[发明专利]一种单光子计数系统及计数方法

说明书

技术领域

本发明通常涉及微弱光探测计数领域，具体来说，涉及一种用于微弱光探测的单光子计数系统及计数方法。

背景技术

在微弱光探测领域中，单光子探测技术在激光雷达、生物荧光、量子保密通信、高分辨率光谱测量、非破坏性物质分析、高速现象检测、精密分析、放射探测、高能物理、天文测光、光时域反射等领域有着广泛的应用。一般微弱光探测计数系统主要包括单光子探测系统、单光子计数系统和计算机系统，单光子探测系统输出电脉冲信号，单光子计数系统通过对电脉冲信号进行计数，来实现对单光子的计数。

目前，对于单光子计数系统，主要通过专用芯片来实现，也有一些通过采用DSP或单片机和嵌入式处理器来实现，对于这些系统，存在计数效率低的问题，而且硬件功能固定、通用性差，接口也多为PCI接口、串口或并口，其传输速度低，导致数据实时性差，尤其对于PCI接口的系统，其硬件电源来自计算机内部，电源的噪声较大，影响计数的准确性。

因此，有必要提出一种通用性好、计数效率高的单光子计数系统。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种单光子计数系统，所述系统包括：锁存器，用于接收和存储参数设置；触发电路，用于触发N次计数操作，所述触发电路允许接收来自外部触发信号，并向时钟产生电路传递外部触发信号，以触发计数；时钟产生电路，响应于来自触发电路的触发信号，产生预定时钟周期的时钟信号；计数单元，在第n次触发信号有效时，对每个时钟周期接收的光子信号进行乒乓计数，直到经过X个时钟周期，其中0≤n≤N；存储器，用于存储计数单元在所述X个时钟周期中的计数结果，作为第n+1次触发信号有效时，相应时钟周期的乒乓计数的基础，其中所述N、X为正整数。其中所述计数单元包括第一计数器和第二计数器，所述第一计数器和第二计数器根据时钟周期进行交替计数，并在下一时钟周期将计数结果存储到存储器中用于存储该上一时钟周期的计数结果的存储器位置中，所述第一计数器和第二计数器在下一次计数前获取存储器中相应时钟周期的计数结果，并在该计数结果的基数上进行累加计数，优选地，可以通过地址产生电路为计数器的操作指定存取地址。其中所述计数单元包括与外部光子信号的数量相对应的多套计数单元。

优选地，所述系统还包括数模转换器和比较器，所述数模转换器用于向比较器提供外部触发信号和外部光子信号的阈值，所述比较器根据所述阈值，进行信号识别，并向触发电路及计数单元提供识别后的外部触发信号和外部光子信号。

可选地，所述系统还包括同步电路，用于将外部光子信号与时钟产生电路的时钟同步。

可选地，所述系统还包括锁相环，用于为时钟产生电路及同步电路提供基准时钟。

优选地，所述系统由FPGA现场可编程门阵列实现。

优选地，所述系统通过嵌入式芯片和USB总线与外部系统连接。

本发明还提供了一种用于上述系统的单光子计数方法，所述方法包括：

S01，由触发电路接收第n次外部触发信号，以触发计数，其中0≤n≤N；

S02，时钟产生电路根据所述触发信号产生具有周期T的时钟信号；

S03，在第x个计数时钟周期信号下，由第一计数器在第n-1次计数时的第x个时钟周期下的第一计数器的计数值D1(n-1，x)的基础上对外部光子信号进行累加计数，其值为D1(n，x)，由第二计数器将计数器内第n次计数时的第x-1个时钟周期下的第二计数器的计数值D2(n，x-1)写入存储器的预定地址，并从存储器的预定地址将第n-1次计数时的第x+1个时钟周期下的计数值D2(n-1，x+1)载入第二计数器；在第x+1个时钟周期下，由所述第二计数器在D2(n-1，x+1)的基础上对外部光子信号进行累加计数，其值为D2(n，x+1)，由第一计数器将计数结果D1(n，x)存至存储器的预定地址，并从存储器的预定地址将第n-1次计数时的第x+2个时钟周期下的计数值D1(n-1，x+2)载入第一计数器；

S04，重复步骤S03直到x＝X，其中X为正整数；

S05，重复步骤S02-04直到n＝N，其中N为正整数；

S06，停止接受外部触发信号。

优选地，在接受触发电路之间，还包括由比较器根据预定阈值，进行信号识别，并向触发电路及计数单元提供识别后的外部触发信号和外部光子信号。