本發(fā)明涉及光子探測(cè)，特別是涉及一種多閾值數(shù)字化方法、重構(gòu)方法及裝置、計(jì)算機(jī)設(shè)備。

背景技術(shù)：

1、光電探測(cè)器是光子探測(cè)的核心基礎(chǔ)部件，被廣泛用于關(guān)鍵領(lǐng)域。

2、sipm（silicon?photomultiplier，硅光電倍增管）是一種以集成電路為基礎(chǔ)的光電探測(cè)器，其包括若干單光子雪崩二極管（single?photon?avalanche?diode，又稱microcell，簡(jiǎn)稱mc）構(gòu)成的陣列以及相應(yīng)的輔助電路，其中每個(gè)mc都是一個(gè)光電傳感像素。sipm具有高增益、低偏置電壓、對(duì)磁場(chǎng)不敏感、結(jié)構(gòu)緊湊、易于陣列化等優(yōu)勢(shì)，被廣泛認(rèn)為可以取代pmt（photomultiplier?tube，光電倍增管），突破現(xiàn)有pmt探測(cè)性能的物理極限，具有巨大的市場(chǎng)前景。

3、sipm采用施加偏置電壓的方式使mc工作在蓋革模式下，每個(gè)mc的狀態(tài)只有1或0，本質(zhì)上是一個(gè)數(shù)字信號(hào)，然而，其實(shí)際工作時(shí)將數(shù)百到數(shù)千個(gè)mc的二進(jìn)制信號(hào)累加起來(lái)形成一個(gè)模擬信號(hào)輸出，在sipm外部設(shè)置一系列的模擬信號(hào)處理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路來(lái)完成最終信號(hào)的數(shù)字化。該過(guò)程一方面缺乏效率，無(wú)法從模擬信號(hào)中恢復(fù)入射光子時(shí)間序列，導(dǎo)致sipm性能的物理極限難以突破；另一方面其配套數(shù)字化電路復(fù)雜化，與sipm集成的時(shí)候擠占大量空間，不僅犧牲掉大量的光敏面積，而且大大增加了功耗和成本，從根本上限制了sipm的有效應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、基于此，有必要針對(duì)傳統(tǒng)模擬sipm計(jì)數(shù)方案存在的至少一種技術(shù)問(wèn)題，提供一種多閾值數(shù)字化方法、重構(gòu)方法及裝置、計(jì)算機(jī)設(shè)備。

2、根據(jù)本技術(shù)的第一個(gè)方面，提供一種多閾值數(shù)字化方法，包括當(dāng)脈沖響應(yīng)信號(hào)滿足觸發(fā)條件時(shí)，輸出單位階躍信號(hào)；基于所述單位階躍信號(hào)獲取計(jì)數(shù)階躍信號(hào)；對(duì)所述計(jì)數(shù)階躍信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，輸出數(shù)字化采樣信號(hào)。

3、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述當(dāng)脈沖響應(yīng)信號(hào)滿足觸發(fā)條件時(shí)，輸出單位階躍信號(hào)包括比較所述脈沖響應(yīng)信號(hào)與觸發(fā)閾值；響應(yīng)于所述脈沖響應(yīng)信號(hào)不小于所述觸發(fā)閾值的比較結(jié)果，輸出單位階躍信號(hào)。

4、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述單位階躍信號(hào)在sipm的單光子雪崩二極管單元未被激發(fā)時(shí)，保持0輸出狀態(tài)，當(dāng)所述單光子雪崩二極管單元被激發(fā)時(shí)，所述單位階躍信號(hào)的幅值上升一個(gè)單位并保持所述幅值。

5、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述觸發(fā)條件包括：預(yù)設(shè)一電壓，當(dāng)脈沖響應(yīng)信號(hào)大于預(yù)設(shè)電壓時(shí)判定滿足觸發(fā)條件，輸出單位階躍信號(hào)；或者預(yù)設(shè)一波形特征，當(dāng)脈沖響應(yīng)信號(hào)的波形特征符合預(yù)設(shè)的波形特征時(shí)判定滿足觸發(fā)條件，輸出單位階躍信號(hào)。

6、在其中一個(gè)實(shí)施例中，預(yù)設(shè)一波形特征，包括：電壓最大值達(dá)到預(yù)設(shè)電壓閾值，電流幅值達(dá)到預(yù)設(shè)電流閾值，或者累計(jì)電壓達(dá)到預(yù)設(shè)幅值。

7、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述基于所述單位階躍信號(hào)獲取計(jì)數(shù)階躍信號(hào)包括對(duì)所述單位階躍信號(hào)進(jìn)行加和處理，獲取所述計(jì)數(shù)階躍信號(hào)。

8、在其中一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)所述單位階躍信號(hào)進(jìn)行加和處理，包括：多個(gè)單位階躍信號(hào)通過(guò)同相比例加法電路加和后輸出計(jì)數(shù)階躍信號(hào)；或者按照行、列對(duì)應(yīng)輸出的單位階躍信號(hào)通過(guò)加法電路分別加和后輸出計(jì)數(shù)階躍信號(hào)；或者將各個(gè)單位階躍信號(hào)設(shè)置對(duì)應(yīng)的延時(shí)，然后再加和形成計(jì)數(shù)階躍信號(hào)。

9、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述計(jì)數(shù)階躍信號(hào)在sipm的單光子雪崩二極管單元未被激發(fā)時(shí)，幅值保持0狀態(tài)，當(dāng)有一個(gè)所述單光子雪崩二極管單元被激發(fā)時(shí)，所述計(jì)數(shù)階躍信號(hào)的幅值上升一個(gè)單位并保持所述幅值，當(dāng)有n個(gè)所述單光子雪崩二極管單元被激發(fā)時(shí)，所述計(jì)數(shù)階躍信號(hào)的幅值上升n個(gè)單位并保持。

10、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述數(shù)字化采樣信號(hào)包括計(jì)數(shù)閾值-時(shí)間對(duì)，所述對(duì)所述計(jì)數(shù)階躍信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，輸出數(shù)字化采樣信號(hào)包括將所述計(jì)數(shù)階躍信號(hào)分為p路子信號(hào)，p為大于零的整數(shù)；預(yù)設(shè)p個(gè)計(jì)數(shù)閾值，p個(gè)所述計(jì)數(shù)閾值的取值互不相同；比較第i路所述子信號(hào)與第i個(gè)所述計(jì)數(shù)閾值，i=1,?2,?...,?p；響應(yīng)于第i路子信號(hào)不小于第i個(gè)所述計(jì)數(shù)閾值的閾值比較結(jié)果，獲取所述閾值比較結(jié)果的觸發(fā)時(shí)間，輸出p組計(jì)數(shù)閾值-時(shí)間對(duì)。

11、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述對(duì)所述計(jì)數(shù)階躍信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，輸出數(shù)字化采樣信號(hào)，包括：任設(shè)多個(gè)電壓閾值，當(dāng)計(jì)數(shù)階躍信號(hào)越過(guò)每個(gè)所述電壓閾值時(shí)，輸出對(duì)應(yīng)的電壓閾值-時(shí)間對(duì)，換算距離每個(gè)所述電壓閾值最近的整數(shù)倍單位階躍信號(hào)的幅值，根據(jù)多個(gè)所述電壓閾值對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)和觸發(fā)時(shí)間獲取近似對(duì)應(yīng)的入射光子序列的原始信息。

12、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述數(shù)字化采樣信號(hào)包括計(jì)數(shù)閾值-時(shí)間對(duì)，所述對(duì)所述計(jì)數(shù)階躍信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，輸出數(shù)字化采樣信號(hào)，包括：通過(guò)測(cè)量計(jì)數(shù)階躍信號(hào)幅值跳變的次數(shù)以及跳變的時(shí)間，輸出跳變次數(shù)、跳變時(shí)間數(shù)據(jù)序列，并直接以數(shù)字信號(hào)的形式讀出。

13、在其中一個(gè)實(shí)施例中，在對(duì)所述計(jì)數(shù)階躍信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，輸出數(shù)字化采樣信號(hào)后，所述方法還包括輸出復(fù)位信號(hào)對(duì)所述脈沖響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行清零。

14、根據(jù)本技術(shù)的第二個(gè)方面，提供一種多閾值數(shù)字化重構(gòu)方法，包括獲取數(shù)字化采樣信號(hào)；根據(jù)先驗(yàn)信息對(duì)所述數(shù)字化采樣信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)處理，還原計(jì)數(shù)階躍信號(hào)；將所述計(jì)數(shù)階躍信號(hào)轉(zhuǎn)化為單位時(shí)間計(jì)數(shù)信息。

15、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述根據(jù)先驗(yàn)信息對(duì)所述數(shù)字化采樣信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)處理，還原計(jì)數(shù)階躍信號(hào)包括：確定所述計(jì)數(shù)階躍信號(hào)對(duì)應(yīng)的物理模型；基于所述物理模型對(duì)所述數(shù)字化采樣信號(hào)進(jìn)行信號(hào)恢復(fù)處理，還原所述計(jì)數(shù)階躍信號(hào)。

16、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述物理模型包括指數(shù)函數(shù)模型或直線函數(shù)模型。

17、在其中一個(gè)實(shí)施例中，將所述計(jì)數(shù)階躍信號(hào)轉(zhuǎn)化為單位時(shí)間計(jì)數(shù)信息，包括：通過(guò)對(duì)計(jì)數(shù)階躍信號(hào)對(duì)應(yīng)的物理模型進(jìn)行求導(dǎo)得到單位時(shí)間計(jì)數(shù)信息。

18、根據(jù)本技術(shù)的第三個(gè)方面，提供一種多閾值數(shù)字化裝置，包括n個(gè)探測(cè)模塊，用于在探測(cè)到光子時(shí)輸出脈沖響應(yīng)信號(hào)，當(dāng)所述脈沖響應(yīng)信號(hào)達(dá)到觸發(fā)條件時(shí)，輸出單位階躍信號(hào)，n為大于零的整數(shù)；信號(hào)整合模塊，分別與n個(gè)所述探測(cè)模塊相連接，用于基于所述單位階躍信號(hào)獲取計(jì)數(shù)階躍信號(hào)；數(shù)字化模塊，與所述信號(hào)整合模塊相連接，用于基于計(jì)數(shù)閾值對(duì)所述計(jì)數(shù)階躍信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，輸出數(shù)字化采樣信號(hào)。

19、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述探測(cè)模塊包括光子計(jì)數(shù)探測(cè)單元，用于在探測(cè)到光子時(shí)輸出脈沖響應(yīng)信號(hào)；第一閾值比較單元，與所述光子計(jì)數(shù)探測(cè)單元相連接，用于當(dāng)所述脈沖響應(yīng)信號(hào)達(dá)到觸發(fā)條件時(shí)，輸出單位階躍信號(hào)。

20、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述觸發(fā)條件包括：預(yù)設(shè)一電壓，當(dāng)脈沖響應(yīng)信號(hào)大于預(yù)設(shè)電壓時(shí)判定滿足觸發(fā)條件，輸出單位階躍信號(hào)；或者預(yù)設(shè)一波形特征，當(dāng)脈沖響應(yīng)信號(hào)的波形特征符合預(yù)設(shè)的波形特征時(shí)判定滿足觸發(fā)條件，輸出單位階躍信號(hào)。

21、在其中一個(gè)實(shí)施例中，預(yù)設(shè)的波形特征，包括：電壓最大值達(dá)到預(yù)設(shè)電壓閾值，電流幅值達(dá)到預(yù)設(shè)電流閾值，或者累計(jì)電壓達(dá)到預(yù)設(shè)幅值。

22、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述光子計(jì)數(shù)探測(cè)單元包括：?jiǎn)喂庾友┍蓝O管，所述單光子雪崩二極管的陰極接外部輸入的反偏電壓；淬滅管，所述淬滅管的漏極連接所述單光子雪崩二極管的陽(yáng)極，所述淬滅管的源極接地，所述淬滅管的柵極接外部輸入的直流電壓。

23、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述信號(hào)整合模塊包括同相比例加法電路，分別與n個(gè)所述探測(cè)模塊相連接，用于對(duì)所述單位階躍信號(hào)進(jìn)行加和處理，獲取所述計(jì)數(shù)階躍信號(hào)。

24、在其中一個(gè)實(shí)施例中，n個(gè)所述探測(cè)模塊分別通過(guò)n個(gè)輸入電阻接入所述同相比例加法電路的信號(hào)輸入端，其中，n個(gè)所述輸入電阻的阻值相同。

25、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述同相比例加法電路包括運(yùn)算放大器、反饋電阻和接地電阻，其中，n個(gè)所述探測(cè)模塊的輸出端一一對(duì)應(yīng)連接所述輸入電阻并接入所述運(yùn)算放大器的正極輸入端，所述反饋電阻的一端連接所述運(yùn)算放大器的正極輸入端，所述反饋電阻的另一端連接所述運(yùn)算放大器的輸出端，所述運(yùn)算放大器的負(fù)極輸入端通過(guò)接地電阻接地。

26、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述數(shù)字化模塊包括功分器，用于將所述計(jì)數(shù)階躍信號(hào)分為p路子信號(hào)，p為大于零的整數(shù)；p個(gè)第二閾值比較單元，分別與所述功分器的p個(gè)輸出端對(duì)應(yīng)連接，第i個(gè)所述第二閾值比較單元用于比較第i路所述子信號(hào)與第i個(gè)所述計(jì)數(shù)閾值，i=1,?2,?...,?p，響應(yīng)于第i個(gè)子信號(hào)大于等于第i個(gè)所述計(jì)數(shù)閾值的閾值比較結(jié)果，獲取所述閾值比較結(jié)果的觸發(fā)時(shí)間；fifo存儲(chǔ)器，分別與p個(gè)所述第二閾值比較單元相連接，用于根據(jù)p個(gè)所述第二閾值比較單元分別輸出的所述閾值比較結(jié)果和所述觸發(fā)時(shí)間輸出p組計(jì)數(shù)閾值-時(shí)間對(duì)。

27、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述第二閾值比較單元包括比較器，所述比較器的第一輸入端與所述功分器的第i個(gè)輸出端相連接，所述比較器的第二輸入端與數(shù)模轉(zhuǎn)換器相連接；數(shù)模轉(zhuǎn)換器，用于輸出第i個(gè)計(jì)數(shù)閾值至第i個(gè)所述比較器的第二輸入端；所述比較器用于比較第i路所述子信號(hào)與第i個(gè)所述計(jì)數(shù)閾值，i=1,?2,?...,?p，響應(yīng)于第i個(gè)子信號(hào)不小于第i個(gè)所述計(jì)數(shù)閾值的閾值比較結(jié)果，所述比較器輸出觸發(fā)信號(hào)；時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，與所述比較器相連接，用于根據(jù)所述觸發(fā)信號(hào)獲取所述比較結(jié)果的觸發(fā)時(shí)間。

28、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述多閾值數(shù)字化裝置還包括復(fù)位模塊，用于輸出復(fù)位信號(hào)對(duì)所述脈沖響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行清零。

29、根據(jù)本技術(shù)的第四個(gè)方面，提供一種多閾值數(shù)字化重構(gòu)裝置，包括傳輸模塊，用于獲取數(shù)字化采樣信號(hào)；數(shù)據(jù)重構(gòu)模塊，與所述傳輸模塊相連接，用于根據(jù)先驗(yàn)信息對(duì)所述數(shù)字化采樣信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)處理，還原計(jì)數(shù)階躍信號(hào)，還用于將所述計(jì)數(shù)階躍信號(hào)轉(zhuǎn)化為單位時(shí)間計(jì)數(shù)信息。

30、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述數(shù)據(jù)重構(gòu)模塊包括：建模單元，用于確定所述計(jì)數(shù)階躍信號(hào)對(duì)應(yīng)的物理模型；信號(hào)處理單元，與所述建模單元相連接，用于基于所述物理模型對(duì)所述數(shù)字化采樣信號(hào)進(jìn)行信號(hào)恢復(fù)處理，還原所述計(jì)數(shù)階躍信號(hào)。

31、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述物理模型包括指數(shù)函數(shù)模型或直線函數(shù)模型。

32、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述數(shù)據(jù)重構(gòu)模塊還包括信號(hào)轉(zhuǎn)換單元，與所述信號(hào)處理單元相連接，用于將所述計(jì)數(shù)階躍信號(hào)轉(zhuǎn)化為單位時(shí)間計(jì)數(shù)信息。

33、根據(jù)本技術(shù)的第五個(gè)方面，提供一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，包括存儲(chǔ)器和處理器，所述存儲(chǔ)器存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)實(shí)現(xiàn)上述任意一項(xiàng)實(shí)施例所述的多閾值數(shù)字化方法的步驟，或?qū)崿F(xiàn)上述任意一項(xiàng)實(shí)施例所述的多閾值數(shù)字化重構(gòu)方法的步驟。

34、根據(jù)本技術(shù)的第六個(gè)方面，提供一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)上述任意一項(xiàng)實(shí)施例所述的多閾值數(shù)字化方法的步驟，或?qū)崿F(xiàn)上述任意一項(xiàng)實(shí)施例所述的多閾值數(shù)字化重構(gòu)方法的步驟。

35、根據(jù)本技術(shù)的第七個(gè)方面，提供一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，包括計(jì)算機(jī)程序或指令，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)程序或指令被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)上述任意一項(xiàng)實(shí)施例所述的多閾值數(shù)字化方法的步驟，或?qū)崿F(xiàn)上述任意一項(xiàng)實(shí)施例所述的多閾值數(shù)字化重構(gòu)方法的步驟。

36、上述多閾值數(shù)字化方法，在脈沖響應(yīng)信號(hào)滿足觸發(fā)條件時(shí)，輸出單位階躍信號(hào)。通過(guò)對(duì)基于單位階躍信號(hào)獲取的計(jì)數(shù)階躍信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，可以輸出數(shù)字化采樣信號(hào)。利用上述多閾值數(shù)字化方法對(duì)光子進(jìn)行計(jì)數(shù)，可以直接輸出數(shù)字化采樣信號(hào)，最大程度地保存了入射光子序列的原始信息，拋棄了復(fù)雜的模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程，直接實(shí)現(xiàn)了光子信號(hào)的數(shù)字化，不僅使得光子探測(cè)的性能顯著提升，而且去掉了額外的外部數(shù)字化裝置，擴(kuò)大了光子的有效探測(cè)面積，使sipm的應(yīng)用前景更加廣闊。