一种硅光电倍增器的片上读出系统的制作方法

本发明涉及高能物理与粒子物理应用、核医学装备和生物医学光子学领域，尤其涉及一种硅光电倍增器的片上读出系统。

背景技术：

硅光电倍增器是一种多个工作在计数模式下的雪崩二极管组成的阵列。该器件中组成阵列的微元(Mirco-Cell)是雪崩二极管，能够快速地响应作用光子。由于作用光子的数目在绝大多数应用中都大于1，因而有必要将雪崩二极管做成阵列，以响应不同数目的光子。在一个较短的时间周期内，响应光子的微元数目与射入光子的期望具有单调的对应关系。根据这种对应关系，测量微元数目能够间接地反映射入光子束的流强。

硅光电倍增器在闪烁光探测、微弱光探测、量子物理和高能物理实验中的应用中，需要标记光子束的开始时间和一段时间内的激活微元数目。现有的硅光电倍增器读出技术通常采用模拟电流加和/电信号处理的两步处理方式。其中，模拟电流加和是指对每一个微元的模拟电信号进行加和，电信号处理是指对这个总的模拟电流(或者某个电阻器件上的电压)信号进行信号处理，获得其开始时间和激活微元数目。

已有的电信号处理方法包括：前沿甄别(Leading Edge Discrimination，以下简称LED)方法是最简单也最常用的SiPM电信号处理方法，可以大量地集成在模拟芯片中用作闪烁探测器系统中的读出电路，其定义为：闪烁脉冲的上升沿穿过甄别阈值的时间点。前沿甄别对不同幅值的脉冲获得的翻转时间偏移期望是不同的。这表现在幅值大的脉冲先越过甄别阈值，而幅值小的脉冲后越过甄别阈值。或者解释为：固定阈值除以脉冲的不同幅值得到的相对阈值是不同的。相对阈值小的情形，翻转时间提前到来；相对阈值大的情形，翻转时间推迟到来。

为了解决前沿甄别的缺陷，研究者利用延迟线开发了恒比甄别(Constant Fraction Discrimination，以下简称CFD)方法。在该方法中，闪烁脉冲被分成两路，分别送入延迟单元和衰减单元后再一同输入比较器。或者一路延迟并放大送入比较器，另一路直接送入比较器。比较器输出的过零点被标定为闪烁脉冲的到达时间。恒比甄别方法在理论上消除了闪烁脉冲不同幅值带给时间标记的误差。其原理可以解释为用一个和脉冲高度相关的阈值获得前沿的翻转时间，或者解释为用一个双极型的滤波器把脉冲成型为双极型的信号再获得过零翻转时间。然而，由于性能较好的恒比甄别器需要高带宽的延迟线，采用恒比甄别的PET 系统具有高昂的成本。此外，恒比甄别的性能十分依赖于给定的参数，在通道数较多的情况下恒比甄别的参数调节会大大增加开发的难度。

前沿甄别和恒比甄别都存在模拟和数字的版本。当闪烁脉冲被数字化后，许多复杂但精确地时间估计方法逐渐在现有的系统中应用开来。

谢庆国在2005年采用上升沿拟合法获取了与恒比甄别相类似的时间分辨率，而由于该方法能够以较低的成本实现闪烁脉冲的数字化，在学术界产生了较大的影响。其方法的实质是用若干个过阈值点拟合一条直线，然后将该直线的截距作为闪烁脉冲的到达时间。

多阈值平均法是在谢庆国方法基础上发展起来的一种更加简明的方法，其实现步骤是把谢庆国方法中的拟合/截距精简为多阈值点的平均值，这种方法的计算量小，且没有斜率项的时间标记方法对于噪声更加稳定。

能量归一化甄别法是在前沿甄别时，添加能量归一化操作。由于该方法已经修正了前沿甄别法的时间游走误差，因而比前沿甄别法的精确度更高。然而，这种方法要求闪烁脉冲的数字化器具有较高的采样率，因而在实际系统的应用中受到了限制。

由于以上方法通常在微元电流加和之后进行光束信号的处理，信息受到了极大的减损，时间分辨率上略显不足、灵活度低或者需要较高的计算量，有必要提出一种时间分辨率好、计算量小、结构更加灵活的硅光电倍增器的片上读出系统，在光电转换的最早阶段实现对光束信息的直接数字化。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种硅光电倍增器的片上读出系统，该系统能在雪崩二极管响应光子的最早阶段实现数字化，具有时间空间分辨率较好、计算量小、可重复性好、系统的适应性强、不依赖于光束特性并且可以学习光束数据中的固有特性等优点。

为实现上述目的，本发明提供一种硅光电倍增器的片上读出系统，包括以下模块：

双时钟模块100，用于获取双路时钟，从时钟输入端获取双时钟源信号，或者从一路时钟输入端获取时钟信号，另一路根据该路信号进行分频或者倍频处理，其中一个时钟(时钟源A)频率为1～100MHz，另一个(时钟源B)为100～500MHz，分别用于驱动激活微元标记阵列和N个时间数字转换器(假设总共有S个微元，每M个微元组成一个共时间测量域，则N＝S/M)；

共时间域测量模块200，用于将微元的时间信息反映到延迟链的空间分布上，根据微元的邻接关系，对每一个微元建立共时间测量域的时间测量电路，属于同一个共时间测量域的微元，将微元的快速信号端输出给延迟链；

激活微元标记模块300，用于标记激活微元的空间分布，为每一个微元建立激活微元标记阵列R_A，在(时钟源A)每个时钟周期内，记录被光子激发的微元分布；

光子的空间分布模块400，为所有的时间数字转换器建立时间占用状态阵列R_B，在(时钟源B)每个时钟周期内，记录被光子激发的时间分布；

微元屏蔽模块500，每一个微元都由失效标记进行工作控制，将处于坏死或者性能较差的微元进行屏蔽；

编码模式控制模块600，为每一个微元建立阵列R_A和R_B的可配置微元编码数字单元，该可配置微元工作在压缩模式或者非压缩模式下；

压缩与传输模块700，通过模块630中的压缩模式下已经配置的微元编码数字单元，传输压缩后的数字化样本，根据压缩后的数字化样本和已知的微元编码配置参数，还原激活微元的时空联合分布。

时钟输入端检测模块110，隶属于双时钟模块100，侦测两路时钟的输入情况，如果有一路输出则调用移相模块120，如果有两路输出则调用倍频分频模块130；

移相模块120，隶属于双时钟模块100，当系统侦测到双路时钟输入时，其中的一路时钟将由时钟管理单元，移相至对齐另一路时钟；

倍频分频模块130，隶属于双时钟模块100，当系统仅有一路时钟输入，侦测到的另一路时钟接口没有时钟信号或者信号微弱时，由仅有的一路信号进行分频，产生另一路信号。

共时间测量域划分模块210，隶属于共时间域测量模块200，用于划分微元属于不同的共时间测量域，根据系统中存在的总微元数目S和可容纳的总时间数字转换器数目N，确定微元共时间测量域；

延迟链模块220，隶属于共时间域测量模块200，用于对每一个共时间测量域进行时间传播测量，将属于同一个共时间测量域的微元的快速信号同时输入到一个共地的延迟链上，每一级延迟链由一级触发器扇出；

延迟链读取模块230，隶属于共时间域测量模块200，用于读取延迟链的时间信息至触发器，触发器的驱动时钟由时钟源B提供，每一个时钟周期读取一次延迟链的时间测量信息。

微元脉冲斩波模块310，隶属于激活微元标记模块300，微元的慢输出口通过比较电路进行斩波处理，保证其正性输出不超越量程；

斯密特脉宽调制模块320，隶属于激活微元标记模块300，根据微元脉冲斩波模块310中的斩波信号，将斩波信号输出给斯密特触发器，调节输出信号的脉冲宽度，使其等于模块100中时钟源A的周期；

激活微元标记模块330，隶属于激活微元标记模块300，微元在时钟源A的单个周期内是否被激活由激活微元标记阵列R_A记录，激活矩阵的刷新频率由模块100中提到的时钟源A的频率所确定，根据斯密特脉宽调制模块320中的调节宽度的触发器脉冲，标记响应位置是否被激活。

防亚稳态触发器模块410，隶属于光子的空间分布模块400，用于防止亚稳态现象发生，模块230中的触发器后再连接一级防亚稳态触发器；

时间占用状态阵列寄存模块420，隶属于光子的空间分布模块400，用于寄存时间占用状态阵列，根据防亚稳态触发器模块410中的防亚稳态触发器的输出情况，防亚稳态触发器模块410中的防亚稳态触发器输出给时间占用状态阵列R_B，记录每一条延迟链的测量结果；

时间占用状态稀疏性表示模块430，隶属于光子的空间分布模块400，根据时间占用状态阵列寄存模块420中的延迟链测量结果，采用稀疏性表示方法对原始的延迟链测量结果予以压缩。

失效测试模块510，隶属于微元屏蔽模块500，用于建立测试环境，评估每一个微元在避光和强光下的电流大小，其中索引标记j的避光电流和强光电流分别为I_j^d和I_j^s，将两种环境下的电流大小输出给微元性能模块120；

微元性能模块520，隶属于微元屏蔽模块500，用于评估每一个微元的工作性能，确定每一个微元是否失效，根据模块510中的避光电流和强光电流的比值I_j^d/I_j^s，定义失效标记矩阵，当I_j^d/I_j^s大于失效阈值时，认为该微元处于失效或者低性能状态，将该工作性能参数(噪声信号功率比)传输给微元禁用模块130；

微元禁用模块530，隶属于微元屏蔽模块500，根据微元性能模块120的工作性能参数，通过设定阈值，获得每一个微元是否被禁用的标记，再根据标记禁用相应的微元，使性能较差的微元的供电端开路。

编码控制模块610，编码模式控制模块600，用于控制编码模式的开关，编码控制关闭时，直接对探测器的每个微元进行无编码输出，获得每一个微元的时空击中概率比；

编码矩阵获得模块620，编码模式控制模块600，根据编码控制模块610中的微元时空击中概率比，定义编码的优化目标，在编码的带权误差最小，获得编码矩阵；

编码模块630，编码模式控制模块600，获得编码矩阵后，根据编码矩阵获得模块620中的编码矩阵，对探测器的每个微元进行编码输出，使待传输的数据量缩小。

解编码矩阵生成模块710，隶属于压缩与传输模块700，在上位机上对编码矩阵进行预先反演，获得解码矩阵并读入到内存中，用于对数据进行解码；

传输数据获得模块720，隶属于压缩与传输模块700，把传输的延迟链时间状态矩阵和激活微元阵列数据从接口处读入内存当中，再将数据地址输出给微元阵列数据还原模块；

微元阵列数据还原模块730，隶属于压缩与传输模块700，对内存中的微元阵列数据进行还原处理，再将阵列数据输送给微元阵列数据存储模块440；

微元阵列数据存储模块740，隶属于压缩与传输模块700，用于将微元的时空数据进行存储。

优选地，在上述的硅光电倍增器的片上读出系统中，所述的光束到达时间为光束开始的时间或者光束开始的时间延迟一个恒定的常数，该常数适用于整个系统的所有硅光电倍增器。

优选地，在上述的硅光电倍增器的片上读出系统中，所述的硅光电倍增器的快输出口是指由淬灭电阻直接高频耦合的快速信号端，其脉冲宽度小于时钟源B的单个周期。

优选地，在上述的硅光电倍增器的片上读出系统中，所述的硅光电倍增器的慢输出口是指由淬灭电阻信号隔直放大放慢的较慢信号端，其脉冲宽度小于斯密特触发器的延迟。

优选地，在上述的硅光电倍增器的片上读出系统中，所述的硅光电倍增器的失效阈值是指微元有效和无效的一个界限值，该值严格小于1。

从上述技术方案可以看出，通过采用本发明的硅光电倍增器的片上读出系统，能在较低计算量下获取时间标记及其参数。由于该方法不需要事先对探测器的输出脉冲进行建模，因此具有更佳的普适性和实用性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)更好的时间分辨率；

(2)较少的计算量；

(3)对探测器本性的适应性且附带自动学习功能；

(4)对数据量敏感性的可监测性和可度量性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的有关本发明的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为本发明硅光电倍增器的片上读出系统的系统框图；

图2为本发明延迟链读出时间的示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种硅光电倍增器的片上读出系统，该方法能有效地保留最早阶段的微元数据，提高符合时间分辨率，降低了时间标记方法的计算量，并对探测器有广泛的适应性。

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详细地描述，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。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。

如图1所示，本发明公开的硅光电倍增器的片上读出系统，通过以多维的光子脉冲自身属性，采用微元的原始时空数据，再利用最优化过程获得的编码参数和函数形式作为时间标记，具体包括：

双时钟模块100，用于获取双路时钟，从时钟输入端获取双时钟源信号，或者从一路时钟输入端获取时钟信号，另一路根据该路信号进行分频或者倍频处理，其中一个时钟(时钟源A)频率为1～100MHz，另一个(时钟源B)为100～500MHz，分别用于驱动激活微元标记阵列和N个时间数字转换器(假设总共有S个微元，每M个微元组成一个共时间测量域，则N＝S/M)；

共时间域测量模块200，用于将微元的时间信息反映到延迟链的空间分布上，根据微元的邻接关系，对每一个微元建立共时间测量域的时间测量电路，属于同一个共时间测量域的微元，将微元的快速信号端输出给延迟链；

激活微元标记模块300，用于标记激活微元的空间分布，为每一个微元建立激活微元标记阵列R_A，在(时钟源A)每个时钟周期内，记录被光子激发的微元分布；

光子的空间分布模块400，为所有的时间数字转换器建立时间占用状态阵列R_B，在(时钟源B)每个时钟周期内，记录被光子激发的时间分布；

微元屏蔽模块500，每一个微元都由失效标记进行工作控制，将处于坏死或者性能较差的微元进行屏蔽；

编码模式控制模块600，为每一个微元建立阵列R_A和R_B的可配置微元编码数字单元，该可配置微元工作在压缩模式或者非压缩模式下；

压缩与传输模块700，通过模块630中的压缩模式下已经配置的微元编码数字单元，传输压缩后的数字化样本，根据压缩后的数字化样本和已知的微元编码配置参数，还原激活微元的时空联合分布。

时钟输入端检测模块110，隶属于双时钟模块100，侦测两路时钟的输入情况，如果有一路输出则调用移相模块120，如果有两路输出则调用倍频分频模块130；

移相模块120，隶属于双时钟模块100，当系统侦测到双路时钟输入时，其中的一路时钟将由时钟管理单元，移相至对齐另一路时钟；

倍频分频模块130，隶属于双时钟模块100，当系统仅有一路时钟输入，侦测到的另一路时钟接口没有时钟信号或者信号微弱时，由仅有的一路信号进行分频，产生另一路信号。

共时间测量域划分模块210，隶属于共时间域测量模块200，用于划分微元属于不同的共时间测量域，根据系统中存在的总微元数目S和可容纳的总时间数字转换器数目N，确定微元共时间测量域；

延迟链模块220，隶属于共时间域测量模块200，用于对每一个共时间测量域进行时间传播测量，将属于同一个共时间测量域的微元的快速信号同时输入到一个共地的延迟链上，每一级延迟链由一级触发器扇出；

延迟链读取模块230，隶属于共时间域测量模块200，用于读取延迟链的时间信息至触发器，触发器的驱动时钟由时钟源B提供，每一个时钟周期读取一次延迟链的时间测量信息。

微元脉冲斩波模块310，隶属于激活微元标记模块300，微元的慢输出口通过比较电路进行斩波处理，保证其正性输出不超越量程；

斯密特脉宽调制模块320，隶属于激活微元标记模块300，根据微元脉冲斩波模块310中的斩波信号，将斩波信号输出给斯密特触发器，调节输出信号的脉冲宽度，使其等于模块100中时钟源A的周期；

激活微元标记模块330，隶属于激活微元标记模块300，微元在时钟源A的单个周期内是否被激活由激活微元标记阵列R_A记录，激活矩阵的刷新频率由模块100中提到的时钟源A的频率所确定，根据斯密特脉宽调制模块320中的调节宽度的触发器脉冲，标记响应位置是否被激活。

防亚稳态触发器模块410，隶属于光子的空间分布模块400，用于防止亚稳态现象发生，模块230中的触发器后再连接一级防亚稳态触发器；

时间占用状态阵列寄存模块420，隶属于光子的空间分布模块400，用于寄存时间占用状态阵列，根据防亚稳态触发器模块410中的防亚稳态触发器的输出情况，防亚稳态触发器模块410中的防亚稳态触发器输出给时间占用状态阵列R_B，记录每一条延迟链的测量结果；

时间占用状态稀疏性表示模块430，隶属于光子的空间分布模块400，根据时间占用状态阵列寄存模块420中的延迟链测量结果，采用稀疏性表示方法对原始的延迟链测量结果予以压缩。

失效测试模块510，隶属于微元屏蔽模块500，用于建立测试环境，评估每一个微元在避光和强光下的电流大小，其中索引标记j的避光电流和强光电流分别为I_j^d和I_j^s，将两种环境下的电流大小输出给微元性能模块120；

微元性能模块520，隶属于微元屏蔽模块500，用于评估每一个微元的工作性能，确定每一个微元是否失效，根据模块510中的避光电流和强光电流的比值I_j^d/I_j^s，定义失效标记矩阵，当I_j^d/I_j^s大于失效阈值时，认为该微元处于失效或者低性能状态，将该工作性能参数(噪声信号功率比)传输给微元禁用模块130；

微元禁用模块530，隶属于微元屏蔽模块500，根据微元性能模块120的工作性能参数，通过设定阈值，获得每一个微元是否被禁用的标记，再根据标记禁用相应的微元，使性能较差的微元的供电端开路。

编码控制模块610，编码模式控制模块600，用于控制编码模式的开关，编码控制关闭时，直接对探测器的每个微元进行无编码输出，获得每一个微元的时空击中概率比；

编码矩阵获得模块620，编码模式控制模块600，根据编码控制模块610中的微元时空击中概率比，定义编码的优化目标，在编码的带权误差最小，获得编码矩阵；

编码模块630，编码模式控制模块600，获得编码矩阵后，根据编码矩阵获得模块620中的编码矩阵，对探测器的每个微元进行编码输出，使待传输的数据量缩小。

解编码矩阵生成模块710，隶属于压缩与传输模块700，在上位机上对编码矩阵进行预先反演，获得解码矩阵并读入到内存中，用于对数据进行解码；

传输数据获得模块720，隶属于压缩与传输模块700，把传输的延迟链时间状态矩阵和激活微元阵列数据从接口处读入内存当中，再将数据地址输出给微元阵列数据还原模块；

微元阵列数据还原模块730，隶属于压缩与传输模块700，对内存中的微元阵列数据进行还原处理，再将阵列数据输送给微元阵列数据存储模块440；

微元阵列数据存储模块740，隶属于压缩与传输模块700，用于将微元的时空数据进行存储。

以上的硅光电倍增器的片上读出系统中，所述的采用的点源小于探测器连线的十分之一，或者在探测器尺寸小于1厘米时，采用斜交于探测器连线的厚度小于1cm的板源。

以上的硅光电倍增器的片上读出系统中，所述的光束到达时间为光束开始的时间或者光束开始的时间延迟一个恒定的常数，该常数适用于整个系统的所有硅光电倍增器。

以上的硅光电倍增器的片上读出系统中，所述的硅光电倍增器的快输出口是指由淬灭电阻直接高频耦合的快速信号端，其脉冲宽度小于时钟源B的单个周期。

以上的硅光电倍增器的片上读出系统中，所述的硅光电倍增器的慢输出口是指由淬灭电阻信号隔直放大放慢的较慢信号端，其脉冲宽度小于斯密特触发器的延迟。

以上的硅光电倍增器的片上读出系统中，所述的硅光电倍增器的失效阈值是指微元有效和无效的一个界限值，该值严格小于1。

图1为本发明硅光电倍增器的片上读出系统的系统框图；图2为本发明延迟链读出时间的示意图。结合图1及图2，通过几个具体的实施例，对本发明光电倍增器的时间标记方法及其微元阵列编码系统做进一步描述。本发明提出的光电倍增器的时间标记方法及其微元阵列编码系统，其涉及到的集合划分、函数衍生方式及其优先级顺序、编码系统、性能阈值参数需要根据与获取数据的特点进行调节以达到足够的统计性能。此处列出所涉及的应用实施例处理数据的参数。

实例1：硅光电倍增器的片上读出系统

此处列出本实施例1处理数据的参数：

模块100中采用的时钟源A为50MHz，时钟源B为200MHz，由两个时钟端口输入，总共有64x64＝4096个微元；

模块200中S＝4096，M＝128，N＝32，即有32条延迟链，128个微元组成一个共时间测量域；

模块300中采用的触发器建立时间为2.1ns，保持时间1.8ns；

模块400中采用的延迟链每一级的时间长度为51ps；

模块500中失效阈值设定为0.4；

模块600中配置寄存器有4096组，每组8位；

模块700中传输数据接口采用千兆以太网口，峰值速度为92Mbytes/s，采用极大似然估计为目标函数，获得微元的时空分布。

实例2：硅光电倍增器的片上读出系统

此处列出本实施例2处理数据的参数：

模块100中采用的时钟源A为40MHz，时钟源B为240MHz，由两个时钟端口输入，总共有64x64＝4096共有64x6个微元；

模块200中S＝4096，M＝256，N＝16，即有16条延迟链，256个微元组成一个共时间测量域；

模块300中采用的触发器建立时间为3.1ns，保持时间2.8ns；

模块400中采用的延迟链每一级的时间长度为55ps；

模块500中失效阈值设定为0.3；

模块600中配置寄存器有4096组，每组16位；

模块700中传输数据接口采用快速以太网口，峰值速度为9.0Mbytes/s，采用极大后验概率为目标函数，获得微元的时空分布。

实例3：硅光电倍增器的片上读出系统

此处列出本实施例3处理数据的参数：

模块100中采用的时钟源A为10MHz，时钟源B为100MHz，由两个时钟端口输入，总共有128x64＝9192个微元；

模块200中S＝9192，M＝128，N＝64，即有64条延迟链，128个微元组成一个共时间测量域；

模块300中采用的触发器建立时间为2.3ns，保持时间3.8ns；

模块400中采用的延迟链每一级的时间长度为58ps；

模块500中失效阈值设定为0.5；

模块600中配置寄存器有4096组，每组64位；

模块700中传输数据接口采用万兆以太网口，峰值速度为1.23Gbytes/s，采用加权最小二乘为目标函数，获得微元激活的时空分布。

本发明涉及高能物理与粒子物理应用、核医学装备和生物医学诊疗领域，尤其涉及一种硅光电倍增器的片上读出系统及其微元阵列编码系统。

通过对比可以看出，采用本发明的时间标记方法和交叉验证方法，能在较低计算量下获取时间标记及其参数。由于该方法不需要事先对探测器的输出脉冲进行建模，因此具有更佳的普适性和实用性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)更好的时间分辨率；

(2)较少的计算量；

(3)对探测器本性的适应性且附带自动学习功能；

(4)对数据量敏感性的可监测性和可度量性。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。