本發(fā)明涉及電路領(lǐng)域，具體地，涉及一種用于測量光子時間信息的裝置及方法。

背景技術(shù)：

在高能光子(X射線、伽瑪光子等)測量系統(tǒng)的前端檢測裝置一般包含閃爍晶體、光電檢測器(或稱光電傳感器)和光子測量前端電路三部分。高能光子與閃爍晶體相互作用后產(chǎn)生能量較低的可見光子群。光電傳感器把可見光子群攜帶的光信號轉(zhuǎn)換為電信號。光子測量前端電路的主要目的是通過測量光電傳感器產(chǎn)生的電信號，來獲取高能光子的能量和到達時間。例如，在正電子發(fā)射成像(PET)及單光子發(fā)射成像(SPECT)系統(tǒng)中，伽瑪光子與閃爍晶體，例如硅酸釔镥(LYSO)晶體，相互作用后產(chǎn)生能量較低的可見光子群。光電傳感器，例如光電倍增管(PMT)或者硅光電倍增管(SiPM)等，把可見光子群攜帶的光信號轉(zhuǎn)換為電信號。光子測量前端電路測量光電傳感器產(chǎn)生的電信號，獲取伽瑪光子的能量和到達時間。

為了避免常規(guī)技術(shù)中的通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)采樣計算出來的能量受光電傳感器輸出的電信號的起始時間的影響的問題，目前提出一種改進的光子測量前端電路，其利用積分模塊對光電傳感器輸出的電信號進行積分，當積分模塊中累積的電荷達到一定量時，可以觸發(fā)脈沖信號。然后可以基于脈沖信號獲得高能光子的能量和到達時間等信息。

利用改進的光子測量前端電路測量高能光子的到達時間時，存在以下問題。研究證明，通過測量高能光子作用到閃爍晶體上時產(chǎn)生的前幾個可見光子發(fā)生的時間，可以取得最佳的時間分辨率。因此，在改進的光子測量前端電路中，期望通過設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)，使得在積分模塊累積了n個(例如5個)可見光子產(chǎn)生的電荷后觸發(fā)，生成可用于時間測量的脈沖信號。然而，這種方法不一定能夠取得最佳的時間分辨率，原因如下：在目前的技術(shù)條件下，諸如SiPM的光電傳感器中的暗事件率較高。暗事件產(chǎn)生的電荷會累積在積分模塊中。當高能光子作用到閃爍晶體上時，如果積分模塊已經(jīng)累積了m個暗事件產(chǎn)生的電荷，觸發(fā)理論上發(fā)生在積分模塊累積了第n-m個可見光子產(chǎn)生的電荷后，而不是第n個。由于暗事件和高能光子都是隨機出現(xiàn)的，因此m的值可能在0～n-1的范圍內(nèi)均勻分布。因此，產(chǎn)生可用于時間測量的脈沖信號時，由高能光子導(dǎo)致的在積分模塊中累積的電荷，不一定是n個可見光子產(chǎn)生的電荷，而可能是在1～n的范圍內(nèi)的任意數(shù)目的可見光子產(chǎn)生的電荷。也就是說，用于判定高能光子的到達時間的電荷基線可能發(fā)生漂移，因此測量得到的到達時間與實際到達時間相比也可能發(fā)生漂移。由于上述原因，利用改進的光子測量前端電路測量高能光子的到達時間時，測量精度可能受到影響。

因此，需要提供一種用于測量光子時間信息的裝置，以至少部分地解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了至少部分地解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種用于測量光子時間信息的裝置。該裝置包括電流檢測電路和處理電路。電流檢測電路用于連接光電傳感器，檢測光電傳感器輸出的初始信號并生成相應(yīng)的檢測信號。處理電路的輸入端連接電流檢測電路的輸出端，處理電路用于根據(jù)檢測信號確定光電傳感器檢測到的高能光子的到達時間，根據(jù)檢測信號估計時間漂移量，并基于時間漂移量對到達時間進行修正。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于測量光子時間信息的方法，包括：檢測光電傳感器輸出的初始信號并生成相應(yīng)的檢測信號；根據(jù)檢測信號確定光電傳感器檢測到的高能光子的到達時間；根據(jù)檢測信號估計時間漂移量；以及基于時間漂移量對到達時間進行修正。

根據(jù)本發(fā)明實施例的裝置及方法，估計時間漂移量并基于時間漂移量對到達時間進行修正，這可以修正由暗事件帶來的時間測量誤差，簡單方便地獲得高精度的時間測量結(jié)果。

在發(fā)明內(nèi)容中引入了一系列簡化的概念，這些概念將在具體實施方式部分中進一步詳細說明。本發(fā)明內(nèi)容部分并不意味著要試圖限定所要求保護的技術(shù)方案的關(guān)鍵特征和必要技術(shù)特征，更不意味著試圖確定所要求保護的技術(shù)方案的保護范圍。

以下結(jié)合附圖，詳細說明本發(fā)明的優(yōu)點和特征。

附圖說明

本發(fā)明的下列附圖在此作為本發(fā)明的一部分用于理解本發(fā)明。附圖中示出了本發(fā)明的實施方式及其描述，用來解釋本發(fā)明的原理。在附圖中，

圖1示出根據(jù)一個示例的改進的光子測量前端電路的示意性框圖；

圖2示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于測量光子時間信息的裝置的示意性框圖；

圖3示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于測量光子時間信息的裝置的示意性框圖；

圖4示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電流檢測電路生成的數(shù)字信號的波形示意圖；

圖5a示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的在未進行修正的情況下到達時間的測量誤差的分析圖；

圖5b示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的采用用于測量光子時間信息的裝置進行修正的情況下到達時間的測量誤差的分析圖；

圖6示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的在未進行修正和采用用于測量光子時間信息的裝置進行修正的情況下到達時間的測量誤差的分析圖；以及

圖7示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于測量光子時間信息的方法的流程示意圖。

具體實施方式

在下文的描述中，提供了大量的細節(jié)以便能夠徹底地理解本發(fā)明。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以了解，如下描述僅涉及本發(fā)明的較佳實施例，本發(fā)明可以無需一個或多個這樣的細節(jié)而得以實施。此外，為了避免與本發(fā)明發(fā)生混淆，對于本領(lǐng)域公知的一些技術(shù)特征未進行描述。

如上文所述，為了避免常規(guī)技術(shù)中的通過ADC采樣計算出來的能量受光電傳感器輸出的電信號的起始時間的影響的問題，目前提出一種改進的光子測量前端電路。圖1示出根據(jù)一個示例的改進的光子測量前端電路100的示意性框圖。應(yīng)該注意，本文附圖中示出的箭頭方向是信號的傳輸方向，而不一定是信號的流動方向。

如圖1所示，改進的光子測量前端電路100包括積分模塊110、比較器120、傳輸控制器130、負反饋模塊140和測量模塊150。

積分模塊110用于連接光電傳感器(未示出)的輸出端和負反饋模塊140的輸出端。積分模塊110可以接收來自光電傳感器的初始信號和來自負反饋模塊140的反饋信號，對初始信號和反饋信號的差進行積分并且輸出積分信號。

比較器120的一個輸入端連接積分模塊110的輸出端并且比較器120的另一輸入端接入一個參考電平。比較器120可以將積分信號與參考電平進行比較并生成比較信號。例如，當積分信號的電平值高于參考電平時，比較器120可以輸出高電平，當積分信號的電平值等于或小于參考電平時，比較器120可以輸出低電平。因此，比較器120輸出的比較信號中可以只存在高電平和低電平兩種狀態(tài)。

傳輸控制器130的輸入端連接比較器120的輸出端。傳輸控制器130可以利用時鐘信號控制比較信號的傳輸以輸出數(shù)字信號。數(shù)字信號中的、持續(xù)時間等于時鐘信號的周期的高電平代表第一邏輯電平，數(shù)字信號中的、持續(xù)時間等于時鐘信號的周期的低電平代表第二邏輯電平。在一個示例中，第一邏輯電平可以是邏輯電平“1”，第二邏輯電平可以是邏輯電平“0”，則數(shù)字信號是由邏輯電平“1”和“0”組成的序列。

負反饋模塊140的輸入端連接傳輸控制器130的輸出端，負反饋模塊140可以將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為反饋信號并且將反饋信號反饋給積分模塊110。所述反饋信號與初始信號的流動方向相反。

可以理解，當有效事件或暗事件發(fā)生時，一開始獲得的積分信號比較小，比較信號和數(shù)字信號可以一直處于低電平狀態(tài)。當積分信號的電平值大于參考電平時，比較信號中出現(xiàn)一個高電平。隨后，數(shù)字信號中也會出現(xiàn)一個高電平。可以將有效事件發(fā)生時在比較信號或數(shù)字信號中的第一個高電平出現(xiàn)的時間作為高能光子的到達時間。本文所述的有效事件是指高能光子(例如伽瑪光子等)在與光電傳感器相連的閃爍晶體中作用而引起的在光電傳感器中產(chǎn)生電流信號的事件，暗事件是指噪聲(通常是熱電子)引起的在光電傳感器中產(chǎn)生電流信號的事件。在發(fā)生有效事件或暗事件時，光電傳感器可以輸出一個脈沖電流信號(即初始信號)。有效事件產(chǎn)生的電流信號的能量遠大于暗事件產(chǎn)生的電流信號的能量，前者通常是后者的幾十至幾千倍。因此，通過分析光電傳感器輸出的電流信號的能量可以確定發(fā)生的事件是有效事件還是暗事件。

測量模塊150可以利用數(shù)字信號測量高能光子的能量、到達時間等各種信息。

如上文所述，通過測量高能光子作用到閃爍晶體上時(即有效事件發(fā)生時)產(chǎn)生的前幾個可見光子發(fā)生的時間，可以取得最佳的時間分辨率。根據(jù)改進的光子測量前端電路100的工作原理，通過設(shè)定比較器120的參考電平可以控制在比較信號或數(shù)字信號中的第一個高電平出現(xiàn)時需要在積分模塊110中累積的電荷。因此，期望的是，通過將參考電平設(shè)定為等于n個可見光子產(chǎn)生的電信號在積分模塊110中進行積分獲得的積分信號的電平值能夠取得最佳的時間分辨率。然而，由于如上文所述的暗事件導(dǎo)致電荷基線漂移的因素，采用這種方式可能難以獲得理想的時間測量精度。

應(yīng)當理解，圖1及相關(guān)描述僅用于示例性地說明改進的光子測量前端電路的結(jié)構(gòu)，其并不表明本發(fā)明實施例提供的裝置僅適用于圖1所示的光子測量前端電路。本發(fā)明實施例提供的裝置可以適用于其他采用類似結(jié)構(gòu)和原理的光子測量前端電路。

為解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種用于測量光子時間信息的裝置。圖2示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于測量光子時間信息的裝置200的示意性框圖。

如圖2所示，裝置200包括電流檢測電路210和處理電路220。電流檢測電路210用于連接光電傳感器，檢測光電傳感器輸出的初始信號并生成相應(yīng)的檢測信號。處理電路220的輸入端連接電流檢測電路210的輸出端，處理電路220用于根據(jù)檢測信號確定光電傳感器檢測到的高能光子的到達時間，根據(jù)檢測信號估計時間漂移量，并基于時間漂移量對到達時間進行修正。

可選地，本文所述的光電傳感器可以是任何合適的光電傳感器，諸如SiPM、PMT、雪崩光電二極管(APD)等。另外，本文所述的光電傳感器可以是傳感器微元、傳感器單元、傳感器陣列等各種規(guī)模下的光電檢測器件，而不局限于一個完整的獨立傳感器。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，在PET系統(tǒng)中，當發(fā)生正電子湮滅時，會產(chǎn)生一對伽瑪光子。閃爍晶體受到伽瑪光子的撞擊時，光電傳感器會輸出初始信號，該初始信號通常是脈沖電流信號。光電傳感器可以將該初始信號輸出到裝置200，以便由裝置200通過測量該初始信號來獲得伽瑪光子的時間信息，并結(jié)合如伽瑪光子的能量信息等信息獲得關(guān)于正電子湮滅事件的信息。

電流檢測電路210用于檢測光電傳感器輸出的初始信號，其可以采用類似圖1所示的除測量模塊150之外的其他電路部分實現(xiàn)?？梢岳斫獾氖?，電流檢測電路210檢測的是光電傳感器在一定時段內(nèi)輸出的初始信號。在該時段內(nèi)，可能發(fā)生有效事件或暗事件，也可能未發(fā)生任何事件。在沒有事件發(fā)生的時段內(nèi)，光電傳感器輸出的初始信號為0，電流檢測電路210生成的檢測信號也可以是0。

處理電路220可以采用任何合適的硬件、軟件和/或固件實現(xiàn)，例如其可以采用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、數(shù)字信號處理器(DSP)、復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)、微控制單元(MCU)或中央處理單元(CPU)等實現(xiàn)。處理電路220可以根據(jù)檢測信號確定高能光子的到達時間。例如，可以采用時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)測量檢測信號的上升沿，以確定到達時間。處理電路220還可以根據(jù)檢測信號估計時間漂移量。如上文所述，暗事件產(chǎn)生的電荷可以累積在光子測量前端電路100的積分模塊中，使得電荷基線發(fā)生漂移。檢測信號的電平值可以反映有效事件和/或暗事件是否發(fā)生及有效事件和/或暗事件產(chǎn)生的能量的大小。因此，根據(jù)檢測信號可以估計有效事件發(fā)生時累積在積分模塊中的電荷量，從而可以估計時間漂移量。隨后，可以根據(jù)時間漂移量對到達時間進行修正。

裝置200可以采用類似改進的光子測量前端電路100的硬件結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，其硬件結(jié)構(gòu)簡單，成本低。裝置200可以解決類似光子測量前端電路100的光子測量前端電路中存在的由于暗事件引起電荷基線漂移并進而導(dǎo)致時間測量不準確的問題。

根據(jù)本發(fā)明實施例的裝置，估計時間漂移量并基于時間漂移量對到達時間進行修正，這可以修正由暗事件帶來的時間測量誤差，簡單方便地獲得高精度的時間測量結(jié)果。

可選地，檢測信號可以是數(shù)字信號。數(shù)字信號由持續(xù)時間相等的高電平和低電平組成，數(shù)字信號中的所有高電平之和與初始信號對時間的積分成正比。在一個示例中，電流檢測電路可以實現(xiàn)為圖3所示的電路310的形式，以生成上述數(shù)字信號。圖3示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于測量光子時間信息的裝置300的示意性框圖。

如圖3所示，積分模塊311用于連接光電傳感器的輸出端和負反饋模塊314的輸出端，接收來自光電傳感器的初始信號和來自負反饋模塊314的反饋信號，對初始信號和反饋信號的差進行積分并且輸出積分信號。

電流檢測電路310是包括負反饋環(huán)節(jié)的電路，反饋信號被輸入到積分模塊311。同時，積分模塊311還接收光電傳感器輸出的初始信號。初始信號和反饋信號均為電流信號，它們的流動方向是相反的。例如，如果初始信號是從積分模塊311流出的，則可以將反饋信號設(shè)定為從負反饋模塊314流向積分模塊311。因此，對于積分模塊311來說，實際上最終輸入的是初始信號與反饋信號之間的差，積分模塊311可以對該差進行積分。積分模塊311可以采用模擬積分電路實現(xiàn)，例如通過電阻、電容、運算放大器等元器件組成的電路實現(xiàn)。

比較器312的一個輸入端連接積分模塊311的輸出端并且比較器312的另一輸入端接入?yún)⒖茧娖?，比較器312用于將積分信號與參考電平進行比較并生成比較信號。

例如，當積分信號的電平值高于參考電平時，比較器312可以輸出高電平，當積分信號的電平值等于或小于參考電平時，比較器312可以輸出低電平。因此，比較器312輸出的比較信號中可以只存在高電平和低電平兩種狀態(tài)。也就是說，比較器312輸出的比較信號可以是隨時間變化而在高電平和低電平兩種狀態(tài)之間切換的信號。可選地，參考電平可以是地電平。參考電平可以具有任何合適的電平值。參考電平是地電平的實現(xiàn)方式較簡單，最終獲得的測量結(jié)果較準確。

傳輸控制器313的輸入端連接比較器312的輸出端，傳輸控制器313用于利用時鐘信號控制比較信號的傳輸以輸出數(shù)字信號，其中數(shù)字信號中的、持續(xù)時間等于時鐘信號的周期的高電平代表第一邏輯電平，數(shù)字信號中的、持續(xù)時間等于時鐘信號的周期的低電平代表第二邏輯電平。

比較信號可以是隨時間變化而在高電平和低電平兩種狀態(tài)之間切換的信號。在比較信號中，高電平和低電平的持續(xù)時間可能是實時變化的，是無法確定的。因此，可以通過傳輸控制器313對比較信號進行時間上的量化，使得每段連續(xù)的高電平或低電平的持續(xù)時間都是時鐘信號的周期的整數(shù)倍。這種時間上的量化相當于模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中的時間離散化，因此，從功能性上來看，可以將比較器312和傳輸控制器313這二者視作一個1位的ADC。在傳輸控制器313輸出的數(shù)字信號中，持續(xù)時間等于時鐘信號的周期的高電平代表第一邏輯電平，持續(xù)時間等于時鐘信號的周期的低電平代表第二邏輯電平。在一個示例中，第一邏輯電平可以是邏輯電平“1”，第二邏輯電平可以是邏輯電平“0”，則數(shù)字信號是由邏輯電平“1”和“0”組成的序列。假設(shè)時鐘信號的頻率為100Hz，即周期為0.01s，則在數(shù)字信號中，單個“1”或“0”的持續(xù)時間是0.01s。另外，可以理解的是，當多個“1”或多個“0”連續(xù)出現(xiàn)時，該多個“1”或多個“0”的持續(xù)時間是0.01s的整數(shù)倍。傳輸控制器313可以是寄存器或受時鐘信號控制的開關(guān)電路等。

負反饋模塊314的輸入端連接傳輸控制器313的輸出端，負反饋模塊314用于將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為反饋信號并且將反饋信號反饋給積分模塊311。

負反饋模塊314可以包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，用于對數(shù)字信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換以將其轉(zhuǎn)換為模擬信號。具體地，該DAC可以是1位的DAC，以將傳輸控制器313輸出的由“1”和“0”組成的序列轉(zhuǎn)換為模擬信號，例如轉(zhuǎn)換為幅度隨時間變化的電壓信號。負反饋模塊314可以進一步包括電流輸出電路(可視作一個“受控電流源”)，例如由一個電阻組成的電流輸出電路。DAC經(jīng)由電流輸出電路連接到積分模塊311的輸入端。電流輸出電路基于上述電壓信號產(chǎn)生一個電流信號，即反饋信號。所述DAC和電流輸出電路也可以簡單地由一個電阻實現(xiàn)，傳輸控制器313所輸出的數(shù)字信號是一種電壓信號，其經(jīng)過該電阻即可轉(zhuǎn)換為電流信號，即反饋信號。所述反饋信號與初始信號方向相反，其與初始信號在積分模塊311上的累積作用互相抵消，能夠避免積分模塊311所輸出的積分信號過大，以保持電路穩(wěn)定?？蛇x地，負反饋模塊314連接處理電路320。處理電路320可以進一步用于調(diào)整負反饋模塊314輸出的反饋信號的幅值。

由于反饋信號與初始信號在積分模塊311上的累積作用正負相消，所以當初始信號的脈沖持續(xù)時間已經(jīng)結(jié)束并且反饋信號的幅度穩(wěn)定在零(即針對初始信號的負反饋作用已經(jīng)停止)時，初始信號引發(fā)的反饋信號的累加值可以視作初始信號的累加值。又由于，反饋信號的累加值與數(shù)字信號中“1”的個數(shù)成正比。因此，可以利用數(shù)字信號來計算高能光子的能量。當然，也可以利用比較器312輸出的比較信號來計算高能光子的能量，只需在后續(xù)的處理電路320中加入與傳輸控制器313相同的電路。

處理電路320的輸入端連接傳輸控制器313的輸出端，處理電路320可以根據(jù)數(shù)字信號測量高能光子的到達時間。根據(jù)另一示例，處理電路320的輸入端也可以連接比較器312的輸出端，用于根據(jù)比較信號測量高能光子的到達時間。

具體地，處理電路320可以包括時間測量模塊。時間測量模塊的輸入端可以連接傳輸控制器313的輸出端，用于利用數(shù)字信號測量高能光子的到達時間。數(shù)字信號的上升沿出現(xiàn)的時間可以反映高能光子的到達時間。時間測量模塊可以測量來自傳輸控制器313的數(shù)字信號的上升沿出現(xiàn)的時間。其方法為使用數(shù)字系統(tǒng)的時鐘直接記錄上升沿出現(xiàn)的時間。這種方法比較簡單快捷，易于實現(xiàn)。時間測量模塊也可以采用高精度的模擬TDC或者數(shù)字TDC(例如基于FPGA延遲線的數(shù)字TDC)，對數(shù)字信號的上升沿進行精確時間測量。這種方法可以提高時間測量的精度。

可選地，時間測量模塊的輸入端還可以連接比較器312的輸出端，用于利用比較信號測量高能光子的到達時間。比較信號是沒有經(jīng)過傳輸控制器313在時間上進行量化的信號，因此，直接測量比較信號的時間信息，可以獲得更準確的高能光子的時間信息。時間測量模塊可以測量來自比較器312的比較信號的上升沿出現(xiàn)的時間。其方法為使用FPGA數(shù)字系統(tǒng)的時鐘直接記錄上升沿的出現(xiàn)時間。時間測量模塊也可以采用高精度的模擬TDC或者數(shù)字TDC(例如基于FPGA延遲線的數(shù)字TDC)，對比較信號的上升沿進行精確時間測量。

除時間測量以外，處理電路320還可以根據(jù)數(shù)字信號進行其他期望測量，如能量測量、暗電流測量、波形測量、增益測量等。

根據(jù)本發(fā)明實施例的裝置300的電路結(jié)構(gòu)簡單，可以不使用或較少使用放大器、ADC等有源器件。因此，這樣的裝置的成本低廉，功耗低。

生成數(shù)字化的檢測信號可以方便后續(xù)對高能光子的能量或時間等信息進行計算。

示例性地，比較器312接收的參考電平等于光電傳感器檢測到特定數(shù)目的可見光子時所輸出的初始信號在積分模塊中進行積分所獲得的積分信號的電平值。特定數(shù)目可以是任何合適的數(shù)目，其可以根據(jù)需要而定，本發(fā)明不對此進行限制。例如，特定數(shù)目可以等于10。在特定數(shù)目等于10的情況下，觸發(fā)可用于時間測量的脈沖信號(即觸發(fā)數(shù)字信號中的高電平)可能發(fā)生在有效事件產(chǎn)生的第1～10個可見光子的電荷被積分模塊收集到的時刻。經(jīng)平均，可以認為觸發(fā)可用于時間測量的脈沖信號發(fā)生在有效事件產(chǎn)生的第5個可見光子的電荷被積分模塊收集到的時刻。通過這種配置方式可以盡量取得較高的時間分辨率。

示例性地，處理電路120可以通過以下方式確定高能光子的到達時間：根據(jù)數(shù)字信號中的高電平和低電平的出現(xiàn)規(guī)律確定有效觸發(fā)時間并將有效觸發(fā)時間作為到達時間，其中，有效觸發(fā)時間是有效事件觸發(fā)數(shù)字信號中的高電平的時間。在一個示例中，有效觸發(fā)時間可以是由有效事件觸發(fā)的在數(shù)字信號中從低電平跳變至高電平的時間，即上升沿。在另一示例中，有效觸發(fā)時間可以是由有效事件觸發(fā)的在數(shù)字信號中從高電平跳變至低電平的時間，即下降沿。在又一示例中，有效觸發(fā)時間可以是由有效事件觸發(fā)的高電平的持續(xù)時間中的任意時刻。

如上文所述，數(shù)字信號可以是由邏輯電平“1”和“0”組成的序列。在這種情況下，可以認為數(shù)字信號中第一邏輯電平“1”的出現(xiàn)是由有效事件或暗事件觸發(fā)的。下面舉例說明。

一個可見光子和一個暗事件在光電傳感器中產(chǎn)生的初始信號是相同的，因此在積分模塊中進行積分獲得的積分信號的電平值也是相同的，假設(shè)都是0.1V。另外，假設(shè)比較器的參考電平等于1V，相當于10個可見光子或10個暗事件在光電傳感器中產(chǎn)生的初始信號在積分模塊中進行積分獲得的積分信號的總電平值。由于一個高能光子能夠引發(fā)大量可見光子，因此每個有效事件產(chǎn)生的能量遠大于每個暗事件產(chǎn)生的能量。但是暗事件發(fā)生的頻率高于有效事件發(fā)生的頻率。

圖4示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電流檢測電路生成的數(shù)字信號的波形示意圖。圖4僅用于說明目的，其并未完全按照比例繪制。圖4的時間軸按照從左到右的順序逐漸推移。如圖4所示，數(shù)字信號中包括4個高電平(即第一邏輯電平“1”)，分別用410、420、430和440表示。在高電平410和高電平420之間存在98個低電平(即第二邏輯電平“0”)，在高電平420和高電平430之間存在101個低電平，在高電平430和高電平440之間存在50個低電平。假設(shè)暗事件每10納秒發(fā)生1次，則每1微秒發(fā)生100次，也就是說，每過1微秒暗事件產(chǎn)生的初始信號在積分模塊中進行積分獲得的積分信號達到參考電平，數(shù)字信號輸出一次“1”，而在兩個“1”之間可以是99個“0”。以上描述的是理想狀態(tài)，實際上，兩個暗事件之間出現(xiàn)的“0”的個數(shù)通常不是恒定的，而可以在某個范圍內(nèi)上下浮動，如圖4所示。

如上文所述，有效事件產(chǎn)生的電流信號的能量遠大于暗事件產(chǎn)生的電流信號的能量，因此，當有效事件未發(fā)生時，數(shù)字信號中由于暗事件的存在可以出現(xiàn)零散的“1”，而當有效事件發(fā)生時，數(shù)字信號中可以在較短的時間內(nèi)出現(xiàn)大量的“1”。因此，可以根據(jù)數(shù)字信號中的高電平和低電平的出現(xiàn)規(guī)律確定有效事件是否發(fā)生。在確定有效事件未發(fā)生的情況下，可以將每次“1”出現(xiàn)的時間或結(jié)束的時間或在其出現(xiàn)與結(jié)束期間的任意時刻視為暗事件觸發(fā)數(shù)字信號中的高電平的時間，即暗觸發(fā)時間。在確定有效事件發(fā)生的情況下，可以將有效事件引起的第一個“1”出現(xiàn)的時間或結(jié)束的時間或在其出現(xiàn)與結(jié)束期間的任意時刻視為有效事件觸發(fā)數(shù)字信號中的高電平的時間，即有效觸發(fā)時間。結(jié)合圖4，高電平410、420和430的上升沿對應(yīng)的時間是暗觸發(fā)時間，高電平440的上升沿對應(yīng)的時間是有效觸發(fā)時間。

這樣，根據(jù)數(shù)字信號中的高電平和低電平的出現(xiàn)規(guī)律可以確定有效觸發(fā)時間和/或暗觸發(fā)時間。每個有效事件的發(fā)生對應(yīng)著一次高能光子的產(chǎn)生，當希望獲知某次高能光子的到達時間時，可以通過其對應(yīng)有效事件的有效觸發(fā)時間確定，也就是說，可以將有效觸發(fā)時間視為高能光子的到達時間。

示例性地，處理電路120可以通過以下方式估計時間漂移量：根據(jù)數(shù)字信號中的高電平和低電平的出現(xiàn)規(guī)律確定在有效觸發(fā)時間之前的前一暗觸發(fā)時間，其中，暗觸發(fā)時間是暗事件觸發(fā)數(shù)字信號中的高電平的時間；計算有效觸發(fā)時間和前一暗觸發(fā)時間之間的時間間隔；估計在時間間隔內(nèi)發(fā)生的暗事件的量；以及根據(jù)在時間間隔內(nèi)發(fā)生的暗事件的量估計時間漂移量。在一個示例中，暗觸發(fā)時間可以是由暗事件觸發(fā)的在數(shù)字信號中從低電平跳變至高電平的時間，即上升沿。在另一示例中，暗觸發(fā)時間可以是由暗事件觸發(fā)的在數(shù)字信號中從高電平跳變至低電平的時間，即下降沿。在又一示例中，暗觸發(fā)時間可以是由暗事件觸發(fā)的高電平的持續(xù)時間中的任意時刻。

暗事件的量可以是任何能夠衡量發(fā)生多少暗事件的指標，例如暗事件的數(shù)量、暗事件的電荷量或暗事件的能量等。繼續(xù)參考圖4，在確定高電平440的出現(xiàn)代表一次有效事件的發(fā)生的情況下，如果希望獲知該有效事件對應(yīng)的高能光子的到達時間，可以通過以下方式來確定該到達時間對應(yīng)的時間漂移量。從數(shù)字信號中可以發(fā)現(xiàn)，在高電平440出現(xiàn)之前，最近一次出現(xiàn)的高電平是高電平430。可以將高電平430對應(yīng)的暗觸發(fā)時間視為有效觸發(fā)時間的前一暗觸發(fā)時間。然后，可以計算有效觸發(fā)時間和前一暗觸發(fā)時間之間的時間間隔。在高電平430和高電平440之間存在50個“0”，假設(shè)每個“0”的持續(xù)時間等于10納秒，則有效觸發(fā)時間和前一暗觸發(fā)時間之間的時間間隔為50納秒。如上文所述，假設(shè)暗事件平均每10納秒發(fā)生1次，則在50納秒內(nèi)可以發(fā)生50個暗事件。然后，可以根據(jù)經(jīng)驗或理論計算來估計50個暗事件產(chǎn)生的電荷累積在積分模塊中會導(dǎo)致到達時間漂移多少(即估計時間漂移量)。在上述示例中，數(shù)字信號中的每個高電平和每個低電平的持續(xù)時間與兩個連續(xù)的暗事件之間的時間間隔相等，然而，這僅是示例而非對本發(fā)明的限制。

圖5a示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的在未進行修正的情況下到達時間的測量誤差的分析圖；圖5b示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的采用用于測量光子時間信息的裝置進行修正的情況下到達時間的測量誤差的分析圖。在圖5a和5b中，橫坐標表示誤差相當于所確定的到達時間與實際到達時間之間相差多少個可見光子的出現(xiàn)時間，縱坐標表示所確定的到達時間與實際到達時間之間相差對應(yīng)橫坐標所指示的數(shù)目的可見光子的出現(xiàn)時間的次數(shù)。

圖5a和5b所示的實施例是在參考電平等于10個可見光子所輸出的初始信號在積分模塊中進行積分所獲得的積分信號的電平值的條件下實現(xiàn)。如上文所述，在特定數(shù)目等于10的情況下，觸發(fā)可用于時間測量的脈沖信號(即觸發(fā)數(shù)字信號中的高電平)可能發(fā)生在有效事件產(chǎn)生的第1～10個可見光子的電荷被積分模塊收集到的時刻。經(jīng)平均，可以認為觸發(fā)可用于時間測量的脈沖信號發(fā)生在有效事件產(chǎn)生的第5個可見光子的電荷被積分模塊收集到的時刻。利用這種方式估計可用于時間測量的脈沖信號的發(fā)生時間時，如果未經(jīng)過本發(fā)明實施例提供的裝置的修正，則該發(fā)生時間的誤差，也就是高能光子的到達時間的誤差為-5～+4個可見光子的出現(xiàn)時間。如圖5a的仿真結(jié)果所示，由于統(tǒng)計起伏，誤差為-5～+4個可見光子的出現(xiàn)時間的情況的分布不完全一致。這種情況的均方根(RMS)誤差為2.9144。

如圖5b所示，在采用用于測量光子時間信息的裝置進行修正的情況下，誤差的分布從近似均勻分布變成近似正態(tài)分布，RMS誤差從2.9144降低為1.8943。因此，采用本發(fā)明實施例提供的裝置估計時間漂移量并基于時間漂移量對到達時間進行修正可以有效降低時間測量誤差。

進一步地，參考圖6，示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的在未進行修正和采用用于測量光子時間信息的裝置進行修正的情況下到達時間的測量誤差的分析圖。圖6的橫坐標表示所設(shè)定的可見光子的特定數(shù)目，縱坐標表示在對應(yīng)橫坐標所指示的可見光子的特定數(shù)目的設(shè)定條件下的均方根誤差。圖6的橫坐標所表示的特定數(shù)目即為上文所述的設(shè)定參考電平以使其等于光電傳感器檢測到特定數(shù)目的可見光子時所輸出的初始信號在積分模塊中進行積分所獲得的積分信號的電平值的實施例中所描述的特定數(shù)目。

在圖6中，上方的曲線為在未進行修正的情況下到達時間的測量誤差的曲線，下方的曲線為在采用用于測量光子時間信息的裝置進行修正的情況下到達時間的測量誤差的曲線。

特定數(shù)目可以用n表示。根據(jù)圖6，可以比較不同n值(橫坐標軸中的2～20)的設(shè)定條件下的RMS誤差。從圖6中可見，采用本發(fā)明實施例提供的裝置估計時間漂移量并基于時間漂移量對到達時間進行修正可以降低時間測量誤差，并且當n越大時，未修正和經(jīng)修正的情況下的誤差差距越明顯。

示例性地，處理電路可以通過以下方式根據(jù)在時間間隔內(nèi)發(fā)生的暗事件的量估計時間漂移量：利用查找表和在所述時間間隔內(nèi)發(fā)生的暗事件的量估計所述時間漂移量，其中，查找表用于記錄暗事件的量和時間漂移量之間的關(guān)系。

暗事件的量和時間漂移量之間的關(guān)系可以通過任何合適的方式預(yù)先確定并記錄在查找表中，例如可以通過理論計算、計算機仿真或?qū)嶒灥确绞筋A(yù)先確定暗事件的量和時間漂移量之間的關(guān)系。例如，可以利用示波器測量積分模塊輸出的積分信號的波形，確定每次有效事件發(fā)生時電荷基線的漂移情況，并且可以確定時間漂移量。然后，可以根據(jù)當前的暗事件導(dǎo)致的電荷漂移量從查找表中查找對應(yīng)的時間漂移量。查找表記錄的內(nèi)容可能因光電傳感器的設(shè)計不同而有所區(qū)別，因此可以通過實驗等方式預(yù)先測定。

例如，查找表中可以記錄：電荷基線漂移1個暗事件對應(yīng)的電荷量導(dǎo)致時間漂移0.1納秒，電荷基線漂移2個暗事件對應(yīng)的電荷量導(dǎo)致時間漂移0.22納秒，電荷基線漂移5個暗事件對應(yīng)的電荷量導(dǎo)致時間漂移0.6納秒，等等。然后，在已知電荷基線漂移5個暗事件對應(yīng)的電荷量的情況下，可以確定到達時間漂移了0.6納秒。也就是說，可以認為高能光子的實際到達時間比有效觸發(fā)時間晚0.6納秒。這樣，可以基于上述原理對高能光子的到達時間進行修正。

暗事件的量與時間漂移量之間可能不是線性關(guān)系，所以可以利用查找表確定到達時間漂移多少。當然，在暗事件的量與時間漂移量之間是線性關(guān)系的情況下，可以直接根據(jù)暗事件的量計算時間漂移量。

在一個實施例中，處理電路可以包括時間測量模塊和時間修正模塊，時間測量模塊用于根據(jù)檢測信號確定光電傳感器檢測到的高能光子的到達時間；時間修正模塊用于估計高能光子的到達時間的漂移量，并基于漂移量對到達時間進行修正。可以采用兩個電路模塊分別確定到達時間和對到達時間進行修正。由以上描述可知，處理電路可以是具有數(shù)據(jù)處理能力的數(shù)字電路，因此，時間測量模塊和時間修正模塊均可以采用數(shù)字電路來實現(xiàn)。例如，通過編程方式，可以利用諸如FPGA等的數(shù)字電路來實現(xiàn)時間測量模塊和時間修正模塊的功能。通過分開的電路模塊來實現(xiàn)時間測量模塊和時間修正模塊，方便對電路進行管理和維護。

可選地，處理電路可以包括能量測量模塊、暗電流測量模塊和波形測量模塊中的一個或多個。在一個示例中，處理電路包括能量測量模塊，用于根據(jù)檢測信號確定光電傳感器檢測到的高能光子的能量。在另一個示例中，處理電路可以包括暗電流測量模塊，用于根據(jù)檢測信號測量光電傳感器檢測到的暗電流，暗電流可以用暗事件的量表示。在又一個示例中，處理電路可以包括波形測量模塊，用于根據(jù)檢測信號對初始信號進行波形重建和波形測量。

例如，處理電路可以包括能量測量模塊。能量測量模塊可以連接到上文所述的傳輸控制器313的輸出端并利用數(shù)字信號測量高能光子的能量。數(shù)字信號中包含能量信息，該能量信息可以反映光電傳感器所檢測到的高能光子的能量大小。能量測量模塊通過對數(shù)字信號進行某些運算(如求和)，可以計算出或推測出高能光子的能量大小?？梢岳斫獾氖?，能量測量模塊可以通過數(shù)字信號獲得高能光子的能量的相對值，該相對值可以代表高能光子的能量的確切值。另外，能量測量模塊可以包括與傳輸控制器313相同的電路，并將該電路連接到上文所述的比較器312的輸出端，該電路對比較信號進行處理之后，將輸出與數(shù)字信號相同的信號，能量測量模塊再利用該信號測量高能光子的能量，其計算過程與直接利用數(shù)字信號進行計算的過程相同，不再贅述。

可選地，能量測量模塊可以包括計數(shù)器(未示出)，用于通過對第一邏輯電平進行計數(shù)來對高能光子進行能量測量。也就是說，可以通過累計數(shù)字信號中“1”的個數(shù)來進行能量測量?？蛇x地，能量測量模塊可以包括加法器(未示出)，用于通過對第一邏輯電平進行求和來對高能光子進行能量測量。也就是說，可以直接將數(shù)字信號中的“1”相加，將最后獲得的和作為高能光子的能量大小。通過對第一邏輯電平進行計數(shù)或求和來進行能量測量的方法簡單快捷，效率高。

處理電路可以包括暗電流測量模塊。與能量測量模塊類似地，暗電流測量模塊可以連接比較器312或傳輸控制器313的輸出端，以利用比較信號或數(shù)字信號進行暗電流測量。例如，暗電流測量模塊可以通過對來自傳輸控制器313的數(shù)字信號進行運算來進行暗電流測量。例如，可以通過計算在未發(fā)生有效事件時單位時間內(nèi)數(shù)字信號中的“1”的個數(shù)，來測算暗電流的大小。暗電流的大小正比于單位時間內(nèi)數(shù)字信號中的“1”的個數(shù)。

處理電路可以包括波形測量模塊。與能量測量模塊和暗電流測量模塊類似地，波形測量模塊可以連接比較器312或傳輸控制器313的輸出端，以利用比較信號或數(shù)字信號對初始信號進行波形重建和波形測量。例如，波形測量模塊可以通過數(shù)字低通濾波的方法來對初始信號進行波形重建。在某些應(yīng)用中，重建的波形可以用于實現(xiàn)高級的測量。

此外，處理電路可以包括用于進行增益測量的電路模塊。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于測量光子時間信息的方法。圖7示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于測量光子時間信息的方法700的流程示意圖。

如圖7所示，方法700包括以下步驟。

在步驟S710，檢測光電傳感器輸出的初始信號并生成相應(yīng)的檢測信號。

在步驟S720，根據(jù)檢測信號確定光電傳感器檢測到的高能光子的到達時間。

在步驟S730，根據(jù)檢測信號估計時間漂移量。

在步驟S740，基于時間漂移量對到達時間進行修正。

可選地，檢測信號可以是數(shù)字信號，數(shù)字信號由持續(xù)時間相等的高電平和低電平組成，數(shù)字信號中的所有高電平之和與初始信號對時間的積分成正比。

可選地，步驟S720可以包括：根據(jù)數(shù)字信號中的高電平和低電平的出現(xiàn)規(guī)律確定有效觸發(fā)時間并將有效觸發(fā)時間作為到達時間，其中，所述有效觸發(fā)時間是有效事件觸發(fā)數(shù)字信號中的高電平的時間。

可選地，步驟S730可以包括：根據(jù)數(shù)字信號中的高電平和低電平的出現(xiàn)規(guī)律確定在有效觸發(fā)時間之前的前一暗觸發(fā)時間，其中，所述暗觸發(fā)時間是暗事件觸發(fā)數(shù)字信號中的高電平的時間；計算有效觸發(fā)時間和前一暗觸發(fā)時間之間的時間間隔；估計在時間間隔內(nèi)發(fā)生的暗事件的量；以及根據(jù)在時間間隔內(nèi)發(fā)生的暗事件的量估計時間漂移量。

可選地，根據(jù)在時間間隔內(nèi)發(fā)生的暗事件的量估計時間漂移量可以包括：利用查找表和在所述時間間隔內(nèi)發(fā)生的暗事件的量估計所述時間漂移量，其中，查找表用于記錄暗事件的量和時間漂移量之間的關(guān)系。

本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)以上關(guān)于用于測量光子時間信息的裝置的描述以及附圖1至6，能夠理解本文所公開的用于測量光子時間信息的方法700的實施方式及其優(yōu)點等，為了簡潔，本文不對此進行贅述。

本發(fā)明已經(jīng)通過上述實施例進行了說明，但應(yīng)當理解的是，上述實施例只是用于舉例和說明的目的，而非意在將本發(fā)明限制于所描述的實施例范圍內(nèi)。此外本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，本發(fā)明并不局限于上述實施例，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)還可以做出更多種的變型和修改，這些變型和修改均落在本發(fā)明所要求保護的范圍以內(nèi)。本發(fā)明的保護范圍由附屬的權(quán)利要求書及其等效范圍所界定。