基于改进高速单光子探测器的复合跟踪控制系统设计_徐乐凤.pdf

控制技术计算机测量与控制 （）收稿日期：；修回日期：。基金项目：山东省 年度中央引导地方科技发展专项资金项目（）；依托于创新创业平台的中试基地建设运营探索 以“泰山创新谷”中试基地为例（）。作者简介：徐乐凤（），女，山东泰安人，助理研究员，硕士，主要从事控制科学与技术领域技术开发与推广、科技创新服务与管理方向的研究。通讯作者：孙彬（），男，山东泰安人，助理研究员，大学本科，主要从事非金属材料领域技术开发与推广、科技创新服务与管理方向的研究。引用格式：徐乐凤，孙彬，徐鲁波，等基于改进高速单光子探测器的复合跟踪控制系统设计计算机测量与控制，（）：文章编号：（）：中图分类号：文献标识码：基于改进高速单光子探测器的复合跟踪控制系统设计徐乐凤，孙彬，徐鲁波，黄劲，王和欣（泰山科学技术研究院，山东 泰安 ）摘要：由于半导体红外、光电倍增管单光子探测器受到噪声数据的影响，使得光子计数统计结果不精准，导致应用跟踪系统后，存在控制效果差的问题；利用雪崩光电二极管探测入射光和雪崩现象，改进高速单光子探测器；通过反馈控制环节实现猝灭，终止雪崩，将电压恢复到偏置电压；利用改进后的探测器设计单光子探测信号检测电路，获得所需要的基准电平，完成复合跟踪控制系统的硬件结构设计；设计信号传输计数控制流程，并结合判别公式确定高速单光子探测器与单个因素跟踪度；调节单光子探测器发射触发信号，根据所得到的信号确定组合跟踪脉冲光子数，以此为依据调整跟踪方案，完成系统软件结构设计；实验结果表明，改进后的高速单光子探测器在复合跟踪控制系统应用中，在 时计数达到 个，与实际结果一致，具有较好的跟踪控制效果。关键词：高速单光子探测器；复合跟踪；雪崩光电二极管；偏置电压；噪声数据；触发信号；反馈控制 ，（，）：，：；引言单光子探测器作为复合跟踪控制系统的重要核心部分，其性能参数直接影响系统的工作稳定性。单光子探测器作为系统信道接收端探测的重要核心器件，可以稳定工作于各种环境。半导体单光子探测器因其体积小、可靠性高的优点，在实用化复合跟踪控制技术中占有重要地位。所以，设计出高集成度、高性能半导体单光子探测器非常重要。针对这一问题，目前国内外已有大量的研究开发项目，已经广泛应用到日常跟踪探测项目之中。文献 设计了火星探测器进入段姿态容错控制算法。该算法可以保证探投稿网址：计算机测量与控制第 卷 测器姿态的稳定性，且具有较高的姿态跟踪精度。然而，该装置容易受到高速脉冲影响，无法正常工作。文献 基于滑模控制提出了探测器进入段轨迹跟踪控制方法，并缓解了滑模控制产生的抖振。然而，该设备受噪声数据的干扰，导致控制效果较差。文献 构建了核电厂棒位检测系统中的单相逆变器输出电压环比例谐振控制数学模型，保证了输出电压的稳定。然而，该系统采集信号时出现延迟，导致控制不精确。文献 分析了单探测器复合跟踪方式的选择以及控制流程，并通过激光跟踪实验验证了其具有较好的跟踪效果。但是该方法受环境影响，导致跟踪控制精度有待进一步提升。文献 构建了不同光斑分布的四象限探测器捕获牵引模型，解算了光斑位置的解算，并标定了跟踪机构位置。但是该方法受高速脉冲影响，导致捕获数据存在一定的延时。文献 从硬件和软件两个方面，结合多种装置的模拟完成了深空探测器真空热环境模拟测试系统设计。但是该系统未针对光子探测器跟踪控制具体分析，其跟踪效果有待进一步分析。本文设计了一个基于改进高速单光子探测器的复合跟踪控制系统。硬件部分，利用个动作电位时程（，）蓄电池构成单光子探测线路；设计 装置来抑制雪崩，采用主动淬灭方式接收 蓄电池的光子后，通过反射波获取雪崩信号，将信号放大器置于比较器的后端，确保光子信号盖过噪声信号，并建立探测属性信息库。软件部分设计了单光子信号传输计数控制流程和控制方案。经测试可知，设计系统不仅能够满足多条线路光子探测，还能分别统计光子数量。方便了用户信息查询，优化了信号传输计数控制效果。单光子探测器单光子探测器是一种极微弱光探测法 ，可以对可见光和红外线段的单光子进行探测，可以实现噪声抑制和弱信号处理。如图所示为单光子探测器结构。图（）所示的单光子探测器为 单光子探测器模块。该探测器支持门控模式和自由运转模式，触发频率高达 ，且有低暗计数和时间抖动功能。单光子探测器原理为放大单光子激发的单个光电子信号，通过脉冲甄别和数字计数等技术识别提取极弱光电子信号，达到光电探测的超灵敏极限。但由于工作环境的不同，单光子探测器存在一定的局限性，为此需要多个 蓄电池共同工作。本文改进设计的高速单光子探测器：是由多个 蓄电池构成，根据光子成像原理，设计相关硬件结构时，需将 蓄电池组合成线列或阵列结构形式，增加高速单光子探测面积。由于单一 构成的单光子探测器只能探测到一路光子，因此不适合于光子成像领域。比如量子雷达系统，可以从远距离探测到微弱信号，模拟目标。要对物体进行成像，必须使用多个 。改进后的探测器硬件结构，如图所示。对比图和图可知，改进后的探测器硬件结构是由图单光子探测器图改进后的探测器硬件结构个 蓄电池构成的单光子探测线路。在其应用过程中，当雪崩来临时，由个 蓄电池共同分担电源电压，从而使流经 的电流低于 的雪崩熄灭阈值，直至雪崩终止。改进后的探测器具有下述优点：能够满足多条线路光子探测，还能分别统计光子数量。系统改进设计 系统总体架构基于图所示的改进后探测器硬件结构，优化设计高速单光子探测器复合跟踪控制系统，具体优化过程如图所示。对图分析可知，硬件设计包括雪崩光电二极管的设计、反馈控制电路图的设计以及单光子探测信号检测电路设计。软件设计包括信号传输计数控制流程分析和控制方案设计。基于图所示的高速单光子探测器复合跟踪控制系统优化设计流程，设计基于改进高速单光子探测器的复合跟踪控制系统。投稿网址：第期徐乐凤，等：基于改进高速单光子探测器的复合跟踪控制系统设计 图系统优化设计流程 硬件系统改进设计 雪崩效应的终止雪崩光电二极管被应用于很多领域，常使用硅或锗为材料制造而成，其拥有结，可以将射入光转化为光电流，由于单光子探测系统容易出现雪崩效应，使用雪崩光电二极管探测入射光线。在 作用于 后，作用于盖革模式。入射光能产生一定的载波，载波光流在强电场作用下，将加速向晶格冲刷，从而产生大量的光载流子。当光载流子高效增加到一定程度后，立刻爆发出来，与雪崩效果一样，由此也产生了大量电流。利用雪崩效应来实现光电倍增的功能，然而，对于雪崩效应来说，本身也无法阻止雪崩 ，因此会降低探测效率，而且可能破坏 ，因此需要设计一个外部电路来抑制雪崩。雪崩光电二极管的结构如图所示。图雪崩光电二极管工作框图 单光子探测系统不仅要提供 反向偏压实现探测，还要对雪崩现象有效控制。因为 装置必须在尽可能低的温度下工作，雪崩效应会使单光子探测系统中 装置的温度和噪声增大。基于反馈控制实现猝灭反馈控制环节是主动淬灭方式核心的一部分，其反馈控制电路如图所示。由图可知，采用主动淬灭方式接收 蓄电池的光子后，通过反射波获取雪崩信号。在获取雪崩信号的同时，图反馈控制电路触发脉冲信号，由此控制 开关闭合，并将电压迅速施加到蓄电池阳极，从而实现猝灭。选择适当的电源，分担电源压力，防止达到崩溃电压，从而解决雪崩效应带来的问题。当雪崩停止后，切断，控制 关闭，迅速 降 低 阳极电压，将 两端电压恢复到偏置电压。单光子探测信号检测电路改进设计单光子探测信号检测电路需直接从噪声信号中提取单光子信号，该过程难免出现一定误差，所以，提取过程中，为确保光子信号盖过噪声信号，需要将信号放大器置于比较器的后端，并设定基准电平。当基准电平固定时，弱噪声信号不影响比较器的工作精度，因此不会产生单光子信号。当单光子信号不再高于参考电平时，比较器工作状态就会发生改变，此时利用计数器统计单光子信号。单光子探测信号检测电路如图所示。图单光子探测信号检测电路图图所示的单光子探测信号检测电路参考电压为至，其大小为从外输入，经中央处理器（，）处理、数字信号采集、数模转换器（，）转换，经 运算放大器放大，最终得到所需的基准电平，至此关键硬件设计完成。其中 运算放大器每个通道的输出电流为，输入偏流为 ，输入偏置电压为 。系统软件设计系统软件需要将空间分布数据进行采集、处理、分析，对单光子信号传输进行预判，确保了单光子信号的完整性和准确性，处理信息保证单光子信号运行的逻辑完整性。投稿网址：计算机测量与控制第 卷 单光子信号传输以上文的单光子信号传输硬件平台为基础，可以加载、显示具有一定格式的数字地图，并具有缩放、自动移动等功能。建立了探测属性信息库，方便了用户的信息查询。单光子信号传输计数控制流程如图所示。图信号传输计数控制流程由图可知，该流程主要包括：“定电压”程序、“启动计数”程序、“暂停计数”程序、“发送当前电压”程序和“发送当前计数”程序。根据指令类型，进行电压设定，计数启动。单光子信号的传输计数精度是影响复合跟踪控制效果的关键因素，结合判别公式，确定了高速单光子探测器的复合跟踪程度与单个因素跟踪程度关系式：（）式中，为复合跟踪程度；为单个因素跟踪程度；为智能跟踪程度；为拟合度，是判定复合跟踪程度的重要指标。控制方案设计步骤一：调试单光子探测器。调试单光子探测器时，要求采用高速单光子源作为发射器，产生 正弦信号，经过功率分配器后，将信号转化为电压形式，加载到 蓄电池上，此时电压略高于雪崩时的电压；步骤二：传输触发信号。正弦信号经过分频处理后，形成窄脉冲信号，经过二极管调节延时定时器，由此触发传输信号，保证每个脉冲的光子信号衰减到 左右，通过单模光纤向 传输；步骤三：设计高速单光子源。通过预测单光子信号传输路径，结合单光子信号传输特性，可以预测其中的高速单光子源，并结合预测结果对高速单光子源进行设计，保证每一个光脉冲约有 个光子，通过分光器进入一个可调衰减器 中；步骤四：确定探测器复合跟踪脉冲光子数。探测器复合跟踪脉冲中包含光子的概率可表示为：（）式中，为脉冲光子数量；为平均光子数。每个脉冲都含有光子的概率可表示为：（）式（）中，当含有 个光子脉冲经过单光子探测器后，脉冲 会产生单光子源。步骤五：控制因素确定与跟踪调节。对单光子探测器复合跟踪控制而言，单光子探测波长稳定度指标是关键。假设单光子探测器偏振方向为方向，探测器在二维空间下的矩阵可表示为：（）（）单光子探测器激光在经过起偏器后，基于该矩阵在二维空间下的矩阵计算波长。波长 指的是在一个高速单光子探测器复合跟踪控制周期内的传播距离。波长计算公式为：（）式中，为传播速度；为频率。在脉冲信号传输过程中，光子波长稳定性取决于信号传输稳定性。在不同环境下，光子波长不一，这与脉宽调制有关，相干长度会受到脉宽影响，导致光子波长无法满足实际探测需求。因此要求单光子探测器要求中心波长摆动至峰值波长 ，在该约束条件下，有效跟踪控制高速单光子探测器。实验测试结果与分析为了验证设计的高速单光子探测器复合跟踪控制系统的有效性，以图所示的高速单光子芯片为测试对象，接入图所示的模拟电路中完成测试。图高速单光子芯片图所示的高速单光子芯片电压为 ，输出电压为 ，电流输出为，频率开关为。图所 示 的 高 速 单 光 子 芯 片 的 版 图 面 积 是 ，搭建仿真环境对跟踪控制系统整体进行数模混合。投稿网址：第期徐乐凤，等：基于改进高速单光子探测器的复合跟踪控制系统设计 图高速单光子探测器复合跟踪控制系统模拟电路 实验步骤及思路步骤一：由高速光子探测器发出的雪崩信号，此时，甄别电路如图 所示。图 雪崩信号甄别电路由图 可知，当雪崩信号低于阈值电平时，核仪器插件（，）处输出低电平信号，即信号数量表示光子数量。当雪崩信号高于阈值电平时，处输出高电平信号，此时不会产生光子。步骤二：雪崩信号放大处理。雪崩信号经过放大器处理后，波动幅度在 左右，而影响雪崩信号的噪声信号波动幅度在 左右，产生这种现象的主要原因是屏蔽了 蓄电池信号，所以雪崩信号受到噪声干扰后出现了失真问题。雪崩信号波形图，如图 所示。由图 可知，当比较器输出电平较低时，需将噪声信号也视为雪崩信号的一部分，这时统计的结果误差较小