【技术实现步骤摘要】
本申请涉及电子电路领域，尤其涉及一种用于多像素分辨的符合计数读出电路及单光子探测器阵列。
技术介绍
1、在扫描主动成像应用中，具有像素分辨功能的单光子探测器阵列可被用于入射光子到达时间测量，实现对目标物体的空间位置检测。
2、现有技术公开了一种采用单光子探测器阵列实现在弱光条件与短扫描时间下实现成像功能的传感器系统，其通过确定光子照射在探测器阵列上的位置与光子到达时间快速确定探测物体的空间位置信息。在目前的科研领域，为实现多像素探测器阵列的有效读出，已经开发了多种电路。
3、第一种方法，采用多个行/列总线进行行选/列选操作，可以实现对矩阵排列的像素进行逐一扫描读取，尽管这种方法不能提供实时数据获取。
4、第二种方法，基于fpga tdc技术的线阵单光子雪崩二极管(spad)成像系统，通过使用数据选择器对n个像素进行时分复用选通，实现了对特定像素的时序读取。此系统将256个spad像素分为64组，每组4个像素共享一个tdc，以降低资源消耗，但这需要通过4选1的数据选择器进行复杂的时序控制。
5、第三种方法是利用译码器对像素进行区分，由于较高的资源需求(这种方法需要的逻辑单元和输出端口数量通常是像素数的两倍)，它在应用中较为少见。
6、第四种方法，每个像素集成独立tdc的方案可以实现信号的并行处理，提升系统的处理速率。此方案虽然提高了对tdc资源的需求并可能降低像素填充因子，且对时序控制有更高的要求，但它优化了数据读取效率。该文献中提出的另一种节省资源的方法是将单光子探测器
7、另一方面，上述现有方案均不能实现分辨像素的同时，区分信号事件和噪声事件。为了区分时间相关的光子事件和暗计数等噪声事件，人们采用时间相关符合计数(tcc)技术。它利用多像素探测器阵列捕捉几乎同时发生的关联光子事件，通过对多个像素产生的信号进行逻辑分析，识别并筛除背景噪声。此方法基于有效信号光子通常具有较为集中的到达时间分布，而噪声则表现为随机时间分布的光子事件这一前提。通过比较各个像素接收到的信号的时间序列，可以确定某一信号是否应被归类为噪声。在弱光探测环境下，单光子探测器(spad)阵列捕捉到相关光子事件的概率相对较低，这可能导致多个关联像素不能同步响应光信号，进而造成时间相关符合计数系统错误地将有效光子事件误判为噪声。
8、为了实现像素分辨的同时进行噪声抑制，现有技术公开了一种基于超导纳米线的多光子事件探测技术。该技术通过外部的时间相关单光子计数器(tcspc)系统，在一定时间窗口内统计光子到达的数目与时间差异，并以此来确定像素位置，实现光子数量与符合事件的准确鉴别。该系统采用了一种延迟线读出技术，利用纳米线制成的螺旋微带传输线结构，将空间分布的信号转换成时间延迟的信号，并通过tcspc进行数据采集。这种方法能够通过符合计数逻辑有效区分光子事件和噪声事件，即通过设定的时间窗口来排除非目标信号，同时还能够推断出光子的到达时间和位置信息。尽管如此，这种基于延迟线的读出技术对于微波传输线的尺寸有一定要求，通常导致器件体积较大，难以实现高密度集成。
9、综上所述，适应现有技术中在弱光探测环境下，单光子探测器(spad)阵列捕捉到相关光子事件的概率相对较低，这可能导致多个关联像素不能同步响应光信号，进而造成时间相关符合计数系统错误地将有效光子事件误判为噪声，以及基于延迟线的读出技术对于微波传输线的尺寸有一定要求，通常导致器件体积较大，难以实现高密度集成等问题，本申请人出于解决该问题的考虑作出相应的探索。
技术实现思路
1、本申请的目的在于解决上述问题而提供一种用于多像素分辨的符合计数读出电路及单光子探测器阵列。
2、为满足本申请的各个目的，本申请采用如下技术方案：
3、适应本申请的目的之一而提出的一种用于多像素分辨的符合计数读出电路，包括：
4、像素读取电路，所述像素读取电路由上部分的延时单元τ1至τn、脉冲压缩整形电路、n输入或门组成，其用于spad信号的读出并区分像素索引，通过空间上的n个端口采用独立的tdc采集信号，将n个端口输入的并行spad信号转换为串行信号，以进行多像素分辨；
5、符合计数电路，所述符合计数电路由下部分的触发器、与门、非门以及延时单元所组成，其用于在一定时间内探测到两个或两个以上按照2n-1规律分布的跳变沿时，将其确定为有用信号。
6、可选的，对于全集成式单光子探测器阵列，所述像素读取电路中的延时单元τ1至τn对spad像素的输出脉冲信号进行延时编码，编码权重为2n-1，根据任意两个信号事件的时间差确定其相对应的像素索引。
7、可选的，确定所述像素读取电路中的触发信号的周期δt，在所述触发信号的周期δt内进行多像素分辨，所述像素读取电路中的延时单元选取的最大延时τn满足τn<δt-tx，其中，tx为数据采集和传输所需的总时间，其对应的最大延时单元数为n＝log2(τn/3tjitter)+1，所述tjitter表征spad的时间抖动。
8、可选的，n个延时编码信号经过所述脉冲压缩整形电路，其转换为数字脉冲信号，再通过多输入“或”门或查找表的方式，将所述数字脉冲信号转换成串行输出的延时编码时序信号，将所述延时编码时序信号输入至所述符合计数电路中，以区分光子信号事件和噪声事件。
9、可选的，所述延时编码时序信号经第一t触发器对脉冲进行计数，输出的信号p2分成两路，一路直接输出至tdc作为stop信号，另一路输入至第二t触发器，tdc对p2点的跳变沿进行采集，并记录上升沿和下降沿时间，所述跳变沿包括上升沿或下降沿。
10、可选的，p2点的一个跳变沿对应一个像素响应，当在时间窗口内出现一次所述上升沿时，表征至少有任意两个像素同时响应，将其判定为光响应事件，若只出现一次下降沿，则将其确定为噪声事件。
11、可选的，当在时间窗口内p2点出现一次所述上升沿后，所述第二t触发器输出p3点翻转变为高电平，并输入至下一级的jk触发器，所述jk触发器输出p4点置高并维持至复位信号到来后置低；
12、若对任意两个以上的spad像素进行符合计数，通过记录所述第一t触发器的边沿跳变次数，触发所述第二t触发器置高，以使tdc读出所述延时编码时序信号的上升沿和下降沿时间。
13、可选的，fpga可编程门阵列读取tdc采集到的所述延时编码时序信号的上升沿和下降沿时间，确定单光子探测器阵列中光子到达数量以及像素位置信息，基于所述光子到达数量以及像素位置信息进行多光子数分辨。
14、可选的，所述用于多像素分辨的符合计数读出电路的测时分辨率满足：tsys＝(tjitter2+tres2)1/2，其中，所述tres表征tdc的时间分辨率。
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1.一种用于多像素分辨的符合计数读出电路，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的用于多像素分辨的符合计数读出电路，其特征在于，对于全集成式单光子探测器阵列，所述像素读取电路中的延时单元τ1至τN对SPAD像素的输出脉冲信号进行延时编码，编码权重为2N-1，根据任意两个信号事件的时间差确定其相对应的像素索引。
3.根据权利要求2所述的用于多像素分辨的符合计数读出电路，其特征在于，确定所述像素读取电路中的触发信号的周期ΔT，在所述触发信号的周期ΔT内进行多像素分辨，所述像素读取电路中的延时单元选取的最大延时τN满足τN<ΔT-tx，其中，tx为数据采集和传输所需的总时间，其对应的最大延时单元数为N＝log2(τN/3tjitter)+1，所述tjitter表征SPAD的时间抖动。
4.根据权利要求1所述的用于多像素分辨的符合计数读出电路，其特征在于，N个延时编码信号经过所述脉冲压缩整形电路，其转换为数字脉冲信号，再通过多输入“或”门或查找表的方式，将所述数字脉冲信号转换成串行输出的延时编码时序信号，将所述延时编码时序信号输入至所述符合计
5.根据权利要求4所述的用于多像素分辨的符合计数读出电路，其特征在于，所述延时编码时序信号经第一T触发器对脉冲进行计数，输出的信号P2分成两路，一路直接输出至TDC作为Stop信号，另一路输入至第二T触发器，TDC对P2点的跳变沿进行采集，并记录上升沿和下降沿时间，所述跳变沿包括上升沿或下降沿。
6.根据权利要求5所述的用于多像素分辨的符合计数读出电路，其特征在于，P2点的一个跳变沿对应一个像素响应，当在时间窗口内出现一次所述上升沿时，表征至少有任意两个像素同时响应，将其判定为光响应事件，若只出现一次下降沿，则将其确定为噪声事件。
7.根据权利要求6任意一项所述的用于多像素分辨的符合计数读出电路，其特征在于，当在时间窗口内P2点出现一次所述上升沿后，所述第二T触发器输出P3点翻转变为高电平，并输入至下一级的JK触发器，所述JK触发器输出P4点置高并维持至复位信号到来后置低；
8.根据权利要求7任意一项所述的用于多像素分辨的符合计数读出电路，其特征在于，FPGA可编程门阵列读取TDC采集到的所述延时编码时序信号的上升沿和下降沿时间，确定单光子探测器阵列中光子到达数量以及像素位置信息，基于所述光子到达数量以及像素位置信息进行多光子数分辨。
9.根据权利要求1至8任意一项所述的用于多像素分辨的符合计数读出电路，其特征在于，所述用于多像素分辨的符合计数读出电路的测时分辨率满足：tsys＝(tjitter2+tres2)1/2，其中，所述tres表征TDC的时间分辨率。
10.一种单光子探测器阵列，其特征在于，包括如权利要求1至9任意一项所述的用于多像素分辨的符合计数读出电路。
...【技术特征摘要】
1.一种用于多像素分辨的符合计数读出电路，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的用于多像素分辨的符合计数读出电路，其特征在于，对于全集成式单光子探测器阵列，所述像素读取电路中的延时单元τ1至τn对spad像素的输出脉冲信号进行延时编码，编码权重为2n-1，根据任意两个信号事件的时间差确定其相对应的像素索引。
3.根据权利要求2所述的用于多像素分辨的符合计数读出电路，其特征在于，确定所述像素读取电路中的触发信号的周期δt，在所述触发信号的周期δt内进行多像素分辨，所述像素读取电路中的延时单元选取的最大延时τn满足τn<δt-tx，其中，tx为数据采集和传输所需的总时间，其对应的最大延时单元数为n＝log2(τn/3tjitter)+1，所述tjitter表征spad的时间抖动。
4.根据权利要求1所述的用于多像素分辨的符合计数读出电路，其特征在于，n个延时编码信号经过所述脉冲压缩整形电路，其转换为数字脉冲信号，再通过多输入“或”门或查找表的方式，将所述数字脉冲信号转换成串行输出的延时编码时序信号，将所述延时编码时序信号输入至所述符合计数电路中，以区分光子信号事件和噪声事件。
5.根据权利要求4所述的用于多像素分辨的符合计数读出电路，其特征在于，所述延时编码时序信号经第一t触发器对脉冲进行计数，输出的信号p2分成两路，一路直接输出至tdc作为stop信号，另一路输入至第二t触...
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