[发明专利]光子脉冲信号发生方法和装置

说明书

公开了光子脉冲信号发生方法和装置，所述方法包括：预设第一变换分布；通过所述第一变换分布，随机地确定一个或者多个光子的每一个所对应的光子脉冲的时间位置；其中，第一变换分布是通过蒙特卡洛算法对第一概率分布进行第一变换所生成的，第一概率分布是光子密度随时间变化的分布；预设第二变换分布，通过第二变换分布随机地确定所述一个或者多个光子的所述每一个所对应的光子脉冲的幅度；其中，所述第二变换分布是通过蒙特卡洛算法对第二概率分布进行第二变换所生成的，所述第二概率分布是光子脉冲的幅度随机变化的分布；由此确定出每个光子所对应的光子脉冲的时间位置和幅度，从而实现光子脉冲信号的模拟。

技术领域

本发明涉及光子脉冲信号发生方法和装置。

背景技术

光电探测器(PMT等)可以将入射光信号转换为电信号。在不考虑由于探测器量子效率损失的情况下，光电探测器可以将每一个入射的光子转化为对应的一个脉冲电信号，产生一个与入射光子序列相对应的电脉冲序列。如图1所示，图1( a) 代表一个较强的方波光信号对应的输出电信号，图1( b) 代表较弱的方波光信号对应的输出电信号，图1( c)代表非常弱的方波光信号对应的输出电信号。当光强较大时，由于光子流密度太大，探测器不足以区分每个光子，会将光信号转换为与输入光强成比例的连续电信号。而当光强较弱或非常弱时，光子流密度较低或非常低，这时光电探测器可以将每个光子转换为分离的、不连续的脉冲电信号。虽然这些光子脉冲信号平均密度与入射光强成正比，但是每个光子脉冲到达的时间随机，也就是说每个时刻的脉冲数密度是随机的。

为了确保激光雷达等光电探测仪器在整个探测光强范围内处于线性工作范围，不仅需要确保光电探测器处于线性响应区，前置信号放大器、ADC模数转换、信号处理、光子计数等电路部分也都需要保证从非常微弱的单光子脉冲信号、密集脉冲信号、直到大光强的连续模拟信号都处在线性工作范围。这些信号放大处理等电路由于其带宽限制、放大电路信号失真畸变、信号整形和甄别电路缺陷等等会造成电信号的非线性或光子计数电路可能存在的对一个光子的重复计数或两个、多个光子因为时间间隔太近而引起的漏计误差。这种光电转换和信号处理电路的线性度和保真度在产品出厂前的调试过程中以及用户的长期使用过程中都需要定期进行检测和校准。各种模拟电信号发生器有非常成熟的产品，其可以产生已知电平的电信号用于模拟光强较强时的连续电信号的校准和检测。但是在光强较弱和很微弱时，平均光子脉冲密度与光强成正比，但是在任意一个确定时刻光子流密度是随机的并且服从泊松(Poisson)分布。另外每个光子转化为电脉冲时，其脉冲宽度与光电探测器的响应时间有关，其幅度与光电探测器的增益有关。因为每个光电子在光电探测器(光电倍增管PMT 或雪崩光电二极管APD等)中行进的轨迹不同，被放大的倍数也不同，造成其输出的电脉冲幅度也是随机的，一般服从某种分布，例如高斯分布。目前市面上的电脉冲信号发生器只能产生确定幅度，确定脉冲宽度，确定速率的电脉冲信号，不能满足模拟光子脉冲信号的需求。为了校准和检测光电探测仪器在光强比较微弱时的性能，需要光子脉冲信号发生器同时满足以下的特性：

1.脉冲宽度可调；

2.脉冲幅度服从一定规律的随机分布(例如高斯分布)；

3.平均脉冲计数率(Count Rate单位时间的脉冲数)可调(与需要模拟的光强成正比)，可为任意波形；

4.每个时刻的脉冲计数率是随机的，服从泊松分布。

其中的第1条，现有的脉冲信号发生器已经可以实现，对于第2、第3和第4条，由于没有合适的算法，现有的脉冲信号发生器不能做到脉冲幅度和脉冲计数率满足一定分布函数的随机变化。

发明内容

本发明使用蒙特卡洛(Monte Carlo)方法产生可模拟单光子脉冲幅度的随机分布。基于蒙特卡洛算法，本发明根据光电探测器输出信号的特点提供了一种算法，实现了每个光子脉冲的到达时刻和密度随机并符合需求的概率分布，并给出了用该算法实现光子脉冲信号模拟器的一种硬件解决方案。