基于改進(jìn)高速單光子探測(cè)器的復(fù)合跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐樂鳳，孫 彬，徐魯波，黃 勁，王和欣

(泰山科學(xué)技術(shù)研究院，山東 泰安 271000)

0 引言

單光子探測(cè)器作為復(fù)合跟蹤控制系統(tǒng)的重要核心部分，其性能參數(shù)直接影響系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性[1]。單光子探測(cè)器作為系統(tǒng)信道接收端探測(cè)的重要核心器件，可以穩(wěn)定工作于各種環(huán)境。半導(dǎo)體單光子探測(cè)器因其體積小、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)用化復(fù)合跟蹤控制技術(shù)中占有重要地位[2-3]。所以，設(shè)計(jì)出高集成度、高性能半導(dǎo)體單光子探測(cè)器非常重要。

針對(duì)這一問題，目前國內(nèi)外已有大量的研究開發(fā)項(xiàng)目，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到日常跟蹤探測(cè)項(xiàng)目之中。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了火星探測(cè)器進(jìn)入段姿態(tài)容錯(cuò)控制算法。該算法可以保證探測(cè)器姿態(tài)的穩(wěn)定性，且具有較高的姿態(tài)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(xiàn)[5]基于滑?？刂铺岢隽颂綔y(cè)器進(jìn)入段軌跡跟蹤控制方法，并緩解了滑模控制產(chǎn)生的抖振。然而，該設(shè)備受噪聲數(shù)據(jù)的干擾，導(dǎo)致控制效果較差。文獻(xiàn)[6]構(gòu)建了核電廠棒位檢測(cè)系統(tǒng)中的單相逆變器輸出電壓環(huán)比例-諧振控制數(shù)學(xué)模型，保證了輸出電壓的穩(wěn)定。然而，該系統(tǒng)采集信號(hào)時(shí)出現(xiàn)延遲，導(dǎo)致控制不精確。文獻(xiàn)[7]分析了單探測(cè)器復(fù)合跟蹤方式的選擇以及控制流程，并通過激光跟蹤實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其具有較好的跟蹤效果。但是該方法受環(huán)境影響，導(dǎo)致跟蹤控制精度有待進(jìn)一步提升。文獻(xiàn)[8]構(gòu)建了不同光斑分布的四象限探測(cè)器捕獲牽引模型，解算了光斑位置的解算，并標(biāo)定了跟蹤機(jī)構(gòu)位置。但是該方法受高速脈沖影響，導(dǎo)致捕獲數(shù)據(jù)存在一定的延時(shí)。文獻(xiàn)[9]從硬件和軟件兩個(gè)方面，結(jié)合多種裝置的模擬完成了深空探測(cè)器真空熱環(huán)境模擬測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)。但是該系統(tǒng)未針對(duì)光子探測(cè)器跟蹤控制具體分析，其跟蹤效果有待進(jìn)一步分析。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于改進(jìn)高速單光子探測(cè)器的復(fù)合跟蹤控制系統(tǒng)。硬件部分，利用4個(gè)動(dòng)作電位時(shí)程(action potential duration, APD)蓄電池構(gòu)成單光子探測(cè)線路；設(shè)計(jì)APD裝置來抑制雪崩，采用主動(dòng)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(hào)，將信號(hào)放大器置于比較器的后端，確保光子信號(hào)蓋過噪聲信號(hào)，并建立探測(cè)屬性信息庫。軟件部分設(shè)計(jì)了單光子信號(hào)傳輸計(jì)數(shù)控制流程和控制方案。經(jīng)測(cè)試可知，設(shè)計(jì)系統(tǒng)不僅能夠滿足多條線路光子探測(cè)，還能分別統(tǒng)計(jì)光子數(shù)量。方便了用戶信息查詢，優(yōu)化了信號(hào)傳輸計(jì)數(shù)控制效果。

1 單光子探測(cè)器

單光子探測(cè)器是一種極微弱光探測(cè)法[10-11]，可以對(duì)可見光和紅外線段的單光子進(jìn)行探測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)噪聲抑制和弱信號(hào)處理。如圖1所示為單光子探測(cè)器結(jié)構(gòu)。

圖1 單光子探測(cè)器

圖1(a)所示的單光子探測(cè)器為NIR單光子探測(cè)器模塊。該探測(cè)器支持門控模式和自由運(yùn)轉(zhuǎn)模式，觸發(fā)頻率高達(dá)100 MHz，且有低暗計(jì)數(shù)和時(shí)間抖動(dòng)功能。單光子探測(cè)器原理為放大單光子激發(fā)的單個(gè)光電子信號(hào)，通過脈沖甄別和數(shù)字計(jì)數(shù)等技術(shù)識(shí)別提取極弱光電子信號(hào)，達(dá)到光電探測(cè)的超靈敏極限。但由于工作環(huán)境的不同，單光子探測(cè)器存在一定的局限性，為此需要多個(gè)APD蓄電池共同工作。

本文改進(jìn)設(shè)計(jì)的高速單光子探測(cè)器：是由多個(gè)APD蓄電池構(gòu)成，根據(jù)光子成像原理，設(shè)計(jì)相關(guān)硬件結(jié)構(gòu)時(shí)，需將APD蓄電池組合成線列或陣列結(jié)構(gòu)形式，增加高速單光子探測(cè)面積[12]。由于單一APD構(gòu)成的單光子探測(cè)器只能探測(cè)到一路光子，因此不適合于光子成像領(lǐng)域[13]。比如量子雷達(dá)系統(tǒng)，可以從遠(yuǎn)距離探測(cè)到微弱信號(hào)，模擬目標(biāo)。要對(duì)物體進(jìn)行成像，必須使用多個(gè)APD。改進(jìn)后的探測(cè)器硬件結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后的探測(cè)器硬件結(jié)構(gòu)

對(duì)比圖1和圖2可知，改進(jìn)后的探測(cè)器硬件結(jié)構(gòu)是由4個(gè)APD蓄電池構(gòu)成的單光子探測(cè)線路。在其應(yīng)用過程中，當(dāng)雪崩來臨時(shí)，由4個(gè)APD蓄電池共同分擔(dān)電源電壓，從而使流經(jīng)APD的電流低于APD的雪崩熄滅閾值，直至雪崩終止。改進(jìn)后的探測(cè)器具有下述優(yōu)點(diǎn)：能夠滿足多條線路光子探測(cè)，還能分別統(tǒng)計(jì)光子數(shù)量。

2 系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于圖2所示的改進(jìn)后探測(cè)器硬件結(jié)構(gòu)，優(yōu)化設(shè)計(jì)高速單光子探測(cè)器復(fù)合跟蹤控制系統(tǒng)，具體優(yōu)化過程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

對(duì)圖3分析可知，硬件設(shè)計(jì)包括雪崩光電二極管的設(shè)計(jì)、反饋控制電路圖的設(shè)計(jì)以及單光子探測(cè)信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)包括信號(hào)傳輸計(jì)數(shù)控制流程分析和控制方案設(shè)計(jì)?；趫D3所示的高速單光子探測(cè)器復(fù)合跟蹤控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，設(shè)計(jì)基于改進(jìn)高速單光子探測(cè)器的復(fù)合跟蹤控制系統(tǒng)。

2.2 硬件系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.2.1 雪崩效應(yīng)的終止

雪崩光電二極管被應(yīng)用于很多領(lǐng)域，常使用硅或鍺為材料制造而成，其擁有P-N結(jié)，可以將射入光轉(zhuǎn)化為光電流，由于單光子探測(cè)系統(tǒng)容易出現(xiàn)雪崩效應(yīng)[14]，使用雪崩光電二極管探測(cè)入射光線。在APD作用于APD后，APD作用于蓋革模式。入射光能產(chǎn)生一定的載波，載波光流在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，將加速向晶格沖刷，從而產(chǎn)生大量的光載流子。當(dāng)光載流子高效增加到一定程度后，立刻爆發(fā)出來，與雪崩效果一樣，由此也產(chǎn)生了大量電流[15]。APD利用雪崩效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)光電倍增的功能，然而，對(duì)于雪崩效應(yīng)來說，APD本身也無法阻止雪崩[16-17]，因此會(huì)降低探測(cè)效率，而且可能破壞APD，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)外部電路來抑制雪崩。雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 雪崩光電二極管工作框圖

APD單光子探測(cè)系統(tǒng)不僅要提供APD反向偏壓實(shí)現(xiàn)探測(cè)，還要對(duì)雪崩現(xiàn)象有效控制。因?yàn)锳PD裝置必須在盡可能低的溫度下工作，雪崩效應(yīng)會(huì)使單光子探測(cè)系統(tǒng)中APD裝置的溫度和噪聲增大。

2.2.2 基于反饋控制實(shí)現(xiàn)猝滅

反饋控制環(huán)節(jié)是主動(dòng)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(dòng)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(hào)。在獲取雪崩信號(hào)的同時(shí)，觸發(fā)脈沖信號(hào)，由此控制K1開關(guān)閉合，并將電壓迅速施加到蓄電池陽極，從而實(shí)現(xiàn)猝滅。選擇適當(dāng)?shù)碾娫矗謸?dān)電源壓力，防止達(dá)到崩潰電壓，從而解決雪崩效應(yīng)帶來的問題。當(dāng)雪崩停止后，切斷K1，控制K2關(guān)閉，迅速降低APD陽極電壓，將APD兩端電壓恢復(fù)到偏置電壓。

2.2.3 單光子探測(cè)信號(hào)檢測(cè)電路改進(jìn)設(shè)計(jì)

單光子探測(cè)信號(hào)檢測(cè)電路需直接從噪聲信號(hào)中提取單光子信號(hào)，該過程難免出現(xiàn)一定誤差，所以，提取過程中，為確保光子信號(hào)蓋過噪聲信號(hào)，需要將信號(hào)放大器置于比較器的后端，并設(shè)定基準(zhǔn)電平。當(dāng)基準(zhǔn)電平固定時(shí)[18]，弱噪聲信號(hào)不影響比較器的工作精度，因此不會(huì)產(chǎn)生單光子信號(hào)。當(dāng)單光子信號(hào)不再高于參考電平時(shí)，比較器工作狀態(tài)就會(huì)發(fā)生改變，此時(shí)利用計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)單光子信號(hào)。單光子探測(cè)信號(hào)檢測(cè)電路如圖6所示。

圖6 單光子探測(cè)信號(hào)檢測(cè)電路圖

圖6所示的單光子探測(cè)信號(hào)檢測(cè)電路參考電壓為0 V至5 V，其大小為從外輸入，經(jīng)中央處理器(central processing unit，CPU)處理、數(shù)字信號(hào)采集、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(digital to analog converter，D/A)轉(zhuǎn)換，經(jīng)TLE2072運(yùn)算放大器放大，最終得到所需的基準(zhǔn)電平，至此關(guān)鍵硬件設(shè)計(jì)完成。其中TLE2072運(yùn)算放大器每個(gè)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(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件需要將空間分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、分析，對(duì)單光子信號(hào)傳輸進(jìn)行預(yù)判，確保了單光子信號(hào)的完整性和準(zhǔn)確性，處理信息保證單光子信號(hào)運(yùn)行的邏輯完整性。

2.3.1 單光子信號(hào)傳輸

以上文的單光子信號(hào)傳輸硬件平臺(tái)為基礎(chǔ)，可以加載、顯示具有一定格式的數(shù)字地圖，并具有縮放、自動(dòng)移動(dòng)等功能。建立了探測(cè)屬性信息庫，方便了用戶的信息查詢。單光子信號(hào)傳輸計(jì)數(shù)控制流程如圖7所示。

圖7 信號(hào)傳輸計(jì)數(shù)控制流程

由圖7可知，該流程主要包括：“定電壓”程序、“啟動(dòng)計(jì)數(shù)”程序、“暫停計(jì)數(shù)”程序、“發(fā)送當(dāng)前電壓”程序和“發(fā)送當(dāng)前計(jì)數(shù)”程序。根據(jù)指令類型，進(jìn)行電壓設(shè)定，計(jì)數(shù)啟動(dòng)。

單光子信號(hào)的傳輸計(jì)數(shù)精度是影響復(fù)合跟蹤控制效果的關(guān)鍵因素，結(jié)合判別公式，確定了高速單光子探測(cè)器的復(fù)合跟蹤程度與單個(gè)因素跟蹤程度關(guān)系式：

y=ax+R2

(1)

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

2.3.2 控制方案設(shè)計(jì)

步驟一：調(diào)試單光子探測(cè)器。

調(diào)試單光子探測(cè)器時(shí)，要求采用高速單光子源作為發(fā)射器[19]，產(chǎn)生200 MHz正弦信號(hào)，經(jīng)過功率分配器后，將信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓形式，加載到APD蓄電池上，此時(shí)電壓略高于雪崩時(shí)的電壓；

步驟二：傳輸觸發(fā)信號(hào)。

正弦信號(hào)經(jīng)過分頻處理后，形成窄脈沖信號(hào)，經(jīng)過二極管調(diào)節(jié)延時(shí)定時(shí)器，由此觸發(fā)傳輸信號(hào)，保證每個(gè)脈沖的光子信號(hào)衰減到0.1左右，通過單模光纖向 APD傳輸；

步驟三：設(shè)計(jì)高速單光子源。

通過預(yù)測(cè)單光子信號(hào)傳輸路徑，結(jié)合單光子信號(hào)傳輸特性，可以預(yù)測(cè)其中的高速單光子源，并結(jié)合預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)高速單光子源進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證每一個(gè)光脈沖約有0.1個(gè)光子，通過分光器進(jìn)入一個(gè)可調(diào)衰減器[20-21]中；

步驟四：確定探測(cè)器復(fù)合跟蹤脈沖光子數(shù)。

探測(cè)器復(fù)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(shù)量；v為平均光子數(shù)。

每個(gè)脈沖都含有光子的概率可表示為：

(3)

式(3)中，當(dāng)含有0.1個(gè)光子脈沖經(jīng)過單光子探測(cè)器后，脈沖[22-23]會(huì)產(chǎn)生單光子源。

步驟五：控制因素確定與跟蹤調(diào)節(jié)。

對(duì)單光子探測(cè)器復(fù)合跟蹤控制而言，單光子探測(cè)波長(zhǎng)穩(wěn)定度指標(biāo)是關(guān)鍵。假設(shè)單光子探測(cè)器偏振方向?yàn)閆方向，探測(cè)器在二維空間下的矩陣可表示為：

(4)

單光子探測(cè)器激光在經(jīng)過起偏器后，基于該矩陣在二維空間下的矩陣計(jì)算波長(zhǎng)。波長(zhǎng)[24-25]指的是在一個(gè)高速單光子探測(cè)器復(fù)合跟蹤控制周期內(nèi)的傳播距離。波長(zhǎng)計(jì)算公式為：

(5)

式中,u為傳播速度；f為頻率。

在脈沖信號(hào)傳輸過程中，光子波長(zhǎng)穩(wěn)定性取決于信號(hào)傳輸穩(wěn)定性。在不同環(huán)境下，光子波長(zhǎng)不一，這與脈寬調(diào)制有關(guān)，相干長(zhǎng)度會(huì)受到脈寬影響，導(dǎo)致光子波長(zhǎng)無法滿足實(shí)際探測(cè)需求。因此要求單光子探測(cè)器要求中心波長(zhǎng)擺動(dòng)至峰值波長(zhǎng)?0.01 nm，在該約束條件下，有效跟蹤控制高速單光子探測(cè)器。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的高速單光子探測(cè)器復(fù)合跟蹤控制系統(tǒng)的有效性，以圖8所示的高速單光子芯片為測(cè)試對(duì)象，接入圖9所示的模擬電路中完成測(cè)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(guān)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(huán)境對(duì)跟蹤控制系統(tǒng)整體進(jìn)行數(shù)?；旌稀?/p>

圖9 高速單光子探測(cè)器復(fù)合跟蹤控制系統(tǒng)模擬電路

3.1 實(shí)驗(yàn)步驟及思路

步驟一：由高速光子探測(cè)器發(fā)出的雪崩信號(hào)，此時(shí)，甄別電路如圖10所示。

圖10 雪崩信號(hào)甄別電路

由圖10可知，當(dāng)雪崩信號(hào)低于閾值電平時(shí)，核儀器插件(nuclear instrument module，NIM) out處輸出低電平信號(hào)，即信號(hào)數(shù)量表示光子數(shù)量。當(dāng)雪崩信號(hào)高于閾值電平時(shí)，NIM out處輸出高電平信號(hào)，此時(shí)不會(huì)產(chǎn)生光子。

步驟二：雪崩信號(hào)放大處理。

雪崩信號(hào)經(jīng)過放大器處理后，波動(dòng)幅度在200 mV左右，而影響雪崩信號(hào)的噪聲信號(hào)波動(dòng)幅度在50 mV左右，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是屏蔽了APD蓄電池信號(hào)，所以雪崩信號(hào)受到噪聲干擾后出現(xiàn)了失真問題。雪崩信號(hào)波形圖，如圖11所示。

圖11 雪崩信號(hào)波形圖

由圖11可知，當(dāng)比較器輸出電平較低時(shí)，需將噪聲信號(hào)也視為雪崩信號(hào)的一部分，這時(shí)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果誤差較小。當(dāng)比較器輸出電平較高時(shí)，雪崩信號(hào)無法達(dá)到理想的信號(hào)采集結(jié)果，漏掉大部分雪崩信號(hào)，這時(shí)統(tǒng)計(jì)的誤差較大。

步驟三：獲取光子計(jì)數(shù)結(jié)果。

針對(duì)該問題，直接統(tǒng)計(jì)比較器的脈沖信號(hào)，通過統(tǒng)計(jì)脈沖信號(hào)就可得到光子計(jì)數(shù)結(jié)果，光子計(jì)數(shù)時(shí)間分布情況如圖12所示。

圖12 光子計(jì)數(shù)時(shí)間分布示意圖

由圖12可知，時(shí)間在38.5 ns時(shí)，計(jì)數(shù)達(dá)到最多，說明該時(shí)間內(nèi)有激光光子到達(dá)。

步驟四：以跟蹤精度、通信開銷、跟蹤時(shí)間為指標(biāo)，分別采用文獻(xiàn)[4]容錯(cuò)控制系統(tǒng)、文獻(xiàn)[5]分?jǐn)?shù)階滑?？刂葡到y(tǒng)和本文的高速單光子探測(cè)器復(fù)合跟蹤控制系統(tǒng)進(jìn)行下述實(shí)驗(yàn)，具體結(jié)果如下所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 光子計(jì)數(shù)結(jié)果

基于上述指標(biāo)，分別使用文獻(xiàn)[4]容錯(cuò)控制系統(tǒng)、文獻(xiàn)[5]分?jǐn)?shù)階滑模控制系統(tǒng)和本文的高速單光子探測(cè)器復(fù)合跟蹤控制系統(tǒng)對(duì)比分析光子計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，3種系統(tǒng)光子計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖13所示。

圖13 3種系統(tǒng)光子計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由圖13可知，使用文獻(xiàn)[4]容錯(cuò)控制系統(tǒng)在31.5 ns時(shí)，計(jì)數(shù)達(dá)到最多為135個(gè)；使用文獻(xiàn)[5]分?jǐn)?shù)階滑?？刂葡到y(tǒng)在30.5 ns時(shí)，計(jì)數(shù)達(dá)到最多為155個(gè)；使用本文的高速單光子探測(cè)器復(fù)合跟蹤控制系統(tǒng)在38.5 ns時(shí)，計(jì)數(shù)達(dá)到最多為220個(gè)。由此可知，使用本文的高速單光子探測(cè)器復(fù)合跟蹤控制系統(tǒng)光子計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果一致，說明跟蹤控制效果較好。

3.2.2 跟蹤控制精度結(jié)果

高速單光子探測(cè)器的復(fù)合跟蹤控制精度測(cè)試指標(biāo)為均方根誤差(RMSE)，為了更好地展示分析跟蹤控制準(zhǔn)確度，通過1 000次迭代計(jì)算，獲取不同系統(tǒng)的均方根誤差RMSE，計(jì)算公式為：

(6)

式中,N為迭代次數(shù)，k1為觀測(cè)值，k為預(yù)測(cè)值。

根據(jù)式(6)的計(jì)算結(jié)果可知，復(fù)合跟蹤控制過程中均方根誤差越低，說明對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的跟蹤精度越高，反之則越差，3種系統(tǒng)的復(fù)合跟蹤控制精度結(jié)果如圖14所示。

圖14 不同方法的跟蹤精度測(cè)試結(jié)果

分析圖14可知，隨著跟蹤次數(shù)的上升，3種系統(tǒng)測(cè)試出的均方根誤差均出現(xiàn)了不同程度的上升趨勢(shì)。其中，本文系統(tǒng)在跟蹤時(shí)測(cè)試出的均方根誤差是3種系統(tǒng)中最低的。這主要是因?yàn)樗岱椒ㄔ诟櫩刂魄?，通過4個(gè)APD蓄電池共同分擔(dān)雪崩帶來的高電流，防止了電流突增對(duì)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(jié)果

以量子雷達(dá)系統(tǒng)為應(yīng)用場(chǎng)景，以通信開銷為測(cè)試指標(biāo)，分析3種系統(tǒng)對(duì)雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的跟蹤效果。結(jié)果如圖15所示。

圖15 不同方法的通信開銷測(cè)試結(jié)果

通信開銷越大，說明雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)跟蹤時(shí)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(shù)的增加，3種系統(tǒng)在目標(biāo)跟蹤時(shí)測(cè)試出的通信開銷都出現(xiàn)了增大趨勢(shì)。但是，本文系統(tǒng)在目標(biāo)跟蹤時(shí)測(cè)試出的通信開銷低于對(duì)比系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果，由此可證明，本文系統(tǒng)在目標(biāo)跟蹤時(shí)，該方法具備較好的有效性。

3.2.4 執(zhí)行時(shí)間測(cè)試

同樣以量子雷達(dá)系統(tǒng)為應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)置目標(biāo)與雷達(dá)距離為1 500 km，目標(biāo)為動(dòng)態(tài)目標(biāo)，其運(yùn)動(dòng)范圍為5°～30°。測(cè)試3種系統(tǒng)的目標(biāo)跟蹤時(shí)間，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 不同方法的目標(biāo)跟蹤時(shí)間測(cè)試結(jié)果

分析表1可知，測(cè)試次數(shù)的增加會(huì)提升目標(biāo)跟蹤方法的跟蹤時(shí)間。但是，本文系統(tǒng)測(cè)試出的目標(biāo)跟蹤時(shí)間是3種系統(tǒng)中最低的，最高時(shí)間為84 ms，其主要原因是本文系統(tǒng)優(yōu)化了雪崩光電二極管的偏置源電路和信號(hào)檢測(cè)電路，提高了系統(tǒng)硬件性能，進(jìn)一步優(yōu)化了目標(biāo)跟蹤時(shí)間。

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)改進(jìn)的高速單光子探測(cè)器復(fù)合跟蹤控制系統(tǒng)，結(jié)合門控雪崩抑制方法，對(duì)雪崩光電二極管的偏置源電路和信號(hào)檢測(cè)電路進(jìn)行了精確設(shè)計(jì)。通過分析研究表明，單穩(wěn)態(tài)電路的瞬態(tài)可等效為“光子門”，可以取代傳統(tǒng)的直流電平疊加方式實(shí)現(xiàn)的脈沖。這種方法不僅簡(jiǎn)單方便，而且還適用于各種APD系統(tǒng)，有效控制高速單光子探測(cè)器。針對(duì)單光子探測(cè)的進(jìn)行了幾個(gè)方面的分析與研究，定性的探測(cè)和實(shí)驗(yàn)都是在太陽的紫外照射下進(jìn)行的，而單光子探測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，還需要進(jìn)一步地完善和改進(jìn)，才能定量分析單光子探測(cè)器的計(jì)數(shù)精度，并在其他波長(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)單光子探測(cè)，因此設(shè)計(jì)單光子探測(cè)器具有更廣泛的應(yīng)用前景。