CN114062831B - 适用于单光子探测器的故障自检测方法及装置 - Google Patents

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CN114062831B CN202210046828.5A CN202210046828A CN114062831B CN 114062831 B CN114062831 B CN 114062831B CN 202210046828 A CN202210046828 A CN 202210046828A CN 114062831 B CN114062831 B CN 114062831B
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Abstract

本发明公开了适用于单光子探测器的故障自检测方法及装置，包括皮秒脉冲光源、可调光衰减器、采样电路、电源拓扑保护电路以及上位机；皮秒脉冲光源产生光脉冲信号以及与光脉冲同源的电信号，电信号作为单光子探测器的触发信号，可调光衰减器对获取到的光脉冲信号处理后得到单光子光脉冲作为单光子探测器的测试信号；电源拓扑保护电路用于实现单光子探测器中电源模块的持续可靠性工序检测，采样电路采集单光子探测器待检测部位采样值；上位机用于设置测试工序指令、读取测试数据、分析数据以及生成测试报告。方案通过自动化的测试工序对单光子探测器的多个电路结构和元器件进行检测，显著提高其故障检测效率和定位准度。

Description

适用于单光子探测器的故障自检测方法及装置
技术领域
本发明涉及单光子探测器性能测试以及故障诊断技术领域，具体的，涉及适用于单光子探测器的故障自检测方法及装置。
背景技术
单光子探测器是进行弱光探测最灵敏的设备。除了作为量子通信中的核心设备，单光子探测器还在众多领域里有着极为广泛的应用。比如基础量子力学研究、天文学中的星体观测、气象学中的雷达、生命科学中的单分子探测、通信中的光纤检测、计量学中的放射性测量、超光谱成像等。自20世纪诞生以来，量子力学迅速发展，极大地改变了物理学面貌。而信息安全自古以来便得到高度的重视。当前量子通信领域激烈的国际竞争已经演变成关键器件和关键技术研发的竞争，在这些关键器件研发中，单光子探测器是处于核心地位的器件，其参数指标直接制约着量子通信***的性能。
对于单光子探测器，有很多重要的性能指标来判定性能的优劣，如探测效率、暗计数、后脉冲概率、最大计数率、时间分辨率。而单光子探测器的性能又与关键器件的性能息息相关。如公开号为CN106197692B，名称为一种单光子探测器的测试装置及其测试方法的中国专利，公开了一种单光子探测器的测试装置，该装置包括主控电路、窄脉冲光源、上位机，主要通过正符合和反符合的方式对单光子探测器的性能（暗计数、后脉冲、探测效率）进行测试，通过更换不同的单光子探测器可以对不同的单光子探测器的性能进行测试，该装置的重点在于性能测试，并不能对单光子探测器内部的各种电路元器件进行故障诊断和故障定位；又如公开号为CN101387658A的中国专利申请，公开了一种自动测试雪崩光电二极管雪崩电压值的测定电路与方法，通过设计可以精确调制的电压调压电路，通过精确调压对雪崩二极管进行偏压和偏流的测试，获取雪崩二极管的偏置电压，大大提高偏执电压获取的精度和效率；但并未对雪崩二极管的性能参数进行检测，不能判定雪崩二极管是否故障。
现有方案中，当单光子探测器性能下降或出现故障时，需要运维人员根据异常进行故障定位，定位时间及定位结果与运维人员的工作经验息息相关，且大部分情况下仅能根据异常定位初步分析故障原因，不能确认故障根因，更不能对异常数据进行量化和展示。另外为了不影响客户使用，在客户现场会选择更换一台性能好的单光子探测器，将发生故障的单光子探测器进行返厂维修，但在维修过程中故障定位也需要有经验的维修人员进行定位，且维修过程中涉及较多的单光子探测器拆装及检测过程，投入大量的人力，维修周期长，效率低，维修成本高。例如，单光子探测器内的元器件和电路组成复杂，不同的电路需要不同的供电电压以保证其正常工作，因此涉及的电源模块众多，且各个电路组成之间呈树状拓扑连接，其中一个电源模块异常或故障必然对后面的电路测试产生影响。因此，在对单光子探测器内的各个电路结构进行测试和故障定位时面临诸多困难，有必要设计一套无障碍的故障自检测方法及装置，使得单光子探测器维修时检修效率更高故障定位更准确。
发明内容
针对以上问题本发明提出一种适用于单光子探测器一键故障检测的方法及装置，可以提升单光子探测器的故障检测效率和故障定位准度以及探测器故障检测的规范性，降低检测成本及人工成本。
为实现上述技术目的，本发明提供的一种技术方案是，适用于单光子探测器的故障自检测方法，包括如下步骤：
步骤S1、建立皮秒脉冲光源、可调光衰减器、待测的单光子探测器之间的硬件连接，以及建立上位机与待测的单光子探测器的数据连接；
步骤S2、根据上位机预设的测试工序指令，依次获取单光子探测器的各组件的测量数据，对采集的数据进行分析并生成测试报告；
测试工序包括如下子步骤：
步骤S201、上位机设置雪崩光电二极管的最低偏压，供电电压及关键信号幅度检测电路分别检测电源模块的输出电压幅值和死时间控制信号的幅值是否在正常值区间；若是，执行步骤S202；若否，电源拓扑保护电路启动，替换掉故障电源模块后，继续进行后层级电源模块的检测，同时定位故障电源模块的位置并生成对应的故障报告；
步骤S202、上位机获取偏压偏流检测电路采集的偏压控制电路的输出电压值，与预设值进行比较，判定差值是否大于预设误差值；若是，生成对应的故障报告；若否，执行步骤S203；
步骤S203、启动雪崩光电二极管故障检测，偏压偏流检测电路采集雪崩光电二极管的实时测试值，上位机获取根据实时测试值绘制雪崩光电二极管的V-I性能曲线；根据V-I性能曲线中的暗电流曲线、光电流曲线以及响应度特性判定雪崩光电二极管是否有故障；若是，生成对应的故障报告；若否，执行步骤S204；
步骤S204、温度检测电路检测TEC模块的实时温度值，根据上位机设置的目标温度控制TEC模块升温和降温，获取实时温度值与目标值进行比较，判定温度值偏差是否大于预设温差值；若是，则生成对应的故障报告；若否，执行步骤S205；
步骤S205、启动雪崩信号放大电路故障检测，雪崩信号甄别电路根据上位机设置的雪崩信号甄别阈值扫描流程，根据测得的雪崩阈值与参考阈值进行比较，判定放大芯片是否有故障；若是，生成对应的故障报告；若否，检测完成。
本方案中，皮秒脉冲光源、可调光衰减器、待测的单光子探测器以及上位机依次连接完成后，上位机将检测逻辑发送给单光子探测器的逻辑控制器，依次获取采集信息，采集信息包括电源模块的电压幅值、死时间控制信号幅值、偏压控制电路的偏压值、雪崩光电二极管的性能参数、TEC模块的温度值以及雪崩信号放大电路的输出值，分别用于检测和定位各电源模块故障、偏压控制电路故障、雪崩光电二极管的性能损耗或故障、TEC模块或TEC控制电路的温控故障；由于在先检测的元器件或电路结构的故障会影响在后元器件或者电路结构的检测，因此本方案的检测逻辑和故障诊断方法能够对故障准确识别和精准点位，提高了检测和维修效率。
作为优选，步骤S201包括如下步骤：
步骤S2011、根据各个电源模块的电压等级以及电路连接关系构建电源模块的拓扑结构树，每一个电源模块作为拓扑结构树中的子节点，子节点对应设置有备用子节点电路，多个备用子节点电路构成电源拓扑保护电路；
步骤S2012、上位机依次根据层级采集拓扑结构树中子节点输出的实测电压值；计 算实测电压值与理论电压值的电压偏差值
Figure 990096DEST_PATH_IMAGE001
，如果电压偏差值
Figure 305540DEST_PATH_IMAGE001
大于
Figure 795427DEST_PATH_IMAGE002
，则锁定故障子 节点的位置，执行步骤S2013，其中
Figure 122503DEST_PATH_IMAGE002
为允许的电压误差范围；若电源模块无故障，进行下一 层级电源模块检测；
步骤S2013、与该故障子节点对应的备用子节点电路的继电开关动作，使得与该故 障子节点同类型的备用电源模块并联接入故障子节点的电源模块两端，同时故障子节点的 电源模块输出端线路被开路，继续执行步骤S2012；其中备用子节点电路包括有与故障子节 点同类型的备用电源模块以及继电开关；其中，电压偏差值
Figure 406854DEST_PATH_IMAGE003
时，继电开关动作；电压 偏差值
Figure 84960DEST_PATH_IMAGE004
时，继电开关无动作，被测试电源模块的输出端线路保持通路。
本方案中，由于单光子探测器内的元器件和电路组成复杂，不同的电路需要不同的电压以保证其正常工作，其涉及的电源模块众多，且各个电路组成之间呈树状拓扑连接，其中一个电源模块异常或故障必然对后面的电路测试产生影响。因此，为了保证单光子探测器内的各个电路结构的检测的能够顺利进行而设计了上述的电源拓扑保护电路，能够保证各个电源模块供电正常，即使某些电源模块故障，后续的检测工序依然可以顺利进行，同时能够准确定位异常电源模块，便于更换或维修。
步骤 S201还包括如下步骤：
电源模块验证完成并排除故障后，上位机设置死时间，死时间控制电路根据设置的死时间输出脉宽等于死时间的脉冲信号，脉冲信号经过放大芯片放大后得到死时间信号；
上位机获取采集得到的死时间信号，绘制实时死时间信号曲线，如果死时间信号 的高电平电压理论值与实际采集值的偏差大于
Figure 253905DEST_PATH_IMAGE002
，判断相应放大芯片损坏，生成故障报告；
同步的，上位机绘制死时间信号曲线，并进行死时间半高宽计算，若死时间控制信号的半高宽与设置的死时间不一致，则判定死时间控制电路出现故障，生成故障报告。
作为优选，根据暗电流曲线判定雪崩光电二极管是否损坏包括如下步骤：
在无光照的条件下，给雪崩光电二极管加反向电压，电流值稳定为
Figure 701066DEST_PATH_IMAGE005
，获取击穿电 压
Figure 890739DEST_PATH_IMAGE006
并绘制暗电流曲线，在实时绘制的暗电流曲线中，电流
Figure 56141DEST_PATH_IMAGE005
对应的电压值即为
Figure 887831DEST_PATH_IMAGE006
，将 击穿电压
Figure 110871DEST_PATH_IMAGE006
与上位机中预设的雪崩光电二极管实际击穿电压进行比较，若击穿电压的差 值大于元器件固有误差值，表明雪崩光电二极管损坏；生成故障报告；
无光照条件下，上位机采集雪崩光电二极管反向电压为Vb=Vbr-2V，此时暗电流Id，若Id＞2Io，认为可能存在故障，需要根据光电流曲线进一步判定。
作为优选，根据光电流曲线判定雪崩光电二极管是否损坏包括如下步骤：
获得雪崩光电二极管的击穿电压Vbr后，上位机设定偏压值从0- Vbr进行V-I性能扫描测试，获得雪崩光电二极管的光电流曲线；
根据雪崩光电二极管的典型特征值对光电流进行三段式线性拟合，得到每一段的斜率和截距，
在上位机中设置三个阶段中雪崩光电二极管所对应的标准斜率阈值，根据标准斜率阈值比较判定雪崩光电二极管是否损坏；
其中，当根据采集值绘制得到的光电流曲线不能进行三段式线性拟合时，即判定雪崩光电二极管损坏。
本方案中，作为雪崩光电二极管是否故障的第一种判定方法，根据无故障的雪崩光电二极管的性能测试可知，其性能曲线分为三段，上位机根据对光电流曲线进行分段线性拟合，得到每一段的斜率及截距。第1区域斜率接近于0；第2段区域为线性区，其斜率范围可根据实际测得的斜率范围进行设置定义，通过与斜率范围的阈值进行比较判定其性能是否正常；第3区域斜率趋向于无穷大，该斜率阈值是经过摸底测试获得斜率判断阈值。在上位机中设置各阶段斜率阈值，上位机根据斜率判断APD的V-I曲线是否符合APD的特性，若各阶段斜率超过阈值范围或光电流曲线无法按照正常APD进行三段分区（由于损坏的APD的曲线不会出现明显的3个区域的分段），认为APD可能出现击穿问题，判定损坏。
作为优选，根据光电流曲线判定雪崩光电二极管是否损坏还包括如下步骤：
上位机根据批量正常未损坏的雪崩光电二极管典型特征值拟合的标准光电流曲 线，通过对标准光电流曲线进行积分得到其围成的性能曲线面积
Figure 737024DEST_PATH_IMAGE007
；
上位机根据采集值绘制待测试的雪崩光电二极管的光电流曲线，通过对测试的光 电流曲线进行积分得到其围成的性能曲线面积
Figure 265089DEST_PATH_IMAGE008
，即
Figure 900470DEST_PATH_IMAGE009
；
若
Figure 791065DEST_PATH_IMAGE010
，则判定雪崩光电二极管损坏，其中
Figure 853699DEST_PATH_IMAGE011
为雪崩光电二极管允许的最大 性能损失率。
本方案中，作为雪崩光电二极管是否故障的第二种判定方法，由于无故障的雪崩 光电二极管的光电流曲线都呈三段式，根据多组无故障的雪崩光电二极管的曲线进行拟合 得到无故障的雪崩光电二极管的光电流曲线所围成的面积与其性能之间的函数关系，当
Figure 728114DEST_PATH_IMAGE010
表示其性能损失过大，雪崩光电二极管判定故障，其中
Figure 291820DEST_PATH_IMAGE011
为多组性能曲线面积与 性能实测参数之间的一个经验值。
作为优选，根据响应度特性判定雪崩光电二极管是否损坏包括如下步骤：
上位机设定雪崩光电二极管获取连续光的平均功率w；
根据光电流曲线获取反向电压Vb对应的电流Id；
计算雪崩光电二极管的响应度Re=Id / w；
若响应度Re>Re0，判定雪崩光电二极管性能正常；否则，判定雪崩光电二极管损坏；其中Re0为雪崩光电二极管性能正常时的响应度标准参数。
本方案中，作为雪崩光电二极管是否故障的第三种判定方法，由于雪崩光电二极管具备对单光子高度的灵敏性，其性能的好坏直接决定了单光子探测器的探测效率和精准度；因此，需要设计多种判定其性能好坏的方法进行全方位的诊断。
适用于单光子探测器的故障自检测装置，包括有皮秒脉冲光源、可调光衰减器、采样电路、电源拓扑保护电路以及上位机；所述皮秒脉冲光源产生光脉冲信号以及与光脉冲信号同源的电信号，所述电信号作为单光子探测器的触发信号，可调光衰减器对获取到的光脉冲信号处理后得到单光子光脉冲，将该单光子光脉冲作为单光子探测器的测试信号；所述电源拓扑保护电路用于实现单光子探测器中电源模块的持续可靠性工序检测，所述采样电路采集单光子探测器待检测部位的采样值；所述上位机用于设置测试工序指令、读取测试数据、分析数据以及生成测试报告，上位机与单光子探测器通讯连接。
本方案中，采样电路和电源拓扑保护电路可以作为单光子探测器的内部电路结构，与单光子探测器内的FPGA控制器连接实现信号的采集，也可以作为独立的外部电路器件，与FPGA控制器的扩展接口连接，维修时实现其控制和采集功能；其中，FPGA控制器和各待检测电路结构或模块均留置有信号采集或者控制接口，便于***电路的拓展和控制，方便后续单光子探测器的维护和维修。
作为优选，所述采样电路包括有偏压偏流检测电路、雪崩信号甄别电路、温度检测电路、供电电压及关键信号幅度检测电路，所述单光子探测器包括有FPGA控制器、偏压控制电路、雪崩信号放大电路、雪崩光电二极管、死时间控制电路、TEC控制电路、USB接口电路以及门控及触发输入甄别电路；
所述偏压偏流检测电路与FPGA控制器连接，用于检测偏压及雪崩光电二极管的偏流值；
所述雪崩信号甄别电路与FPGA控制器连接，用于对放大后的雪崩信号进行甄别以及单稳输出；
所述温度检测电路与FPGA控制器连接，用于监测TEC模块实时温度；
所述供电电压及关键信号幅度检测电路与FPGA控制器连接，用于检测各电源模块的输出电压及关键信号的幅值，关键信号幅度包括死时间控制信号幅值；
所述偏压控制电路与FPGA控制器连接，为雪崩光电二极管提供反向偏置电压；
雪崩信号放大电路对微弱的雪崩信号进行放大后输入至雪崩信号甄别电路进行雪崩信号甄别；
所述死时间控制电路用于对FPGA控制电路输出的死时间信号进行放大后输入至雪崩光电二极管阳极，控制雪崩光电二极管工作状态；
TEC控制电路与FPGA控制器连接，用于控制TEC模块制冷功率，使得雪崩光电二极管制冷温度达到设定目标值；所述门控及触发输入甄别电路，用于对外部输入门控信号、触发信号进行甄别后分别输入FPGA控制器实现雪崩光电二极管工作状态控制和TDC Start触发；
所述FPGA控制器，为单光子探测器实现各项模数字逻辑控制功能；
USB接口电路通过USB接口协议在FPGA控制器与上位机之间实现数据传输。
作为优选，电源拓扑保护电路包括有与单光子探测器电源模块个数匹配的备用子节点电路，所述备用子节点电路包括有与对应匹配的电源模块同类型的备用电源模块及与继电开关，继电开关分别与电源模块和备用电源模块的电压输出端串联；电源模块故障时，继电开关动作使得备用电源模块并联接入故障电源模块两端，同时故障电源模块输出端线路被开路。
本发明的有益效果：
1、本发明适用于单光子探测器一键故障检测的方法及装置，通过上位机设置检测逻辑，分别依次获取电源模块的电压幅值、死时间控制信号幅值、偏压控制电路的偏压值、雪崩光电二极管的性能参数、TEC模块的温度值以及雪崩信号放大电路的输出值，分别用于检测和定位各电源模块故障、偏压控制电路故障、雪崩光电二极管的性能损耗或故障、TEC模块或TEC控制电路的温控故障；对单光子探测器进行关键部位的自动检测，提高检测效率；
2、设计的电源拓扑保护电路能够保证各个电源模块供电正常，即使某些电源模块故障，后续的检测工序依然可以顺利进行，同时能够准确定位异常电源模块，便于更换或维修；
3、由于雪崩光电二极管具备对单光子高度的灵敏性，其性能的好坏直接决定了单光子探测器的探测效率和精准度，设计三种检测方法对雪崩光电二极管的性能进行全面分析和故障判定，提高其故障识别准确度。
4、本发明的技术方案可向其他光电探测领域应用，促进关联产业发展。
附图说明
图1为本发明一种单光子探测器一键故障检测的方法的简化流程图。
图2为本发明电源模块的拓扑结构树结构示意图。
图3为本发明电源拓扑保护电路与拓扑结构树中的子节点电路连接示意图。
图4为本发明死时间信号幅值显示图。
图5为本发明雪崩光电二极管的V-I性能曲线。
图6为本发明一种单光子探测器一键故障检测的结构示意图。
图中标记说明：1-皮秒脉冲光源、2-可调光衰减器、31-FPGA控制器、32-雪崩光电二极管、33-死时间控制电路、34-雪崩信号放大电路、35-偏压控制电路、36-TEC控制电路、361-TEC模块、37-USB接口电路、38-门控及触发输入甄别电路、51-偏压偏流检测电路、52-雪崩信号甄别电路、53-温度检测电路、54-供电电压及关键信号幅度检测电路、D-电源拓扑保护电路、P-电源模块拓扑结构树。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅是本发明的一种最佳实施例，仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：如图6所示，适用于单光子探测器的故障自检测装置的结构示意图，故障自检测装置由皮秒脉冲光源1、可调光衰减器2、采样电路、电源拓扑保护电路D以及上位机组成；所述皮秒脉冲光源产生光脉冲信号以及与光脉冲同源的电信号，所述电信号作为单光子探测器的触发信号，可调光衰减器对获取到的光脉冲信号处理后得到单光子光脉冲作为单光子探测器的测试信号；皮秒脉冲光源一方面可产生脉宽为皮秒量级的光脉冲信号，另外可输出一路与光脉冲信号同源的电信号触发信号连接被测探测器，作为探测器的输入信号。可调光衰减器对接收到的光脉冲进行衰减，输出稳定单光子脉冲光信号，再通过光纤连接到待测探测器。电源拓扑保护电路用于实现单光子探测器中电源模块的持续可靠性工序检测，采样电路采集单光子探测器待检测部位采样值；上位机用于设置测试工序指令，读取测试数据、分析数据以及生成测试报告，与单光子探测器通讯连接。
采样电路由偏压偏流检测电路51、雪崩信号甄别电路52、温度检测电路53、供电电压及关键信号幅度检测电路54组成，单光子探测器包括有FPGA控制器31、偏压控制电路35、雪崩信号放大电路34、雪崩光电二极管32、死时间控制电路33、TEC控制电路36、USB接口电路37以及门控及触发输入甄别电路38；偏压偏流检测电路用于检测偏压及雪崩光电二极管的偏流值；与FPGA控制控制器连接；雪崩信号甄别电路用于对放大后的雪崩信号进行甄别以及单稳输出；与FPGA控制器连接；温度检测电路用于监测TEC模块361实时温度；与FPGA控制器连接；供电电压及关键信号幅度检测电路，用于检测各电源模块的输出电压及关键信号的幅值，关键信号幅度包括死时间控制信号幅值；FPGA控制器连接；偏压控制电路为雪崩光电二极管提供反向偏置电压；与FPGA控制电路连接；雪崩信号放大电路对微弱的雪崩信号进行放大后输入至雪崩信号甄别电路进行雪崩信号甄别；死时间控制电路用于对FPGA控制电路输出的死时间信号进行放大后输入至雪崩光电二极管阳极，控制雪崩光电二极管工作状态；TEC控制电路用于控制TEC模块制冷功率，使得雪崩光电二极管制冷温度达到设定目标值；FPGA控制器连接；门控及触发输入甄别电路，用于对外部输入门控信号、触发信号进行甄别后分别输入FPGA控制器实现雪崩光电二极管工作状态控制和TDC Start触发；FPGA控制器，为单光子探测器实现各项模数字逻辑控制功能；USB接口电路通过USB接口协议在FPGA控制器与上位机之间实现数据传输。
根据各个电源模块的电压等级以及电路连接关系构建电源模块拓扑结构树P，每一个电源模块作为拓扑结构树中的子节点，子节点对应设置有备用子节点电路，多个备用子节点电路构成电源拓扑保护电路；电源拓扑保护电路包括有与单光子探测器电源模块个数匹配的备用子节点电路，备用子节点电路包括有与对应电源模块同类型的备用电源模块及与继电开关，其中继电开关为受FPGA控制器单独控制的单刀双掷继电开关，继电开关分别与电源模块和备用芯片的电压输出端串联；电源模块故障时，继电开关动作使得备用电源模块并联接入故障电源模块两端，同时故障电源模块输出端线路被开路。
本实施例中，采样电路和电源拓扑保护电路可以作为单光子探测器的内部电路结构，与单光子探测器内的FPGA控制器连接实现信号的采集，也可以作为独立的外部电路器件，与FPGA控制器的扩展接口连接，维修时实现其控制和采集功能；其中，FPGA控制器和各待检测电路结构或模块均留置有信号采集或者控制接口，便于***电路的拓展和控制，方便后续单光子探测器的维护和维修。
如图1所示，适用于单光子探测器的故障自检测方法，包括如下步骤：
步骤S1、建立皮秒脉冲光源、可调光衰减器、待测的单光子探测器之间的硬件连接；建立上位机与待测的单光子探测器的数据连接。
步骤S2、根据上位机预设的测试工序指令依次获取单光子探测器的各组件的测量数据，对采集的数据进行分析并生成测试报告；
测试工序包括如下子步骤：
步骤S201、上位机设置雪崩光电二极管最低偏压，供电电压及关键信号幅度检测电路分别检测电源模块输出电压幅值和死时间控制信号幅值是否在正常值区间，若是，执行S202；若否，电源拓扑保护电路启动替换掉故障电源模块后继续进行后层级电源模块的检测，生成对应的故障报告；
步骤S202、上位机获取偏压偏流检测电路采集的偏压控制电路的输出电压值，与预设值进行对比较，判定差值是否大于预设误差值；若是，生成对应的故障报告；若否，执行S203；
步骤S203、启动雪崩光电二极管故障检测，上位机获取根据偏压偏流检测电路采集的雪崩光电二极管的实时测试值绘制雪崩光电二极管的V-I性能曲线；如图5所示，根据V-I性能曲线中的暗电流曲线、光电流曲线以及响应度特性判定雪崩光电二极管是否故障；若是，生成对应的故障报告；若否，执行S204；
步骤S204、温度检测电路检测TEC模块的实时温度值，根据上位机设置的目标温度控制TEC模块升温和降温，获取实际温度值与目标值进行比较，判定温度值偏差是否大于预设温差值，若是，则生成对应的故障报告；若否，执行步骤S205；
步骤S205、启动雪崩信号放大电路故障检测，雪崩信号甄别电路根据上位机设置雪崩信号甄别阈值扫描流程，根据测得雪崩阈值与参考阈值进行比较判定放大芯片是否有故障；生成对应的故障报告，检测完成。
本实施例中，由于单光子探测器内的元器件和电路组成复杂，不同的电路需要不同的电压以保证其正常工作，其涉及的电源模块众多，且各个电路组成之间呈树状拓扑连接，其中一个电源模块异常或故障必然对后面的电路测试产生影响。因此，为了保证单光子探测器内的各个电路结构的检测的能够顺利进行而设计了上述的电源拓扑保护电路，能够保证各个电源模块供电正常，即使某些电源模块故障，后续的检测工序依然可以顺利进行，同时能够准确定位异常电源模块，便于更换或维修。
步骤S201包括如下步骤：
步骤S2011、根据各个电源模块的电压等级以及电路连接关系构建电源模块的拓扑结构树，每一个电源模块作为拓扑结构树中的子节点，子节点对应设置有备用子节点电路，多个备用子节点电路构成电源拓扑保护电路；
步骤S2012、上位机依次根据层级采集拓扑结构树中电源模块节点输出的实测电 压值；实测电压值与理论电压值的电压偏差值
Figure 568080DEST_PATH_IMAGE001
如果大于
Figure 536036DEST_PATH_IMAGE002
，则锁定电源模块的故障位 置，执行步骤S2013，其中α为允许的电压误差范围；若电源模块无故障，进行下一层级电源 模块检测；
步骤S2013、与该故障子节点对应的备用子节点电路的继电开关动作使得与该子 节点同类型的备用电源模块并联接入故障子节点的电源模块两端，同时故障电源模块输出 端线路被开路，继续执行步骤S2012；其中备用子节点电路包括有与该子节点同类型的备用 电源模块以及继电开关，其中，电压偏差值
Figure 897747DEST_PATH_IMAGE003
,继电开关动作；电压偏差值
Figure 874931DEST_PATH_IMAGE004
，继 电开关无动作，继电开关无动作时，保证被测试电源模块输出端线路通路。
本实施例中，由于单光子探测器内的元器件和电路组成复杂，不同的电路需要不同的电压以保证其正常工作，因此涉及的电源模块众多，且各个电路组成之间呈树状拓扑连接，其中一个电源模块异常或故障必然对后面的电路测试产生影响，因此，为了保证单光子探测器内的各个电路结构的检测的能够顺利进行，因此设计的电源拓扑保护电路能够保证各个电源模块供电正常，即使某些电源模块故障，后续的检测工序依然可以顺利进行，同时能够准确定位异常电源模块，便于更换或维修。
适用于电源模块拓扑结构树的具体实施例如下：
如图2所示为电源模块拓扑结构树，其中，具备十一个电源模块，分别记为P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9、P10以及P11；其中，电源模块P1、P2、P3、P4并联，P5、P6、P7、P8并联，P8、P9、P10串联，P3和P9串联，常规检测方式是：依次检测P1-P11，电源模块的输出端设置有电位采集端口B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9、B10、B11，供电电压及关键信号幅度检测电路分别采集点位采集端口的电压发送至FPGA控制器进行解算，判定电源模块是否异常，若电源模块损坏，则停止后续的检测，需对当下故障进行维修完成后，才能够进行后续电路模块的检测，严重降低了维修效率。如电源模块P2故障，与P2同线路上的电源模块的检测就会被暂停。如图3所示，为本发明提出的一种电源拓扑保护电路在电源模块检测工序上的应用，在每一个电源模块的输出端线路上都设置可以被FPGA控制器控制的单刀双掷继电开关，记为：K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8、K9、K10以及K11；单刀双掷继电开关的控制端分别为：A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10以及A11；单刀双掷继电开关的控制端分别单独受FPGA控制器的对应控制引脚控制；备用电源模块与单刀双掷继电开关连接使得开关动作后，备用电源模块与电源模块并联，电源模块的输出端断开，使得备用电源模块替换故障电源模块的功能，便于对后续的电源模块进行可靠性检测；备用电源模块记为：D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10以及D11。本方案具体应用时：供电电压及关键信号幅度检测电路分别采集点位采集端口的电压发送至FPGA控制器进行解算，若FPGA控制器测得电源模块电压异常（比如电源模块P2故障），则测试停止，记录电源模块测试的故障位置；其他电路测试断电操作，FPGA控制器控制单刀双掷继电开关K2动作，使得电源模块P2的输出端开路，备用电源模块D2接入为后续的电源模块测试提供正常工作电压，其他电源模块的测试和备用电源模块的接入遵循以上规则。
步骤S201还包括如下步骤：
电源模块检测完成并排除故障后，上位机设置死时间，死时间控制电路根据设置的死时间输出脉宽等于死时间的脉冲信号，脉冲信号经过放大芯片放大后得到死时间信号；
上位机获取采集得到的死时间信号，绘制实时死时间信号曲线，如果死时间信号的高电平电压理论值与实际采集值的偏差大于α，判断相应放大芯片损坏，生成故障报告；
同步的，上位机绘制死时间信号曲线，并进行死时间半高宽计算，若死时间控制信号的半高宽与设置的死时间不一致，则判定死时间控制电路出现故障；生成故障报告。
具体的实施如下：电源芯片验证完成后，检测死时间控制信号。死时间信号图4所示，死时间控制信号产生过程为如下：上位机设置死时间，FPGA根据设置的死时间输出“脉宽=死时间”的脉冲信号，高电平为3.3V，再经过放大芯片得到最终的死时间控制信号，最终输出高电平为6V；经过电阻分压及ADC芯片采集通过ADC芯片对死时间信号幅度进行采集，上位机软件绘制实时死时间信号曲线，通过判断死时间信号的高电平电压与采集值相差是否＞10%，判断相应的死时间信号的放大芯片是否损坏；调节死时间，上位机绘制死时间信号曲线，并进行半死时间半高宽计算即（T2-T1），通过判断死时间控制信号的半高宽与设置的死时间是否一致，判断死时间控制电路对于死时间功能控制是否有效；进一步的，死时间的半高宽计算流程为上位机扫描死时间信号的幅值，扫描绘制死时间信号的幅值曲线，横坐标为时间，纵坐标为死时间幅值，取死时间信号最大幅值的一半的两个时间位置差作为死时间信号的半高宽。
根据暗电流曲线判定雪崩光电二极管是否损坏包括如下步骤：
首先暗电流测试流程，上位机下发0-75V电压，探测器通过偏流采集电路上报偏流实时测试值，并同步绘制APD（雪崩光电二极管）的V-I曲线，测试暗电流时关闭光信号输入，测试光电流时开启光信号输入；
在无光照的条件下，给雪崩光电二极管加反向电压，电流值稳定为Io，获取击穿电压Vbr并绘制暗电流曲线，在实时绘制的暗电流曲线中（如图5中的虚线部分），电流Io对应的电压值即为Vbr，与上位机中预设的雪崩光电二极管实际击穿电压进行比较，若计算的差值大于元器件固有误差值，表明雪崩光电二极管损坏；生成故障报告；
无光照条件下，上位机采集雪崩光电二极管反向电压为Vb=Vbr-2V，此时暗电流Id，若Id＞2Io，认为可能存在故障，需要根据光电流曲线进一步判定；该方法作为雪崩光电二极管是否故障的一个预判依据；不能作为雪崩光电二极管是否故障的最终判定依据。
根据光电流曲线判定雪崩光电二极管是否损坏包括如下步骤：
获得雪崩光电二极管的击穿电压Vbr后，上位机设定偏压值从0-Vbr进行V-I性能扫描测试，获得雪崩光电二极管的光电流曲线（如图5中的实线部分）；
根据雪崩光电二极管的典型特征值对光电流进行三段式线性拟合，得到每一段的斜率和截距，
在上位机中设置三个阶段雪崩光电二极管所对应的标准斜率阈值，根据斜率阈值比较判定雪崩光电二极管是否损坏；
其中，当根据采集值绘制得到的光电流曲线不能进行三段式线性拟合时，即判定雪崩光电二极管损坏。
本实施例中，作为雪崩光电二极管是否故障的第一种判定方法，根据无故障的雪崩光电二极管的性能测试可知，其性能曲线分为三段，上位机根据对光电流曲线进行分段线性拟合，得到每一段的斜率及截距。第1区域斜率接近于0；第2段区域为线性区，其斜率范围可根据实际测得的斜率范围进行设置定义，通过与斜率范围的阈值进行比较判定其性能是否正常；第3区域斜率趋向于无穷大，该斜率阈值是经过摸底测试获得斜率判断阈值。在上位机中设置各阶段斜率阈值，上位机根据斜率判断APD的V-I曲线是否符合APD的特性，若各阶段斜率超过阈值范围或光电流曲线无法按照正常APD进行三段分区（由于损坏的APD的曲线不会出现明显的3个区域的分段），认为APD可能出现击穿问题，判定损坏。
根据光电流曲线判定雪崩光电二极管是否损坏还包括如下步骤：
上位机根据批量正常未损坏的雪崩光电二极管典型特征值拟合的标准光电流曲 线，通过对标准光电流曲线进行积分得到其围成的性能曲线面积
Figure 881064DEST_PATH_IMAGE007
；
上位机根据采集值绘制待测试的雪崩光电二极管的光电流曲线，通过对测试的光 电流曲线进行积分得到其围成的性能曲线面积，即
Figure 19921DEST_PATH_IMAGE009
；
若
Figure 868928DEST_PATH_IMAGE010
，则判定雪崩光电二极管损坏，其中
Figure 384223DEST_PATH_IMAGE011
为雪崩光电二极管允许的最大 性能损失率。
本实施例中，作为雪崩光电二极管是否故障的第二种判定方法，由于无故障的雪 崩光电二极管的光电流曲线都呈三段式，根据多组无故障的雪崩光电二极管的曲线进行拟 合得到无故障的雪崩光电二极管的光电流曲线所围成的面积与其性能之间的函数关系，当
Figure 635076DEST_PATH_IMAGE010
表示其性能损失过大，雪崩光电二极管判定故障，其中
Figure 944835DEST_PATH_IMAGE011
为多组性能曲线面积与 性能实测参数之间的一个经验值。
根据响应度特性判定雪崩光电二极管是否损坏包括如下步骤：
上位机设定雪崩光电二极管获取连续光的平均功率w；
根据光电流曲线获取反向电压Vb对应的电流Id；
计算雪崩光电二极管的响应度Re=Id / w；
若响应度Re>Re0，判定雪崩光电二极管性能正常；否则，判定雪崩光电二极管损坏；其中Re0为雪崩光电二极管性能正常时的响应度标准参数。
本实施例中，作为雪崩光电二极管是否故障的第三种判定方法，由于雪崩光电二极管具备对单光子高度的灵敏性，其性能的好坏直接决定了单光子探测器的探测效率和精准度；因此，需要设计多种判定其性能好坏的方法进行全方位的诊断。
以上所述之具体实施方式为本发明适用于单光子探测器的故障自检测方法及装置的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本发明之形状、结构所作的等效变化均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.适用于单光子探测器的故障自检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、建立皮秒脉冲光源、可调光衰减器、待测的单光子探测器之间的硬件连接；建立上位机与待测的单光子探测器的数据连接；
步骤S2、根据上位机预设的测试工序指令依次获取单光子探测器的各组件的测量数据，对采集的数据进行分析并生成测试报告；
测试工序包括如下子步骤：
步骤S201、上位机设置雪崩光电二极管最低偏压，供电电压及关键信号幅度检测电路分别检测电源模块输出电压幅值和死时间控制信号幅值是否在正常值区间，若是，执行步骤S202；若否，电源拓扑保护电路启动替换掉故障电源模块后继续进行后层级电源模块的检测，定位故障电源模块的位置，生成对应的故障报告；
步骤S202、上位机获取偏压偏流检测电路采集的偏压控制电路的输出电压值，与预设值进行对比较，判定差值是否大于预设误差值；若是，生成对应的故障报告；若否，执行步骤S203；
步骤S203、启动雪崩光电二极管故障检测，上位机获取根据偏压偏流检测电路采集的雪崩光电二极管的实时测试值绘制雪崩光电二极管的V-I性能曲线；根据V-I性能曲线中的暗电流曲线、光电流曲线以及响应度特性判定雪崩光电二极管是否故障；若是，生成对应的故障报告；若否，执行步骤S204；
步骤S204、温度检测电路检测TEC模块的实时温度值，根据上位机设置的目标温度控制TEC模块升温和降温，获取实际温度值与目标值进行比较，判定温度值偏差是否大于预设温差值，若是，则生成对应的故障报告；若否，执行步骤S205；
步骤S205、启动雪崩信号放大电路故障检测，雪崩信号甄别电路根据上位机设置雪崩信号甄别阈值扫描流程，根据测得雪崩阈值与参考阈值进行比较判定放大芯片是否有故障；生成对应的故障报告，检测完成。
2.根据权利要求1所述的适用于单光子探测器的故障自检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S201包括如下步骤：
步骤S2011、根据各个电源模块的电压等级以及电路连接关系构建电源模块拓扑结构树，每一个电源模块作为拓扑结构树中的子节点，子节点对应设置有备用子节点电路，多个备用子节点电路构成电源拓扑保护电路；
步骤S2012、上位机依次根据层级采集拓扑结构树中电源模块节点输出的实测电压值；实测电压值与理论电压值的电压偏差值
Figure 116482DEST_PATH_IMAGE002
如果大于α，则锁定电源模块的故障位置，执行步骤S2013，其中α为允许的电压误差范围；若电源模块无故障，进行下一层级电源模块检测；
步骤S2013、与该故障子节点对应的备用子节点电路的继电开关动作使得与该子节点同类型的备用电源模块并联接入故障子节点的电源模块两端，同时故障电源模块输出端线路被开路，继续执行步骤S2012；其中备用子节点电路包括有与该子节点同类型的备用电源模块以及继电开关，其中，电压偏差值
Figure 705726DEST_PATH_IMAGE002
>α,继电开关动作；电压偏差值
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，继电开关无动作，继电开关无动作时，保证被测试电源模块输出端线路通路。
3.根据权利要求1或2所述的适用于单光子探测器的故障自检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S201还包括如下步骤：
电源模块验证完成并排除故障后，上位机设置死时间，死时间控制电路根据设置的死时间输出脉宽等于死时间的脉冲信号，脉冲信号经过放大芯片放大后得到死时间信号；
上位机获取采集得到的死时间信号，绘制实时死时间信号曲线，如果死时间信号的高电平电压理论值与实际采集值的偏差大于α，判断相应放大芯片损坏，生成故障报告；
同步的，上位机绘制死时间信号曲线，并进行死时间半高宽计算，若死时间控制信号的半高宽与设置的死时间不一致，则判定死时间控制电路出现故障；生成故障报告。
4.根据权利要求1所述的适用于单光子探测器的故障自检测方法，其特征在于，
根据暗电流曲线判定雪崩光电二极管是否损坏包括如下步骤：
在无光照的条件下，给雪崩光电二极管加反向电压，电流值稳定为Io，获取击穿电压Vbr并绘制暗电流曲线，在实时绘制的暗电流曲线中，电流Io对应的电压值即为Vbr，与上位机中预设的雪崩光电二极管实际击穿电压进行比较，若计算的差值大于元器件固有误差值，表明雪崩光电二极管损坏；生成故障报告；
无光照条件下，上位机采集雪崩光电二极管反向电压为Vb=Vbr-2V，此时暗电流Id，若Id＞2Io，认为可能存在故障，需要根据光电流曲线进一步判定。
5.根据权利要求4所述的适用于单光子探测器的故障自检测方法，其特征在于，
根据光电流曲线判定雪崩光电二极管是否损坏包括如下步骤：
获得雪崩光电二极管的击穿电压Vbr后，上位机设定偏压值从0-Vbr进行V-I性能扫描测试，获得雪崩光电二极管的光电流曲线；
根据雪崩光电二极管的典型特征值对光电流进行三段式线性拟合，得到每一段的斜率和截距，
在上位机中设置三个阶段雪崩光电二极管所对应的标准斜率阈值，根据斜率阈值比较判定雪崩光电二极管是否损坏；
其中，当根据采集值绘制得到的光电流曲线不能进行三段式线性拟合时，即判定雪崩光电二极管损坏。
6.根据权利要求4或5所述的适用于单光子探测器的故障自检测方法，其特征在于，
根据光电流曲线判定雪崩光电二极管是否损坏还包括如下步骤：
上位机根据批量正常未损坏的雪崩光电二极管典型特征值拟合的标准光电流曲线，通过对标准光电流曲线进行积分得到其围成的性能曲线面积
Figure 157567DEST_PATH_IMAGE006
；
上位机根据采集值绘制待测试的雪崩光电二极管的光电流曲线，通过对测试的光电流曲线进行积分得到其围成的性能曲线面积
Figure 490460DEST_PATH_IMAGE008
，即
Figure 245445DEST_PATH_IMAGE010
；
若
Figure 740011DEST_PATH_IMAGE012
，则判定雪崩光电二极管损坏，其中
Figure 944727DEST_PATH_IMAGE014
为雪崩光电二极管的性能最大损失率。
7.根据权利要求4或5所述的适用于单光子探测器的故障自检测方法，其特征在于，
根据响应度特性判定雪崩光电二极管是否损坏包括如下步骤：
上位机设定雪崩光电二极管获取连续光的平均功率w；
根据光电流曲线获取反向电压Vb对应的电流Id；
计算雪崩光电二极管的响应度Re=Id / w；
若相应度Re>Re0，判定雪崩光电二极管性能正常；否则，判定雪崩光电二极管损坏；其中Re0为雪崩光电二极管性能正常时的响应度标准参数。
8.适用于如权利要求1-7任意一项所述的单光子探测器的故障自检测方法的故障自检测装置，其特征在于，包括有：皮秒脉冲光源、可调光衰减器、采样电路、电源拓扑保护电路以及上位机；所述皮秒脉冲光源产生光脉冲信号以及与光脉冲同源的电信号，所述电信号作为单光子探测器的触发信号，可调光衰减器对获取到的光脉冲信号处理后得到单光子光脉冲作为单光子探测器的测试信号；所述电源拓扑保护电路用于实现单光子探测器中电源模块的持续可靠性工序检测，所述采样电路采集单光子探测器待检测部位采样值；所述上位机用于设置测试工序指令、读取测试数据、分析数据以及生成测试报告，与单光子探测器通讯连接。
9.根据权利要求8所述的适用于单光子探测器的故障自检测装置，其特征在于，
所述采样电路包括有偏压偏流检测电路、雪崩信号甄别电路、温度检测电路、供电电压及关键信号幅度检测电路，所述单光子探测器包括有FPGA控制器、偏压控制电路、雪崩信号放大电路、雪崩光电二极管、死时间控制电路、TEC控制电路、USB接口电路以及门控及触发输入甄别电路；
所述偏压偏流检测电路用于检测偏压及雪崩光电二极管的偏流值；与FPGA控制控制器连接；
所述雪崩信号甄别电路用于对放大后的雪崩信号进行甄别以及单稳输出；与FPGA控制器连接；
所述温度检测电路用于监测TEC模块实时温度；与FPGA控制器连接；
所述供电电压及关键信号幅度检测电路，用于检测各电源模块的输出电压及关键信号的幅值，关键信号幅度包括死时间控制信号幅值；FPGA控制器连接；
所述偏压控制电路为雪崩光电二极管提供反向偏置电压；与FPGA控制电路连接；
雪崩信号放大电路对微弱的雪崩信号进行放大后输入至雪崩信号甄别电路进行雪崩信号甄别；
所述死时间控制电路用于对FPGA控制电路输出的死时间信号进行放大后输入至雪崩光电二极管阳极，控制雪崩光电二极管工作状态；
TEC控制电路用于控制TEC模块制冷功率，使得雪崩光电二极管制冷温度达到设定目标值；FPGA控制器连接；
所述门控及触发输入甄别电路，用于对外部输入门控信号、触发信号进行甄别后分别输入FPGA控制器实现雪崩光电二极管工作状态控制和TDC Start触发；
所述FPGA控制器，为单光子探测器实现各项模数字逻辑控制功能；
USB接口电路通过USB接口协议在FPGA控制器与上位机之间实现数据传输。
10.根据权利要求8或9所述的适用于单光子探测器的故障自检测装置，其特征在于，电源拓扑保护电路包括有与单光子探测器电源模块个数匹配的备用子节点电路，所述备用子节点电路包括有与对应电源模块同类型的备用电源模块及与继电开关，继电开关分别与电源模块和备用芯片的电压输出端串联；电源模块故障时，继电开关动作使得备用电源模块并联接入故障电源模块两端，同时故障电源模块输出端线路被开路。
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