基于互相关算法的KIDs特性双通道测量装置

技术领域

本发明属于太赫兹技术研究领域，具体涉及基于互相关算法的KIDs特性双通道测量装置。

背景技术

超导动态电感探测器(Kinetic Inductance Detectors，简称KIDs)是一种用于测量电磁辐射的超导器件。它们是基于超导材料的微波探测器，通过测量超导材料中的动态电感变化来检测电磁辐射。

KIDs的工作原理是基于超导材料在受到电磁波辐射时，电感发生变化的特性。当电磁波与KID相互作用时，波的能量会被吸收，导致超导材料中的电子和库仑对的温度升高。这导致超导材料的电阻发生变化，进而改变电感。通过测量这种电感的变化，可以确定电磁波的存在和特性。

KIDs对于微弱的电磁辐射非常敏感，能够探测到非常低能量的信号。其次，KIDs具有宽带宽，能够在较宽的频率范围内工作。此外，KIDs具有快速响应时间和较低的噪声水平，使其在天文学、光谱学和量子计算等领域得到广泛应用。

KIDs被用于探测和测量微弱的微波和红外辐射，用于研究宇宙起源、星际尘埃、星系演化等。此外，KIDs还被用于光谱学研究，如粒子探测、分子光谱等。在量子计算领域，KIDs被用作量子比特的读取器件，用于测量和控制超导量子比特的状态。

通过读出电路获取微波谐振器的幅度或相位变化信息，即可间接探测到入射光子信号的信息特征。相位噪声是表征KIDs探测器性能，并进而直接影响太赫兹成像系统整体灵敏度的主要参数之一，其重要性毋庸置疑。目前KIDs相位噪声测量硬件系统一般多采用微波正交混频器，结合低噪声放大器、功分器、可调衰减器、固定衰减器、带通滤波器、低通滤波器等辅助电路模块，通过同差混频(Homodyne)方式实现对相位噪声的测量。通过对I、Q两路正交中频输出信号的数据进行处理即可同时获得KIDs探测器的相位噪声θ(f)和幅度噪声A(f)。

常规的测量方法是由宽带正交混频器(一般性原理主要由两个双平衡混频器、一个3dB等相位等功分器)和一个具有正交(90°)相位差的3dB等功分定向耦合器组成。具有等相位的射频信号与具有90°相位差的本振信号分别在两个双平衡混频器中进行下混频后，将输出两路具有正交相位差的中频信号I和Q。ADC对采集的I路和Q路数据进行软件处理得到KIDs的噪声功率谱密度PSD。

现有的KIDs常规读出电路存在如下的问题：现有的测量系统采集的噪声并不只是KIDs的噪声，还包含KIDs读出系统部分的放大器、衰减器、定向耦合器、混频器等器件的噪声的叠加，当KIDs的噪声非常低时，读出系统部分器件产生的噪声便不可忽略，常用的噪声测量系统便无法满足需求。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于互相关算法的KIDs特性双通道测量装置，可以实现测量太赫兹KIDs探测器特性的读出以及测量装置的噪声抑制。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

基于互相关算法的KIDs特性双通道测量装置，其特征在于，包括：信号发生器、双通道零差混频系统、KIDs探测器、ADC数据采集卡和控制计算机；

所述双通道零差混频系统包括定向耦合器、第一功分器、第二功分器、第一IQ混频器和第二IQ混频器；所述定向耦合器的输入端与信号发生器连接，定向耦合器的输出端分为直通端通道和耦合端通道，所述直通端通道将信号由第一功分器均分为两路信号LO

所述KIDs探测器的输出信号经放大后，由第二功分器均分为两路信号RF

所述第一IQ混频器输入信号LO

所述第二IQ混频器输入信号LO

所述ADC数据采集卡将采集的信号输入控制计算机；

所述控制计算机基于傅里叶变换和互相关运算对ADC数据采集卡采集的信号进行处理，得到KIDs的特性参数。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

进一步地，所述KIDs探测器的输出信号经低温低噪声放大器放大。

进一步地，所述KIDs探测器和低温低噪声放大器均设置于杜瓦中，在超导临界温度下工作。

进一步地，所述第一IQ混频器和第二IQ混频器输出的时域直流信号均经过低通滤波器滤波和阻抗变换器再输入到ADC数据采集卡。

进一步地，所述ADC数据采集卡对第一IQ混频器输出的时域直流信号采样为两路正交信号I(t)

进一步地，所述控制计算机执行以下流程以得到KIDs的特性参数：

首先对ADC数据采集卡采样的n组信号进行七参数拟合及校准处理，其中每一组信号包括I(t)

根据七参数拟合及校准处理后的ADC采样数据，求得n组幅度和相位的时域数据；

对n组幅度和相位的时域数据进行快速傅里叶变换，得到n组幅度和相位的频域数据；

对每一组幅度和相位的频域数据进行互相关运算，得到n组幅度和相位的噪声数据，对n组幅度和相位的噪声数据取平均值，通过运算得到幅度和相位的噪声功率谱密度。

进一步地，所述七参数拟合根据满足理想谐振特性的谐振器S21曲线方程进行：

式中，S

进一步地，所述幅度和相位的频域数据的运算公式如下：

θ(f)＝FFT(tan

式中，A(f)和θ(f)分别表示同组的幅度频域数据和相位频域数据，FFT表示快速傅里叶变换，I(t)和Q(t)分别表示同一IQ混频器输出的同组的两路正交信号，经过七参数拟合及校准处理后得到的信号数据。

本发明的有益效果是：本发明采用双通道零差混频结构，KIDs探测器的输出信号同时分成两路经两个IQ混频器进行混频处理，经混频器差频为两路时域直流信号输出，ADC采样为四路信号，这样能够有效测量太赫兹KIDs探测器特性；同时，测得的时域数据经过频域转换后进行互相关的处理，进一步地抑制干扰信号，能够得到更为准确的KIDs的PSD曲线。本发明实现了双路KIDs不同测试链路的噪声测量，并且通过数据处理，有效抑制了不同测试链路产生的附加噪声。

附图说明

图1是基于互相关算法的KIDs特性双通道测量装置的结构原理图。

图2是控制计算机的数据处理框图。

图3是KIDs谐振点的常用测量和自相关处理的相位噪声和幅度噪声PSD对比图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提出一种基于互相关算法的KIDs特性双通道测量装置，该测量装置可以实现：1、太赫兹KIDs探测器特性的读出；2、测量装置的噪声抑制。

测量装置主要包括：信号发生器、双通道零差混频系统、KIDs探测器、ADC数据采集卡和控制计算机；其中，双通道零差混频系统包括：定向耦合器、第一功分器、第二功分器、第一IQ混频器和第二IQ混频器。测量装置的实现具体如下。

一、硬件电路设计-太赫兹KIDs的噪声读出。

信号发生器输出一个探测信号，该信号被定向耦合器分成两个通道，直通端通道将信号源的信号由第一功分器再次均分为两路参考信号LO

低温低噪声放大器HMET在杜瓦中将KIDs探测器的输出信号放大，杜瓦外将HEMT的输出信号通过第二功分器分为两路相同的信号RF

二、软件数据处理。

该部分由控制计算机执行，具体流程如图2所示。由ADC数据采集卡采集的信号首先要进行七参数拟合。由于测试链路的阻抗失配、驻波、电缆线的信号传递延迟和KIDs本身的品质因数等，导致由ADC数据采集卡采集的KIDs的谐振特性与理想谐振特性有一定的差别，需要将这些参数校准。满足理想谐振特性的谐振器S21曲线的方程为：

式中，S

由ADC数据采集卡采集的数据，经过上述公式进行七参数拟合以后，再进行校准得到满足一般理想谐振特性的数据。

然后对经过七参数拟合并校准的ADC采样数据，求得其幅度和相位的时域数据，并进行快速傅里叶变换。运算的公式如下所示：

θ(f)＝FFT(tan

式中，A(f)和θ(f)分别表示同组的幅度频域数据和相位频域数据，FFT表示快速傅里叶变换，I(t)和Q(t)分别表示同一IQ混频器输出的同组的两路正交信号，经过七参数拟合及校准处理后得到的信号数据。

最后对同组的A(f)和θ(f)进行互相关运算，采用互相关函数Xcor，接着对测试的n组幅度和相位噪声数据取平均值，通过运算得到幅度和相位噪声功率谱密度。互相关运算可以很好地把由相同KIDs产生的噪声表示出来，而由测量装置产生的噪声则被互相关运算抑制，从而增强了测量系统的准确性。

图3是KIDs谐振点的常用测量和自相关处理的相位噪声和幅度噪声PSD对比图。从图中可以看到，常用测量的噪声曲线会有大量的50Hz的干扰信号，同时易收到ADC的高频信号干扰。而自相关处理的曲线，这两者的干扰信号被明显抑制，更加精确地表达了KIDs的噪声特性。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。