本发明涉及单光子及微弱光测量领域，尤其涉及微弱光测量仪及多通道微弱光时间分辨方法。
背景技术：
微弱光测量仪是一种能够接收光脉冲信号，对光脉冲信号进行测量的仪器。微弱光测量仪普遍应用于辐射成像领域、光子雷达领域及爱因斯坦波色凝聚领域等。
在辐射成像领域内，利用微弱光测量仪进行辐射成像的主要过程是：激光器向待成像物体发射激光，待成像物体将激光以光脉冲信号的形式反射至微弱光测量仪，微弱光测量仪测量接收到的光脉冲信号的强度信息和位置信息，将测量的光脉冲信号的强度信息和位置信息发送至成像装置，成像装置根据光脉冲信号的强度信息和位置信息呈现出待成像物体对应的图像。
然而，相关技术中的微弱光测量仪只能测量光脉冲信号的强度信息和位置信息，无法测量光脉冲信号的时间相关量，使微弱光测量仪的应用受到局限。
技术实现要素：
本发明提供了微弱光测量仪及多通道微弱光时间分辨方法，能够测量光脉冲信号的时间相关量，缓解相关技术中的微弱光测量仪无法测量光脉冲信号的时间相关量的问题。
为达到上述目的，第一方面，本发明实施例提供了一种微弱光测量仪，包括：探测器，与所述探测器电连接的放大整形器，与所述放大整形器电连接的主控器；所述探测器具有多个接收通道，所述探测器用于通过各个所述接收通道接收光脉冲信号，将所述光脉冲信号转换成电脉冲信号并发送至所述放大整形器；所述放大整形器具有与多个所述接收通道对应的多个处理通道，所述放大整形器用于接收所述电脉冲信号，通过与当前接收通道对应的处理通道对所述电脉冲信号进行放大整形处理，得到数字脉冲信号，将所述数字脉冲信号发送至所述主控器；所述主控器用于接收所述数字脉冲信号，利用划分粗时间与细时间的方式对所述数字脉冲信号进行处理，计算各个所述接收通道对应的所述光脉冲信号的获取时间，以及各个所述接收通道对应的多个所述光脉冲信号之间的时间间隔。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面第一种可能的实施方式，其中，所述主控器包括：相位差检测器，与所述相位差检测器电连接的处理器；所述相位差检测器具有与多个所述接收通道对应的多个检测通道；所述测量仪接收到开始信号后，所述处理器按照预设频率进行计时，各个所述检测通道按照所述预设频率生成第一周期信号；所述相位差检测器用于接收所述数字脉冲信号，在所述数字脉冲信号的触发下生成第二周期信号，通过与当前接收通道对应的检测通道计算所述第二周期信号与所述第一周期信号之间的时间差，将所述时间差发送至所述处理器；所述处理器用于接收所述时间差，将所述时间差作为细时间，将当前计时结果作为粗时间，将所述细时间和所述粗时间的相加结果作为当前接收通道对应的所述光脉冲信号的获取时间。
结合第一方面第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面第二种可能的实施方式，其中，所述主控器还包括与所述相位差检测器电连接的第一起振器；所述测量仪接收到开始信号后，所述第一起振器按照所述预设频率生成第一周期信号，并将所述第一周期信号发送至所述相位差检测器的各个检测通道。
结合第一方面第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面第三种可能的实施方式，其中，所述主控器还包括与所述相位差检测器电连接的第二起振器，所述第二起振器具有与多个所述接收通道对应的多个起振通道；所述第二起振器用于通过各个所述起振通道接收各个所述接收通道对应的所述数字脉冲信号，在所述数字脉冲信号的触发下生成第二周期信号，将所述第二周期信号发送至所述相位差检测器。
结合第一方面第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面第四种可能的实施方式，其中，所述主控器还包括分别与所述相位差检测器和所述处理器电连接的模数转换器；所述模数转换器具有与多个所述接收通道对应的多个转换通道；所述相位差检测器用于将所述时间差以模拟电信号的形式发送至所述模数转换器；所述模数转换器用于接收所述模拟电信号，通过与当前接收通道对应的转换通道将所述模拟电信号转换成数字电信号并发送至所述处理器。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面第五种可能的实施方式，其中，所述处理器还用于将各个所述接收通道对应的所述光脉冲信号的获取时间相减，得到各个所述接收通道对应的多个所述光脉冲信号之间的时间间隔。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面第六种可能的实施方式，其中，所述主控器还用于计算各个所述接收通道对应的所述光脉冲信号的数量，以及，通过各个所述接收通道的预定位置确定各个所述光脉冲信号的位置。
结合第一方面上述实施方式，本发明实施例提供了第一方面第七种可能的实施方式，其中，所述测量仪还包括：与所述主控器电连接的输出接口，所述输出接口用于输出各个所述接收通道对应的所述光脉冲信号的获取时间，以及各个所述接收通道对应的多个所述光脉冲信号之间的时间间隔。
结合第一方面第七种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面第八种可能的实施方式，其中，所探测器包括多阳极光电倍增管、雪崩光电倍增管、多像素光子计数器以及光电二极管中的一种或多种。
第二方面，本发明实施例提供了一种应用上述第一方面所述的微弱光测量仪的多通道微弱光时间分辨方法，包括：通过各个接收通道接收光脉冲信号，将所述光脉冲信号转换成电脉冲信号；通过与当前接收通道对应的处理通道对所述电脉冲信号进行放大整形处理，得到数字脉冲信号；利用划分粗时间与细时间的方式对所述数字脉冲信号进行处理，计算各个所述接收通道对应的所述光脉冲信号的获取时间，以及各个所述接收通道对应的多个所述光脉冲信号之间的时间间隔。
本实施例中，首先获取光脉冲信号，并将光脉冲信号转换成电脉冲信号，然后对电脉冲信号进行放大整形处理得到数字脉冲信号，最后利用划分粗时间与细时间的方式对数字脉冲信号进行处理，计算光脉冲信号的获取时间，以及多个光脉冲信号之间的时间间隔。通过本实施例中的微弱光测量仪及多通道微弱光时间分辨方法，能够测量光脉冲信号的时间相关量，缓解相关技术中的微弱光测量仪无法测量光脉冲信号的时间相关量的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1示出了本发明第一实施例提供的微弱光测量仪的一种结构示意图；
图2示出了本发明第一实施例提供的微弱光测量仪的另一种结构示意图；
图3示出本发明第一实施例所提供的微弱光测量仪的又一种结构示意图；
图4示出本发明第一实施例所提供的主控器的工作示意图；
图5示出本发明第一实施例所提供的时间测量结果的示意图；
图6示出本发明第一实施例所提供的应用微弱光测量仪成像的示意图；
图7示出本发明第一实施例所提供的物体B的一种成像示意图；
图8示出本发明第一实施例所提供的物体B的又一种成像示意图；
图9示出本发明第二实施例所提供的一种应用实施例一中的微弱光测量仪的多通道微弱光时间分辨方法的流程示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域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。
考虑到相关技术中的微弱光测量仪只能测量光脉冲信号的强度信息和位置信息，无法测量光脉冲信号的时间相关量，使微弱光测量仪的应用受到局限，本发明提供了微弱光测量仪及多通道微弱光时间分辨方法，下面结合实施例进行具体描述。
实施例一
图1示出了本发明第一实施例提供的微弱光测量仪的结构示意图，如图1所示，该微弱光测量仪1包括：探测器10，与探测器10电连接的放大整形器20，与放大整形器20电连接的主控器30；
探测器10具有多个接收通道，探测器10用于通过各个接收通道接收光脉冲信号，将光脉冲信号转换成电脉冲信号并发送至放大整形器20；
放大整形器20具有与多个接收通道对应的多个处理通道，放大整形器20用于接收电脉冲信号，通过与当前接收通道对应的处理通道对电脉冲信号进行放大整形处理，得到数字脉冲信号，将数字脉冲信号发送至主控器30；
主控器30用于接收数字脉冲信号，利用划分粗时间与细时间的方式对数字脉冲信号进行处理，计算各个接收通道对应的光脉冲信号的获取时间，以及各个接收通道对应的多个光脉冲信号之间的时间间隔。
本实施例中，首先获取光脉冲信号，并将光脉冲信号转换成电脉冲信号，然后对电脉冲信号进行放大整形处理得到数字脉冲信号，最后利用划分粗时间与细时间的方式对数字脉冲信号进行处理，计算光脉冲信号的获取时间，以及多个光脉冲信号之间的时间间隔。通过本实施例中的微弱光测量仪，能够测量光脉冲信号的时间相关量，缓解相关技术中的微弱光测量仪无法测量光脉冲信号的时间相关量的问题。
上述探测器10包括多个接收通道，通过每个接收通道接收光脉冲信号。上述探测器10可以是n个通道的多阳极光电倍增管，n个独立的光电倍增管，n个APD(AvalanchePhotoDiode，雪崩光电二极管)，或者n通道的MPPC(多像素光子计数器)，或者n个光电二极管，其中，n为大于1的自然数。一种优选的实施方式中，探测器10包括多阳极光电倍增管、光电倍增管、雪崩光电倍增管、多像素光子计数器以及光电二极管中的一种或多种。
上述放大整形器20包括多个处理通道，多个处理通道与探测器10的多个接收通道一一对应，多个处理通道用于接收电脉冲信号，将电脉冲信号转变为数字脉冲信号并发送至主控器30。例如，放大整形器20包括1至3三个处理通道，对应探测器10的三个接收通道，放大整形器20的2号处理通道接收探测器10的2号接收通道发送的电脉冲信号，将电脉冲信号放大后整形成主控器30能够检测的数字脉冲信号，将该数字脉冲信号发送给主控器30。通过上述放大整形器20还能够消除脉冲信号的行走误差。
上述主控器30能够计算光脉冲信号的获取时间。如图2所示，上述主控器30包括相位差检测器301，与相位差检测器301电连接的处理器302；相位差检测器301具有与多个接收通道对应的多个检测通道；测量仪接收到开始信号后，处理器302按照预设频率进行计时，各个检测通道按照预设频率生成第一周期信号；相位差检测器301用于接收数字脉冲信号，在数字脉冲信号的触发下生成第二周期信号，通过与当前接收通道对应的检测通道计算第二周期信号与第一周期信号之间的时间差，将时间差发送至处理器302；处理器302用于接收时间差，将时间差作为细时间，将当前计时结果作为粗时间，将细时间和粗时间的相加结果作为当前接收通道对应的光脉冲信号的获取时间。
开始信号是表征测量仪开始工作的信号，开始信号能够由外界如工作人员触发测量仪产生，或者由测量仪自身按照预设规则产生。测量仪接收到开始信号后，处理器302按照预设周期T开始计时，每隔周期T计时加1，处理器302优选通过计数器执行计时动作。同时，相位差检测器301包括与多个接收通道一一对应的多个检测通道，相位差检测器301中的各个检测通道也按照周期T生成第一周期信号，该第一周期信号与处理器302的计时节奏同步。
测量光脉冲信号的获取时间时，相位差检测器301通过与放大整形器20的处理通道对应的检测通道接收数字脉冲信号，在数字脉冲信号的触发下生成第二周期信号。相位差检测器301还计算第二周期信号与第一周期信号之间的时间差，将时间差发送至处理器302。优选第二周期信号与第一周期信号的频率相同，以保证时间差计算的准确性。相位差检测器301能够计算第二周期信号与第一周期信号之间的相位差，将该相位差作为时间差发送至处理器302。处理器302将时间差与当前计时结果，如m个周期T，即时间mT相加，作为光脉冲信号的获取时间，即光字脉冲信号与开始信号之间的时间间隔。
如图3所示，为了方便相位差检测器301生成第一周期信号，本实施例中，主控器30还包括与相位差检测器301电连接的第一起振器303；测量仪接收到开始信号后，第一起振器303按照上述预设频率生成第一周期信号，并将第一周期信号发送至相位差检测器301的各个检测通道。
如图3所示，为了方便相位差检测器301在数字脉冲信号的触发下生成第二周期信号，本实施例中，主控器30还包括与相位差检测器301电连接的第二起振器304，第二起振器304具有与多个接收通道对应的多个起振通道；第二起振器304用于通过各个起振通道接收各个接收通道对应的数字脉冲信号，在数字脉冲信号的触发下生成第二周期信号，将第二周期信号发送至相位差检测器301。具体地，第二起振器304通过与处理通道对应的起振通道接收放大整形器20发送的数字脉冲信号，在数字脉冲信号的触发下生成第二周期信号，将第二周期信号发送至相位差检测器301中对应的检测通道。第一起振器和第二起振器优选包括晶振。
如图3所示，本实施例中，主控器30还包括分别与相位差检测器301和处理器302电连接的模数转换器305；模数转换器305具有与多个接收通道对应的多个转换通道；相位差检测器301用于将上述时间差以模拟电信号的形式发送至模数转换器305；模数转换器305用于接收该模拟电信号，通过与当前接收通道对应的转换通道将该模拟电信号转换成数字电信号并发送至处理器302。处理器302在接收到数字电信号之后，将该数字电信号U乘以系数A转换成对应的时间信号，将该时间信号作为细时间。处理器302将细时间和粗时间的相加结果作为光脉冲信号的获取时间。
本实施例中，处理器302还用于将各个接收通道对应的光脉冲信号的获取时间相减，得到各个接收通道对应的多个光脉冲信号之间的时间间隔。
下面以图4为例，具体说明测量光脉冲信号的获取时间的过程。图4中，第二起振器304为n个，一一对应放大整形器20的n个处理通道，相位差检测器301也是n个，一一对应前面连接的第二起振器304，模数转换器305是n个，一一对应前面的相位差检测器301。接收开始信号的第一起振器303只有一个。处理器302可以是可编程逻辑器件、也可以是专用芯片。
对于第n个接收通道的任意一个数字脉冲信号而言，时间测量过程为：开始信号输入到第一起振器303，产生周期为T的正弦波，该正弦波的周期为一固定值。第一起振器303将该周期为T的正弦波输入各个相位差检测器301。开始信号也输入到处理器302，处理器302内的计数器开始计数，其计数周期也为T，其计数值为m，则根据计数器测量到的相对于开始信号的时间为mT，作为粗时间。当任意一个处理通道输入数字脉冲信号后，将触发该处理通道对应的第二起振器304产生周期为T的正弦波，并发送至对应的相位差检测器301。相位差检测器301将该正弦波和第一起振器303输入的正弦波进行相位差的检测，将两个正弦波的相位差转换成电压信号U，该电压U是将一个周期T进行细分，细分出的时间大小称为细时间，U与细时间的大小成正比，处理器302通过模数转换器305该电压信号U转换成数字信号，再将数字信号U乘以系数A后转换成时间大小，最后将粗时间和细时间相加得到mT+AU即为对应通道的被测的光脉冲信号相对于开始信号的时间间隔，其时间的分辨能力由相位差检测器301的分辨能力决定。
上述是连续时间分辨的测量方法，可以检测任意个光脉冲信号各自相对于开始信号的时间间隔，时间的间隔可以很小，测量的时间长度可以很大，比如正弦波的T＝10ns，相位差检测器301的最小分辨时间τ为100ps，计数器为64位，那么可检测的最长时间为5849年，分辨率为100ps，数量级跨度为21。每个通道在5849年内的所有脉冲均可测量其分别到开始信号的时间间距，并且细化到100ps。
每个通道对应的存储器并不是一样大的，这由数据传出的顺序而定，一般是CH1(第一通道，第n通道为CHn)在最前面，以此类推，按顺序下去，CH1存储器的容量最小，假设有n个通道，CH1的存储量是CHn的1/n，因为有时间分辨数据，相当于时间戳，不需要连续传输数据，只需要保证数据在无需刻意等待的情况下以最高速传输出去即可，传输完一个通道马上传下一个通道，那在最前面传输的通道，需要的存储量就很小。这样设置可以减少处理器的资源消耗和存储器的空间。
图4中，处理器302还在每次时间测量结束后，向第二起振器304发送复位信号，清除第二起振器304中的第二周期信号，控制第二起振器304复位，以便进行下次的时间测量工作。
图5示出了本实施例的时间测量结果的示意图。如图5所示，测量仪接收到开始信号后，将开始(start)信号进入的时刻作为0时刻，以0时刻为起点开始对探测器10各个接收通道接收的光脉冲信号进行时间分辨。探测器10的n个通道分别记为CH1、CH2、CH3、CHn。
当开始信号到来后，测量仪开始计时，并检测各个接收通道接收的光脉冲信号，图5中只画了两个通道CH1和CH2，其他通道的过程均一样。对CH1通道而言，主控器30检测出第一个脉冲到开始信号之间的距离t11，第二个脉冲到开始信号之间的距离t12，第三个脉冲到开始信号的距离t13，以此类推到无穷个脉冲。对CH2通道而言，主控器30检测出第一个脉冲到开始信号之间的距离t21，第二个脉冲到开始信号之间的距离t22，以此类推到无穷个脉冲。对通道CHn，均如此。以上检测到的时间为某个接收通道的每个光脉冲信号相对于开始信号之间的时间间隔，时间间隔数据存入该通道对应的缓存中。如果要得到任意两通道的任意两光脉冲信号的间隔，只需要简单计算即可得到，比如CH1的第一个脉冲和CH2的第一个脉冲时间的间隔为t2＝t21-t11。
本实施例中，主控器30还用于计算各个接收通道对应的光脉冲信号的数量，以及，通过各个接收通道的预定位置确定各个光脉冲信号的位置。具体地，主控器30计算光脉冲信号的数量的原理是：主控器30内部有和每一个通道对应的计数器，能并行的对收到的脉冲信号进行计数。主控器30通过各个接收通道的预定位置确定各个光脉冲信号的位置的原理是：探测器10的各个接收通道按照阵列形式排列，如圆形阵列或者矩形阵列，探测器10的组成用行x乘以列y表示。主控器30识别光脉冲信号进入哪一个接收通道，即将该接收通道的坐标作为该光脉冲信号的位置。
上述测量仪对光脉冲信号进行的计数过程、位置确定过程和时间测量过程能够同时进行，不需要分别进行，在测量每个光脉冲信号的时间间隔的同时即可以对其计数，并通过其对应的通道得到其对应的位置坐标x，y值。
如图3所示，本实施例中的测量仪还包括：与主控器30电连接的输出接口40，输出接口40用于输出各个接收通道对应的光脉冲信号的获取时间，以及各个接收通道对应的多个光脉冲信号之间的时间间隔。输出接口40还用于输出各个接收通道接收到的光脉冲信号的数量，以及各个光脉冲信号的位置信息。输出接口40包括光纤接口、以太网接口、差分数据接口和并行数字接口中的一种或多种。
通过本实施例中的测量仪，能够测量接收到的各个光脉冲信号的时间、位置、以及各个通道接收到的光脉冲信号的数量(强度信息)，能够实现具备时间分辨能力的面阵化探测。本实施例中，测量仪的每个通道的灵敏度能达到一个光子，且测量距离理论上可以做到无穷远。
下面以微弱光测量仪在成像领域内的应用说明测量光脉冲信号的时间相关量的有益效果。
如图6所示，A为本实施例中的微弱光测量仪，B为被探测的物体，B是一个圆球，A的通道为40*40，共1600个通道。面光源发射到B上面，发射的同时产生开始信号，到达B上面的光脉冲信号反射后进入A的各个通道中，各通道测得其每个脉冲对应的时间间隔和个数用于成像。
如果只用位置信息和强度(数量)信息，物体B成像如图7所示，是一个平面的二维图像，只能够看到被测物体的投影是一个圆形，无法反映出整个物体的外观的空间特性。
需要说明的是，图7中，以像素点的形式表示物体B的成像，因此物体B的成像并非规则的圆形，物体B的成像边缘的矩形结构表示像素点的边界。
利用本实施例中的微弱光测量仪测量物体B反射的光脉冲信号的时间相关量后，成像如图8所示，是一个立体的圆球，能够很好的还原物体的上半部分的空间特征，在图8中强度(数量)信息成了采样数，同一个像素的采样数越多，通过相应的算法处理后，还原的空间特征越准确。
图8是数据处理后的条状图，X和Y都是1到40的自然数，表示其通道的位置信息，立柱的高低是Z轴，表示其时间相关的时间长度信息，由1600个立柱组成。
以上的例子是用于对远距离物体的面阵三维成像，本实施例的用途不限于此，其测量到的数据信息的使用方法和处理形式也不限于此，不同的领域，不同的要求下，其用法和处理方式不同，以上例子指示一个基本的举例说明。
实施例二
对应上述实施例一中的微弱光测量仪，本发明第二实施例还提供了一种应用上述微弱光测量仪的多通道微弱光时间分辨方法，如图9所示，包括：
步骤S902，通过各个接收通道接收光脉冲信号，将光脉冲信号转换成电脉冲信号；
步骤S904，通过与当前接收通道对应的处理通道对电脉冲信号进行放大整形处理，得到数字脉冲信号；
步骤S906，利用划分粗时间与细时间的方式对数字脉冲信号进行处理，计算各个接收通道对应的光脉冲信号的获取时间，以及各个接收通道对应的多个光脉冲信号之间的时间间隔。
本实施例中，首先获取光脉冲信号，并将光脉冲信号转换成电脉冲信号，然后对电脉冲信号进行放大整形处理得到数字脉冲信号，最后利用划分粗时间与细时间的方式对数字脉冲信号进行处理，计算光脉冲信号的获取时间，以及多个光脉冲信号之间的时间间隔。通过本实施例中的方法，能够测量光脉冲信号的时间相关量，缓解相关技术中的微弱光测量仪无法测量光脉冲信号的时间相关量的问题。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。