基于改進高速單光子探測器的復合跟蹤控制系統設計

徐樂鳳，孫 彬，徐魯波，黃 勁，王和欣

(泰山科學技術研究院，山東 泰安 271000)

0 引言

單光子探測器作為復合跟蹤控制系統的重要核心部分，其性能參數直接影響系統的工作穩定性[1]。單光子探測器作為系統信道接收端探測的重要核心器件，可以穩定工作于各種環境。半導體單光子探測器因其體積小、可靠性高的優點，在實用化復合跟蹤控制技術中占有重要地位[2-3]。所以，設計出高集成度、高性能半導體單光子探測器非常重要。

針對這一問題，目前國內外已有大量的研究開發項目，已經廣泛應用到日常跟蹤探測項目之中。文獻[4]設計了火星探測器進入段姿態容錯控制算法。該算法可以保證探測器姿態的穩定性，且具有較高的姿態跟蹤精度。然而，該裝置容易受到高速脈沖影響，無法正常工作。文獻[5]基于滑模控制提出了探測器進入段軌跡跟蹤控制方法，并緩解了滑模控制產生的抖振。然而，該設備受噪聲數據的干擾，導致控制效果較差。文獻[6]構建了核電廠棒位檢測系統中的單相逆變器輸出電壓環比例-諧振控制數學模型，保證了輸出電壓的穩定。然而，該系統采集信號時出現延遲，導致控制不精確。文獻[7]分析了單探測器復合跟蹤方式的選擇以及控制流程，并通過激光跟蹤實驗驗證了其具有較好的跟蹤效果。但是該方法受環境影響，導致跟蹤控制精度有待進一步提升。文獻[8]構建了不同光斑分布的四象限探測器捕獲牽引模型，解算了光斑位置的解算，并標定了跟蹤機構位置。但是該方法受高速脈沖影響，導致捕獲數據存在一定的延時。文獻[9]從硬件和軟件兩個方面，結合多種裝置的模擬完成了深空探測器真空熱環境模擬測試系統設計。但是該系統未針對光子探測器跟蹤控制具體分析，其跟蹤效果有待進一步分析。

本文設計了一個基于改進高速單光子探測器的復合跟蹤控制系統。硬件部分，利用4個動作電位時程(action potential duration, APD)蓄電池構成單光子探測線路；設計APD裝置來抑制雪崩，采用主動淬滅方式接收APD蓄電池的光子后，通過反射波獲取雪崩信號，將信號放大器置于比較器的后端，確保光子信號蓋過噪聲信號，并建立探測屬性信息庫。軟件部分設計了單光子信號傳輸計數控制流程和控制方案。經測試可知，設計系統不僅能夠滿足多條線路光子探測，還能分別統計光子數量。方便了用戶信息查詢，優化了信號傳輸計數控制效果。

1 單光子探測器

單光子探測器是一種極微弱光探測法[10-11]，可以對可見光和紅外線段的單光子進行探測，可以實現噪聲抑制和弱信號處理。如圖1所示為單光子探測器結構。

圖1 單光子探測器

圖1(a)所示的單光子探測器為NIR單光子探測器模塊。該探測器支持門控模式和自由運轉模式，觸發頻率高達100 MHz，且有低暗計數和時間抖動功能。單光子探測器原理為放大單光子激發的單個光電子信號，通過脈沖甄別和數字計數等技術識別提取極弱光電子信號，達到光電探測的超靈敏極限。但由于工作環境的不同，單光子探測器存在一定的局限性，為此需要多個APD蓄電池共同工作。

本文改進設計的高速單光子探測器：是由多個APD蓄電池構成，根據光子成像原理，設計相關硬件結構時，需將APD蓄電池組合成線列或陣列結構形式，增加高速單光子探測面積[12]。由于單一APD構成的單光子探測器只能探測到一路光子，因此不適合于光子成像領域[13]。比如量子雷達系統，可以從遠距離探測到微弱信號，模擬目標。要對物體進行成像，必須使用多個APD。改進后的探測器硬件結構，如圖2所示。

圖2 改進后的探測器硬件結構

對比圖1和圖2可知，改進后的探測器硬件結構是由4個APD蓄電池構成的單光子探測線路。在其應用過程中，當雪崩來臨時，由4個APD蓄電池共同分擔電源電壓，從而使流經APD的電流低于APD的雪崩熄滅閾值，直至雪崩終止。改進后的探測器具有下述優點：能夠滿足多條線路光子探測，還能分別統計光子數量。

2 系統改進設計

2.1 系統總體架構

基于圖2所示的改進后探測器硬件結構，優化設計高速單光子探測器復合跟蹤控制系統，具體優化過程如圖3所示。

圖3 系統優化設計流程

對圖3分析可知，硬件設計包括雪崩光電二極管的設計、反饋控制電路圖的設計以及單光子探測信號檢測電路設計。軟件設計包括信號傳輸計數控制流程分析和控制方案設計。基于圖3所示的高速單光子探測器復合跟蹤控制系統優化設計流程，設計基于改進高速單光子探測器的復合跟蹤控制系統。

2.2 硬件系統改進設計

2.2.1 雪崩效應的終止

雪崩光電二極管被應用于很多領域，常使用硅或鍺為材料制造而成，其擁有P-N結，可以將射入光轉化為光電流，由于單光子探測系統容易出現雪崩效應[14]，使用雪崩光電二極管探測入射光線。在APD作用于APD后，APD作用于蓋革模式。入射光能產生一定的載波，載波光流在強電場作用下，將加速向晶格沖刷，從而產生大量的光載流子。當光載流子高效增加到一定程度后，立刻爆發出來，與雪崩效果一樣，由此也產生了大量電流[15]。APD利用雪崩效應來實現光電倍增的功能，然而，對于雪崩效應來說，APD本身也無法阻止雪崩[16-17]，因此會降低探測效率，而且可能破壞APD，因此需要設計一個外部電路來抑制雪崩。雪崩光電二極管的結構如圖4所示。

圖4 雪崩光電二極管工作框圖

APD單光子探測系統不僅要提供APD反向偏壓實現探測，還要對雪崩現象有效控制。因為APD裝置必須在盡可能低的溫度下工作，雪崩效應會使單光子探測系統中APD裝置的溫度和噪聲增大。

2.2.2 基于反饋控制實現猝滅

反饋控制環節是主動淬滅方式核心的一部分，其反饋控制電路如圖5所示。

圖5 反饋控制電路

由圖5可知，采用主動淬滅方式接收APD蓄電池的光子后，通過反射波獲取雪崩信號。在獲取雪崩信號的同時，觸發脈沖信號，由此控制K1開關閉合，并將電壓迅速施加到蓄電池陽極，從而實現猝滅。選擇適當的電源，分擔電源壓力，防止達到崩潰電壓，從而解決雪崩效應帶來的問題。當雪崩停止后，切斷K1，控制K2關閉，迅速降低APD陽極電壓，將APD兩端電壓恢復到偏置電壓。

2.2.3 單光子探測信號檢測電路改進設計

單光子探測信號檢測電路需直接從噪聲信號中提取單光子信號，該過程難免出現一定誤差，所以，提取過程中，為確保光子信號蓋過噪聲信號，需要將信號放大器置于比較器的后端，并設定基準電平。當基準電平固定時[18]，弱噪聲信號不影響比較器的工作精度，因此不會產生單光子信號。當單光子信號不再高于參考電平時，比較器工作狀態就會發生改變，此時利用計數器統計單光子信號。單光子探測信號檢測電路如圖6所示。

圖6 單光子探測信號檢測電路圖

圖6所示的單光子探測信號檢測電路參考電壓為0 V至5 V，其大小為從外輸入，經中央處理器(central processing unit，CPU)處理、數字信號采集、數模轉換器(digital to analog converter，D/A)轉換，經TLE2072運算放大器放大，最終得到所需的基準電平，至此關鍵硬件設計完成。其中TLE2072運算放大器每個通道的輸出電流為48 mA，輸入偏流為175 pA，輸入偏置電壓為3.5 mV。

2.3 系統軟件設計

系統軟件需要將空間分布數據進行采集、處理、分析，對單光子信號傳輸進行預判，確保了單光子信號的完整性和準確性，處理信息保證單光子信號運行的邏輯完整性。

2.3.1 單光子信號傳輸

以上文的單光子信號傳輸硬件平臺為基礎，可以加載、顯示具有一定格式的數字地圖，并具有縮放、自動移動等功能。建立了探測屬性信息庫，方便了用戶的信息查詢。單光子信號傳輸計數控制流程如圖7所示。

圖7 信號傳輸計數控制流程

由圖7可知，該流程主要包括：“定電壓”程序、“啟動計數”程序、“暫停計數”程序、“發送當前電壓”程序和“發送當前計數”程序。根據指令類型，進行電壓設定，計數啟動。

單光子信號的傳輸計數精度是影響復合跟蹤控制效果的關鍵因素，結合判別公式，確定了高速單光子探測器的復合跟蹤程度與單個因素跟蹤程度關系式：

y=ax+R2

(1)

式中,y為復合跟蹤程度；x為單個因素跟蹤程度；a為智能跟蹤程度；R為擬合度，是判定復合跟蹤程度的重要指標。

2.3.2 控制方案設計

步驟一：調試單光子探測器。

調試單光子探測器時，要求采用高速單光子源作為發射器[19]，產生200 MHz正弦信號，經過功率分配器后，將信號轉化為電壓形式，加載到APD蓄電池上，此時電壓略高于雪崩時的電壓；

步驟二：傳輸觸發信號。

正弦信號經過分頻處理后，形成窄脈沖信號，經過二極管調節延時定時器，由此觸發傳輸信號，保證每個脈沖的光子信號衰減到0.1左右，通過單模光纖向 APD傳輸；

步驟三：設計高速單光子源。

通過預測單光子信號傳輸路徑，結合單光子信號傳輸特性，可以預測其中的高速單光子源，并結合預測結果對高速單光子源進行設計，保證每一個光脈沖約有0.1個光子，通過分光器進入一個可調衰減器[20-21]中；

步驟四：確定探測器復合跟蹤脈沖光子數。

探測器復合跟蹤脈沖中包含光子的概率可表示為：

(2)

式中,n為脈沖光子數量；v為平均光子數。

每個脈沖都含有光子的概率可表示為：

(3)

式(3)中，當含有0.1個光子脈沖經過單光子探測器后，脈沖[22-23]會產生單光子源。

步驟五：控制因素確定與跟蹤調節。

對單光子探測器復合跟蹤控制而言，單光子探測波長穩定度指標是關鍵。假設單光子探測器偏振方向為Z方向，探測器在二維空間下的矩陣可表示為：

(4)

單光子探測器激光在經過起偏器后，基于該矩陣在二維空間下的矩陣計算波長。波長[24-25]指的是在一個高速單光子探測器復合跟蹤控制周期內的傳播距離。波長計算公式為：

(5)

式中,u為傳播速度；f為頻率。

在脈沖信號傳輸過程中，光子波長穩定性取決于信號傳輸穩定性。在不同環境下，光子波長不一，這與脈寬調制有關，相干長度會受到脈寬影響，導致光子波長無法滿足實際探測需求。因此要求單光子探測器要求中心波長擺動至峰值波長?0.01 nm，在該約束條件下，有效跟蹤控制高速單光子探測器。

3 實驗測試結果與分析

為了驗證設計的高速單光子探測器復合跟蹤控制系統的有效性，以圖8所示的高速單光子芯片為測試對象，接入圖9所示的模擬電路中完成測試。

圖8 高速單光子芯片

圖8所示的高速單光子芯片電壓為2.7～6 V，輸出電壓為5.5 V，電流輸出為2 A，頻率開關為1 MHz。

圖9所示的高速單光子芯片的版圖面積是2 800×1 900 μm，搭建仿真環境對跟蹤控制系統整體進行數模混合。

圖9 高速單光子探測器復合跟蹤控制系統模擬電路

3.1 實驗步驟及思路

步驟一：由高速光子探測器發出的雪崩信號，此時，甄別電路如圖10所示。

圖10 雪崩信號甄別電路

由圖10可知，當雪崩信號低于閾值電平時，核儀器插件(nuclear instrument module，NIM) out處輸出低電平信號，即信號數量表示光子數量。當雪崩信號高于閾值電平時，NIM out處輸出高電平信號，此時不會產生光子。

步驟二：雪崩信號放大處理。

雪崩信號經過放大器處理后，波動幅度在200 mV左右，而影響雪崩信號的噪聲信號波動幅度在50 mV左右，產生這種現象的主要原因是屏蔽了APD蓄電池信號，所以雪崩信號受到噪聲干擾后出現了失真問題。雪崩信號波形圖，如圖11所示。

圖11 雪崩信號波形圖

由圖11可知，當比較器輸出電平較低時，需將噪聲信號也視為雪崩信號的一部分，這時統計的結果誤差較小。當比較器輸出電平較高時，雪崩信號無法達到理想的信號采集結果，漏掉大部分雪崩信號，這時統計的誤差較大。

步驟三：獲取光子計數結果。

針對該問題，直接統計比較器的脈沖信號，通過統計脈沖信號就可得到光子計數結果，光子計數時間分布情況如圖12所示。

圖12 光子計數時間分布示意圖

由圖12可知，時間在38.5 ns時，計數達到最多，說明該時間內有激光光子到達。

步驟四：以跟蹤精度、通信開銷、跟蹤時間為指標，分別采用文獻[4]容錯控制系統、文獻[5]分數階滑模控制系統和本文的高速單光子探測器復合跟蹤控制系統進行下述實驗，具體結果如下所示。

3.2 實驗結果與分析

3.2.1 光子計數結果

基于上述指標，分別使用文獻[4]容錯控制系統、文獻[5]分數階滑模控制系統和本文的高速單光子探測器復合跟蹤控制系統對比分析光子計數統計結果，3種系統光子計數統計結果如圖13所示。

圖13 3種系統光子計數統計結果

由圖13可知，使用文獻[4]容錯控制系統在31.5 ns時，計數達到最多為135個；使用文獻[5]分數階滑模控制系統在30.5 ns時，計數達到最多為155個；使用本文的高速單光子探測器復合跟蹤控制系統在38.5 ns時，計數達到最多為220個。由此可知，使用本文的高速單光子探測器復合跟蹤控制系統光子計數統計結果與實際結果一致，說明跟蹤控制效果較好。

3.2.2 跟蹤控制精度結果

高速單光子探測器的復合跟蹤控制精度測試指標為均方根誤差(RMSE)，為了更好地展示分析跟蹤控制準確度，通過1 000次迭代計算，獲取不同系統的均方根誤差RMSE，計算公式為：

(6)

式中,N為迭代次數，k1為觀測值，k為預測值。

根據式(6)的計算結果可知，復合跟蹤控制過程中均方根誤差越低，說明對應系統的跟蹤精度越高，反之則越差，3種系統的復合跟蹤控制精度結果如圖14所示。

圖14 不同方法的跟蹤精度測試結果

分析圖14可知，隨著跟蹤次數的上升，3種系統測試出的均方根誤差均出現了不同程度的上升趨勢。其中，本文系統在跟蹤時測試出的均方根誤差是3種系統中最低的。這主要是因為所提方法在跟蹤控制前，通過4個APD蓄電池共同分擔雪崩帶來的高電流，防止了電流突增對跟蹤控制精度的影響，所以該方法跟蹤控制精度高。

3.2.3 通信開銷結果

以量子雷達系統為應用場景，以通信開銷為測試指標，分析3種系統對雷達探測目標的跟蹤效果。結果如圖15所示。

圖15 不同方法的通信開銷測試結果

通信開銷越大，說明雷達探測目標跟蹤時的跟蹤效果越差，開銷越小，說明跟蹤效果越好。分析圖15可知，隨著跟蹤次數的增加，3種系統在目標跟蹤時測試出的通信開銷都出現了增大趨勢。但是，本文系統在目標跟蹤時測試出的通信開銷低于對比系統的測試結果，由此可證明，本文系統在目標跟蹤時，該方法具備較好的有效性。

3.2.4 執行時間測試

同樣以量子雷達系統為應用場景，設置目標與雷達距離為1 500 km，目標為動態目標，其運動范圍為5°～30°。測試3種系統的目標跟蹤時間，測試結果如表1所示。

表1 不同方法的目標跟蹤時間測試結果

分析表1可知，測試次數的增加會提升目標跟蹤方法的跟蹤時間。但是，本文系統測試出的目標跟蹤時間是3種系統中最低的，最高時間為84 ms，其主要原因是本文系統優化了雪崩光電二極管的偏置源電路和信號檢測電路，提高了系統硬件性能，進一步優化了目標跟蹤時間。

4 結束語

設計改進的高速單光子探測器復合跟蹤控制系統，結合門控雪崩抑制方法，對雪崩光電二極管的偏置源電路和信號檢測電路進行了精確設計。通過分析研究表明，單穩態電路的瞬態可等效為“光子門”，可以取代傳統的直流電平疊加方式實現的脈沖。這種方法不僅簡單方便，而且還適用于各種APD系統，有效控制高速單光子探測器。針對單光子探測的進行了幾個方面的分析與研究，定性的探測和實驗都是在太陽的紫外照射下進行的，而單光子探測系統是一個非常復雜的系統，還需要進一步地完善和改進，才能定量分析單光子探測器的計數精度，并在其他波長下實現單光子探測，因此設計單光子探測器具有更廣泛的應用前景。