一种用于高时空分辨光子计数成像的信号处理电路制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种用于高时空分辨光子计数成像的信号处理电路
本专利技术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。
技术介绍
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(AvalanchePhotoDiode，APD)和光电倍增管(PhotoMultiplierTube，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。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。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。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术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。本专利技术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；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。作为本专利技术的进一步改进，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。作为本专利技术的进一步改进，所述延迟线阳极探测信号处理电路的信号处理方法包括：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；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；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；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。作为本专利技术的进一步改进，所述交叉条阳极探测信号处理电路的信号处理方法包括：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；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；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。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术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；本专利技术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。附图说明图1为本专利技术一种实施例公开的信号处理电路的原理图；图2为本专利技术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；图3为本专利技术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。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。下面结合附图对本专利技术做进一步的详细描述：如图1所示，本专利技术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：本专利技术的快速放大器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；本专利技术的电荷灵敏放大器CAMP，用于将微弱的脉冲信号进行放大，得到高幅值脉冲信号；本专利技术的恒定系数鉴别器CFD，用于将输入的模拟脉冲信号转换为逻辑脉冲信号；本专利技术的时幅转换器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；本专利技术的模数转换器ADC，用于将时幅模拟信号转换为数字信号；本专利技术的时间数字转换器本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；/n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；/n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；/n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；/n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；/n所述模数转换器，用于将时幅模拟信号转换为数字信号；/n所述时间数字转换器，用于测量光子到达时间；/n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。/n

【技术特征摘要】
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。


2.如权利要求1所述的信号处理电路，其特征在于，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。


3.如权...

【专利技术属性】
技术研发人员：代京京，赵思思，吴宪珉，徐鹏霄，张文昱，
申请(专利权)人：北京工业大学，北京空间机电研究所，中国电子科技集团公司第五十五研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11