用於測量光子時間信息的裝置及方法與流程

2023-12-03 12:09:06 3

本發明涉及電路領域，具體地，涉及一種用於測量光子時間信息的裝置及方法。

背景技術：

在高能光子(X射線、伽瑪光子等)測量系統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後產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，在正電子發射成像(PET)及單光子發射成像(SPECT)系統中，伽瑪光子與閃爍晶體，例如矽酸釔鑥(LYSO)晶體，相互作用後產生能量較低的可見光子群。光電傳感器，例如光電倍增管(PMT)或者矽光電倍增管(SiPM)等，把可見光子群攜帶的光信號轉換為電信號。光子測量前端電路測量光電傳感器產生的電信號，獲取伽瑪光子的能量和到達時間。

為了避免常規技術中的通過模數轉換器(ADC)採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，可以觸發脈衝信號。然後可以基於脈衝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生的前幾個可見光子發生的時間，可以取得最佳的時間解析度。因此，在改進的光子測量前端電路中，期望通過設定系統參數，使得在積分模塊累積了n個(例如5個)可見光子產生的電荷後觸發，生成可用於時間測量的脈衝信號。然而，這種方法不一定能夠取得最佳的時間解析度，原因如下：在目前的技術條件下，諸如SiPM的光電傳感器中的暗事件率較高。暗事件產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，如果積分模塊已經累積了m個暗事件產生的電荷，觸發理論上發生在積分模塊累積了第n-m個可見光子產生的電荷後，而不是第n個。由於暗事件和高能光子都是隨機出現的，因此m的值可能在0～n-1的範圍內均勻分布。因此，產生可用於時間測量的脈衝信號時，由高能光子導致的在積分模塊中累積的電荷，不一定是n個可見光子產生的電荷，而可能是在1～n的範圍內的任意數目的可見光子產生的電荷。也就是說，用於判定高能光子的到達時間的電荷基線可能發生漂移，因此測量得到的到達時間與實際到達時間相比也可能發生漂移。由於上述原因，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，需要提供一種用於測量光子時間信息的裝置，以至少部分地解決現有技術中存在的上述問題。

技術實現要素：

為了至少部分地解決現有技術中存在的問題，根據本發明的一個方面，提供一種用於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。電流檢測電路用於連接光電傳感器，檢測光電傳感器輸出的初始信號並生成相應的檢測信號。處理電路的輸入端連接電流檢測電路的輸出端，處理電路用於根據檢測信號確定光電傳感器檢測到的高能光子的到達時間，根據檢測信號估計時間漂移量，並基於時間漂移量對到達時間進行修正。

根據本發明的另一方面，提供一種用於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並生成相應的檢測信號；根據檢測信號確定光電傳感器檢測到的高能光子的到達時間；根據檢測信號估計時間漂移量；以及基於時間漂移量對到達時間進行修正。

根據本發明實施例的裝置及方法，估計時間漂移量並基於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果。

在發明內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。本發明內容部分並不意味著要試圖限定所要求保護的技術方案的關鍵特徵和必要技術特徵，更不意味著試圖確定所要求保護的技術方案的保護範圍。

以下結合附圖，詳細說明本發明的優點和特徵。

附圖說明

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

圖1示出根據一個示例的改進的光子測量前端電路的示意性框圖；

圖2示出根據本發明一個實施例的用於測量光子時間信息的裝置的示意性框圖；

圖3示出根據本發明一個實施例的用於測量光子時間信息的裝置的示意性框圖；

圖4示出根據本發明一個實施例的電流檢測電路生成的數位訊號的波形示意圖；

圖5a示出根據本發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示出根據本發明一個實施例的採用用於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示出根據本發明一個實施例的在未進行修正和採用用於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示出根據本發明一個實施例的用於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，提供了大量的細節以便能夠徹底地理解本發明。然而，本領域技術人員可以了解，如下描述僅涉及本發明的較佳實施例，本發明可以無需一個或多個這樣的細節而得以實施。此外，為了避免與本發明發生混淆，對於本領域公知的一些技術特徵未進行描述。

如上文所述，為了避免常規技術中的通過ADC採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示出根據一個示例的改進的光子測量前端電路100的示意性框圖。應該注意，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用於連接光電傳感器(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並且輸出積分信號。

比較器120的一個輸入端連接積分模塊110的輸出端並且比較器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並生成比較信號。例如，當積分信號的電平值高於參考電平時，比較器120可以輸出高電平，當積分信號的電平值等於或小於參考電平時，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。

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位訊號。數位訊號中的、持續時間等於時鐘信號的周期的高電平代表第一邏輯電平，數位訊號中的、持續時間等於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」，則數位訊號是由邏輯電平「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可以將數位訊號轉換為反饋信號並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生時，一開始獲得的積分信號比較小，比較信號和數位訊號可以一直處於低電平狀態。當積分信號的電平值大於參考電平時，比較信號中出現一個高電平。隨後，數位訊號中也會出現一個高電平。可以將有效事件發生時在比較信號或數位訊號中的第一個高電平出現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生電流信號的事件。在發生有效事件或暗事件時，光電傳感器可以輸出一個脈衝電流信號(即初始信號)。有效事件產生的電流信號的能量遠大於暗事件產生的電流信號的能量，前者通常是後者的幾十至幾千倍。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生的事件是有效事件還是暗事件。

測量模塊150可以利用數位訊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(即有效事件發生時)產生的前幾個可見光子發生的時間，可以取得最佳的時間解析度。根據改進的光子測量前端電路100的工作原理，通過設定比較器120的參考電平可以控制在比較信號或數位訊號中的第一個高電平出現時需要在積分模塊110中累積的電荷。因此，期望的是，通過將參考電平設定為等於n個可見光子產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解析度。然而，由於如上文所述的暗事件導致電荷基線漂移的因素，採用這種方式可能難以獲得理想的時間測量精度。

應當理解，圖1及相關描述僅用於示例性地說明改進的光子測量前端電路的結構，其並不表明本發明實施例提供的裝置僅適用於圖1所示的光子測量前端電路。本發明實施例提供的裝置可以適用於其他採用類似結構和原理的光子測量前端電路。

為解決上述問題，根據本發明的一個方面，提供一種用於測量光子時間信息的裝置。圖2示出根據本發明一個實施例的用於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用於連接光電傳感器，檢測光電傳感器輸出的初始信號並生成相應的檢測信號。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用於根據檢測信號確定光電傳感器檢測到的高能光子的到達時間，根據檢測信號估計時間漂移量，並基於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、雪崩光電二極體(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模下的光電檢測器件，而不局限於一個完整的獨立傳感器。本領域技術人員可以理解，在PET系統中，當發生正電子湮滅時，會產生一對伽瑪光子。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衝電流信號。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，並結合如伽瑪光子的能量信息等信息獲得關於正電子湮滅事件的信息。

電流檢測電路210用於檢測光電傳感器輸出的初始信號，其可以採用類似圖1所示的除測量模塊150之外的其他電路部分實現。可以理解的是，電流檢測電路210檢測的是光電傳感器在一定時段內輸出的初始信號。在該時段內，可能發生有效事件或暗事件，也可能未發生任何事件。在沒有事件發生的時段內，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可以採用任何合適的硬體、軟體和/或固件實現，例如其可以採用現場可編程門陣列(FPGA)、數位訊號處理器(DSP)、複雜可編程邏輯器件(CPLD)、微控制單元(MCU)或中央處理單元(CPU)等實現。處理電路220可以根據檢測信號確定高能光子的到達時間。例如，可以採用時間數字轉換器(TDC)測量檢測信號的上升沿，以確定到達時間。處理電路220還可以根據檢測信號估計時間漂移量。如上文所述，暗事件產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/或暗事件是否發生及有效事件和/或暗事件產生的能量的大小。因此，根據檢測信號可以估計有效事件發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。隨後，可以根據時間漂移量對到達時間進行修正。

裝置200可以採用類似改進的光子測量前端電路100的硬體結構來實現，其硬體結構簡單，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於暗事件引起電荷基線漂移並進而導致時間測量不準確的問題。

根據本發明實施例的裝置，估計時間漂移量並基於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果。

可選地，檢測信號可以是數位訊號。數位訊號由持續時間相等的高電平和低電平組成，數位訊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為圖3所示的電路310的形式，以生成上述數位訊號。圖3示出根據本發明一個實施例的用於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用於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並且輸出積分信號。

電流檢測電路310是包括負反饋環節的電路，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定為從負反饋模塊314流向積分模塊311。因此，對於積分模塊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可以採用模擬積分電路實現，例如通過電阻、電容、運算放大器等元器件組成的電路實現。

比較器312的一個輸入端連接積分模塊311的輸出端並且比較器312的另一輸入端接入參考電平，比較器312用於將積分信號與參考電平進行比較並生成比較信號。

例如，當積分信號的電平值高於參考電平時，比較器312可以輸出高電平，當積分信號的電平值等於或小於參考電平時，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。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方式較簡單，最終獲得的測量結果較準確。

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用於利用時鐘信號控制比較信號的傳輸以輸出數位訊號，其中數位訊號中的、持續時間等於時鐘信號的周期的高電平代表第一邏輯電平，數位訊號中的、持續時間等於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之間切換的信號。在比較信號中，高電平和低電平的持續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，使得每段連續的高電平或低電平的持續時間都是時鐘信號的周期的整數倍。這種時間上的量化相當於模數轉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輸出的數位訊號中，持續時間等於時鐘信號的周期的高電平代表第一邏輯電平，持續時間等於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」，則數位訊號是由邏輯電平「1」和「0」組成的序列。假設時鐘信號的頻率為100Hz，即周期為0.01s，則在數位訊號中，單個「1」或「0」的持續時間是0.01s。另外，可以理解的是，當多個「1」或多個「0」連續出現時，該多個「1」或多個「0」的持續時間是0.01s的整數倍。傳輸控制器313可以是寄存器或受時鐘信號控制的開關電路等。

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用於將數位訊號轉換為反饋信號並且將反饋信號反饋給積分模塊311。

負反饋模塊314可以包括數模轉換器(DAC)，用於對數位訊號進行數模轉換以將其轉換為模擬信號。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」組成的序列轉換為模擬信號，例如轉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。電流輸出電路基於上述電壓信號產生一個電流信號，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，傳輸控制器313所輸出的數位訊號是一種電壓信號，其經過該電阻即可轉換為電流信號，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，以保持電路穩定。可選地，負反饋模塊314連接處理電路320。處理電路320可以進一步用於調整負反饋模塊314輸出的反饋信號的幅值。

由於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衝持續時間已經結束並且反饋信號的幅度穩定在零(即針對初始信號的負反饋作用已經停止)時，初始信號引發的反饋信號的累加值可以視作初始信號的累加值。又由於，反饋信號的累加值與數位訊號中「1」的個數成正比。因此，可以利用數位訊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，只需在後續的處理電路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可以根據數位訊號測量高能光子的到達時間。根據另一示例，處理電路320的輸入端也可以連接比較器312的輸出端，用於根據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，用於利用數位訊號測量高能光子的到達時間。數位訊號的上升沿出現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的數位訊號的上升沿出現的時間。其方法為使用數字系統的時鐘直接記錄上升沿出現的時間。這種方法比較簡單快捷，易於實現。時間測量模塊也可以採用高精度的模擬TDC或者數字TDC(例如基於FPGA延遲線的數字TDC)，對數位訊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，用於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的時間。其方法為使用FPGA數字系統的時鐘直接記錄上升沿的出現時間。時間測量模塊也可以採用高精度的模擬TDC或者數字TDC(例如基於FPGA延遲線的數字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還可以根據數位訊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。

根據本發明實施例的裝置300的電路結構簡單，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。

生成數位化的檢測信號可以方便後續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接收的參考電平等於光電傳感器檢測到特定數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。特定數目可以是任何合適的數目，其可以根據需要而定，本發明不對此進行限制。例如，特定數目可以等於10。在特定數目等於10的情況下，觸發可用於時間測量的脈衝信號(即觸發數位訊號中的高電平)可能發生在有效事件產生的第1～10個可見光子的電荷被積分模塊收集到的時刻。經平均，可以認為觸發可用於時間測量的脈衝信號發生在有效事件產生的第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儘量取得較高的時間解析度。

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：根據數位訊號中的高電平和低電平的出現規律確定有效觸發時間並將有效觸發時間作為到達時間，其中，有效觸發時間是有效事件觸發數位訊號中的高電平的時間。在一個示例中，有效觸發時間可以是由有效事件觸發的在數位訊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，有效觸發時間可以是由有效事件觸發的在數位訊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，有效觸發時間可以是由有效事件觸發的高電平的持續時間中的任意時刻。

如上文所述，數位訊號可以是由邏輯電平「1」和「0」組成的序列。在這種情況下，可以認為數位訊號中第一邏輯電平「1」的出現是由有效事件或暗事件觸發的。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，假設都是0.1V。另外，假設比較器的參考電平等於1V，相當於10個可見光子或10個暗事件在光電傳感器中產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。由於一個高能光子能夠引發大量可見光子，因此每個有效事件產生的能量遠大於每個暗事件產生的能量。但是暗事件發生的頻率高於有效事件發生的頻率。

圖4示出根據本發明一個實施例的電流檢測電路生成的數位訊號的波形示意圖。圖4僅用於說明目的，其並未完全按照比例繪製。圖4的時間軸按照從左到右的順序逐漸推移。如圖4所示，數位訊號中包括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。假設暗事件每10納秒發生1次，則每1微秒發生100次，也就是說，每過1微秒暗事件產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，數位訊號輸出一次「1」，而在兩個「1」之間可以是99個「0」。以上描述的是理想狀態，實際上，兩個暗事件之間出現的「0」的個數通常不是恆定的，而可以在某個範圍內上下浮動，如圖4所示。

如上文所述，有效事件產生的電流信號的能量遠大於暗事件產生的電流信號的能量，因此，當有效事件未發生時，數位訊號中由於暗事件的存在可以出現零散的「1」，而當有效事件發生時，數位訊號中可以在較短的時間內出現大量的「1」。因此，可以根據數位訊號中的高電平和低電平的出現規律確定有效事件是否發生。在確定有效事件未發生的情況下，可以將每次「1」出現的時間或結束的時間或在其出現與結束期間的任意時刻視為暗事件觸發數位訊號中的高電平的時間，即暗觸發時間。在確定有效事件發生的情況下，可以將有效事件引起的第一個「1」出現的時間或結束的時間或在其出現與結束期間的任意時刻視為有效事件觸發數位訊號中的高電平的時間，即有效觸發時間。結合圖4，高電平410、420和430的上升沿對應的時間是暗觸發時間，高電平440的上升沿對應的時間是有效觸發時間。

這樣，根據數位訊號中的高電平和低電平的出現規律可以確定有效觸發時間和/或暗觸發時間。每個有效事件的發生對應著一次高能光子的產生，當希望獲知某次高能光子的到達時間時，可以通過其對應有效事件的有效觸發時間確定，也就是說，可以將有效觸發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：根據數位訊號中的高電平和低電平的出現規律確定在有效觸發時間之前的前一暗觸發時間，其中，暗觸發時間是暗事件觸發數位訊號中的高電平的時間；計算有效觸發時間和前一暗觸發時間之間的時間間隔；估計在時間間隔內發生的暗事件的量；以及根據在時間間隔內發生的暗事件的量估計時間漂移量。在一個示例中，暗觸發時間可以是由暗事件觸發的在數位訊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，暗觸發時間可以是由暗事件觸發的在數位訊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，暗觸發時間可以是由暗事件觸發的高電平的持續時間中的任意時刻。

暗事件的量可以是任何能夠衡量發生多少暗事件的指標，例如暗事件的數量、暗事件的電荷量或暗事件的能量等。繼續參考圖4，在確定高電平440的出現代表一次有效事件的發生的情況下，如果希望獲知該有效事件對應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的時間漂移量。從數位訊號中可以發現，在高電平440出現之前，最近一次出現的高電平是高電平430。可以將高電平430對應的暗觸發時間視為有效觸發時間的前一暗觸發時間。然後，可以計算有效觸發時間和前一暗觸發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」，假設每個「0」的持續時間等於10納秒，則有效觸發時間和前一暗觸發時間之間的時間間隔為50納秒。如上文所述，假設暗事件平均每10納秒發生1次，則在50納秒內可以發生50個暗事件。然後，可以根據經驗或理論計算來估計50個暗事件產生的電荷累積在積分模塊中會導致到達時間漂移多少(即估計時間漂移量)。在上述示例中，數位訊號中的每個高電平和每個低電平的持續時間與兩個連續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明的限制。

圖5a示出根據本發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示出根據本發明一個實施例的採用用於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於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橫坐標所指示的數目的可見光子的出現時間的次數。

圖5a和5b所示的實施例是在參考電平等於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。如上文所述，在特定數目等於10的情況下，觸發可用於時間測量的脈衝信號(即觸發數位訊號中的高電平)可能發生在有效事件產生的第1～10個可見光子的電荷被積分模塊收集到的時刻。經平均，可以認為觸發可用於時間測量的脈衝信號發生在有效事件產生的第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於時間測量的脈衝信號的發生時間時，如果未經過本發明實施例提供的裝置的修正，則該發生時間的誤差，也就是高能光子的到達時間的誤差為-5～+4個可見光子的出現時間。如圖5a的仿真結果所示，由於統計起伏，誤差為-5～+4個可見光子的出現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，在採用用於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分布，RMS誤差從2.9144降低為1.8943。因此，採用本發明實施例提供的裝置估計時間漂移量並基於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，示出根據本發明一個實施例的在未進行修正和採用用於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的橫坐標表示所設定的可見光子的特定數目，縱坐標表示在對應橫坐標所指示的可見光子的特定數目的設定條件下的均方根誤差。圖6的橫坐標所表示的特定數目即為上文所述的設定參考電平以使其等於光電傳感器檢測到特定數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，下方的曲線為在採用用於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。

特定數目可以用n表示。根據圖6，可以比較不同n值(橫坐標軸中的2～20)的設定條件下的RMS誤差。從圖6中可見，採用本發明實施例提供的裝置估計時間漂移量並基於時間漂移量對到達時間進行修正可以降低時間測量誤差，並且當n越大時，未修正和經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在時間間隔內發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發生的暗事件的量估計所述時間漂移量，其中，查找表用於記錄暗事件的量和時間漂移量之間的關係。

暗事件的量和時間漂移量之間的關係可以通過任何合適的方式預先確定並記錄在查找表中，例如可以通過理論計算、計算機仿真或實驗等方式預先確定暗事件的量和時間漂移量之間的關係。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生時電荷基線的漂移情況，並且可以確定時間漂移量。然後，可以根據當前的暗事件導致的電荷漂移量從查找表中查找對應的時間漂移量。查找表記錄的內容可能因光電傳感器的設計不同而有所區別，因此可以通過實驗等方式預先測定。

例如，查找表中可以記錄：電荷基線漂移1個暗事件對應的電荷量導致時間漂移0.1納秒，電荷基線漂移2個暗事件對應的電荷量導致時間漂移0.22納秒，電荷基線漂移5個暗事件對應的電荷量導致時間漂移0.6納秒，等等。然後，在已知電荷基線漂移5個暗事件對應的電荷量的情況下，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時間晚0.6納秒。這樣，可以基於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係，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係的情況下，可以直接根據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，時間測量模塊用於根據檢測信號確定光電傳感器檢測到的高能光子的到達時間；時間修正模塊用於估計高能光子的到達時間的漂移量，並基於漂移量對到達時間進行修正。可以採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據處理能力的數字電路，因此，時間測量模塊和時間修正模塊均可以採用數字電路來實現。例如，通過編程方式，可以利用諸如FPGA等的數字電路來實現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，用於根據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，用於根據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，用於根據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的輸出端並利用數位訊號測量高能光子的能量。數位訊號中包含能量信息，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位訊號進行某些運算(如求和)，可以計算出或推測出高能光子的能量大小。可以理解的是，能量測量模塊可以通過數位訊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，並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後，將輸出與數位訊號相同的信號，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位訊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器(未示出)，用於通過對第一邏輯電平進行計數來對高能光子進行能量測量。也就是說，可以通過累計數位訊號中「1」的個數來進行能量測量。可選地，能量測量模塊可以包括加法器(未示出)，用於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，可以直接將數位訊號中的「1」相加，將最後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位訊號進行暗電流測量。例如，暗電流測量模塊可以通過對來自傳輸控制器313的數位訊號進行運算來進行暗電流測量。例如，可以通過計算在未發生有效事件時單位時間內數位訊號中的「1」的個數，來測算暗電流的大小。暗電流的大小正比於單位時間內數位訊號中的「1」的個數。

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位訊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字低通濾波的方法來對初始信號進行波形重建。在某些應用中，重建的波形可以用於實現高級的測量。

此外，處理電路可以包括用於進行增益測量的電路模塊。

根據本發明的另一方面，提供一種用於測量光子時間信息的方法。圖7示出根據本發明一個實施例的用於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並生成相應的檢測信號。

在步驟S720，根據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，根據檢測信號估計時間漂移量。

在步驟S740，基於時間漂移量對到達時間進行修正。

可選地，檢測信號可以是數位訊號，數位訊號由持續時間相等的高電平和低電平組成，數位訊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：根據數位訊號中的高電平和低電平的出現規律確定有效觸發時間並將有效觸發時間作為到達時間，其中，所述有效觸發時間是有效事件觸發數位訊號中的高電平的時間。

可選地，步驟S730可以包括：根據數位訊號中的高電平和低電平的出現規律確定在有效觸發時間之前的前一暗觸發時間，其中，所述暗觸發時間是暗事件觸發數位訊號中的高電平的時間；計算有效觸發時間和前一暗觸發時間之間的時間間隔；估計在時間間隔內發生的暗事件的量；以及根據在時間間隔內發生的暗事件的量估計時間漂移量。

可選地，根據在時間間隔內發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發生的暗事件的量估計所述時間漂移量，其中，查找表用於記錄暗事件的量和時間漂移量之間的關係。

本領域技術人員根據以上關於用於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於測量光子時間信息的方法700的實施方式及其優點等，為了簡潔，本文不對此進行贅述。

本發明已經通過上述實施例進行了說明，但應當理解的是，上述實施例只是用於舉例和說明的目的，而非意在將本發明限制於所描述的實施例範圍內。此外本領域技術人員可以理解的是，本發明並不局限於上述實施例，根據本發明的教導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明所要求保護的範圍以內。本發明的保護範圍由附屬的權利要求書及其等效範圍所界定。