CN113721228A - 面阵单光子探测系统参数校正及数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面阵单光子探测系统校正及数据处理方法，包括：待校正面阵单光子探测系统准备完成；搭建反计时和系统延时误差校正系统，通过系统采集得到的数据，得到反计时与系统延时的校正模型与校正参数，用于对原始直方图数据中存在的反计时和系统延时误差进行校正；校正反计时和系统延时误差后，搭建像素响应度误差校正系统，对其中存在的像素响应度误差和仪器响应函数展宽误差进行校正。通过本发明的技术方案，对SPAD相机、激光器、实验场景等引入的多种误差具有良好而全面的抑制效果，可显著提升采集到数据的准确性；且此校正系统与校正方法实现简单，可推广应用于各类面阵单光子探测系统和器件的误差校正。

Description

面阵单光子探测系统参数校正及数据处理方法

技术领域

本发明属于单光子探测技术领域，尤其涉及一种面阵单光子探测系统的参数校正及数据处理方法。

背景技术

面阵单光子探测系统具有单光子探测灵敏度、空间分辨率高、采集速度快、机械结构简单、可有效分辨光子飞行时间等优点，被广泛应用于生物荧光寿命成像、远距离激光雷达、无人驾驶、非视域成像、光飞行轨迹成像等领域，成为近年来国内外先进成像领域的研究热点之一。

基于单光子雪崩二级管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)的面阵单光子探测系统主要包括SPAD相机、高重频脉冲激光器和同步信号发生器等。以激光雷达测距系统为例的面阵单光子探测系统如图1所示，用信号传输线将信号发生器与SPAD相机和脉冲激光器相连，组成面阵单光子探测系统，并由信号发生器为脉冲激光器和SPAD相机提供同步脉冲。

图2为面阵单光子探测系统工作在时间相关单光子计数(Time-correlatedSingle-photon Counting，TCSPC)模式下进行单光子时间分辨探测的示意图。

信号发生器产生同步脉冲的上升沿触发激光脉冲发射，当场景返回的光子到达探测器时，计时器会记录从“发射光子”到“光子被探测”两个时刻的时间间隔，代表了光子在场景中的飞行时间；探测器在接收到一个光子后会进入“死时间”，无法继续敏感后续到达的光子，即在一个时钟帧内(一个时钟帧通常包含很多个同步脉冲周期，即多个激光脉冲发射周期)，探测器最多只能探测到一个到达光子并记录光子飞行时间。在SPAD相机的工作过程中，由于光子探测概率极低，如果在每个同步脉冲周期中均开启计时装置(时间数字转换器，Time-to-digital converter，TDC)，会造成功耗的无故增加。因此在SPAD相机的设计中，为降低功耗，通常采用“反计时”(Reverse Start-stop)工作模式；以光子到达的时刻为计时起点，以随后的同步脉冲上升沿为计时终点，得到光子飞行时间信息(如图2中的TDC运行时间所示)；此时，真实的光子飞行时间可由同步脉冲周期与计时结果的差值得到。

当经过很多个时钟帧后，探测器会得到多个光子的飞行时间，形成光子计数沿着光子飞行时间分布的统计直方图。直方图中的总光子计数代表探测到的光强大小，光子到达时间分布表示探测场景的距离或其他的时间相关信息。图3所示为图1测试系统的探测结果，t为统计直方图分布的峰值位置所对应的光子飞行时间，D为反射屏距离面阵单光子探测系统的距离(图3结果中对应距离为2D≈7m，实际中光子往返飞行的距离为D的两倍)。

在利用面阵单光子探测系统进行实际数据获取时存在多种类型的误差，导致数据无法反映待测场景的真实信息。因此，对面阵单光子探测系统中存在的多种类型的误差进行校正是必要的。

实际探测结果中存在的误差主要包括：

(1)反计时模式带来的计时偏差：由于SPAD相机大多采用反计时配置，导致实际采集得到的光子飞行时间为脉冲光发射周期与真实光子飞行时间的差，需要对此时间记录偏差进行校正。

(2)系统延时导致的计时误差：由于探测系统中信号发生器与脉冲激光器和SPAD相机连接的同步信号传输线存在差异，以及脉冲激光器、SPAD相机存在内部信号生成与处理的时间，计时结果会产生相应的系统延时，导致的光子飞行时间记录结果中包含系统性偏差，需要对系统延时误差进行校正。

(3)像素坏点导致的光强记录和计时误差：由于SPAD探测器生产制作工艺的缺陷，SPAD相机中存在无法有效敏感光子并进行光子飞行时间分辨的像素点，一般称之为“像素坏点”。此类坏点中不包含有任何有用信息，且其异常的光子计数值会对探测结果的后续处理产生影响，因此需要对此类坏点进行剔除和补偿。

(4)像素响应度差异导致的光强和计时误差：在SPAD相机的SPAD探测器阵列中，受到敏感元件、读出电路和制作工艺的差异性等影响，每个像素点的光强响应度和计时延时并不相同，因此需要对每个像素点进行不一致性误差校正，达到响应的一致性。

(5)探测系统仪器响应函数引入的计时结果展宽：探测系统中的光源脉宽和探测器的时间抖动会使探测得到的实际直方图与理想直方图相比存在展宽现象，如图4所示。直方图的展宽会在系统计时信息评判和时间分辨率等方面产生误差，因而需要对探测器系统仪器响应函数引入的计时结果展宽进行校正。

在面阵单光子探测系统的使用过程中，上述五个问题会导致由面阵单光子探测系统采集到的数据偏离真实值，无法直接用于信息提取或后续处理，必须对以上误差进行校正。

发明内容

为了解决上述已有技术存在的不足，本发明提出一种面阵单光子探测系统参数校正及数据处理方法，本发明的具体技术方案如下：

一种面阵单光子探测系统校正及数据处理方法，包括以下步骤：

S1：将激光器、SPAD相机与信号发生器连接，准备待校正面阵单光子探测系统；

S2：在与待校正面阵单光子探测系统距离D处设置反射屏，搭建反计时和系统延时误差校正系统，通过采集的数据，以光子飞行时间为因变量，距离D为自变量拟合直线得到反计时与系统延时的校正模型与校正参数，用于校正原始直方图数据中存在的反计时和系统延时误差；

S3：在激光器与反射屏之间设置由毛玻璃制成的扩束镜，搭建像素响应度误差校正系统，校正像素响应度误差和仪器响应函数展宽误差。

进一步地，所述步骤S2中校正原始直方图数据中存在的反计时和系统延时误差的方法为：

S2-1：激光器对准反射屏照射激光，SPAD相机对反射屏进行探测，移动反射屏，改变反射屏与单光子相机和激光器之间的距离D；得到不同距离D及对应的SPAD相机采集的光子飞行时间；

S2-2：对不同距离D下的光子飞行时间进行线性拟合，得到反计时与系统延时的校正模型；拟合直线发生跳变的光子飞行时间即反计时与系统延时的校正参数；

S2-3：对实测直方图的各时间点进行移位和时间翻转操作，得到反计时和系统偏差校正后的直方图信息。

进一步地，所述步骤S3的具体过程为：

S3-1：使用毛玻璃将激光器输出的脉冲激光变成均匀光，并照射反射屏，使用待校正面阵单光子探测系统对反射屏进行探测，以SPAD相机各像素单元采集的光子计数总数为参考，设置阈值，剔除像素坏点，通过相邻像素点的插值结果实现校正；

S3-2：通过对SPAD相机的实际探测结果与由相同真实场景的仿真模型计算的理论真值对比，得到面阵单光子探测系统中的像素响应度差异导致的光强和计时误差，在去除坏点误差后的直方图中对光强误差进行乘法补偿，对计时误差进行移位补偿；

S3-3：依据步骤S3-2中SPAD相机的实际探测结果，以各像素点的直方图分布作为该像素点的面阵单光子探测系统的系统响应函数，将其作为卷积核与经过步骤S3-2校正后的直方图进行反卷积运算，校正面阵单光子探测系统的系统响应函数引入的计时结果展宽，得到符合真实实验场景的直方图数据。

本发明的有益效果在于：本发明的方法对SPAD相机、激光器、实验场景等引入的多种误差具有良好而全面的抑制效果，可显著提升采集到数据的准确性；且此校正系统与校正方法实现简单，可推广应用于各类面阵单光子探测系统和器件的误差校正。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1为应用面阵单光子探测的激光雷达测距系统图；

图2为面阵单光子探测系统的TCSPC工作模式；

图3为面阵单光子统计直方图分布；

图4为仪器响应函数对直方图的影响；

图5为本发明的方法流程图；

图6为系统延时校正线性拟合结果；

图7(a)和(b)分别为反计时与系统延时误差校正前后直方图；

图8为单光子面阵相机各像素点响应度校正系统；

图9为像素坏点对应的直方图分布；

图10(a)和(b)分别为像素坏点校正前后的直方图分布；

图11(a)和(b)分别为均匀面照明下相机各像素点实际光子计数总数分布与理论分布图；

图12(a)和(b)分别为均匀面照明下实际光子飞行时间与理想光子飞行时间分布图；

图13为像素响应度差异导致的光强和计时误差校正前后直方图分布。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

如图5所示，本发明提供了一种面阵单光子探测系统参数校正及数据处理方法，在待校正面阵单光子探测系统准备完成后，分别搭建反计时与系统延时误差校正系统和像素响应度误差校正系统，通过系统采集得到的数据，得到反计时与系统延时校正模型与校正参数、像素坏点校正模型与校正参数、像素响应不一致性校正模型与校正参数和仪器响应函数展宽校正模型与校正参数，分别用于对面阵单光子探测系统采集得到的原始直方图数据进行误差校正，最终得到符合真实实验场景的准确直方图数据。

具体地，一种面阵单光子探测系统校正及数据处理方法，包括以下步骤：

S1：将激光器、SPAD相机与信号发生器连接，准备待校正面阵单光子探测系统；

S2：在与待校正面阵单光子探测系统距离D处设置反射屏，搭建反计时和系统延时误差校正系统，通过采集的数据，以光子飞行时间为因变量，距离D为自变量拟合直线得到反计时与系统延时的校正模型与校正参数，用于校正原始直方图数据中存在的反计时和系统延时误差；

校正原始直方图数据中存在的反计时和系统延时误差的方法为：

S2-1：激光器对准反射屏照射激光，SPAD相机对反射屏进行探测，移动反射屏，改变反射屏与单光子相机和激光器之间的距离D；得到不同距离D及对应的SPAD相机采集的光子飞行时间；

S2-2：对不同距离D下的光子飞行时间进行线性拟合，得到反计时与系统延时的校正模型；拟合直线发生跳变的光子飞行时间即反计时与系统延时的校正参数；

S2-3：对实测直方图的各时间点进行移位和时间翻转操作，得到反计时和系统偏差校正后的直方图信息。

S3：在激光器与反射屏之间设置由毛玻璃制成的扩束镜，搭建像素响应度误差校正系统，校正像素响应度误差和仪器响应函数展宽误差。

S3-1：使用毛玻璃将激光器输出的脉冲激光变成均匀光，并照射反射屏，使用待校正面阵单光子探测系统对反射屏进行探测，以SPAD相机各像素单元采集的光子计数总数为参考，设置阈值，剔除像素坏点，通过相邻像素点的插值结果实现校正；

S3-2：通过对SPAD相机的实际探测结果与由相同真实场景的仿真模型计算的理论真值对比，得到面阵单光子探测系统中的像素响应度差异导致的光强和计时误差，在去除坏点误差后的直方图中对光强误差进行乘法补偿，对计时误差进行移位补偿；

S3-3：依据步骤S3-2中SPAD相机的实际探测结果，以各像素点的直方图分布作为该像素点的面阵单光子探测系统的系统响应函数，将其作为卷积核与经过步骤S3-2校正后的直方图进行反卷积运算，校正面阵单光子探测系统的系统响应函数引入的计时结果展宽，得到符合真实实验场景的直方图数据。

为了方便理解本发明的上述技术方案，通过本发明的方法进行面阵单光子探测系统校正及数据处理，以说明方法的有效性。

1.反计时与系统延时校正

为了提高计时效率，采用反计时配置，为校正反计时配置和系统延时误差，将脉冲激光器、SPAD相机与信号发生器连接，SPAD相机与激光器位置几乎相同，在与激光器距离为D的位置设置反射屏，构成反计时和系统延时误差校正系统，如图1所示，系统工作在TCSPC模式下。

调整反射屏到激光器的距离D即改变光子飞行时间，得到实测飞行时间与距离的关系，得到不同距离D及对应的SPAD相机采集的光子飞行时间；由于反射屏与脉冲激光器、SPAD相机的距离较远，照射光线和反射光线之间的夹角可近似忽略，光走过的路程近似为二倍的距离D；如图6所示，对实验结果进行线性拟合得到距离D与实测光子飞行时间之间的关系，理论关系式为

D＝0.5·c·Δt·(P₀-P) (1)

其中，P为统计直方图中峰值光计数的位置，Δt表示直方图中横坐标相邻两个点的时间间隔(Timebin)，即SPAD相机在进行探测时的时间量化大小；P₀对应于D＝0时的位置，即系统计时的偏移量(系统延时)；P前的负号表示了随着距离的增加，计时结果减小，表明系统处于反计时模式。

系统中信号发生器输出的同步控制脉冲频率为20MHz，计时的量程为脉冲的周期50ns。由于待校正系统中的SPAD探测器的记录时间量化间隔为Δt＝55ps，理论上在直方图中对应的最大测量范围为50ns/55ps≈909。实验中的距离D和统计直方图中峰值光计数的位置P的关系及线性拟合结果如图6所示，由于探测系统有计时的系统偏差，导致计时结果在超过TDC的量程的时候会溢出。因此，在增加距离D的过程中，探测得到的计时信息会有分段的现象出现。拟合直线D₁与横坐标的交点对应公式(1)中的系统延时P₀，D₁与D₂的斜率均为负数表示了反计时模式下的变化规律。

基于以上线性拟合模型，对实测直方图的各时间点进行移位和时间翻转操作，得到反计时和系统偏差校正后的直方图信息。

以探测两个物体距离信息的场景为例，校正前后直方图对比如图7(a)和图7(b)所示，其中，t_Af表示校正反计时误差后的直方图峰值位置，t_Ar表示未校正反计时误差的直方图峰值位置，t₁表示激光脉冲发射周期。

2.像素坏点的校正

在进行系统时间误差校正后，对面阵单光子探测系统各个像素的光子响应度和计时的不一致性进行校正。搭建校正系统如图8所示。

将毛玻璃制成的扩束镜放置在激光器与反射屏之间，认为由激光器产生的脉冲激光经过扩束后，输出为均匀的面照明光照射反射屏。照明区域是相机的探测物平面，单光子面阵相机接收来自反射屏的反射光，理想情况下相机探测结果的光强分布由物平面到相机探测器各像素点的距离决定。但使用面阵单光子探测系统采集的数据如图9所示，存在亮度异常高且无有用信息的坏点。

SPAD相机不同于普通CMOS相机，SPAD相机的光子探测率不高。根据产品说明书所述，在635nm的激光主动照明的情况下，SPAD相机的探测率仅有20％。以SPAD相机的采集次数的20％为阈值，认为探测率超过20％的像素为“坏点”。对反计时与系统延时校正后的直方图中的像素坏点置零，用周围8个像素点探测结果的线性插值作为此像素坏点的探测结果，得到像素坏点校正后的近似直方图信息，图9所示的像素坏点校正前后的直方图信息如图10(a)和图10(b)所示。

3.像素响应不一致性校正

像素响应不一致性校正基于图8所示的实验装置，各个像素点的实际与理想的光强和光子飞行时间分布图如图11和图12所示，实际与理想情况的偏差表现为像素响应度不一致性。

通过对比实际探测结果与反射屏各点到扩束器和到面阵单光子探测器的实际距离，得到各个像素点探测时间的偏差。通过对比实际光强探测结果与反射屏各点反射光由传播距离引起的光强衰减规律，计算得到各个像素点的光子计数响应度补偿值。对经过像素坏点校正后的直方图的各时间点进行平移操作，补偿计时不一致性；对各像素点的光子计数值乘以补偿系数，补偿响应度不一致性；某像素点校正前后直方图分布如图13所示，其中t_a代表像素响应度误差校正后的直方图峰值位置所在的光子飞行时间，I_a代表像素响应度误差校正后的直方图峰值位置所对应的光子计数值，t_b代表像素响应度误差校正前的直方图峰值位置所在的光子飞行时间，I_b代表像素响应度误差校正前的直方图峰值位置所对应的光子计数值。

4.仪器响应函数校正

仪器响应函数校正基于图8所示的实验装置。由于脉冲激光器的输出光脉冲存在一定脉冲宽度，且SPAD相机对于到达光子的响应存在时间抖动，以Possion分布的概率出现在任何位置，所以在上述采集匀化光的过程中得到的直方图并非是一个理想的脉冲函数，而是具有一定宽度的函数分布，其中包含了激光脉冲宽度和相机时间抖动。脉宽和时间抖动带来的影响是一种卷积关系，把采集到的匀化光的直方图结果作为卷积核，将其与经过像素响应度误差校正的直方图进行反卷积操作，可得到符合真实实验场景的直方图数据。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种面阵单光子探测系统校正及数据处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将激光器、SPAD相机与信号发生器连接，准备待校正面阵单光子探测系统；

S2：在与待校正面阵单光子探测系统距离D处设置反射屏，搭建反计时和系统延时误差校正系统，通过采集的数据，以光子飞行时间为因变量，距离D为自变量拟合直线得到反计时与系统延时的校正模型与校正参数，用于校正原始直方图数据中存在的反计时和系统延时误差；

S3：在激光器与反射屏之间设置由毛玻璃制成的扩束镜，搭建像素响应度误差校正系统，校正像素响应度误差和仪器响应函数展宽误差。

2.根据权利要求1所述的一种面阵单光子探测系统校正及数据处理方法，其特征在于，所述步骤S2中校正原始直方图数据中存在的反计时和系统延时误差的方法为：

S2-1：激光器对准反射屏照射激光，SPAD相机对反射屏进行探测，移动反射屏，改变反射屏与单光子相机和激光器之间的距离D；得到不同距离D及对应的SPAD相机采集的光子飞行时间；

S2-2：对不同距离D下的光子飞行时间进行线性拟合，得到反计时与系统延时的校正模型；拟合直线发生跳变的光子飞行时间即反计时与系统延时的校正参数；

S2-3：对实测直方图的各时间点进行移位和时间翻转操作，得到反计时和系统偏差校正后的直方图信息。

3.根据权利要求1所述的一种面阵单光子探测系统校正及数据处理方法，其特征在于，所述步骤S3的具体过程为：

S3-1：使用毛玻璃将激光器输出的脉冲激光变成均匀光，并照射反射屏，使用待校正面阵单光子探测系统对反射屏进行探测，以SPAD相机各像素单元采集的光子计数总数为参考，设置阈值，剔除像素坏点，通过相邻像素点的插值结果实现校正；

S3-2：通过对SPAD相机的实际探测结果与由相同真实场景的仿真模型计算的理论真值对比，得到面阵单光子探测系统中的像素响应度差异导致的光强和计时误差，在去除坏点误差后的直方图中对光强误差进行乘法补偿，对计时误差进行移位补偿；

S3-3：依据步骤S3-2中SPAD相机的实际探测结果，以各像素点的直方图分布作为该像素点的面阵单光子探测系统的系统响应函数，将其作为卷积核与经过步骤S3-2校正后的直方图进行反卷积运算，校正面阵单光子探测系统的系统响应函数引入的计时结果展宽，得到符合真实实验场景的直方图数据。

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