拟与光子计数融合的激光雷达信号采集系统设计

为了扩展激光雷达的测量动态范围,设计了一种基于模拟与光子计数融合方法的信号采集系统。采用多级放大技术设计了用于模拟与光子计数融合方法的双通道前置放大器,并与通用数据采集卡和光子计数卡组成信号采集系统。利用激光雷达信号模拟源搭建了测试系统;通过测量坪特性和脉冲高度分布确定光电倍增管(PMT)的工作高压和鉴别电平;测试了模拟通道和光子计数通道的性能以及两个通道的可拼接性。实验结果表明,设计的信号采集系统性能优于LICEL公司的瞬态记录仪TR20-160;两个通道的信号具有较好的拼接性,通过两个信号的拼接提高了激光雷达信号采集系统的动态范围。     

单光子计数系统的研制

介绍了最新研制的一种单光子计数系统,避免了目前国内微弱光检测通常采用的模拟电流测试法的动态响应差、灵敏度低的缺点,详细论述了单光子计数技术的应用范围以及国内、外微弱光检测技术的现状、单光子计数的发展趋势,以及本系统研制过程中的设计思路、主要技术难点和解决方法。     

光子累计方法在成像激光雷达中的应用研究

介绍了一套自行研制的采用光子计数探测的1064nm激光雷达系统。理论分析了光子计数探测技术和信噪比的改善．实验研究了改善信噪比的脉冲累计方法。给出了光子累计脉冲与信噪比之间的平方根关系,以及不同距离下的探测结果。另外,讨论了光子累计在两种成像方式下,相同参数的数值模拟和比较。结果表明：采用大发射光束和光子累积方法进行探测的信噪比,比单光束、大光强和逐行扫描方式的探测在理论上要好些。即探测概率高。     

高压平台上的脉冲电流测量

为了对高压平台上的脉冲电流信号进行测量,设计并制作了一个自积分式Rogowski线圈并通过光电转换,光纤传输等技术,将测量到的信号传输到低压端对信号进行监测。在对该测量系统进行标定时,脉冲信号源产生高压脉冲信号,然后使用示波器进行测量,得到一条测量电流和脉冲电压的关系曲线,其线性度良好,因此该装置能够用于高压脉冲电流的测量。     

单光子测距系统仿真及精度分析

单光子探测器和时间相关单光子计数技术（TCSPC）被广泛运用于脉冲式激光测距及三维成像系统中。分析影响探测精度的因素有助于提高测距系统的性能。为此,建立了基于TCSPC单光子测距系统的理论模型,讨论分析了影响测距系统测量精度的因素,主要包括激光脉冲强度和回波信号统计波形的脉宽,其中后者由激光脉宽和探测器的时间抖动决定。并且利用蒙特卡洛法对测距系统的探测过程进行仿真,得到了上述因素对测量精度的具体影响情况。最后搭建了单光子测距的实验室实验系统,经过实验在10 m处的测量精度达到4 mm,对相同参数下的仿真结果进行了验证。     

低噪声单微粒散射光检测电路

针对单微粒散射光信号弱、脉宽窄的特性,设计了一种低噪声宽动态范围光电检测电路.首先对单微粒散射光脉冲检测原理进行了分析;然后根据散射光脉冲信号特征对检测电路进行了设计;最后搭建了实验系统并对检测方法性能指标进行了评估.实验结果表明:设计的电路带宽为1.5 kHz～1.2 MHz,总输出噪声的均方根值为3.51 mV,计算结果与实验结果基本一致,误差为3.33％.该光电检测电路能够有效地对微弱的散射光信号实现低噪声放大,为后续处理提供了稳定的信号.     

多像素光子计数器的光子数分辨模型与实验验证

以多像素光子计数器(MPPC)的光电特性与工作原理 为基础,提出了MPPC的短脉冲光子数分辨模型,并分别在忽略与考虑光学串话(OC,optical crosstalk)效应时导出MPPC的短脉冲光响应模型。实验表明,理论模型与实验结果吻合, 且实际的光子数分辨谱对理想 分布的偏离主要是由于OC效应引起的。利用本文模型可以方便而准确地反 演出入射光脉冲的平均光子数信息,快速地判断入射光子数分布是否是预期的统 计分布,并可以推广到具有其他脉冲光子数统计分布的情况,具有一定的普适性。 本文理论模型不仅可用于指导MPPC的设计与优化,而且对MPPC在光 子统计分布的测量、单光子源的表征等弱光探测领域的应用具有较重要的意义。     

单光子飞行时间峰值扫描测量系统精度研究

提出一种单光子飞行时间峰值扫描测量方案,介 绍了峰值扫描测量的工作原理。依据光子计数过 程,建立了发光脉冲次数、门控信号扫描步长及光纤长度与光子计数曲线关系的数学模型,分 析了给定门控信 号宽度和时延扫描步长、光子计数率曲线峰值判断正确的概率与发光脉冲之间的关系。在50km光纤上,对理论分析结果进行了实验验证。     

基于LFM-OTDR的超长跨距光纤电力通信链路监测

为了降低电力通信系统中白噪声和随机多径噪声,提出了2种基于线性调频-光时域反射仪(LFM-0TDR)技术的监测方案,即单频LFM-0TDR方案和频分复用LFM-0TDR(FDM-LFM-0TDR)方案.该监测方案采用LFM光脉冲信号作为探测信号,利用分数阶傅里叶变换将后向散射回来的探测信号变换到分数阶傅里叶域进行信号处...     

声光调制系统驱动器的研制

超短脉冲激光调制系统包括腔倒空驱动器、匹配网络和声光换能器。研制的激光脉冲调制系统运用锁相技术,采用单片、集成锁相环代替分立元件,实现了片内鉴频和鉴相,解决了高频信号传输的难题。研制的腔倒空驱动器能输出4 MHz、800 kHz、400 kHz、80 kHz、40 kHz、800 Hz、400 Hz等不同重复频率的脉冲信号,输出功率达到瓦级,满足了声光布喇格池的要求。匹配网络的加入使声光换能器充分吸收腔倒空驱动器输出的功率,增加衍射效率。激光脉冲调制系统已应用在皮秒时间相关单光子计数光谱仪系统中,在实际应用中取得了理想的效果。     

全天时单光子激光雷达技术进展与系统评价

单光子激光雷达(又称光子计数激光雷达)具有单光子量级的探测灵敏度,相比于传统的线性探测激光雷达,能够获得更远的探测距离,已经成为激光雷达探测技术的前沿和发展趋势。然而,极高的探测灵敏度也使单光子激光雷达在探测中极易受到背景噪声光子的干扰,这在很大程度上降低了其在白天工作的性能,也极大地限制了其适用范围。文中从单光子激光雷达的探测原理出发,简要回顾了其技术发展,分析了全天时工作对单光子激光雷达探测系统的需求,在此基础上,采用一种新型的光谱滤波技术,极大地提升了单光子激光雷达在白天的探测性能。同时,还提出了一种普适性的评价模型,能够极为直观地对各种激光雷达系统的探测性能进行评价。