CN116559841B - 光子计数方法、装置、芯片及设备 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了光子计数方法、装置、芯片及设备，该方法包括：响应于在当次测量中接收到的光子信号，确定各时差区间对应检测到的光子数；将各时差区间对应的上述光子数分别累加至低比特位存储器的相应低比特存储单元中；若检测到存在数据溢出的目标低比特存储单元，则调整进位寄存器中相应进位寄存单元的数值为预设数值；将进位寄存器中各进位寄存单元的数值分别累加至高比特位存储器的相应高比特存储单元中，并将进位寄存器清零；在测量次数达到目标测量次数时，基于各时差区间在低比特位存储器中对应的数据和在高比特位存储器中对应的数据，输出光子计数分布数据。本申请在不影响数据读写速率的前提下，提高了光子计数数据的存储密度。
Description
技术领域
本申请涉及激光雷达技术领域，特别涉及一种光子计数方法、装置、芯片及设备。
背景技术
时间相关单光子计数（Time-correlated Single Photon Counting，TCSPC）技术广泛用于各种对时间差计量精度有极高要求的领域，如激光雷达测距等，通过TCSPC可以得到光子计数分布数据，进而得到相应的时差区间分布直方图。如图1所示为光子计数分布数据的一个示例，光子计数分布数据存储器包括N个存储单元（即bin），每个存储单元bin对应一个时差区间，每个存储单元bin中存储的数据表示重复多次测量后在相应时差区间累计检测到的光子数量。例如，图1中存储单元bin3对应3dt~4dt时间区间，存储单元bin3中存储的数据表示在3dt~4dt时差区间内重复多次测量后累计检测到的光子数为s个。
相关技术在基于时间相关单光子计数方式进行光子计数时，受限于存储器在芯片上所占的物理空间，无法在不影响数据读写速率的前提下，提供较高的光子计数数据存储密度。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本申请实施例提供了一种光子计数方法、装置、芯片及设备。所述技术方案如下：
一方面，提供了一种光子计数方法，包括：
响应于在当次测量中接收到的光子信号，确定目标时差区间分布中的各时差区间在所述当次测量中对应检测到的光子数；所述目标时差区间分布指示时差区间分布直方图的时差区间分布；
将各所述时差区间在所述当次测量中对应检测到的光子数，分别累加至各所述时差区间在低比特位存储器对应的低比特存储单元中；所述低比特位存储器为寄存器或者静态随机存储器；
若检测到存在数据溢出的目标低比特存储单元，则调整目标时差区间在进位寄存器对应的进位寄存单元的数值为预设数值；所述目标时差区间为所述目标低比特存储单元对应的时差区间；
将所述进位寄存器中各所述时差区间所对应的进位寄存单元的数值，分别累加至各所述时差区间在高比特位存储器对应的高比特存储单元中，并将所述进位寄存器进行清零处理；所述高比特位存储器为磁性随机存储器；
在测量次数达到当前测量任务对应的目标测量次数时，基于各所述时差区间在所述低比特位存储器中对应的数据和各所述时差区间在所述高比特位存储器中对应的数据，输出光子计数分布数据；所述光子计数分布数据用于绘制所述时差区间分布直方图。
在一些可能的实施方式中，所述将所述进位寄存器中各所述时差区间所对应的进位寄存单元的数值，分别累加至各所述时差区间在高比特位存储器对应的高比特存储单元中，并将所述进位寄存器进行清零处理，包括：
在测量次数每达到预设测量次数时，将所述进位寄存器中各所述时差区间所对应的进位寄存单元的数值，分别累加至各所述时差区间在高比特位存储器对应的高比特存储单元中，并将所述进位寄存器进行清零处理；
其中，所述预设测量次数基于单个低比特存储单元对应的存储空间存储二进制数的最大值确定。
在一些可能的实施方式中，所述方法还包括：
确定所述低比特位存储器中，单个低比特存储单元对应的存储空间存储二进制数的最大值，得到第一数值；
获取单次测量中每个所述时差区间对应检测到光子数的最大值，得到第二数值；
基于所述第一数值与所述第二数值的比值，得到所述预设测量次数。
在一些可能的实施方式中，所述将各所述时差区间在所述当次测量中对应检测到的光子数，分别累加至各所述时差区间在低比特位存储器对应的低比特存储单元中，包括：
基于缓冲存储器对各所述时差区间在所述当次测量中对应检测到的光子数进行记录；所述缓冲存储器包括寄存器；
将所述缓冲存储器记录的各所述时差区间的光子数，并行累加到各所述时差区间在低比特位存储器对应的低比特存储单元中，并对所述缓冲存储器中记录的各所述时差区间的光子数清零。
在一些可能的实施方式中，所述缓冲存储器划分为交替进行记录的第一片缓冲区和第二片缓冲区，所述第一片缓冲区和第二片缓冲区均包括第一数量个缓冲存储单元，所述缓冲存储器中缓冲存储单元的数量小于所述目标时差区间分布中时差区间的数量；所述基于缓冲存储器对各所述时差区间在所述当次测量中对应检测到的光子数进行记录，包括：
确定所述第一片缓冲区和第二片缓冲区中的一个为目标片缓冲区；所述目标片缓冲区中未存储数据；
按照所述目标时差区间分布中时差区间的顺序，确定待记录的所述第一数量个时差区间；
确定所述第一数量个时差区间，在所述目标片缓冲区中分别对应的缓冲存储单元；
将所述第一数量个时差区间在所述当次测量中对应检测到的光子数，分别记录到所述第一数量个时差区间在所述目标片缓冲区对应的缓冲存储单元中；
返回执行所述确定所述第一片缓冲区和第二片缓冲区中的一个为目标片缓冲区的步骤，直至不存在所述待记录的时差区间。
在一些可能的实施方式中，所述将所述缓冲存储器记录的各所述时差区间的光子数，并行累加到各所述时差区间在低比特位存储器对应的低比特存储单元中，并对所述缓冲存储器中记录的各所述时差区间的光子数清零，包括：
将所述第一数量个时差区间在所述目标片缓冲区分别对应的缓冲存储单元的数值，并行累加到所述第一数量个时差区间在低比特位存储器分别对应的低比特存储单元中；
对所述目标片缓冲区中的各所述缓冲存储单元进行清零处理。
另一方面，提供了一种光子计数装置，所述装置包括：
光子数检测模块，用于响应于在当次测量中接收到的光子信号，确定目标时差区间分布中的各时差区间在所述当次测量中对应检测到的光子数；所述目标时差区间分布指示时差区间分布直方图的时差区间分布；
低比特位存储模块，用于将各所述时差区间在所述当次测量中对应检测到的光子数，分别累加至各所述时差区间在低比特位存储器对应的低比特存储单元中；所述低比特位存储器为寄存器或者静态随机存储器；
进位模块，用于在检测到存在数据溢出的目标低比特存储单元时，调整目标时差区间在进位寄存器对应的进位寄存单元的数值为预设数值；所述目标时差区间为所述目标低比特存储单元对应的时差区间；
高比特位存储模块，用于将所述进位寄存器中各所述时差区间所对应的进位寄存单元的数值，分别累加至各所述时差区间在高比特位存储器对应的高比特存储单元中，并将所述进位寄存器进行清零处理；所述高比特位存储器为磁性随机存储器；
输出模块，用于在测量次数达到当前测量任务对应的目标测量次数时，基于各所述时差区间在所述低比特位存储器中对应的数据和各所述时差区间在所述高比特位存储器中对应的数据，输出光子计数分布数据；所述光子计数分布数据用于绘制所述时差区间分布直方图。
在一些可能的实施方式中，所述进位模块，具体用于：在测量次数每达到预设测量次数时，将所述进位寄存器中各所述时差区间所对应的进位寄存单元的数值，分别累加至各所述时差区间在高比特位存储器对应的高比特存储单元中，并将所述进位寄存器进行清零处理；
其中，所述预设测量次数基于单个低比特存储单元对应的存储空间存储二进制数的最大值确定。
在一些可能的实施方式中，所述装置还包括：
第一确定模块，用于确定所述低比特位存储器中，单个低比特存储单元对应的存储空间存储二进制数的最大值，得到第一数值；
第二确定模块，用于获取单次测量中每个所述时差区间对应检测到光子数的最大值，得到第二数值；
预设测量次数确定模块，用于基于所述第一数值与所述第二数值的比值，得到所述预设测量次数。
在一些可能的实施方式中，所述低比特位存储模块，包括：
缓冲存储模块，用于基于缓冲存储器对各所述时差区间在所述当次测量中对应检测到的光子数进行记录；所述缓冲存储器包括寄存器；
低比特位累计模块，用于将所述缓冲存储器记录的各所述时差区间的光子数，并行累加到各所述时差区间在低比特位存储器对应的低比特存储单元中，并对所述缓冲存储器中记录的各所述时差区间的光子数清零。
在一些可能的实施方式中，所述缓冲存储器划分为交替进行记录的第一片缓冲区和第二片缓冲区，所述第一片缓冲区和第二片缓冲区均包括第一数量个缓冲存储单元，所述缓冲存储器中缓冲存储单元的数量小于所述目标时差区间分布中时差区间的数量；所述缓冲存储模块，具体用于：确定所述第一片缓冲区和第二片缓冲区中的一个为目标片缓冲区；所述目标片缓冲区中未存储数据；按照所述目标时差区间分布中时差区间的顺序，确定待记录的所述第一数量个时差区间；确定所述第一数量个时差区间，在所述目标片缓冲区中分别对应的缓冲存储单元；将所述第一数量个时差区间在所述当次测量中对应检测到的光子数，分别记录到所述第一数量个时差区间在所述目标片缓冲区对应的缓冲存储单元中；返回执行所述确定所述第一片缓冲区和第二片缓冲区中的一个为目标片缓冲区的步骤，直至不存在所述待记录的时差区间。
在一些可能的实施方式中，所述低比特位累计模块，具体用于：将所述第一数量个时差区间在所述目标片缓冲区分别对应的缓冲存储单元的数值，并行累加到所述第一数量个时差区间在低比特位存储器分别对应的低比特存储单元中；对所述目标片缓冲区中的各所述缓冲存储单元进行清零处理。
另一方面，提供了一种芯片，包括前述的光子计数装置。
另一方面，提供了一种距离测量系统，包括激光器、探测器和处理器；其中，
所述激光器，用于按照当前测量任务对应的目标测量次数依次向待测目标发射激光脉冲；
所述探测器，用于在每次测量中接收激光脉冲照射到目标后被返回的反射光脉冲，基于所述反射光脉冲向所述处理器输出指示检测到光子的光子信号；
所述处理器，通过上述任一方面的光子计数方法输出光子计数分布数据，基于所述光子计数分布数据绘制时差分布直方图，基于所述时差分布直方图确定飞行时间，基于所述飞行时间确定所述待测目标的距离。
本申请实施例通过响应于在当次测量中接收到的光子信号，确定目标时差区间分布中的各时差区间在当次测量中对应检测到的光子数，进而将各时差区间在当次测量中对应检测到的光子数分别累加至各时差区间在低比特位存储器对应的低比特存储单元中，并在检测到存在数据溢出的目标低比特存储单元时，调整相应目标时差区间在进位寄存器对应的进位寄存单元的数值为预设数值，然后将进位寄存器中各时差区间所对应的进位寄存单元的数值分别累加至各时差区间在高比特位存储器对应的高比特征存储单元中，并将进位寄存器进行清零，在测量次数达到当前测量任务对应的目标测量次数时，基于各时差区间在低比特位存储器中对应的数据和各时差区间在高比特位存储器中对应的数据输出用于绘制时差区间分布直方图的光子计数分布数据，从而可以将每个时差区间光子计数的低比特位数据存储到寄存器或静态随机存储器等读写速率快的存储器中，如此可以在不影响数据读写速率的前提下，提高光子计数数据存储密度，有利于减少光子计数中存储器所占的物理空间。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是光子计数分布数据的一个示例；
图2是本申请实施例提供的时差区间在每次测量中对应检测到的光子数的一个示例；
图3是本申请实施例提供的光子计数分布数据存储器中存储单元的存储空间分配示例；
图4是本申请实施例提供的一种光子计数方法的流程示意图；
图5是本申请实施例提供的另一种光子计数方法的流程示意图；
图6是本申请实施例提供的另一种光子计数方法的流程示意图；
图7是本申请实施例提供的另一种光子计数方法的流程示意图；
图8是本申请实施例提供的一种光子计数装置的结构框图；
图9是本申请实施例提供的TCSPC电路模块的一种结构示意图；
图10是本申请实施例提供的TCSPC电路模块的另一种结构示意图；
图11是本申请实施例提供的距离测量设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或服务器不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
需要说明的是，本申请实施例中的1次测量是指：激光雷达中激光器发射1次激光脉冲，探测器探测到返回的脉冲信号。在1次测量中，由于返回的信号光光子数是非常少的，通常为单光子级别，而且由于环境光等因素的干扰，单次测量的结果很难判断出目标物体的位置。如图2所示，假设从激光器发射光脉冲开始计时，激光信号照射到目标后返回被探测器接收的时刻为t，即激光飞行时间（ToF，time of flight）为t，如果t处于存储单元binP对应的时差区间中，则每次测量在存储单元bin P对应时差区间中检测到光子的概率将大于其他存储单元bin，因此重复多次测量后在存储单元bin P对应时差区间检测到光子数的累计值将大于其他存储单元bin，即时差区间分布直方图在存储单元bin P对应的时差区间处形成一个峰，基于该时差区间分布直方图通过相关数据处理算法寻找回波信号的波峰位置即可计算出ToF时间，进而计算出目标距离，因此光子计数分布数据是计算目标距离的重要依据。
在实现本发明的过程中，发明人发现在基于时间相关单光子计数TCSPC方式进行光子计数时，有个明显的特点是每次测量增加计数的最大值远小于光子计数分布数据存储器中每个存储单元bin的计数最大值，以图3所示的存储单元bin为例，该存储单元包括16个比特（即bit）位，存储二进制数的最大值为2^16-1=65535，即最大累计光子数为65535。假设单次测量中每个时差区间对应检测到光子数的最大值≤9，则重复多次测量后存储单元中的高比特位才可能变化1次，例如存储单元中的bit15发生进位时，说明该存储单元累计的光子数≥2^15=32768，重复测量的次数≥32768/9=3640.9，即重复测量3641次该存储单元的bit15中的数据才有可能改变。也就是说，光子计数分布数据存储器的每个存储单元中高比特位变化的频率是远小于低比特位的，bit位越高变化频率越低。
基于此，本申请实施例提供了一种光子计数方法，该方法将光子计数分布数据存储器中每个存储单元的低比特位数据存储到寄存器或者静态随机存储器（Static RandomAccess Memory，SRAM）等读写速率快的存储器中，例如bit0~bit5数据用寄存器或SRAM存储，bit6~bit15数据用磁性随机存储器（Magnetic Random Access Memory，MRAM）存储。需要说明的是，寄存器、SRAM和MRAM均是可以集成于芯片上的存储器，这三种存储器的读写速率排序为：寄存器>SRAM>MRAM，数据存储密度排序为：寄存器<SRAM<MRAM。如此本申请实施例即可以利用到寄存器和SRAM读写速率快的特性，又可以利用到MRAM高数据存储密度的特性，实现本申请实施例可以在不影响数据读写速率的前提下，提高光子计数数据存储密度，从而能够满足更高要求的测距精度、测远能力和数据动态范围，并减少光子计数中存储器在芯片上所占的物理空间。
具体的，请参阅图4，其所示为本申请实施例提供的一种光子计数方法的流程示意图，如图4所示，该方法可以包括：
S401，响应于在当次测量中接收到的光子信号，确定目标时差区间分布中的各时差区间在当次测量中对应检测到的光子数。
其中，目标时差区间分布指示时差区间分布直方图的时差区间分布。
S403，将各时差区间在所述当次测量中对应检测到的光子数，分别累加至各时差区间在低比特位存储器对应的低比特存储单元中。
其中，低比特位存储器为寄存器或者静态随机存储器。低比特存储单元是指低比特位存储器如寄存器或者静态随机存储器中的存储单元。
本申请实施例中，低比特位存储器包括与时差区间一一对应的多个低比特存储单元，每个低比特存储单元用于存储相应时差区间的累计光子数。
S405，若检测到存在数据溢出的目标低比特存储单元，则调整目标时差区间在进位寄存器对应的进位寄存单元的数值为预设数值。
其中，目标时差区间为目标低比特存储单元对应的时差区间。
其中，预设数值为1。
其中，数据溢出表明相应存储单元的计数值已经超出其允许的最大计数值，此时需要进位。
本申请实施例中，进位寄存器包括与时差区间一一对应的多个进位寄存单元，每个进位寄存单元用于存储相应时差区间的进位信息，如未发生进位时相应进位寄存单元的数据为0，发生进位时相应进位寄存单元的数据调整为1。
可以理解的，若未检测到存在数据溢出，则无需调整进位寄存器的数据。
S407，将进位寄存器中各时差区间所对应的进位寄存单元的数值，分别累加至各时差区间在高比特位存储器对应的高比特存储单元中，并将进位寄存器进行清零处理。
其中，高比特位存储器为磁性随机存储器。高比特存储单元是指高比特位存储器如磁性随机存储器中的存储单元。
本申请实施例中，高比特位存储器包括与时差区间一一对应的多个高比特存储单元，每个高比特存储单元用于存储相应时差区间的累计光子数。
在一些示例性的实施方式中，如图5所示，上述步骤S407在实施时可以包括：
S501，在测量次数每达到预设测量次数时，将进位寄存器中各时差区间所对应的进位寄存单元的数值，分别累加至各时差区间在高比特位存储器对应的高比特存储单元中，并将进位寄存器进行清零处理。
其中，预设测量次数基于单个低比特存储单元对应的存储空间存储二进制数的最大值确定。可以理解的，预设测量次数要小于当前测量任务对应的目标测量次数。
具体的，在确定预设测量次数时，可以先确定低比特位存储器中单个低比特存储单元对应的存储空间存储二进制数的最大值以得到第一数值，然后获取单次测量中每个时差区间对应检测到光子数的最大值以得到第二数值，进而基于第一数值与第二数值的比值得到上述预设测量次数。
举例而言，假设低比特位存储器存储空间大小为6bit*256bin=1536bit，单次测量中每个时差区间对应检测到光子数的最大值为9，那么该低比特位存储器对应的存储空间存储二进制数的最大值为2^6-1=63，进而预设测量次数为63/9=7。因此，每测量7次后，可以将进位寄存器存储的数据累加至高比特位存储器，然后将进位寄存器数据清零。具体的假设当前测量任务对应的目标测量次数是100次，预设测量次数是7，那么在100次测量中，每完成7次测量就可以把进位寄存器存储的数据向高比特位存储器累加一次。
S409，在测量次数达到当前测量任务对应的目标测量次数时，基于各时差区间在低比特位存储器中对应的数据和各时差区间在所述高比特位存储器中对应的数据，输出光子计数分布数据。
其中，光子计数分布数据用于绘制所述时差区间分布直方图。该时差分布直方图可以用于计算飞行时间，进而可以基于该飞行时间计算目标距离。
其中，当前测量任务对应的目标测量次数可以基于实际激光雷达测量的需要进行设定，本申请实施例对于目标测量次数不作具体限定。
具体的实施中，在当前测量任务所对应的已测量次数达到当前测量任务对应的目标测量次数时，对于每个时差区间，可以将该时差区间在低比特位存储器中对应的数据和在高比特位存储器中对应的数据进行整合以得到该时差区间在当前测量任务中对应累计检测到的光子计数数据，各时差区间的光子计数数据构成了光子计数分布数据。
为了便于理解本申请实施例的上述技术方案，下面以一个具体示例进行说明。
该示例中，假设时差区间分布直方图对应有256个时差区间，该时差区间的时间间隔dt=10 ns，低比特位存储器包括与时差区间一一对应的256个存储单元（称之为低比特存储单元），每个低比特存储单元分配6bit的存储空间，则低比特位存储器的存储空间大小为6bit*256=1536bit；高比特位存储器包括与时差区间一一对应的256个存储单元（称之为高比特存储单元），每个高比特存储单元分配10bit的存储空间，则高比特位存储器的存储空间大小为10bit*256=2560bit；进位寄存器包括与时差区间一一对应的256个存储单元（称之为进位寄存单元），每个进位寄存单元分配1bit的存储空间，则进位寄存器的存储空间大小为1bit*256=256bit。
另外，由于存储单元与时差区间是一一对应的，因此在下面的举例描述中以存储单元bin的标识来表示相对应的时差区间，例如bin0可以作为存储单元0对应的时差区间的标识，bin1作为存储单元1对应的时差区间的标识，以此类推。
那么具体在每次测量时，将bin0~bin255时差区间对应检测到的光子数分别累加至各自在低比特位存储器对应的存储单元中，低比特位存储器读写速率为100MHz；
重复多次测量后，低比特位存储器中的某个或者某几个存储单元的计数值可能超出其允许的最大计数值63（2^6-1=63），此时需要向bit6进位，也就是说，若检测到存在数据溢出的目标低比特存储单元，则将进位寄存器中相应进位寄存单元（即与目标低比特存储单元对应同一时差区间的进位寄存单元）的数据调整为1；
在高比特位存储器允许的读写速率下，将进位寄存器存储的数据累加至高比特位存储器，并将进位寄存器的数据清零，完成向bit6的进位。由于63/9=7，即重复7次测量低比特位存储器中的计数值才可能达到上限，因此可以设置重复测量7次后再将进位寄存器存储的数据累加至高比特位存储器，然后将进位寄存器数据清零。由于每次测量时间间隔相对较长，例如为1μs，所以高比特位存储器读写速率只需大于1/7us=143KHz即可；
在一个TCSPC循环所需的测量（即当前测量任务对应的目标次数测量）完成后，可以将存于低比特位存储器和高比特位存储器中的数据进行整合以得到光子计数分布数据。
由本申请实施例的上述技术方案可见，本申请实施例通过响应于在当次测量中接收到的光子信号，确定目标时差区间分布中的各时差区间在当次测量中对应检测到的光子数，进而将各时差区间在当次测量中对应检测到的光子数分别累加至各时差区间在低比特位存储器对应的低比特存储单元中，并在检测到存在数据溢出的目标低比特存储单元时，调整相应目标时差区间在进位寄存器对应的进位寄存单元的数值为预设数值，然后将进位寄存器中各时差区间所对应的进位寄存单元的数值分别累加至各时差区间在高比特位存储器对应的高比特征存储单元中，并将进位寄存器进行清零，在测量次数达到当前测量任务对应的目标测量次数时，基于各时差区间在低比特位存储器中对应的数据和各时差区间在高比特位存储器中对应的数据输出用于绘制时差区间分布直方图的光子计数分布数据，从而可以将每个时差区间光子计数的低比特位数据存储到寄存器或静态随机存储器等读写速率快的存储器中，如此可以在不影响数据读写速率的前提下，提高光子计数数据存储密度，有利于减少光子计数中存储器在芯片上所占的物理空间。
在一些可能的实施方式中，如图6提供的另一种光子计数方法的流程示意图，前述步骤S403在实施时可以包括：
S601，基于缓冲存储器对各时差区间在所述当次测量中对应检测到的光子数进行记录。
其中，缓冲存储器包括寄存器。
S603，将缓冲存储器记录的各时差区间的光子数，并行累加到各时差区间在低比特位存储器对应的低比特存储单元中，并对缓冲存储器中记录的各时差区间的光子数清零。
其中，并行累加是指将缓冲存储器记录的各时差区间的光子数一次累加到各时差区间在低比特位存储器中分别对应的低比特存储单元中。例如，某个时差区间在当次测量对应检测到的光子数为s，将缓冲存储器中记录的该时差区间的光子数s传输至该时差区间在低比特位存储器对应的低比特存储单元中，该低比特存储单元存储光子数累计值。
在一些可能的实施方式中，缓冲存储器划分为交替进行记录的第一片缓冲区和第二片缓冲区，第一片缓冲区和第二片缓冲区均包括第一数量个缓冲存储单元，且缓冲存储器中缓冲存储单元的数量小于目标时差区间分布中时差区间的数量，那么，如图7所示，上述步骤S601在实施时可以包括：
S701，确定所述第一片缓冲区和第二片缓冲区中的一个为目标片缓冲区；所述目标片缓冲区中未存储数据。
需要说明的是，在单次测量刚开始时，由于第一片缓冲区和第二片缓冲区中均没有存储数据，因此可以将第一片缓冲区或第二片缓冲区作为目标片缓冲区，后续在此基础上第一片缓冲区和第二片缓冲区进行交替工作。
S703，按照所述目标时差区间分布中时差区间的顺序，确定待记录的所述第一数量个时差区间。
其中，待记录的时差区间是指在当次测量中对应检测到的光子数还未记录到缓冲存储器的时差区间。
S705，确定所述第一数量个时差区间，在所述目标片缓冲区中分别对应的缓冲存储单元。
S707，将所述第一数量个时差区间在所述当次测量中对应检测到的光子数，分别记录到所述第一数量个时差区间在所述目标片缓冲区对应的缓冲存储单元中。
S709，返回执行所述确定所述第一片缓冲区和第二片缓冲区中的一个为目标片缓冲区的步骤，直至不存在所述待记录的时差区间。
相应的，继续参见图7，前述步骤S603在实施时可以包括：
S711，将所述第一数量个时差区间在所述目标片缓冲区分别对应的缓冲存储单元的数值，并行累加到所述第一数量个时差区间在低比特位存储器分别对应的低比特存储单元中。
S713，对所述目标片缓冲区中的各所述缓冲存储单元进行清零处理。
其中，第一数量可以基于前述步骤603并行读写数据的宽度以及单个缓冲存储单元的存储空间大小来设定。示例性的，第一数量与单个缓冲存储单元的存储空间大小之间的乘积应不超过前述步骤S603并行读写数据的宽度。
为了便于理解上述实施方式中的技术方案，下面结合前述举例中的相关假设参数继续进行举例说明。在该示例中，另外假设时差区间dt=1ns，并行读写数据的宽度为64bit，设定缓冲存储器共包括32个缓冲存储单元，每个缓冲存储单元的大小为4bit，则缓冲存储器的存储空间大小为4bit*32=128 bit。那么，可以将缓冲存储器的前16个缓冲存储单元作为第一片缓冲区，将缓冲存储器的后16个缓冲存储单元作为第二片缓冲区。
那么基于前述假设，在第k+1次测量时：
首先，将第一片缓冲区确定为目标片缓冲区，将bin0~bin15时差区间对应检测到的光子数按序记录到第一片缓冲区的缓冲存储单元0~缓冲存储单元15中。待第一片缓冲存储器写完bin15时差区间对应检测到的光子数后，将第一片缓冲区中的共4bit*16=64 bit数据按照bin0~bin15时差区间与低比特位存储器中存储单元的对应关系一次累加至低比特位存储器的对应存储单元中，并将第一片缓冲区中的数据清零。
然后，将第二片缓冲区确定为目标片缓冲区，将bin16~bin31时差区间对应检测到的光子数按序记录到第二片缓冲区的缓冲存储单元16~缓冲存储单元31中。待第二片缓冲存储器写完bin31时差区间对应检测到的光子数后，将第二片缓冲区中的共4bit*16=64bit数据按照bin16~bin31时差区间与低比特位存储器中存储单元的对应关系一次累加至低比特位存储器的对应存储单元中，并将第二片缓冲区中的数据清零。
然后，将第一片缓冲区确定为目标片缓冲区，将bin32~bin47时差区间对应检测到的光子数按序记录到第一片缓冲区的缓冲存储单元0~缓冲存储单元15中。待第一片缓冲区写完bin47时差区间对应检测到的光子数后，将第一片缓冲区中的共4bit*16=64 bit数据按照bin32~bin47时差区间与低比特位存储器中存储单元的对应关系一次累加至低比特位存储器的对应存储单元中，并将第一片缓冲区中的数据清零。
以此类推，直至bin240~bin255时差区间对应检测到的光子数按序记录到第二片缓冲区的对应缓冲存储单元16~缓冲存储单元31中。待第二片缓冲区写完bin255时差区间对应检测到的光子数后，将第二片缓冲区中的共4bit*16=64 bit数据按照bin240~bin255时差区间与低比特位存储器中存储单元的对应关系一次累加至低比特位存储器的对应存储单元中，并将第二片缓冲区中的数据清零。
在上述举例中，缓冲存储器每记录16个时差区间对应检测到的光子数后再按照时差区间与低比特位存储器中存储单元的对应关系，一次（即并行同步）将记录的16个时差区间对应检测到的光子数分别累加至低比特位存储器中的对应存储单元，从而低比特位存储器的写入速率仅为缓冲存储器写入速率的1/16。按照时差区间dt=1ns，缓冲存储器和低比特位存储器的读写速率分别为1GHz和62.5MHz，从而可以满足更高的读写速率的场景，有利于提高光子计数效率。
本申请实施例还提供了一种光子计数装置，如图8所示该光子计数装置包括光子数检测模块810，低比特位存储模块820，进位模块830，高比特位存储模块840和输出模块850，其中：
光子数检测模块810，用于响应于在当次测量中接收到的光子信号，确定目标时差区间分布中的各时差区间在所述当次测量中对应检测到的光子数；所述目标时差区间分布指示时差区间分布直方图的时差区间分布；
低比特位存储模块820，用于将各所述时差区间在所述当次测量中对应检测到的光子数，分别累加至各所述时差区间在低比特位存储器对应的低比特存储单元中；所述低比特位存储器为寄存器或者静态随机存储器；
进位模块830，用于在检测到存在数据溢出的目标低比特存储单元时，调整目标时差区间在进位寄存器对应的进位寄存单元的数值为预设数值；所述目标时差区间为所述目标低比特存储单元对应的时差区间；
高比特位存储模块840，用于将所述进位寄存器中各所述时差区间所对应的进位寄存单元的数值，分别累加至各所述时差区间在高比特位存储器对应的高比特存储单元中，并将所述进位寄存器进行清零处理；所述高比特位存储器为磁性随机存储器；
输出模块850，用于在测量次数达到当前测量任务对应的目标测量次数时，基于各所述时差区间在所述低比特位存储器中对应的数据和各所述时差区间在所述高比特位存储器中对应的数据，输出光子计数分布数据；所述光子计数分布数据用于绘制所述时差区间分布直方图。
在一些可能的实施方式中，所述进位模块830，具体用于：在测量次数每达到预设测量次数时，将所述进位寄存器中各所述时差区间所对应的进位寄存单元的数值，分别累加至各所述时差区间在高比特位存储器对应的高比特存储单元中，并将所述进位寄存器进行清零处理；
其中，所述预设测量次数基于单个低比特存储单元对应的存储空间存储二进制数的最大值确定。
在一些可能的实施方式中，所述装置还包括：
第一确定模块，用于确定所述低比特位存储器中，单个低比特存储单元对应的存储空间存储二进制数的最大值，得到第一数值；
第二确定模块，用于获取单次测量中每个所述时差区间对应检测到光子数的最大值，得到第二数值；
预设测量次数确定模块，用于基于所述第一数值与所述第二数值的比值，得到所述预设测量次数。
在一些可能的实施方式中，所述低比特位存储模块820，包括：
缓冲存储模块，用于基于缓冲存储器对各所述时差区间在所述当次测量中对应检测到的光子数进行记录；所述缓冲存储器包括寄存器；
低比特位累计模块，用于将所述缓冲存储器记录的各所述时差区间的光子数，并行累加到各所述时差区间在低比特位存储器对应的低比特存储单元中，并对所述缓冲存储器中记录的各所述时差区间的光子数清零。
在一些可能的实施方式中，所述缓冲存储器划分为交替进行记录的第一片缓冲区和第二片缓冲区，所述第一片缓冲区和第二片缓冲区均包括第一数量个缓冲存储单元，所述缓冲存储器中缓冲存储单元的数量小于所述目标时差区间分布中时差区间的数量；所述缓冲存储模块，具体用于：确定所述第一片缓冲区和第二片缓冲区中的一个为目标片缓冲区；所述目标片缓冲区中未存储数据；按照所述目标时差区间分布中时差区间的顺序，确定待记录的所述第一数量个时差区间；确定所述第一数量个时差区间，在所述目标片缓冲区中分别对应的缓冲存储单元；将所述第一数量个时差区间在所述当次测量中对应检测到的光子数，分别记录到所述第一数量个时差区间在所述目标片缓冲区对应的缓冲存储单元中；返回执行所述确定所述第一片缓冲区和第二片缓冲区中的一个为目标片缓冲区的步骤，直至不存在所述待记录的时差区间。
在一些可能的实施方式中，所述低比特位累计模块，具体用于：将所述第一数量个时差区间在所述目标片缓冲区分别对应的缓冲存储单元的数值，并行累加到所述第一数量个时差区间在低比特位存储器分别对应的低比特存储单元中；对所述目标片缓冲区中的各所述缓冲存储单元进行清零处理。
本申请实施例的技术方案可以通过集成于芯片上的TCSPC电路模块实现，如图9所示为TCSPC电路模块的一种结构示意图。具体的，TCSPC电路模块中的读入电路模块负责响应于一次测量中接收到的光子信号，记录接收到的光子信号对应的时间差，并将记录的时间差信息交予逻辑处理电路模块，由逻辑处理电路模型确定目标时差区间分布中各时差区间在该次测量中对应检测到的光子数，并将这些数据分别累加至各时差区间在低bit（比特）位存储器对应的存储单元中，若检测到低bit位存储器中的某个存储单元存在数据溢出，则将进位寄存器的相应进位寄存单元的数据改写为1；在高bit位存储器允许的读写速率下，将进位寄存器存储的数据累加至高bit位存储器，并将进位寄存器数据清零；在一个TCSPC循环所需的测量完成后，写出电路将根据下游元器件所需的数据格式，将存于低bit位存储器和高bit位存储器中的数据读出并整合传递给下游元器件。关于图9所示TCSPC电路模块的具体实施过程可以参见本申请实施例前述对于图4和图5的相关描述，在此不再赘述。
如图10所示为TCSPC电路模块的另一种结构示意图。具体的，TCSPC电路模块中的读入电路模块负责响应于一次测量中接收到的光子信号，记录接收到的光子信号对应的时间差，并将记录的时间差信息交予逻辑处理电路模块，由逻辑处理电路模型确定目标时差区间分布中各时差区间在该次测量中对应检测到的光子数，并将这些数据先记录在缓冲存储器（如寄存器）中，然后通过具有大规模并行读写特性的存储器控制器再将缓冲存储器中记录的数据并行同步到低bit位存储器中的相应存储单元中。若检测到低bit位存储器中的某个存储单元存在数据溢出，则将进位寄存器的相应进位寄存单元的数据改写为1；在高bit位存储器允许的读写速率下，将进位寄存器存储的数据累加至高bit位存储器，并将进位寄存器数据清零；在一个TCSPC循环所需的测量完成后，写出电路将根据下游元器件所需的数据格式，将存于低bit位存储器和高bit位存储器中的数据读出并整合传递给下游元器件。关于图10所示TCSPC电路模块的具体实施过程可以参见本申请实施例前述对于图6和图7的相关描述，在此不再赘述。
本申请实施例还提供了一种芯片，该芯片包括本申请实施例的光子计数装置。
本申请实施例还提供了一种距离测量设备，如图11所示为该距离测量设备的结构示意图，该距离测量设备包括激光器1110、探测器1120和处理器1130，其中：
激光器1110，用于按照当前测量任务对应的目标测量次数依次向待测目标发射激光脉冲；
探测器1120，用于在每次测量中接收激光脉冲照射到目标后被返回的反射光脉冲，基于反射光脉冲向处理器输出指示检测到光子的光子信号；
处理器1130，通过本申请实施例中的光子计数方法输出光子计数分布数据，基于所述光子计数分布数据绘制时差分布直方图，基于所述时差分布直方图确定飞行时间，基于所述飞行时间确定所述待测目标的距离。
具体的实施中，探测器1010和处理器1030可以配置在同一个芯片上，也可以分别配置在不同的芯片上。
需要说明的是：上述本申请实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光子计数方法，其特征在于，包括：
响应于在当次测量中接收到的光子信号，确定目标时差区间分布中的各时差区间在所述当次测量中对应检测到的光子数；所述目标时差区间分布指示时差区间分布直方图的时差区间分布；
将各所述时差区间在所述当次测量中对应检测到的光子数，分别累加至各所述时差区间在低比特位存储器对应的低比特存储单元中；所述低比特位存储器为寄存器或者静态随机存储器；所述低比特位存储器用于存储相应时差区间的累计光子数；
若检测到存在数据溢出的目标低比特存储单元，则调整目标时差区间在进位寄存器对应的进位寄存单元的数值为预设数值；所述目标时差区间为所述目标低比特存储单元对应的时差区间，所述数据溢出表明所述目标低比特存储单元的计数值超出其允许的最大计数值；
将所述进位寄存器中各所述时差区间所对应的进位寄存单元的数值，分别累加至各所述时差区间在高比特位存储器对应的高比特存储单元中，并将所述进位寄存器进行清零处理；所述高比特位存储器为磁性随机存储器；
在测量次数达到当前测量任务对应的目标测量次数时，基于各所述时差区间在所述低比特位存储器中对应的数据和各所述时差区间在所述高比特位存储器中对应的数据，输出光子计数分布数据；所述光子计数分布数据用于绘制所述时差区间分布直方图。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述进位寄存器中各所述时差区间所对应的进位寄存单元的数值，分别累加至各所述时差区间在高比特位存储器对应的高比特存储单元中，并将所述进位寄存器进行清零处理，包括：
在测量次数每达到预设测量次数时，将所述进位寄存器中各所述时差区间所对应的进位寄存单元的数值，分别累加至各所述时差区间在高比特位存储器对应的高比特存储单元中，并将所述进位寄存器进行清零处理；
其中，所述预设测量次数基于单个低比特存储单元对应的存储空间存储二进制数的最大值确定。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
确定所述低比特位存储器中，单个低比特存储单元对应的存储空间存储二进制数的最大值，得到第一数值；
获取单次测量中每个所述时差区间对应检测到光子数的最大值，得到第二数值；
基于所述第一数值与所述第二数值的比值，得到所述预设测量次数。
4.根据权利要求1~3中任一项所述的方法，其特征在于，所述将各所述时差区间在所述当次测量中对应检测到的光子数，分别累加至各所述时差区间在低比特位存储器对应的低比特存储单元中，包括：
基于缓冲存储器对各所述时差区间在所述当次测量中对应检测到的光子数进行记录；所述缓冲存储器包括寄存器；
将所述缓冲存储器记录的各所述时差区间的光子数，并行累加到各所述时差区间在低比特位存储器对应的低比特存储单元中，并对所述缓冲存储器中记录的各所述时差区间的光子数清零。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述缓冲存储器划分为交替进行记录的第一片缓冲区和第二片缓冲区，所述第一片缓冲区和第二片缓冲区均包括第一数量个缓冲存储单元，所述缓冲存储器中缓冲存储单元的数量小于所述目标时差区间分布中时差区间的数量；所述基于缓冲存储器对各所述时差区间在所述当次测量中对应检测到的光子数进行记录，包括：确定所述第一片缓冲区和第二片缓冲区中的一个为目标片缓冲区；所述目标片缓冲区中未存储数据；
按照所述目标时差区间分布中时差区间的顺序，确定待记录的第一数量个时差区间；
确定所述第一数量个时差区间，在所述目标片缓冲区中分别对应的缓冲存储单元；
将所述第一数量个时差区间在所述当次测量中对应检测到的光子数，分别记录到所述第一数量个时差区间在所述目标片缓冲区对应的缓冲存储单元中；
返回执行所述确定所述第一片缓冲区和第二片缓冲区中的一个为目标片缓冲区的步骤，直至不存在所述待记录的时差区间。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述将所述缓冲存储器记录的各所述时差区间的光子数，并行累加到各所述时差区间在低比特位存储器对应的低比特存储单元中，并对所述缓冲存储器中记录的各所述时差区间的光子数清零，包括：
将所述第一数量个时差区间在所述目标片缓冲区分别对应的缓冲存储单元的数值，并行累加到所述第一数量个时差区间在低比特位存储器分别对应的低比特存储单元中；
对所述目标片缓冲区中的各所述缓冲存储单元进行清零处理。
7.一种光子计数装置，其特征在于，所述装置包括：
光子数检测模块，用于响应于在当次测量中接收到的光子信号，确定目标时差区间分布中的各时差区间在所述当次测量中对应检测到的光子数；所述目标时差区间分布指示时差区间分布直方图的时差区间分布；
低比特位存储模块，用于将各所述时差区间在所述当次测量中对应检测到的光子数，分别累加至各所述时差区间在低比特位存储器对应的低比特存储单元中；所述低比特位存储器为寄存器或者静态随机存储器；所述低比特位存储器用于存储相应时差区间的累计光子数；
进位模块，用于在检测到存在数据溢出的目标低比特存储单元时，调整目标时差区间在进位寄存器对应的进位寄存单元的数值为预设数值；所述目标时差区间为所述目标低比特存储单元对应的时差区间，所述数据溢出表明所述目标低比特存储单元的计数值超出其允许的最大计数值；
高比特位存储模块，用于将所述进位寄存器中各所述时差区间所对应的进位寄存单元的数值，分别累加至各所述时差区间在高比特位存储器对应的高比特存储单元中，并将所述进位寄存器进行清零处理；所述高比特位存储器为磁性随机存储器；
输出模块，用于在测量次数达到当前测量任务对应的目标测量次数时，基于各所述时差区间在所述低比特位存储器中对应的数据和各所述时差区间在所述高比特位存储器中对应的数据，输出光子计数分布数据；所述光子计数分布数据用于绘制所述时差区间分布直方图。
8. 根据权利要求7 所述的装置，其特征在于，所述进位模块，具体用于：在测量次数每达到预设测量次数时，将所述进位寄存器中各所述时差区间所对应的进位寄存单元的数值，分别累加至各所述时差区间在高比特位存储器对应的高比特存储单元中，并将所述进位寄存器进行清零处理；
其中，所述预设测量次数基于单个低比特存储单元对应的存储空间存储二进制数的最大值确定。
9. 一种芯片，其特征在于，包括如权利要求7 或8 所述的光子计数装置。
10.一种距离测量设备，其特征在于，包括激光器、探测器和处理器；其中，
所述激光器，用于按照当前测量任务对应的目标测量次数依次向待测目标发射激光脉冲；
所述探测器，用于在每次测量中接收激光脉冲照射到目标后被返回的反射光脉冲，基于所述反射光脉冲向所述处理器输出指示检测到光子的光子信号；
所述处理器，通过如权利要求1~6 中任一项所述光子计数方法输出光子计数分布数据，基于所述光子计数分布数据绘制时差分布直方图，基于所述时差分布直方图确定飞行时间，基于所述飞行时间确定所述待测目标的距离。
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