CN106656390B - 用于测量光子时间信息的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于测量光子时间信息的装置及方法。该装置包括电流检测电路和处理电路。电流检测电路用于连接光电传感器，检测光电传感器输出的初始信号并生成相应的检测信号。处理电路的输入端连接电流检测电路的输出端，处理电路用于根据检测信号确定光电传感器检测到的高能光子的到达时间，根据检测信号估计时间漂移量，并基于时间漂移量对到达时间进行修正。根据本发明实施例的装置及方法，估计时间漂移量并基于时间漂移量对到达时间进行修正，这可以修正由暗事件带来的时间测量误差，简单方便地获得高精度的时间测量结果。

Description

用于测量光子时间信息的装置及方法

技术领域

本发明涉及电路领域，具体地，涉及一种用于测量光子时间信息的装置及方法。

背景技术

在高能光子(X射线、伽玛光子等)测量系统的前端检测装置一般包含闪烁晶体、光电检测器(或称光电传感器)和光子测量前端电路三部分。高能光子与闪烁晶体相互作用后产生能量较低的可见光子群。光电传感器把可见光子群携带的光信号转换为电信号。光子测量前端电路的主要目的是通过测量光电传感器产生的电信号，来获取高能光子的能量和到达时间。例如，在正电子发射成像(PET)及单光子发射成像(SPECT)系统中，伽玛光子与闪烁晶体，例如硅酸钇镥(LYSO)晶体，相互作用后产生能量较低的可见光子群。光电传感器，例如光电倍增管(PMT)或者硅光电倍增管(SiPM)等，把可见光子群携带的光信号转换为电信号。光子测量前端电路测量光电传感器产生的电信号，获取伽玛光子的能量和到达时间。

为了避免常规技术中的通过模数转换器(ADC)采样计算出来的能量受光电传感器输出的电信号的起始时间的影响的问题，目前提出一种改进的光子测量前端电路，其利用积分模块对光电传感器输出的电信号进行积分，当积分模块中累积的电荷达到一定量时，可以触发脉冲信号。然后可以基于脉冲信号获得高能光子的能量和到达时间等信息。

利用改进的光子测量前端电路测量高能光子的到达时间时，存在以下问题。研究证明，通过测量高能光子作用到闪烁晶体上时产生的前几个可见光子发生的时间，可以取得最佳的时间分辨率。因此，在改进的光子测量前端电路中，期望通过设定系统参数，使得在积分模块累积了n个(例如5个)可见光子产生的电荷后触发，生成可用于时间测量的脉冲信号。然而，这种方法不一定能够取得最佳的时间分辨率，原因如下：在目前的技术条件下，诸如SiPM的光电传感器中的暗事件率较高。暗事件产生的电荷会累积在积分模块中。当高能光子作用到闪烁晶体上时，如果积分模块已经累积了m个暗事件产生的电荷，触发理论上发生在积分模块累积了第n-m个可见光子产生的电荷后，而不是第n个。由于暗事件和高能光子都是随机出现的，因此m的值可能在0～n-1的范围内均匀分布。因此，产生可用于时间测量的脉冲信号时，由高能光子导致的在积分模块中累积的电荷，不一定是n个可见光子产生的电荷，而可能是在1～n的范围内的任意数目的可见光子产生的电荷。也就是说，用于判定高能光子的到达时间的电荷基线可能发生漂移，因此测量得到的到达时间与实际到达时间相比也可能发生漂移。由于上述原因，利用改进的光子测量前端电路测量高能光子的到达时间时，测量精度可能受到影响。

因此，需要提供一种用于测量光子时间信息的装置，以至少部分地解决现有技术中存在的上述问题。

发明内容

为了至少部分地解决现有技术中存在的问题，根据本发明的一个方面，提供一种用于测量光子时间信息的装置。该装置包括电流检测电路和处理电路。电流检测电路用于连接光电传感器，检测光电传感器输出的初始信号并生成相应的检测信号。处理电路的输入端连接电流检测电路的输出端，处理电路用于根据检测信号确定光电传感器检测到的高能光子的到达时间，根据检测信号估计时间漂移量，并基于时间漂移量对到达时间进行修正。

根据本发明的另一方面，提供一种用于测量光子时间信息的方法，包括：检测光电传感器输出的初始信号并生成相应的检测信号；根据检测信号确定光电传感器检测到的高能光子的到达时间；根据检测信号估计时间漂移量；以及基于时间漂移量对到达时间进行修正。

根据本发明实施例的装置及方法，估计时间漂移量并基于时间漂移量对到达时间进行修正，这可以修正由暗事件带来的时间测量误差，简单方便地获得高精度的时间测量结果。

在发明内容中引入了一系列简化的概念，这些概念将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明内容部分并不意味着要试图限定所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

以下结合附图，详细说明本发明的优点和特征。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施方式及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，

图1示出根据一个示例的改进的光子测量前端电路的示意性框图；

图2示出根据本发明一个实施例的用于测量光子时间信息的装置的示意性框图；

图3示出根据本发明一个实施例的用于测量光子时间信息的装置的示意性框图；

图4示出根据本发明一个实施例的电流检测电路生成的数字信号的波形示意图；

图5a示出根据本发明一个实施例的在未进行修正的情况下到达时间的测量误差的分析图；

图5b示出根据本发明一个实施例的采用用于测量光子时间信息的装置进行修正的情况下到达时间的测量误差的分析图；

图6示出根据本发明一个实施例的在未进行修正和采用用于测量光子时间信息的装置进行修正的情况下到达时间的测量误差的分析图；以及

图7示出根据本发明一个实施例的用于测量光子时间信息的方法的流程示意图。

具体实施方式

在下文的描述中，提供了大量的细节以便能够彻底地理解本发明。然而，本领域技术人员可以了解，如下描述仅涉及本发明的较佳实施例，本发明可以无需一个或多个这样的细节而得以实施。此外，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

如上文所述，为了避免常规技术中的通过ADC采样计算出来的能量受光电传感器输出的电信号的起始时间的影响的问题，目前提出一种改进的光子测量前端电路。图1示出根据一个示例的改进的光子测量前端电路100的示意性框图。应该注意，本文附图中示出的箭头方向是信号的传输方向，而不一定是信号的流动方向。

如图1所示，改进的光子测量前端电路100包括积分模块110、比较器120、传输控制器130、负反馈模块140和测量模块150。

积分模块110用于连接光电传感器(未示出)的输出端和负反馈模块140的输出端。积分模块110可以接收来自光电传感器的初始信号和来自负反馈模块140的反馈信号，对初始信号和反馈信号的差进行积分并且输出积分信号。

比较器120的一个输入端连接积分模块110的输出端并且比较器120的另一输入端接入一个参考电平。比较器120可以将积分信号与参考电平进行比较并生成比较信号。例如，当积分信号的电平值高于参考电平时，比较器120可以输出高电平，当积分信号的电平值等于或小于参考电平时，比较器120可以输出低电平。因此，比较器120输出的比较信号中可以只存在高电平和低电平两种状态。

传输控制器130的输入端连接比较器120的输出端。传输控制器130可以利用时钟信号控制比较信号的传输以输出数字信号。数字信号中的、持续时间等于时钟信号的周期的高电平代表第一逻辑电平，数字信号中的、持续时间等于时钟信号的周期的低电平代表第二逻辑电平。在一个示例中，第一逻辑电平可以是逻辑电平“1”，第二逻辑电平可以是逻辑电平“0”，则数字信号是由逻辑电平“1”和“0”组成的序列。

负反馈模块140的输入端连接传输控制器130的输出端，负反馈模块140可以将数字信号转换为反馈信号并且将反馈信号反馈给积分模块110。所述反馈信号与初始信号的流动方向相反。

可以理解，当有效事件或暗事件发生时，一开始获得的积分信号比较小，比较信号和数字信号可以一直处于低电平状态。当积分信号的电平值大于参考电平时，比较信号中出现一个高电平。随后，数字信号中也会出现一个高电平。可以将有效事件发生时在比较信号或数字信号中的第一个高电平出现的时间作为高能光子的到达时间。本文所述的有效事件是指高能光子(例如伽玛光子等)在与光电传感器相连的闪烁晶体中作用而引起的在光电传感器中产生电流信号的事件，暗事件是指噪声(通常是热电子)引起的在光电传感器中产生电流信号的事件。在发生有效事件或暗事件时，光电传感器可以输出一个脉冲电流信号(即初始信号)。有效事件产生的电流信号的能量远大于暗事件产生的电流信号的能量，前者通常是后者的几十至几千倍。因此，通过分析光电传感器输出的电流信号的能量可以确定发生的事件是有效事件还是暗事件。

测量模块150可以利用数字信号测量高能光子的能量、到达时间等各种信息。

如上文所述，通过测量高能光子作用到闪烁晶体上时(即有效事件发生时)产生的前几个可见光子发生的时间，可以取得最佳的时间分辨率。根据改进的光子测量前端电路100的工作原理，通过设定比较器120的参考电平可以控制在比较信号或数字信号中的第一个高电平出现时需要在积分模块110中累积的电荷。因此，期望的是，通过将参考电平设定为等于n个可见光子产生的电信号在积分模块110中进行积分获得的积分信号的电平值能够取得最佳的时间分辨率。然而，由于如上文所述的暗事件导致电荷基线漂移的因素，采用这种方式可能难以获得理想的时间测量精度。

应当理解，图1及相关描述仅用于示例性地说明改进的光子测量前端电路的结构，其并不表明本发明实施例提供的装置仅适用于图1所示的光子测量前端电路。本发明实施例提供的装置可以适用于其他采用类似结构和原理的光子测量前端电路。

为解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供一种用于测量光子时间信息的装置。图2示出根据本发明一个实施例的用于测量光子时间信息的装置200的示意性框图。

如图2所示，装置200包括电流检测电路210和处理电路220。电流检测电路210用于连接光电传感器，检测光电传感器输出的初始信号并生成相应的检测信号。处理电路220的输入端连接电流检测电路210的输出端，处理电路220用于根据检测信号确定光电传感器检测到的高能光子的到达时间，根据检测信号估计时间漂移量，并基于时间漂移量对到达时间进行修正。

可选地，本文所述的光电传感器可以是任何合适的光电传感器，诸如SiPM、PMT、雪崩光电二极管(APD)等。另外，本文所述的光电传感器可以是传感器微元、传感器单元、传感器阵列等各种规模下的光电检测器件，而不局限于一个完整的独立传感器。本领域技术人员可以理解，在PET系统中，当发生正电子湮灭时，会产生一对伽玛光子。闪烁晶体受到伽玛光子的撞击时，光电传感器会输出初始信号，该初始信号通常是脉冲电流信号。光电传感器可以将该初始信号输出到装置200，以便由装置200通过测量该初始信号来获得伽玛光子的时间信息，并结合如伽玛光子的能量信息等信息获得关于正电子湮灭事件的信息。

电流检测电路210用于检测光电传感器输出的初始信号，其可以采用类似图1所示的除测量模块150之外的其他电路部分实现。可以理解的是，电流检测电路210检测的是光电传感器在一定时段内输出的初始信号。在该时段内，可能发生有效事件或暗事件，也可能未发生任何事件。在没有事件发生的时段内，光电传感器输出的初始信号为0，电流检测电路210生成的检测信号也可以是0。

处理电路220可以采用任何合适的硬件、软件和/或固件实现，例如其可以采用现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)、微控制单元(MCU)或中央处理单元(CPU)等实现。处理电路220可以根据检测信号确定高能光子的到达时间。例如，可以采用时间数字转换器(TDC)测量检测信号的上升沿，以确定到达时间。处理电路220还可以根据检测信号估计时间漂移量。如上文所述，暗事件产生的电荷可以累积在光子测量前端电路100的积分模块中，使得电荷基线发生漂移。检测信号的电平值可以反映有效事件和/或暗事件是否发生及有效事件和/或暗事件产生的能量的大小。因此，根据检测信号可以估计有效事件发生时累积在积分模块中的电荷量，从而可以估计时间漂移量。随后，可以根据时间漂移量对到达时间进行修正。

装置200可以采用类似改进的光子测量前端电路100的硬件结构来实现，其硬件结构简单，成本低。装置200可以解决类似光子测量前端电路100的光子测量前端电路中存在的由于暗事件引起电荷基线漂移并进而导致时间测量不准确的问题。

根据本发明实施例的装置，估计时间漂移量并基于时间漂移量对到达时间进行修正，这可以修正由暗事件带来的时间测量误差，简单方便地获得高精度的时间测量结果。

可选地，检测信号可以是数字信号。数字信号由持续时间相等的高电平和低电平组成，数字信号中的所有高电平之和与初始信号对时间的积分成正比。在一个示例中，电流检测电路可以实现为图3所示的电路310的形式，以生成上述数字信号。图3示出根据本发明一个实施例的用于测量光子时间信息的装置300的示意性框图。

如图3所示，积分模块311用于连接光电传感器的输出端和负反馈模块314的输出端，接收来自光电传感器的初始信号和来自负反馈模块314的反馈信号，对初始信号和反馈信号的差进行积分并且输出积分信号。

电流检测电路310是包括负反馈环节的电路，反馈信号被输入到积分模块311。同时，积分模块311还接收光电传感器输出的初始信号。初始信号和反馈信号均为电流信号，它们的流动方向是相反的。例如，如果初始信号是从积分模块311流出的，则可以将反馈信号设定为从负反馈模块314流向积分模块311。因此，对于积分模块311来说，实际上最终输入的是初始信号与反馈信号之间的差，积分模块311可以对该差进行积分。积分模块311可以采用模拟积分电路实现，例如通过电阻、电容、运算放大器等元器件组成的电路实现。

比较器312的一个输入端连接积分模块311的输出端并且比较器312的另一输入端接入参考电平，比较器312用于将积分信号与参考电平进行比较并生成比较信号。

例如，当积分信号的电平值高于参考电平时，比较器312可以输出高电平，当积分信号的电平值等于或小于参考电平时，比较器312可以输出低电平。因此，比较器312输出的比较信号中可以只存在高电平和低电平两种状态。也就是说，比较器312输出的比较信号可以是随时间变化而在高电平和低电平两种状态之间切换的信号。可选地，参考电平可以是地电平。参考电平可以具有任何合适的电平值。参考电平是地电平的实现方式较简单，最终获得的测量结果较准确。

传输控制器313的输入端连接比较器312的输出端，传输控制器313用于利用时钟信号控制比较信号的传输以输出数字信号，其中数字信号中的、持续时间等于时钟信号的周期的高电平代表第一逻辑电平，数字信号中的、持续时间等于时钟信号的周期的低电平代表第二逻辑电平。

比较信号可以是随时间变化而在高电平和低电平两种状态之间切换的信号。在比较信号中，高电平和低电平的持续时间可能是实时变化的，是无法确定的。因此，可以通过传输控制器313对比较信号进行时间上的量化，使得每段连续的高电平或低电平的持续时间都是时钟信号的周期的整数倍。这种时间上的量化相当于模数转换过程中的时间离散化，因此，从功能性上来看，可以将比较器312和传输控制器313这二者视作一个1位的ADC。在传输控制器313输出的数字信号中，持续时间等于时钟信号的周期的高电平代表第一逻辑电平，持续时间等于时钟信号的周期的低电平代表第二逻辑电平。在一个示例中，第一逻辑电平可以是逻辑电平“1”，第二逻辑电平可以是逻辑电平“0”，则数字信号是由逻辑电平“1”和“0”组成的序列。假设时钟信号的频率为100Hz，即周期为0.01s，则在数字信号中，单个“1”或“0”的持续时间是0.01s。另外，可以理解的是，当多个“1”或多个“0”连续出现时，该多个“1”或多个“0”的持续时间是0.01s的整数倍。传输控制器313可以是寄存器或受时钟信号控制的开关电路等。

负反馈模块314的输入端连接传输控制器313的输出端，负反馈模块314用于将数字信号转换为反馈信号并且将反馈信号反馈给积分模块311。

负反馈模块314可以包括数模转换器(DAC)，用于对数字信号进行数模转换以将其转换为模拟信号。具体地，该DAC可以是1位的DAC，以将传输控制器313输出的由“1”和“0”组成的序列转换为模拟信号，例如转换为幅度随时间变化的电压信号。负反馈模块314可以进一步包括电流输出电路(可视作一个“受控电流源”)，例如由一个电阻组成的电流输出电路。DAC经由电流输出电路连接到积分模块311的输入端。电流输出电路基于上述电压信号产生一个电流信号，即反馈信号。所述DAC和电流输出电路也可以简单地由一个电阻实现，传输控制器313所输出的数字信号是一种电压信号，其经过该电阻即可转换为电流信号，即反馈信号。所述反馈信号与初始信号方向相反，其与初始信号在积分模块311上的累积作用互相抵消，能够避免积分模块311所输出的积分信号过大，以保持电路稳定。可选地，负反馈模块314连接处理电路320。处理电路320可以进一步用于调整负反馈模块314输出的反馈信号的幅值。

由于反馈信号与初始信号在积分模块311上的累积作用正负相消，所以当初始信号的脉冲持续时间已经结束并且反馈信号的幅度稳定在零(即针对初始信号的负反馈作用已经停止)时，初始信号引发的反馈信号的累加值可以视作初始信号的累加值。又由于，反馈信号的累加值与数字信号中“1”的个数成正比。因此，可以利用数字信号来计算高能光子的能量。当然，也可以利用比较器312输出的比较信号来计算高能光子的能量，只需在后续的处理电路320中加入与传输控制器313相同的电路。

处理电路320的输入端连接传输控制器313的输出端，处理电路320可以根据数字信号测量高能光子的到达时间。根据另一示例，处理电路320的输入端也可以连接比较器312的输出端，用于根据比较信号测量高能光子的到达时间。

具体地，处理电路320可以包括时间测量模块。时间测量模块的输入端可以连接传输控制器313的输出端，用于利用数字信号测量高能光子的到达时间。数字信号的上升沿出现的时间可以反映高能光子的到达时间。时间测量模块可以测量来自传输控制器313的数字信号的上升沿出现的时间。其方法为使用数字系统的时钟直接记录上升沿出现的时间。这种方法比较简单快捷，易于实现。时间测量模块也可以采用高精度的模拟TDC或者数字TDC(例如基于FPGA延迟线的数字TDC)，对数字信号的上升沿进行精确时间测量。这种方法可以提高时间测量的精度。

可选地，时间测量模块的输入端还可以连接比较器312的输出端，用于利用比较信号测量高能光子的到达时间。比较信号是没有经过传输控制器313在时间上进行量化的信号，因此，直接测量比较信号的时间信息，可以获得更准确的高能光子的时间信息。时间测量模块可以测量来自比较器312的比较信号的上升沿出现的时间。其方法为使用FPGA数字系统的时钟直接记录上升沿的出现时间。时间测量模块也可以采用高精度的模拟TDC或者数字TDC(例如基于FPGA延迟线的数字TDC)，对比较信号的上升沿进行精确时间测量。

除时间测量以外，处理电路320还可以根据数字信号进行其他期望测量，如能量测量、暗电流测量、波形测量、增益测量等。

根据本发明实施例的装置300的电路结构简单，可以不使用或较少使用放大器、ADC等有源器件。因此，这样的装置的成本低廉，功耗低。

生成数字化的检测信号可以方便后续对高能光子的能量或时间等信息进行计算。

示例性地，比较器312接收的参考电平等于光电传感器检测到特定数目的可见光子时所输出的初始信号在积分模块中进行积分所获得的积分信号的电平值。特定数目可以是任何合适的数目，其可以根据需要而定，本发明不对此进行限制。例如，特定数目可以等于10。在特定数目等于10的情况下，触发可用于时间测量的脉冲信号(即触发数字信号中的高电平)可能发生在有效事件产生的第1～10个可见光子的电荷被积分模块收集到的时刻。经平均，可以认为触发可用于时间测量的脉冲信号发生在有效事件产生的第5个可见光子的电荷被积分模块收集到的时刻。通过这种配置方式可以尽量取得较高的时间分辨率。

示例性地，处理电路120可以通过以下方式确定高能光子的到达时间：根据数字信号中的高电平和低电平的出现规律确定有效触发时间并将有效触发时间作为到达时间，其中，有效触发时间是有效事件触发数字信号中的高电平的时间。在一个示例中，有效触发时间可以是由有效事件触发的在数字信号中从低电平跳变至高电平的时间，即上升沿。在另一示例中，有效触发时间可以是由有效事件触发的在数字信号中从高电平跳变至低电平的时间，即下降沿。在又一示例中，有效触发时间可以是由有效事件触发的高电平的持续时间中的任意时刻。

如上文所述，数字信号可以是由逻辑电平“1”和“0”组成的序列。在这种情况下，可以认为数字信号中第一逻辑电平“1”的出现是由有效事件或暗事件触发的。下面举例说明。

一个可见光子和一个暗事件在光电传感器中产生的初始信号是相同的，因此在积分模块中进行积分获得的积分信号的电平值也是相同的，假设都是0.1V。另外，假设比较器的参考电平等于1V，相当于10个可见光子或10个暗事件在光电传感器中产生的初始信号在积分模块中进行积分获得的积分信号的总电平值。由于一个高能光子能够引发大量可见光子，因此每个有效事件产生的能量远大于每个暗事件产生的能量。但是暗事件发生的频率高于有效事件发生的频率。

图4示出根据本发明一个实施例的电流检测电路生成的数字信号的波形示意图。图4仅用于说明目的，其并未完全按照比例绘制。图4的时间轴按照从左到右的顺序逐渐推移。如图4所示，数字信号中包括4个高电平(即第一逻辑电平“1”)，分别用410、420、430和440表示。在高电平410和高电平420之间存在98个低电平(即第二逻辑电平“0”)，在高电平420和高电平430之间存在101个低电平，在高电平430和高电平440之间存在50个低电平。假设暗事件每10纳秒发生1次，则每1微秒发生100次，也就是说，每过1微秒暗事件产生的初始信号在积分模块中进行积分获得的积分信号达到参考电平，数字信号输出一次“1”，而在两个“1”之间可以是99个“0”。以上描述的是理想状态，实际上，两个暗事件之间出现的“0”的个数通常不是恒定的，而可以在某个范围内上下浮动，如图4所示。

如上文所述，有效事件产生的电流信号的能量远大于暗事件产生的电流信号的能量，因此，当有效事件未发生时，数字信号中由于暗事件的存在可以出现零散的“1”，而当有效事件发生时，数字信号中可以在较短的时间内出现大量的“1”。因此，可以根据数字信号中的高电平和低电平的出现规律确定有效事件是否发生。在确定有效事件未发生的情况下，可以将每次“1”出现的时间或结束的时间或在其出现与结束期间的任意时刻视为暗事件触发数字信号中的高电平的时间，即暗触发时间。在确定有效事件发生的情况下，可以将有效事件引起的第一个“1”出现的时间或结束的时间或在其出现与结束期间的任意时刻视为有效事件触发数字信号中的高电平的时间，即有效触发时间。结合图4，高电平410、420和430的上升沿对应的时间是暗触发时间，高电平440的上升沿对应的时间是有效触发时间。

这样，根据数字信号中的高电平和低电平的出现规律可以确定有效触发时间和/或暗触发时间。每个有效事件的发生对应着一次高能光子的产生，当希望获知某次高能光子的到达时间时，可以通过其对应有效事件的有效触发时间确定，也就是说，可以将有效触发时间视为高能光子的到达时间。

示例性地，处理电路120可以通过以下方式估计时间漂移量：根据数字信号中的高电平和低电平的出现规律确定在有效触发时间之前的前一暗触发时间，其中，暗触发时间是暗事件触发数字信号中的高电平的时间；计算有效触发时间和前一暗触发时间之间的时间间隔；估计在时间间隔内发生的暗事件的量；以及根据在时间间隔内发生的暗事件的量估计时间漂移量。在一个示例中，暗触发时间可以是由暗事件触发的在数字信号中从低电平跳变至高电平的时间，即上升沿。在另一示例中，暗触发时间可以是由暗事件触发的在数字信号中从高电平跳变至低电平的时间，即下降沿。在又一示例中，暗触发时间可以是由暗事件触发的高电平的持续时间中的任意时刻。

暗事件的量可以是任何能够衡量发生多少暗事件的指标，例如暗事件的数量、暗事件的电荷量或暗事件的能量等。继续参考图4，在确定高电平440的出现代表一次有效事件的发生的情况下，如果希望获知该有效事件对应的高能光子的到达时间，可以通过以下方式来确定该到达时间对应的时间漂移量。从数字信号中可以发现，在高电平440出现之前，最近一次出现的高电平是高电平430。可以将高电平430对应的暗触发时间视为有效触发时间的前一暗触发时间。然后，可以计算有效触发时间和前一暗触发时间之间的时间间隔。在高电平430和高电平440之间存在50个“0”，假设每个“0”的持续时间等于10纳秒，则有效触发时间和前一暗触发时间之间的时间间隔为50纳秒。如上文所述，假设暗事件平均每10纳秒发生1次，则在50纳秒内可以发生50个暗事件。然后，可以根据经验或理论计算来估计50个暗事件产生的电荷累积在积分模块中会导致到达时间漂移多少(即估计时间漂移量)。在上述示例中，数字信号中的每个高电平和每个低电平的持续时间与两个连续的暗事件之间的时间间隔相等，然而，这仅是示例而非对本发明的限制。

图5a示出根据本发明一个实施例的在未进行修正的情况下到达时间的测量误差的分析图；图5b示出根据本发明一个实施例的采用用于测量光子时间信息的装置进行修正的情况下到达时间的测量误差的分析图。在图5a和5b中，横坐标表示误差相当于所确定的到达时间与实际到达时间之间相差多少个可见光子的出现时间，纵坐标表示所确定的到达时间与实际到达时间之间相差对应横坐标所指示的数目的可见光子的出现时间的次数。

图5a和5b所示的实施例是在参考电平等于10个可见光子所输出的初始信号在积分模块中进行积分所获得的积分信号的电平值的条件下实现。如上文所述，在特定数目等于10的情况下，触发可用于时间测量的脉冲信号(即触发数字信号中的高电平)可能发生在有效事件产生的第1～10个可见光子的电荷被积分模块收集到的时刻。经平均，可以认为触发可用于时间测量的脉冲信号发生在有效事件产生的第5个可见光子的电荷被积分模块收集到的时刻。利用这种方式估计可用于时间测量的脉冲信号的发生时间时，如果未经过本发明实施例提供的装置的修正，则该发生时间的误差，也就是高能光子的到达时间的误差为-5～+4个可见光子的出现时间。如图5a的仿真结果所示，由于统计起伏，误差为-5～+4个可见光子的出现时间的情况的分布不完全一致。这种情况的均方根(RMS)误差为2.9144。

如图5b所示，在采用用于测量光子时间信息的装置进行修正的情况下，误差的分布从近似均匀分布变成近似正态分布，RMS误差从2.9144降低为1.8943。因此，采用本发明实施例提供的装置估计时间漂移量并基于时间漂移量对到达时间进行修正可以有效降低时间测量误差。

进一步地，参考图6，示出根据本发明一个实施例的在未进行修正和采用用于测量光子时间信息的装置进行修正的情况下到达时间的测量误差的分析图。图6的横坐标表示所设定的可见光子的特定数目，纵坐标表示在对应横坐标所指示的可见光子的特定数目的设定条件下的均方根误差。图6的横坐标所表示的特定数目即为上文所述的设定参考电平以使其等于光电传感器检测到特定数目的可见光子时所输出的初始信号在积分模块中进行积分所获得的积分信号的电平值的实施例中所描述的特定数目。

在图6中，上方的曲线为在未进行修正的情况下到达时间的测量误差的曲线，下方的曲线为在采用用于测量光子时间信息的装置进行修正的情况下到达时间的测量误差的曲线。

特定数目可以用n表示。根据图6，可以比较不同n值(横坐标轴中的2～20)的设定条件下的RMS误差。从图6中可见，采用本发明实施例提供的装置估计时间漂移量并基于时间漂移量对到达时间进行修正可以降低时间测量误差，并且当n越大时，未修正和经修正的情况下的误差差距越明显。

示例性地，处理电路可以通过以下方式根据在时间间隔内发生的暗事件的量估计时间漂移量：利用查找表和在所述时间间隔内发生的暗事件的量估计所述时间漂移量，其中，查找表用于记录暗事件的量和时间漂移量之间的关系。

暗事件的量和时间漂移量之间的关系可以通过任何合适的方式预先确定并记录在查找表中，例如可以通过理论计算、计算机仿真或实验等方式预先确定暗事件的量和时间漂移量之间的关系。例如，可以利用示波器测量积分模块输出的积分信号的波形，确定每次有效事件发生时电荷基线的漂移情况，并且可以确定时间漂移量。然后，可以根据当前的暗事件导致的电荷漂移量从查找表中查找对应的时间漂移量。查找表记录的内容可能因光电传感器的设计不同而有所区别，因此可以通过实验等方式预先测定。

例如，查找表中可以记录：电荷基线漂移1个暗事件对应的电荷量导致时间漂移0.1纳秒，电荷基线漂移2个暗事件对应的电荷量导致时间漂移0.22纳秒，电荷基线漂移5个暗事件对应的电荷量导致时间漂移0.6纳秒，等等。然后，在已知电荷基线漂移5个暗事件对应的电荷量的情况下，可以确定到达时间漂移了0.6纳秒。也就是说，可以认为高能光子的实际到达时间比有效触发时间晚0.6纳秒。这样，可以基于上述原理对高能光子的到达时间进行修正。

暗事件的量与时间漂移量之间可能不是线性关系，所以可以利用查找表确定到达时间漂移多少。当然，在暗事件的量与时间漂移量之间是线性关系的情况下，可以直接根据暗事件的量计算时间漂移量。

在一个实施例中，处理电路可以包括时间测量模块和时间修正模块，时间测量模块用于根据检测信号确定光电传感器检测到的高能光子的到达时间；时间修正模块用于估计高能光子的到达时间的漂移量，并基于漂移量对到达时间进行修正。可以采用两个电路模块分别确定到达时间和对到达时间进行修正。由以上描述可知，处理电路可以是具有数据处理能力的数字电路，因此，时间测量模块和时间修正模块均可以采用数字电路来实现。例如，通过编程方式，可以利用诸如FPGA等的数字电路来实现时间测量模块和时间修正模块的功能。通过分开的电路模块来实现时间测量模块和时间修正模块，方便对电路进行管理和维护。

可选地，处理电路可以包括能量测量模块、暗电流测量模块和波形测量模块中的一个或多个。在一个示例中，处理电路包括能量测量模块，用于根据检测信号确定光电传感器检测到的高能光子的能量。在另一个示例中，处理电路可以包括暗电流测量模块，用于根据检测信号测量光电传感器检测到的暗电流，暗电流可以用暗事件的量表示。在又一个示例中，处理电路可以包括波形测量模块，用于根据检测信号对初始信号进行波形重建和波形测量。

例如，处理电路可以包括能量测量模块。能量测量模块可以连接到上文所述的传输控制器313的输出端并利用数字信号测量高能光子的能量。数字信号中包含能量信息，该能量信息可以反映光电传感器所检测到的高能光子的能量大小。能量测量模块通过对数字信号进行某些运算(如求和)，可以计算出或推测出高能光子的能量大小。可以理解的是，能量测量模块可以通过数字信号获得高能光子的能量的相对值，该相对值可以代表高能光子的能量的确切值。另外，能量测量模块可以包括与传输控制器313相同的电路，并将该电路连接到上文所述的比较器312的输出端，该电路对比较信号进行处理之后，将输出与数字信号相同的信号，能量测量模块再利用该信号测量高能光子的能量，其计算过程与直接利用数字信号进行计算的过程相同，不再赘述。

可选地，能量测量模块可以包括计数器(未示出)，用于通过对第一逻辑电平进行计数来对高能光子进行能量测量。也就是说，可以通过累计数字信号中“1”的个数来进行能量测量。可选地，能量测量模块可以包括加法器(未示出)，用于通过对第一逻辑电平进行求和来对高能光子进行能量测量。也就是说，可以直接将数字信号中的“1”相加，将最后获得的和作为高能光子的能量大小。通过对第一逻辑电平进行计数或求和来进行能量测量的方法简单快捷，效率高。

处理电路可以包括暗电流测量模块。与能量测量模块类似地，暗电流测量模块可以连接比较器312或传输控制器313的输出端，以利用比较信号或数字信号进行暗电流测量。例如，暗电流测量模块可以通过对来自传输控制器313的数字信号进行运算来进行暗电流测量。例如，可以通过计算在未发生有效事件时单位时间内数字信号中的“1”的个数，来测算暗电流的大小。暗电流的大小正比于单位时间内数字信号中的“1”的个数。

处理电路可以包括波形测量模块。与能量测量模块和暗电流测量模块类似地，波形测量模块可以连接比较器312或传输控制器313的输出端，以利用比较信号或数字信号对初始信号进行波形重建和波形测量。例如，波形测量模块可以通过数字低通滤波的方法来对初始信号进行波形重建。在某些应用中，重建的波形可以用于实现高级的测量。

此外，处理电路可以包括用于进行增益测量的电路模块。

根据本发明的另一方面，提供一种用于测量光子时间信息的方法。图7示出根据本发明一个实施例的用于测量光子时间信息的方法700的流程示意图。

如图7所示，方法700包括以下步骤。

在步骤S710，检测光电传感器输出的初始信号并生成相应的检测信号。

在步骤S720，根据检测信号确定光电传感器检测到的高能光子的到达时间。

在步骤S730，根据检测信号估计时间漂移量。

在步骤S740，基于时间漂移量对到达时间进行修正。

可选地，检测信号可以是数字信号，数字信号由持续时间相等的高电平和低电平组成，数字信号中的所有高电平之和与初始信号对时间的积分成正比。

可选地，步骤S720可以包括：根据数字信号中的高电平和低电平的出现规律确定有效触发时间并将有效触发时间作为到达时间，其中，所述有效触发时间是有效事件触发数字信号中的高电平的时间。

可选地，步骤S730可以包括：根据数字信号中的高电平和低电平的出现规律确定在有效触发时间之前的前一暗触发时间，其中，所述暗触发时间是暗事件触发数字信号中的高电平的时间；计算有效触发时间和前一暗触发时间之间的时间间隔；估计在时间间隔内发生的暗事件的量；以及根据在时间间隔内发生的暗事件的量估计时间漂移量。

可选地，根据在时间间隔内发生的暗事件的量估计时间漂移量可以包括：利用查找表和在所述时间间隔内发生的暗事件的量估计所述时间漂移量，其中，查找表用于记录暗事件的量和时间漂移量之间的关系。

本领域技术人员根据以上关于用于测量光子时间信息的装置的描述以及附图1至6，能够理解本文所公开的用于测量光子时间信息的方法700的实施方式及其优点等，为了简洁，本文不对此进行赘述。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (12)

1.一种用于测量光子时间信息的装置，包括：

电流检测电路，其用于连接光电传感器，检测所述光电传感器输出的初始信号并生成相应的检测信号；以及

处理电路，所述处理电路的输入端连接所述电流检测电路的输出端，所述处理电路用于根据所述检测信号确定所述光电传感器检测到的高能光子的到达时间，根据所述检测信号估计有效事件发生时累积在所述电流检测电路中的积分模块中的电荷量以估计时间漂移量，并基于所述时间漂移量对所述到达时间进行修正；

其中，所述电流检测电路包括所述积分模块、比较器、传输控制器和负反馈模块，其中，

所述积分模块用于连接所述光电传感器的输出端和所述负反馈模块的输出端，接收来自所述光电传感器的所述初始信号和来自所述负反馈模块的反馈信号，对所述初始信号和所述反馈信号的差进行积分并且输出积分信号；

所述比较器的一个输入端连接所述积分模块的输出端并且所述比较器的另一输入端接入参考电平，所述比较器用于将所述积分信号与所述参考电平进行比较并生成比较信号；

所述传输控制器的输入端连接所述比较器的输出端，所述传输控制器用于利用时钟信号控制所述比较信号的传输以输出数字信号，其中所述数字信号中的、持续时间等于所述时钟信号的周期的高电平代表第一逻辑电平，所述数字信号中的、持续时间等于所述时钟信号的周期的低电平代表第二逻辑电平，所述检测信号是所述数字信号，

所述负反馈模块的输入端连接所述传输控制器的输出端，所述负反馈模块用于将所述数字信号转换为所述反馈信号并且将所述反馈信号反馈给所述积分模块；

其中，所述处理电路的输入端连接所述传输控制器的输出端。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理电路通过以下方式确定所述到达时间：

根据所述数字信号中的高电平和低电平的出现规律确定有效触发时间并将所述有效触发时间作为所述到达时间，其中，所述有效触发时间是有效事件触发所述数字信号中的高电平的时间。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述处理电路通过以下方式估计所述时间漂移量：

根据所述数字信号中的高电平和低电平的出现规律确定在所述有效触发时间之前的前一暗触发时间，其中，所述暗触发时间是暗事件触发所述数字信号中的高电平的时间；

计算所述有效触发时间和所述前一暗触发时间之间的时间间隔；

估计在所述时间间隔内发生的暗事件的量；以及

根据在所述时间间隔内发生的暗事件的量估计所述时间漂移量。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述暗事件的量包括暗事件的数量、暗事件的电荷量或暗事件的能量。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述处理电路通过以下方式根据在所述时间间隔内发生的暗事件的量估计所述时间漂移量：

利用查找表和在所述时间间隔内发生的暗事件的量估计所述时间漂移量，其中，所述查找表用于记录暗事件的量和时间漂移量之间的关系。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述参考电平等于所述光电传感器检测到特定数目的可见光子时所输出的初始信号在所述积分模块中进行积分所获得的积分信号的电平值。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述特定数目等于10。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理电路进一步包括能量测量模块，用于根据所述检测信号确定所述光电传感器检测到的高能光子的能量。

9.一种用于测量光子时间信息的方法，包括：

利用电流检测电路检测光电传感器输出的初始信号并生成相应的检测信号；

利用处理电路根据所述检测信号确定所述光电传感器检测到的高能光子的到达时间；

利用所述处理电路根据所述检测信号估计有效事件发生时累积在所述电流检测电路中的积分模块中的电荷量以估计时间漂移量；以及

利用所述处理电路基于所述时间漂移量对所述到达时间进行修正；

其中，所述电流检测电路包括所述积分模块、比较器、传输控制器和负反馈模块，其中，

所述积分模块用于连接所述光电传感器的输出端和所述负反馈模块的输出端，接收来自所述光电传感器的所述初始信号和来自所述负反馈模块的反馈信号，对所述初始信号和所述反馈信号的差进行积分并且输出积分信号；

所述比较器的一个输入端连接所述积分模块的输出端并且所述比较器的另一输入端接入参考电平，所述比较器用于将所述积分信号与所述参考电平进行比较并生成比较信号；

所述传输控制器的输入端连接所述比较器的输出端，所述传输控制器用于利用时钟信号控制所述比较信号的传输以输出数字信号，其中所述数字信号中的、持续时间等于所述时钟信号的周期的高电平代表第一逻辑电平，所述数字信号中的、持续时间等于所述时钟信号的周期的低电平代表第二逻辑电平，所述检测信号是所述数字信号，

所述负反馈模块的输入端连接所述传输控制器的输出端，所述负反馈模块用于将所述数字信号转换为所述反馈信号并且将所述反馈信号反馈给所述积分模块；

其中，所述处理电路的输入端连接所述传输控制器的输出端。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述根据所述检测信号确定所述光电传感器检测到的高能光子的到达时间包括：

根据所述数字信号中的高电平和低电平的出现规律确定有效触发时间并将所述有效触发时间作为所述到达时间，其中，所述有效触发时间是有效事件触发所述数字信号中的高电平的时间。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述根据所述检测信号估计时间漂移量包括：

根据所述数字信号中的高电平和低电平的出现规律确定在所述有效触发时间之前的前一暗触发时间，其中，所述暗触发时间是暗事件触发所述数字信号中的高电平的时间；

计算所述有效触发时间和所述前一暗触发时间之间的时间间隔；

估计在所述时间间隔内发生的暗事件的量；以及

根据在所述时间间隔内发生的暗事件的量估计所述时间漂移量。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述根据在所述时间间隔内发生的暗事件的量估计所述时间漂移量包括：

利用查找表和在所述时间间隔内发生的暗事件的量估计所述时间漂移量，其中，所述查找表用于记录暗事件的量和时间漂移量之间的关系。