一种时间数字转换装置、时间相关单光子计数系统和时间数字转换方法

本申请涉及时间数字转换领域，具体涉及一种时间数字转换装置、时间相关单光子计数系统和时间数字转换方法。

背景技术：

1、时间数字转换装置(time to digital converter,tdc)是一种数字设备，用于识别事件并获取事件发生的精确时间。tdc在许多领域广泛应用，包括精密时间测量、医疗影像、高能物理、量子通信、荧光寿命成像、时间相关单光子计数系统等。在不同的应用中，tdc通常采用两种主要的实现方法，即基于可编辑逻辑电路(field programmable gatearray,fpga)的方法和基于专用计时集成电路(application specific integratedcircuit,asic)的方法。

2、基于fpga的方法包括游标卡尺法、抽头延迟线法、粗+细测量法等，这些方法利用fpga可以实现长时长的时间测量，具有相对简单的开发和便于移植的优点。然而，也存在测量精度相对较低、bin宽度不均匀、稳定性差和容易受功率、电压、温度等因素影响的缺点。

3、基于asic的方法通常需要与fpga或者控制单元(mcu)配合工作，具有高精度、bin宽度均匀和良好的温度稳定性等优点。asic生成时间值时通常由粗时间值和细时间值两部分组成。其中，粗时间值位数越多，可以测量的量程(时长)范围越大。然而，asic由于需要与fpga或者mcu通信，粗时间值位数过大，会限制asic的计数效率。

技术实现思路

1、本申请的目的在于克服背景技术中存在的上述缺陷或问题，提供一种时间数字转换装置、时间相关单光子计数系统和时间数字转换方法，其能够避免测量量程过长时，由于asic粗时间值位数过大导致计数效率低的问题，同时又能利用asic高精度、bin宽度均匀和良好的温度稳定性等优点。

2、为达成上述目的，采用如下技术方案：

3、第一技术方案涉及一种时间数字转换装置，其包括：可编辑逻辑电路，其包括时钟模块和至少一个转换模块，所述时钟模块每隔设定的周期发送门脉冲信号，所述门脉冲信号具有用于标记周期起始的起始沿和用于标记半周期的结束沿；所述转换模块包括第一计数器、第二计数器和选择器，所述第一计数器接收所述门脉冲信号并对起始沿计数形成第一计数值输出至选择器，所述第二计数器接收所述门脉冲信号并对结束沿计数形成第二计数值输出至选择器，所述选择器接收包含细时间值的第一信号，并在细时间值小于半周期值时选择第一计数值形成粗时间值，而在细时间值大于或等于半周期值时选择第二计数值形成粗时间值，所述选择器还输出至少包含时间值的时间标签，所述时间值包含粗时间值和细时间值；和专用计时集成电路，其接收所述门脉冲信号并设有与转换模块数量相等且一一对应的计时模块，所述计时模块接收事件信号并向对应的转换模块的选择器发送第一信号，所述第一信号中的细时间值为从计时模块接收到最近的起始沿至计时模块接收到事件信号之间的时间间隔值；所述时钟模块的周期被配置为大于所述总时延的两倍；所述总时延为第一时延值、第二时延值与第三时延值的和，所述第一时延值为从时钟模块发送门脉冲信号至计时模块接收到门脉冲信号之间的时间间隔值，所述第二时延值为从计时模块接收到事件信号至计时模块发送第一信号之间的时间间隔值，所述第三时延值为从计时模块发送第一信号至选择器接收到第一信号之间的时间间隔值。

4、第二技术方案基于第一技术方案，其中，所述时钟模块采用锁相环。

5、第三技术方案基于第一技术方案，其中，当所述门脉冲信号的起始沿为上升沿时，结束沿为下降沿；当所述门脉冲信号的起始沿为下降沿时，结束沿为上升沿。

6、第四技术方案基于第一技术方案，其中，所述时间标签还包含所述转换模块或对应的所述计时模块的识别信息。

7、第五技术方案基于第一技术方案，其中，所述转换模块还包括时间标签存储器，所述时间标签存储器用于接收并存储时间标签。

8、第六技术方案基于第五技术方案，其中，所述转换模块还包括分时段统计器和统计值存储器，所述分时段统计器用于从时间标签存储器接收时间标签并每隔特定时段统计该时段内时间标签的数量以形成分时段统计值，所述统计值存储器用于接收并存储分时段统计值。

9、第七技术方案基于第六技术方案，其中，所述可编辑逻辑电路还包括第一通信模块，所述第一通信模块用于发送分时段统计值。

10、第八技术方案基于第五技术方案，其中，所述可编辑逻辑电路还包括第二通信模块，所述第二通信模块用于发送时间标签。

11、第九技术方案涉及一种时间相关单光子计数系统，其包括光子探测装置和如权第一至第八中任一项技术方案所述的时间数字转换装置，所述单光子探测装置在探测到光子时输出事件信号至所述计时模块。

12、第十技术方案涉及一种时间数字转换方法，其包括：利用可编辑逻辑电路按周期生成并发送门脉冲信号，所述门脉冲信号具有用于标记周期起始的起始沿和用于标记半周期的结束沿；利用专用计时集成电路根据门脉冲信号生成事件的细时间值；由可编辑逻辑电路接收细时间值，当细时间值小于半周期值时基于对起始沿的计数以生成粗时间值而当细时间值大于或等于半周期值时基于对结束沿的计数以生成粗时间值；和由可编辑逻辑电路将粗时间值和细时间值合并生成时间值。

13、相对于现有技术，上述方案具有的如下有益效果：

14、第一技术方案中，专用计时集成电路生成并发送的第一信号由于只包含细时间值，因此位数相对少，其与可编辑逻辑电路通信效率高，因此计数效率高。同时，由于细时间值由专用计时集成电路生成，因此可以获得专用计时集成电路高精度、bin宽度均匀和良好的温度稳定性等优点。

15、第一技术方案中，由于由可编辑逻辑电路最终生成时间值，而事件信号仅发送至专用计时集成电路，因此需要可编辑逻辑电路基于专用计时集成电路发送的细时间值确定粗时间值。此时，由于专用计时集成电路与可编辑逻辑电路之间客观存在通信时延，且专用计时集成电路从接收到事件信号到发送第一信号之间也存在计算时延，因此，在规定总时延值小于半周期值的条件下，在细时间值小于半周期值时选择基于门脉冲起始沿的第一计数值确定粗时间值，而在细时间值大于或等于半周期值时选择基于门脉冲结束沿的第二计数值确定粗时间值，能够获取准确的粗时间值，避免了时延对确定粗时间值的影响。

16、第四技术方案中，时间标签还包含转换模块的识别信息，从而能够确定事件信号传输的通道，便于精确定位事件。

17、第六技术方案中，通过分时段统计器统计分时段时间标签数量，便于分时段统计事件。

18、第九技术方案中，时间相关单光子计数系统通过应用上述时间数字转换装置，能够在对大气、对水体、对地面的长时长、广地域探测时准确确定大气、水体或地面随地点变化的物理、化学或生物特性，有利于广域长时探测。

19、第十技术方案限定的时间数字转换方法实现了上述时间数字转换过程，具有与第一技术方案相同的技术效果。

技术特征：

1.一种时间数字转换装置(1)，其特征是，包括：

2.如权利要求1所述的一种时间数字转换装置(1)，其特征是，所述时钟模块(4)采用锁相环。

3.如权利要求1所述的一种时间数字转换装置(1)，其特征是，当所述门脉冲信号的起始沿为上升沿时，结束沿为下降沿；当所述门脉冲信号的起始沿为下降沿时，结束沿为上升沿。

4.如权利要求1所述的一种时间数字转换装置(1)，其特征是，所述时间标签还包含所述转换模块(5)或对应的所述计时模块(13)的识别信息。

5.如权利要求1所述的一种时间数字转换装置(1)，其特征是，所述转换模块(5)还包括时间标签存储器(10)，所述时间标签存储器(10)用于接收、存储并发送时间标签。

6.如权利要求5所述的一种时间数字转换装置(1)，其特征是，所述转换模块(5)还包括分时段统计器(11)和统计值存储器(12)，所述分时段统计器(11)用于从时间标签存储器(10)接收时间标签并每隔特定时段统计该时段内时间标签的数量以形成分时段统计值，所述统计值存储器(12)用于接收并存储分时段统计值。

7.如权利要求6所述的一种时间数字转换装置(1)，其特征是，所述可编辑逻辑电路(2)还包括第一通信模块(6)，所述第一通信模块(6)用于发送分时段统计值。

8.如权利要求5所述的一种时间数字转换装置(1)，其特征是，所述可编辑逻辑电路还包括第二通信模块(14)，所述第二通信模块(14)用于发送时间标签。

9.一种时间相关单光子计数系统(15)，其包括光子探测装置(16)和如权利要求1至8中任一项所述的时间数字转换装置(1)，所述单光子探测装置(16)在探测到光子时输出事件信号至所述计时模块(13)。

10.一种时间数字转换方法，其特征是，包括：

技术总结本申请公开了一种时间数字转换装置、时间相关单光子计数系统和时间数字转换方法。其中，时间数字转换方法利用FPGA按周期生成门脉冲信号，门脉冲信号脉宽为半周期并具有起始沿和结束沿；利用ASIC根据门脉冲信号生成事件的细时间值；由FPGA接收细时间值，当细时间值小于半周期值时对起始沿计数以生成粗时间值，而当细时间值大于或等于半周期值时对结束沿计数以生成粗时间值，再由FPGA将粗时间值和细时间值合并生成时间值；时间数字转换装置实现了上述方法，时间相关单光子计数系统利用了上述时间数字转换装置。上述技术方案能够避免测量量程过长时，由于ASIC粗时间值位数过大导致计数效率低的问题，同时又能利用ASIC高精度、bin宽度均匀和良好的温度稳定性等优点。技术研发人员：上官明佳,林再法受保护的技术使用者：厦门大学技术研发日：技术公布日：2024/2/25