一种用于高时空分辨光子计数成像的信号处理电路

摘要

本发明公开了一种用于高时空分辨光子计数成像的信号处理电路，包括：快速放大器、电荷灵敏放大器、恒定系数鉴别器、时幅转换器、时间数字转换器、模数转换器和可编程逻辑门阵列。针对交叉条和延迟线两种阳极探测形式，分别给出其中两种典型的信号处理电路。本发明可以实现更高的光子计数率、时间分辨率和空间分辨率，满足对微弱目标信号和瞬态事件的探测需求。

权利要求

1.一种用于高时空分辨光子计数成像的信号处理电路，其特征在于，包括：快速放大器、电荷灵敏放大器、恒定系数鉴别器、时幅转换器、时间数字转换器、模数转换器和可编程逻辑门阵列；

所述快速放大器，用于将脉冲信号进行放大，得到窄脉宽高幅值脉冲信号；

所述电荷灵敏放大器，用于将脉冲信号进行放大，得到高幅值脉冲信号；

所述恒定系数鉴别器，用于将输入的模拟脉冲信号转换为逻辑脉冲信号；

所述时幅转换器，用于将两路恒定系数鉴别器输出的逻辑脉冲信号到达时间进行比较，并转换成一个电压脉冲，其幅值正比于两路逻辑脉冲信号到达时间的时间差；

所述模数转换器，用于将时幅模拟信号转换为数字信号；

所述时间数字转换器，用于测量光子到达时间；

所述可编程逻辑门阵列，用于根据质心算法和粗精测时原理对输入的信号进行计算，得到目标光子的时间和位置信息，实现高时空分辨光子计数成像；其中，采用粗时间测量与细时间测量相结合的方法计算目标光信号的到达时间，包括：目标光信号通过快速放大器、恒定系数鉴别器、时间振幅转换器、模数转换器，输入到FPGA，FPGA通过对高频稳定的时钟进行计数，获得光子到达定时信号的粗测时间；从MCP引出一路输出信号，依次连接放大器、恒定系数鉴别器、时间数字转换器，输入到FPGA，用于光子到达时信号时间的精细测定。

说明书

一种用于高时空分辨光子计数成像的信号处理电路

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于光子计数成像的信号处理电路，尤其涉及一种用于高时空分辨光子计数成像的信号处理电路。

背景技术

[0002] 采用光子计数型探测器进行高时间分辨天体辐射偏振测量、天文成像、生物时间分辨分子荧光寿命成像已经成为重要发展趋势；主流的光子计数探测器有雪崩光电二极管
(Avalanche Photo Diode，APD)和光电倍增管(Photo Multiplier Tube，PMT)。与APD相比，
PMT具有暗电流低、计数率高、器件响应快等特点，而且可以实现大面阵成像；此外，随着其
在可见光谱段的扩展，国外已呈现出采用PMT探测微弱目标和瞬态事件的趋势。PMT具有多
种电极阳极结构形式，包括MAMA、楔形条、交叉条、延迟线、阵列阳极等。

[0003] MAMA阳极探测器是上世纪90年代广泛采用的太空空间探测成像探测器，由于其器件制作工艺要求高、读出难度大、分辨率不高，目前已基本不采用该探测器；2000年以后，航
天应用的光子计数成像探测器主要采用楔条形阳极探测器，应用于成像分辨率、光子计数
率、时间分辨率要求不高的探测，不能满足微弱目标、瞬态事件探测的需求；延迟线阳极探
测器具有阳极结构紧凑、空间分辨率高、图像扭曲变形小以及计数率高等优点，交叉条阳极
探测器是一种高空间分辨率的电荷分割型阳极读出器，具有响应时间快的特点。延迟线阳
极和交叉条阳极探测器可以实现高时空分辨率(延迟线阳极探测器：光子计数率≥1MHz，分
辨率30μm；交叉条阳极探测器：光子计数率≥10MHz，分辨率7μm)，是目前探测微弱目标及瞬
态事件的最佳选择，是未来高时空分辨光子计数成像应用的两种主要新型探测器。

[0004] 延迟线阳极和交叉条阳极采用两种不同的阳极排布形式，对应两种位置解码方式。目前，限制延迟线阳极探测器和交叉条阳极探测器发展的主要因素是与之配套的读出
电路的设计与实现。为了推进这两种新型探测器的研发以及在高时空分辨光子计数成像方
面的应用，亟待开发与之配套的信号处理电路。

发明内容

[0005] 针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种用于高时空分辨光子计数成像的信号处理电路，该信号处理电路可以实现更高的光子计数率、时间分辨率和空间分辨率，
满足对微弱目标和瞬态事件的探测需求。

[0006] 本发明公开了一种用于高时空分辨光子计数成像的信号处理电路，包括：快速放大器、电荷灵敏放大器、恒定系数鉴别器、时幅转换器、时间数字转换器、模数转换器和可编
程逻辑门阵列；

[0007] 所述快速放大器，用于将脉冲信号进行放大，得到窄脉宽高幅值脉冲信号；

[0008] 所述电荷灵敏放大器，用于将脉冲信号进行放大，得到高幅值脉冲信号；

[0009] 所述恒定系数鉴别器，用于将输入的模拟脉冲信号转换为逻辑脉冲信号；

[0010] 所述时幅转换器，用于将两路恒定系数鉴别器输出的逻辑脉冲信号到达时间进行比较，并转换成一个电压脉冲，其幅值正比于两路逻辑脉冲信号到达时间的时间差；

[0011] 所述模数转换器，用于将时幅模拟信号转换为数字信号；

[0012] 所述时间数字转换器，用于测量光子到达时间；

[0013] 所述可编程逻辑门阵列，用于根据质心算法和粗精测时原理对输入的信号进行计算，得到目标光子的时间和位置信息，实现高时空分辨光子计数成像。

[0014] 作为本发明的进一步改进，针对用于光子计数成像的光电倍增管PMT的两种阳极形式，包括两种信号处理电路，分别为：延迟线阳极探测信号处理电路和交叉条阳极探测信
号处理电路。

[0015] 作为本发明的进一步改进，所述延迟线阳极探测信号处理电路的信号处理方法包括：

[0016] 阳极输出信号依次通过所述快速放大器、恒定系数鉴别器、时幅转换器、模数转换器输入到所述可编程逻辑门阵列；

[0017] 阳极输出信号依次通过所述电荷灵敏放大器、模数转换器输入到所述可编程逻辑门阵列；

[0018] 由PMT探测器MCP输出的信号依次通过放大器、所述恒定系数鉴别器、时间数字转换器输入到所述可编程逻辑门阵列；

[0019] 所述可编程逻辑门阵列根据质心算法和粗精测时原理对输入的信号进行计算，得到目标光子的时间和位置信息，实现高时空分辨光子计数成像。

[0020] 作为本发明的进一步改进，所述交叉条阳极探测信号处理电路的信号处理方法包括：

[0021] 阳极输出信号依次通过专用集成电路ASIC进行信号放大、滤波和模数转换，ASIC输出信号进入所述可编程逻辑门阵列；

[0022] 由PMT探测器MCP输出的信号依次通过放大器、所述恒定系数鉴别器、所述时间数字转换器输入到所述可编程逻辑门阵列；

[0023] 所述可编程逻辑门阵列根据质心算法和粗精测时原理对输入的信号进行计算，得到目标光子的时间和位置信息，实现高时空分辨光子计数成像。

[0024] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：

[0025] 本发明综合采用快速放大器得到窄脉宽高幅值脉冲信号、电荷灵敏放大器得到高精度幅值脉冲信号、恒定系数鉴别器和时幅转换器实现时间差到光子事件位置的测量、时
间数字转换器用于光子到达时间精测、可编程逻辑门阵列基于质心算法和光子到达时间粗
精测定理论进行逻辑运算，进而实现目标光信号位置和到达时间信息的高分辨和精确测
定；

[0026] 本发明为高时空分辨光子计数成像提供一种信号处理电路方案，能够实现对微弱目标及瞬态事件的快速探测和高精度定位；此外，采用ASIC进行多路并行处理，实现信号放
大、滤波、模数转换，同时采用FPGA进行逻辑运算，能够有效降低电路复杂性和信号处理效
率，为实现轻小型探测装置的发展与应用提供支持。

附图说明

[0027] 图1为本发明一种实施例公开的信号处理电路的原理图；

[0028] 图2为本发明一种实施例公开的延迟线阳极探测信号处理电路的原理图；

[0029] 图3为本发明一种实施例公开的交叉条阳极探测信号处理电路的原理图。

具体实施方式

[0030] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是
本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

[0031] 下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

[0032] 如图1所示，本发明提供一种用于高时空分辨光子计数成像的信号处理电路，包括：快速放大器FAMP、电荷灵敏放大器CAMP、恒定系数鉴别器CFD、时幅转换器TAC、时间数字
转换器TDC、模数转换器ADC和可编程逻辑门阵列FPGA，该电路能够精确获得目标光信号位
置和到达时间信息，实现高时空分辨光子计数成像；具体的：

[0033] 本发明的快速放大器FAMP，用于将微弱的脉冲信号进行放大，得到窄脉宽高幅值脉冲信号；

[0034] 本发明的电荷灵敏放大器CAMP，用于将微弱的脉冲信号进行放大，得到高幅值脉冲信号；

[0035] 本发明的恒定系数鉴别器CFD，用于将输入的模拟脉冲信号转换为逻辑脉冲信号；

[0036] 本发明的时幅转换器TAC，用于将两路恒定系数鉴别器输出的逻辑脉冲信号到达时间进行比较，并转换成一个电压脉冲，其幅值正比于两路逻辑脉冲信号到达时间的时间
差；

[0037] 本发明的模数转换器ADC，用于将时幅模拟信号转换为数字信号；

[0038] 本发明的时间数字转换器TDC，用于基于逻辑脉冲信号测量光子到达时间；

[0039] 本发明的可编程逻辑门阵列FPGA，用于根据质心算法和粗精测时原理对输入的信号进行计算，得到目标光子的时间和位置信息，实现高时空分辨光子计数成像。

[0040] 针对用于光子计数成像的光电倍增管PMT的两种阳极形式，包括两种信号处理电路，分别为：延迟线阳极探测信号处理电路和交叉条阳极探测信号处理电路。

[0041] 如图2所示，本发明的延迟线阳极探测信号处理电路的信号处理方法包括：

[0042] 阳极输出信号依次通过快速放大器FAMP、恒定系数鉴别器CFD、时幅转换器TAC、模数转换器ADC输入到可编程逻辑门阵列FPGA；阳极输出信号依次通过电荷灵敏放大器CAMP、
模数转换器ADC输入到可编程逻辑门阵列FPGA；由PMT探测器MCP输出的信号依次通过放大
器、恒定系数鉴别器CFD、时间数字转换器TDC输入到可编程逻辑门阵列FPGA；可编程逻辑门
阵列FPGA根据质心算法和粗精测时原理对输入的信号进行计算，得到目标光子的时间和位
置信息，实现高时空分辨光子计数成像。

[0043] 具体的：

[0044] 如图2所示，针对延迟线阳极探测器，电极具有4个输出端口，其中，两个端口x1、x2用于输出阳极的X坐标信号，另两个端口y1、y2用于输出阳极的Y坐标信号。端口x1、x2的输
出分别依次连接快速放大器、恒定系数鉴别器，两路恒定系数鉴别器的输出端连接1个时幅
转换器的两个输入端，时幅转换器的输出端连接模数转换器，模数转换器将输出信号传输
给FPGA。x2的输出引出一路依次连接电荷灵敏放大器、模数转换器输入到FPGA。FPGA根据质
心算法对输入信号进行计算，实现对目标光信号的位置测量。

[0045] 对于目标光信号的到达时间采用粗时间测量与细时间测量相结合的方法。目标光信号通过快速放大器、恒定系数鉴别器、时间振幅转换器、模数转换器，输入到FPGA，FPGA通
过对高频稳定的时钟进行计数，获得光子到达定时信号的粗测时间；从MCP引出一路输出信
号，依次连接放大器、恒定系数鉴别器、时间数字转换器，输入到FPGA，用于光子到达时信号
时间的精细测定。

[0046] 如图3所示，本发明的交叉条阳极探测信号处理电路的信号处理方法包括：

[0047] 阳极输出信号依次通过专用集成电路ASIC(包括前置放大器、滤波器、模数转换器)进行信号放大、滤波和模数转换，ASIC输出信号进入可编程逻辑门阵列FPGA；由PMT探测
器MCP输出的信号依次通过放大器、恒定系数鉴别器CFD、时间数字转换器TDC输入到可编程
逻辑门阵列FPGA；可编程逻辑门阵列FPGA根据质心算法和粗精测时原理对输入的信号进行
计算，得到目标光子的时间和位置信息，实现高时空分辨光子计数成像。

[0048] 具体的：

[0049] 如图3所示，针对交叉条阳极探测器，2×N个阳极(x方向N个阳极、y方向N个阳极)对应2×N路信号处理电路，x方向N个阳极连接专用集成电路ASIC进行信号放大、滤波和模
数转换，专用集成电将输出信号送入2个FPGA。一个FPGA用于处理阳极X方向坐标信息，另一
个FPGA用于处理阳极Y方向坐标信息，两个FPGA工作原理相同，此处仅说明用于处理X方向
上的信息的FPGA，Y方向相同。FPGA用于读出信号的位置信息。FPGA对输入的N路信号进行位
置和强度识别，恢复电子图像，并通过质心提取算法提取出电子云质心，进而得到光子到达
的位置信息。FPGA通过对高频稳定的时钟进行计数，获得光子到达定时信号的粗测时间；

[0050] 同时，在MCP或阳极的输出引出一路依次连接放大器、恒定系数鉴别器和时间数字转换器，其中，恒定系数鉴别器将输入的模拟脉冲信号转换为快速的逻辑脉冲信号，时间数
字转换器通过给定的时钟计算得到精确的光子的到达延时，时间数字转换器将输出信号输
入到FPGA。

[0051] FPGA采用粗时间测量与细时间测量相结合的方法对于目标光信号的到达时间进行测定，最终输出目标光信号准确的位置和到达时间信息，实现高时空分辨光子计数成像。

[0052] 本发明的优点为：

[0053] 本发明综合采用快速放大器得到窄脉宽高幅值脉冲信号、电荷灵敏放大器得到高精度幅值脉冲信号、恒定系数鉴别器和时幅转换器实现时间差到光子事件位置的测量、时
间数字转换器用于光子到达时间精测、可编程逻辑门阵列基于质心算法和光子到达时间粗
精测定理论进行逻辑运算，进而实现目标光信号位置和到达时间信息的高分辨和精确测
定；本发明为高时空分辨光子计数成像提供一种信号处理电路方案，能够实现对微弱目标
及瞬态事件的快速探测和高精度定位；此外，采用ASIC进行多路并行处理，实现信号放大、
滤波、模数转换，同时采用FPGA进行逻辑运算，能够有效降低电路复杂性和信号处理效率，
为实现轻小型探测装置的发展与应用提供支持。

[0054] 以上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。