[发明专利]SPAD自由运行模式下探测信号的修正方法及设备

说明书

本发明公开一种SPAD自由运行模式下探测数据的修正方法及设备，属于单光子探测领域，方法包括：步骤1，预先标定后脉冲概率曲线和探测效率修正曲线，SPAD探测器接收原始累积信号；步骤2，计算实际后脉冲概率；步骤3，利用步2的结果结合原始累积信号对后脉冲进行修正；步骤4，根据原始累积信号计算死时间补偿概率，结合步3的结果进行死时间修正；步骤5，结合步1的探测效率修正曲线对步4的结果进行修正，得出SPAD探测器经后脉冲、死时间和探测效率修正后光子数数据。该方法能抑制自由运行模式下的后脉冲效应，修正由死时间和探测效率非线性响应带来的影响。使SPAD探测器探测信号更精准，提高精度，扩大使用范围。

技术领域

本发明涉及单光子探测领域，尤其涉及一种对SPAD自由运行模式下探测信号的死时间、后脉冲和探测效率的修正方法。

背景技术

单光子探测技术是对光子进行精密测量的技术。由于单个光子的能量非常小，仅10^-19焦耳量级，因而要求单光子探测器件具有极高的增益和极低的噪声。常用的单光子探测器有光电倍增管（PMT）、超导纳米线单光子探测器（SNSPD）、量子场效应管、基于半导体的雪崩光电二极管和基于上转换技术的上转换单光子探测器。

基于半导体的雪崩光电二极管的探测效率和响应波段与所使用的材料有关。现在单光子探测中普遍使用的有基于硅的SiAPD和基于铟镓砷的InGaAs/InP SPD，因为都是使用具有单光子探测能力的光电探测雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode)，因而可称为SPAD探测器。上转换单光子探测器也是通过使用上转换技术将不方便进行探测的近红外光转换为可见光，利用可见光波段探测性能好的SiAPD进行探测，实现近红外光的探测。

SiAPD和InGaAs/InP SPD可以工作在门控和自由运行两种模式。门控模式下，SPAD只能在短时间内将偏置电压设置在击穿电压以上。这段时间（持续时间）称为门，探测器只在门打开期间进行计数。如果门未打开或处于死区时，则不会探测到光子，不进行计数。门控模式用于光子到达时间已知的应用。自由运行模式下，SPAD的偏置电压一般高于击穿电压，SPAD处于探测状态。只有在探测到光子、产生暗计数或者后脉冲时，发生雪崩，偏置电压才会在很短的时间内降到击穿电压以下，这段时间称为死区时间，用于淬灭雪崩。死区时间内，SPAD无法进行探测计数，在所有其他时间，偏置电压高于击穿电压，SPAD处于探测计数状态。自由运行模式对于光子到达时间未知的应用非常方便。

在激光雷达大气遥感领域，SPAD常用于激光雷达系统的接收端，用于接收来自大气的微弱后向散射信号，通过一定时间的累积，可以恢复后向散射信号。由于后向散射信号的光子到达时间不可预测，因此，使用SPAD进行探测时，一般工作在自由运行模式下。

SPAD的雪崩发生时，部分雪崩载流子会被雪崩倍增区中由于材料缺陷产生的陷阱能级所俘获，在该次雪崩结束后的一段时间有一定概率被释放出来，若此时探测器处于正常的探测状态，则会引发一个新的雪崩脉冲，即后脉冲。雪崩发生后，偏置电压才会在很短的时间内降到击穿电压以下，用于淬灭雪崩，在该时间段内，探测器无法进行探测计数，这段时间称为死区时间。后脉冲会引起误计数，从而使探测光子数信号失真。死时间则是在实际的激光雷达信号应用中，当接收的信号过强时，死时间的存在会导致接收光子数下降，使探测信号偏离真实信号。实际的SiPAD和上转换探测器可以通过一些方式降低后脉冲发生概率，自由运行模式下，现有的探测器能控制在1%以内。InGaAs/InP SPD的后脉冲概率较高，在平衡死时间和后脉冲概率的情况下，一般在10%左右。对于死时间，其影响强弱取决于接收光子信号的强弱，当接收信号较弱时，远小于探测器的饱和计数率时，则死时间的影响可忽略不计，当接收信号较强时，死时间的影响甚至会导致信号完全失真。因此，实际应用中需要对死时间和后脉冲进行修正。对于SPAD探测器，由于其探测效率随入射光强的强弱而变化，还需要进行探测效率的修正。