CN109443557A - 一种单光子脉冲到达时间探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种单光子脉冲到达时间探测装置，包括信号获取电路、FPGA处理模块和存储模块；利用单光子探测装置和信号放大电路将光信号转化数字脉冲信号，由FPGA处理模块对其进行采集，在对于单光子脉冲信号进行采集时采用串并转换方式降低数据分析模块的工作频率，对于采集到的脉冲数据采用流水线的方式进行分析，多级电路同时对数据进行处理，实现采集、分析、存储同时进行，使得工作所需的时钟周期大大缩短，降低整个流程所用的时间，大大提高效率。
Description
技术领域
本发明涉及单光子脉冲到达时间探测装置，是一种应用在量子领域中进行单光子信息探测的装置。
背景技术
光子是光的最小能量量子，目前，高分辨率的单光子到达时间探测装置在量子领域中得到广泛应用。量子实验中经常需要对单光子进行分段计数，以此反映实验对象的状态，而分段计数会丢失部分有效信息，这就需要对每个单光子到达时间进行精密测量，需要皮秒级的测量精度，并要求***的稳定性要好；实验中常常要对粒子的飞行时间进行测量，再结合粒子的飞行轨迹等信息对粒子的种类进行鉴别，要提高测量精度，就需要对单光子进行采集，根据单光子到达时间信息来判断粒子的飞行时间。
光子可通过雪崩光电二极管APD转化为电子脉冲信号，通过对脉冲信号的精密测量实现对单光子到达时间的探测。现有技术中单光子脉冲到达时间探测装置都是基于专用集成电路ASIC实现的，基于ASIC设计的单光子脉冲到达时间探测装置虽然测量精度和稳定性满足上述需求，但其存在成本高、开发周期长和存储空间小的问题，同时，其工作模式固化，无法根据具体的需求进行不同的设置。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种基于可编程器件FPGA实现的单光子脉冲到达时间探测装置，以期能够在保证测量精度和稳定性的同时获得更加灵活的设计、缩短开发周期、降低成本。
本发明为实现发明目的采用如下技术方案：
本发明单光子脉冲到达时间探测装置，包括信号获取电路、FPGA处理模块和存储模块；其特点是：所述信号获取电路具有单光子探测装置和信号放大电路；所述单光子探测装置用于将采集获得的光信号转化为电信号，所述信号放大电路将来自单光子探测装置电信号放大后转化为数字脉冲信号；所述FPGA处理模块针对来自信号放大电路的数字脉冲信号进行采集，获得采集脉冲信号，将脉冲信号的到达时间数据保存在所述存储模块中，最后上传至上位机。
本发明单光子脉冲到达时间探测装置的特点也在于：在所述FPGA处理模块中包括串行转并行模块，所述串行转并行模块用于将所述采集脉冲信号转化为并行信号，从而降低后续模块的工作频率。
本发明单光子脉冲到达时间探测装置的特点也在于：在所述FPGA处理模块中还包括数据分析模块，所述数据分析模块用于针对来自所述串行转并行模块的并行数据进行实时数据处理，获得脉冲信号的到达时间，所述脉冲信号的到达时间是指脉冲上升沿对应的时间，即脉冲上升沿时间数据；所述数据分析模块的工作方式为：设定一个阈值给定有效脉冲信号的长度，用来过滤干扰信号，低于所述阈值的信号为无效；对于由所述串行转并行模块输出的并行数据，将每个时钟到达的并行数据记为一组数据，为判断当前一组数据中是否包含有效的脉冲上升沿，需要前后两组数据作为依据；为此，将第一组数据和第二组数据存入缓存中；当第三组数据到达时，判断第二组数据状态；是指在判断一组数据时至少需要三个时钟周期，形成流水线的方式，使数据缓存和数据状态的判断同时进行，判断每组数据状态仅需要一个时钟，从而提升数据处理效率。
本发明单光子脉冲到达时间探测装置的特点也在于：在所述FPGA处理模块中还包括存储控制模块，所述存储控制模块用于控制存储模块的读写状态，以便将所述脉冲上升沿时间数据存储于存储模块中，以及读取所述脉冲上升沿时间数据发送至上位机。
本发明单光子脉冲到达时间探测装置的特点也在于：在所述FPGA处理模块还包括总控制模块，第一FIFO缓冲、第二FIFO缓冲，以及数据传输模块；
所述总控制模块用于接收上位机发来的控制指令，从而控制所述探测装置的运行状态；第一FIFO缓冲和第二FIFO缓冲用于隔离存储模块和FPGA处理数据模块的时钟域，以优化整个装置的时序；数据传输模块实现上位机和FPGA处理模块之间的通信，用于将存储模块中的数据发送至上位机，以及接收上位机发来的指令并传送给总控制模块。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明基于可编程器件FPGA实现，其在保证测量精度和稳定性的同时，设计灵活，FPGA的成本大大低于ASIC，开发周期大为缩短；随着FPGA器件工艺水平的提高，FPGA与ASIC之间的性能差异正在逐渐缩小，在FPGA上实现高精度的单光子探测电路具有重要意义。
2、本发明基于FPGA进行设计，采用数字采集方式，可调识别有效信号的阈值增强了数据采集的灵活性和可靠性；
3、本发明中在对脉冲信号分析时采用串并转换和流水线的方式，大大提高了采集效率和数据处理的效率。
4、本发明具有高分辨率、集成度高、效率高、储存空间大的优点。
附图说明：
图1为本发明结构框图；
图2为本发明另一实施方式结构框图；
图3为本发明数据分析模块中流水线方式示意图。
具体实施方式
参见图1，本实施例中单光子脉冲到达时间探测装置信号获取电路1、FPGA处理模块2和存储模块3。
图1所示，信号获取电路1具有单光子探测装置4和信号放大电路5；单光子探测装置4用于将采集获得的光信号转化为电信号，信号放大电路5将来自单光子探测装置4电信号放大后转化为数字脉冲信号；FPGA处理模块2针对来自信号放大电路5的数字脉冲信号进行采集，获得采集脉冲信号，将脉冲信号的到达时间数据保存在存储模块3中，最后上传至上位机。
具体实施中，相应的设置也包括：
在FPGA处理模块2中包括串行转并行模块6，串行转并行模块6用于将采集脉冲信号转化为并行信号，从而降低后续模块的工作频率，比如，采集脉冲信号的采样频率为1GHz，经过1转8串并转换模块后，变为8路125MHz的并行信号。基于FPGA进行设计其精度主要受限于FPGA本身的最大工作频率，而采用串行转并行的方式就能在其工作频率的基础上在精度上取得量级上的提高，使测量精度达到皮秒级别。
在FPGA处理模块2中还包括数据分析模块7，数据分析模块7用于针对来自串行转并行模块6的并行数据进行实时数据处理，获得脉冲信号的到达时间，脉冲信号的到达时间是指脉冲上升沿对应的时间，即脉冲上升沿时间数据；
设置数据分析模块7的工作方式为：
设定一个阈值给定有效脉冲信号的长度，用来过滤干扰信号，低于阈值的信号为无效；对于由串行转并行模块6输出的并行数据，将每个时钟到达的并行数据记为一组数据，为判断当前一组数据中是否包含有效的脉冲上升沿，需要前后两组数据作为依据；为此，如图3所示，将第一组数据和第二组数据存入缓存中；当第三组数据到达时，判断第二组数据状态；是指在判断一组数据时至少需要三个时钟周期，形成流水线的方式，使数据缓存和数据状态的判断同时进行，判断每组数据状态仅需要一个时钟，从而提升数据处理效率。
在FPGA处理模块中还包括存储控制模块9，存储控制模块9用于控制存储模块3的读写状态，以便将脉冲上升沿时间数据存储于存储模块3中，以及读取脉冲上升沿时间数据发送至上位机。
在FPGA处理模块2还包括总控制模块12，第一FIFO缓冲8、第二FIFO缓冲10，以及数据传输模块11；
总控制模块12用于接收上位机发来的控制指令，从而控制探测装置的运行状态；第一FIFO缓冲8和第二FIFO缓冲10用于隔离存储模块和FPGA处理数据模块的时钟域，以优化整个装置的时序，并且FIFO缓冲还具有调节FPGA内数据传输位宽的作用；数据传输模块11实现上位机和FPGA处理模块2之间的通信，用于将存储模块3中的数据发送至上位机，以及接收上位机发来的指令并传送给总控制模块12，FPGA与上位机之间的通信采用USB接口。
存储模块3是FPGA器件的外部存储芯片，FPGA的存储资源较少，使用存储模块3大大增加了装置的存储空间。
图2所示为本发明另一实施方式，其在FPGA处理模块中还包括数据处理模块13，数据处理模块13位于数据传输模块之前，用于对采集到的光子到达时间数据进行分时间段计数，比如，统计每1微妙内有几个单光子到达，时间段长度可进行设定。
Claims (5)
1.一种单光子脉冲到达时间探测装置，包括信号获取电路(1)、FPGA处理模块(2)和存储模块(3)；其特征是：所述信号获取电路(1)具有单光子探测装置(4)和信号放大电路(5)；所述单光子探测装置(4)用于将采集获得的光信号转化为电信号，所述信号放大电路(5)将来自单光子探测装置(4)电信号放大后转化为数字脉冲信号；所述FPGA处理模块(2)针对来自信号放大电路(5)的数字脉冲信号进行采集，获得采集脉冲信号，将脉冲信号的到达时间数据保存在所述存储模块(3)中，最后上传至上位机。
2.根据权利要求1的所述的单光子脉冲到达时间探测装置，其特征是：在所述FPGA处理模块(2)中包括串行转并行模块(6)，所述串行转并行模块(6)用于将所述采集脉冲信号转化为并行信号，从而降低后续模块的工作频率。
3.根据权利要求2的所述的单光子脉冲到达时间探测装置，其特征是：在所述FPGA处理模块(2)中还包括数据分析模块(7)，所述数据分析模块(7)用于针对来自所述串行转并行模块(6)的并行数据进行实时数据处理，获得脉冲信号的到达时间，所述脉冲信号的到达时间是指脉冲上升沿对应的时间，即脉冲上升沿时间数据；所述数据分析模块(7)的工作方式为：设定一个阈值给定有效脉冲信号的长度，用来过滤干扰信号，低于所述阈值的信号为无效；对于由所述串行转并行模块(6)输出的并行数据，将每个时钟到达的并行数据记为一组数据，为判断当前一组数据中是否包含有效的脉冲上升沿，需要前后两组数据作为依据；为此，将第一组数据和第二组数据存入缓存中；当第三组数据到达时，判断第二组数据状态；是指在判断一组数据时至少需要三个时钟周期，形成流水线的方式，使数据缓存和数据状态的判断同时进行，判断每组数据状态仅需要一个时钟，从而提升数据处理效率。
4.根据权利要求3的所述单光子脉冲到达时间探测装置，其特征是：在所述FPGA处理模块中还包括存储控制模块(9)，所述存储控制模块(9)用于控制存储模块(3)的读写状态，以便将所述脉冲上升沿时间数据存储于存储模块(3)中，以及读取所述脉冲上升沿时间数据发送至上位机。
5.根据权利要求1的所述的单光子脉冲到达时间探测装置，其特征是：在所述FPGA处理模块(2)还包括总控制模块(12)，第一FIFO缓冲(8)、第二FIFO缓冲(10)，以及数据传输模块(11)；所述总控制模块(12)用于接收上位机发来的控制指令，从而控制所述探测装置的运行状态；第一FIFO缓冲(8)和第二FIFO缓冲(10)用于隔离存储模块和FPGA处理数据模块的时钟域，以优化整个装置的时序；数据传输模块(11)实现上位机和FPGA处理模块(2)之间的通信，用于将存储模块(3)中的数据发送至上位机，以及接收上位机发来的指令并传送给总控制模块(12)。
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