一种基于SiPM暗计数的自动标定方法和装置

一种基于sipm暗计数的自动标定方法和装置
技术领域
1.本技术涉及硅光电倍增管领域，尤其涉及一种基于sipm暗计数的自动标定方法和装置。


背景技术：

2.硅光电倍增管(silicon photo multiplier，简称sipm)是一种光电探测器，它是一种固态高增益传感器，吸收光子后产生脉冲，可以检测近紫外到近红外的光波长。sipm具有增益高、对光子灵敏度高以及较高的时间分辨率等特点，因此广泛应用于核医学成像、核探测以及正电子发射断层成像(time of flight positron emission tomography，简称tof-pet)等。
3.光电探测器系统是由多个sipm封装形成的，每个sipm与一个读出电路连接，读出电路采用互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor，简称cmos)工艺制作，读出电路包括前端放大器、甄别器以及时间数字转换器(time-to-digital converter，简称tdc)，由于工艺偏差导致每个sipm与读出电路形成的通道有差异，因此，需要进行甄别器的甄别阈值标定以及tdc增益标定。现有技术中，需要在每个sipm所属通道留有信号接口，借助信号接口注入测试信号，同时，还需要额外设计计数电路对测试信号产生的脉冲数目进行统计。
4.但是随着sipm个数增加，标定的电路设计也越来越复杂，标定过程所需时间也在增加，额外设计的计数电路使得整个系统更加繁杂，增加了整体电路的规模，还提高了数据处理的复杂度。


技术实现要素：

5.本技术提供一种基于sipm暗计数的自动标定方法和装置，在多通道读出电路系统中，利用sipm的雪崩现象产生的暗计数，作为一种天然测试信号，对sipm进行自动标定，本技术简化了电路设计，实现了便捷性、有效性以及实时性，节约了标定时间。
6.第一方面，本技术提供一种基于sipm暗计数的自动标定方法，包括：
7.光电探测器系统，所述光电探测器系统包括多个并列通道和控制器，每个通道由一个sipm和一个读出电路连接组成，每个通道的读出电路和所述控制器连接，所述读出电路包括甄别器和时间数字转换器，所述甄别器用于识别sipm产生的电流或者电压；所述方法包括：
8.所述控制器根据所述sipm产生的暗计数，获取所述通道的甄别器的多个不同甄别阈值对应的暗计数率dcr；
9.所述控制器根据所述多个不同甄别阈值对应的dcr，确定所述通道的甄别器的单光子阈值和多光子阈值；
10.所述控制器根据所述sipm产生的暗计数，获取检测周期内各个暗计数产生的细时间以及各细时间的统计分布；
11.所述控制器根据所述检测周期内各个暗计数产生的细时间、各细时间的统计分布和粗计数时钟周期，确定所述通道的tdc增益。
12.在一种可行方式中，所述控制器根据所述多个不同甄别阈值对应的dcr，确定所述通道的甄别器的单光子阈值和多光子阈值，包括：
13.所述控制器根据所述多个不同甄别阈值对应的dcr，生成第一变化曲线，所述第一变化曲线的横轴为所述甄别阈值，所述第一变化曲线的纵轴为所述甄别阈值对应的dcr；
14.所述控制器根据所述第一变化曲线确定所述通道的甄别器的单光子阈值和多光子阈值。
15.在一种可行方式中，所述控制器根据所述第一变化曲线确定所述通道的甄别器的单光子阈值和多光子阈值，包括：
16.确定所述第一变化曲线的各阶梯段；
17.按照所述甄别阈值从小到大的顺序，从每个阶梯段中选择一个甄别阈值，依次得到所述通道的甄别器的单光子阈值和多光子阈值。
18.在一种可行方式中，所述控制器根据所述sipm产生的暗计数，获取所述通道的甄别器的多个不同甄别阈值对应的暗计数率dcr，包括：
19.针对任意所述甄别阈值，在设定所述甄别阈值下检测周期内各个采样区间内的首个暗计数的到达时间，所述到达时间是在粗计数时钟周期下测量得到的；
20.通过指数分布拟合对各个采样区间的首个暗计数的到达时间进行拟合，得到所述甄别阈值对应的dcr。
21.在一种可行方式中，所述控制器根据所述检测周期内各个暗计数产生的细时间、各细时间的统计分布和粗计数时钟周期，确定所述通道的tdc增益，包括：
22.根据所述检测周期内各个暗计数产生的细时间和各细时间的统计分布，生成第二变化曲线，所述第二变化曲线的横轴为所述暗计数产生的细时间，所述第二变化曲线的纵轴为所述细时间的统计分布；
23.根据所述第二变化曲线，确定所述暗计数产生的细时间的最大值和最小值；
24.计算所述暗计数产生的细时间的最大值和最小值的差值；
25.根据所述粗计数时钟周期与所述差值的比值，得到所述通道的tdc增益。
26.在一种可行方式中，所述控制器对所述多个通道的输出电路进行标定。
27.在一种可行方式中，所述方法还包括：
28.比较所述多个通道的甄别器的单光子阈值和多光子阈值，确定不同通道的甄别器的单光子阈值和多光子阈值的差异；
29.根据所述不同通道的甄别器的单光子阈值和多光子阈值的差异，对目标通道的甄别器的单光子阈值和多光子阈值进行调整。
30.第二方面，本技术提供了一种基于sipm暗计数的自动标定装置，应用于光电探测器系统的控制器，所述光电探测器系统包括多个并列通道和所述控制器，每个通道由一个sipm和一个读出电路连接组成，每个通道的读出电路和所述控制器连接，所述读出电路包括甄别器和时间数字转换器，所述甄别器用于识别sipm产生的电流或者电压；所述装置包括：
31.第一获取模块，用于根据所述sipm产生的暗计数，获取所述通道的甄别器的多个
不同甄别阈值对应的暗计数率dcr；
32.第一确定模块，用于根据所述多个不同甄别阈值对应的dcr，确定所述通道的甄别器的单光子阈值和多光子阈值；
33.第二获取模块，用于根据所述sipm产生的暗计数，获取检测周期内各个暗计数产生的细时间以及各细时间的统计分布；
34.第二确定模块，用于根据所述检测周期内各个暗计数产生的细时间、各细时间的统计分布和粗计数时钟周期，确定所述通道的tdc增益。
35.在一种可行方式中，所述第一确定模块用于：
36.所述控制器根据所述多个不同甄别阈值对应的dcr，生成第一变化曲线，所述第一变化曲线的横轴为所述甄别阈值，所述第一变化曲线的纵轴为所述甄别阈值对应的dcr；
37.所述控制器根据所述第一变化曲线确定所述通道的甄别器的单光子阈值和多光子阈值。
38.在一种可行方式中，所述第一确定模块用于：
39.确定所述第一变化曲线的各阶梯段；
40.按照所述甄别阈值从小到大的顺序，从每个阶梯段中选择一个甄别阈值，依次得到所述通道的甄别器的单光子阈值和多光子阈值。
41.在一种可行方式中，第一获取模块用于：
42.针对任意所述甄别阈值，在设定所述甄别阈值下检测周期内各个采样区间内的首个暗计数的到达时间，所述到达时间是在粗计数时钟周期下测量得到的；
43.通过指数分布拟合对各个采样区间的首个暗计数的到达时间进行拟合，得到所述甄别阈值对应的dcr。
44.在一种可行方式中，第二确定模块用于：
45.根据所述检测周期内各个暗计数产生的细时间和各细时间的统计分布，生成第二变化曲线，所述第二变化曲线的横轴为所述暗计数产生的细时间，所述第二变化曲线的纵轴为所述细时间的统计分布；
46.根据所述第二变化曲线，确定所述暗计数产生的细时间的最大值和最小值；
47.计算所述暗计数产生的细时间的最大值和最小值的差值；
48.根据所述粗计数时钟周期与所述差值的比值，得到所述通道的tdc增益。
49.在一种可行方式中，所述控制器对所述多个通道的输出电路并行进行标定。
50.在一种可行方式中，第一确定模块还用于：
51.比较所述多个通道的甄别器的单光子阈值和多光子阈值，确定不同通道的甄别器的单光子阈值和多光子阈值的差异；
52.根据所述不同通道的甄别器的单光子和多光子阈值的差异，对目标通道的甄别器的单光子和多光子阈值进行调整。
53.第三方面，本技术提供了一种光电探测器系统，包括多个并列通道和控制器，每个通道由一个sipm和一个读出电路连接组成，每个通道的读出电路和所述控制器连接，所述读出电路包括甄别器和时间数字转换器，所述甄别器用于识别sipm产生的电流或者电压；
54.所述控制器用于执行如上述第一方面及各种可行的方式中所述的方法。
55.第四方面，本技术提供了一种计算机可读存储介质所述计算机可读存储介质中存
储有计算机执行指令，所述计算机执行指令被处理器执行时用于实现如上述第一方面及各种可行的方式中所述的方法。
56.本技术提供的一种基于sipm暗计数的自动标定方法和装置，sipm广泛应用于光电探测器系统中，利用sipm中产生的雪崩现象，将暗计数脉冲作为天然测试信号，通过获得不同甄别阈值下分别对应的暗计数率以及暗计数脉冲的细时间，确定光子阈值和tdc增益，实现了标定。本技术中不需要注入测试信号和额外计数电路，简化了电路设计，减小了系统电路规模，实现了便捷、有效以及实时的效果。
附图说明
57.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本技术的实施例，并与说明书一起用于解释本技术的原理。
58.图1为一个sipm的结构示意图；
59.图2为基于多通道sipm应用场景的结构示意图；
60.图3为本技术实施例一提供的一种基于sipm暗计数的自动标定方法的流程示意图；
61.图4为本技术提供的一种sipm的读出电路的简化示意图；
62.图5为本技术实施例二提供的一种光子阈值标定的流程示意图；
63.图6为本技术提供的一种时间获取的示意图；
64.图7为本技术提供的一种dcr曲线的示意图；
65.图8为本技术提供的第一变化曲线的示意图；
66.图9为本技术实施例三提供的一种tdc增益标定的流程示意图；
67.图10为第二变化曲线的示意图；
68.图11为本技术实施例四提供的一种基于sipm暗计数的自动标定装置；
69.图12为本技术实施例五提供的一种光电探测器系统的结构示意图。
70.通过上述附图，已示出本技术明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本技术构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本技术的概念。
具体实施方式
71.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的装置和方法的例子。
72.首先对本技术所涉及的名词进行解释：
73.暗计数率(dark count rate，简称dcr)：是指每秒发生暗计数脉冲的次数，暗计数是指在没有光照的情况下，载流子由于热运动而产生一定能量，二极管由于载流子热激发引发的雪崩现象，一个雪崩现象就会产生一个暗计数脉冲。
74.时间数字转换器(time-to-digital converter，简称tdc)：是指在检测系统中的一个重要组成部分，在进行信号处理时，将模拟信号转换成以时间表示的数字信号的一个
精确仪器。tdc一般用于测量时间间隔在1纳秒(ns)到皮秒(ps)的范围时应用，可以精确测量开始脉冲信号和停止脉冲信号之间的时间间隔，能够同时满足高精度、大量程的性能要求。tdc体积小，所测结果偏差小，精度高。
75.硅光电倍增管(silicon photo multiplier，简称sipm)是一种光电探测器，sipm是一个单光子雪崩二极管(single-photon avalanche diodes，简称spads)，图1为一个sipm的结构示意图，如图1所示，一个sipm的尺寸大约在10μm～100μm之间，其由无数个像素(pixel)并联组成，一个像素由一个雪崩二极管(avalanche photo diode，简称apd)以及一个猝灭电阻串联形成，在反向偏置电压下，apd会发生雪崩现象，因而会产生很强的电流输出，猝灭电阻的作用就是降压限流。其中，所有并联的像素都共用一个模拟接口来输出电流信号。在实际应用中，通常需要将多个sipm封装起来，并与读出电路和控制器组成一个固态光电探测器系统。
76.图2为基于多通道sipm应用场景的结构示意图。如图2所示，该结构包括了sipm101,、读出电路102、可编程阵列逻辑(field programmable gate array，简称fpga)以及上位机104。其中，一个sipm 101与一个读出电路102连接，读出电路102与fpga 103连接，fpga 103与上位机104连接。在使用光电探测器系统测量目标物之前，一般要对sipm101与读出电路102连接的通道进行标定，以获得目标物更加精确的时间分辨率。用于标定的测试信号在sipm 101中发生雪崩现象从而产生信号脉冲，脉冲信号传输至读出电路102，脉冲读出结果经fpga 103处理后，在上位机104上展示出来。fpga 103具有对数据存储、拟合读出结果曲线以及控制整个标定流程的作用，并将处理后的结果反馈给上位机104。上位机104可以是电脑或其他显示器，此处不做限制。通常地，sipm 101与读出电路102串联形成的通道不止一个，多个独立通道与fpga 103分别连接，最终将读出结果传入到上位机104。在实际应用中，一般由64个通道分别与fpga 103组成一个复杂的光电探测器系统。
77.sipm具有单光子灵敏度好，以及较高的分辨率等特点，但是sipm也存在一些不良因素，比如在整个光电探测器系统中增益的波动、apd之间发生光串扰现象以及暗计数。其中，暗计数是指在没有光照条件下，载流子在pn结(pn junction)之间因为热激发而发生的雪崩现象，暗计数作为一种不利因素一直存在于sipm中，并且无论在何种环境中，暗计数都无法完全消除。其中，pn结采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将p型半导体与n型半导体制作在同一块半导体(通常是硅或锗)基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区。
78.在之前的传统标定方法中，一般会在各个通道上留有信号接口，在信号接口上注入信号，进行对多通道的标定。但是，随着通道个数增加，在通道上留有信号接口是的整个电路越来越复杂，具有不可操作性，同时，还增加了标定的时间。此外，传统标定方法，需要额外设计计数电路，用来统计脉冲的数目，这也无形之中增加了电路设计的难度、数据处理的复杂度以及电路整体规模。
79.为了解决以上存在的问题，本技术利用sipm暗计数现象，将暗计数产生的脉冲作为一种天然测试信号，就可以不用在通道上留有信号接口，注入测试信号，同时，还不用额外增加计数电路，这就使得整个标定流程更加便捷、有效以及实时，整个系统的电路设计更加简单。
80.图3为本技术实施例一提供的一种基于sipm暗计数的自动标定方法的流程示意图。sipm应用于光电探测器系统中，光电探测器系统包括多个并列通道和控制器，每个通道
由一个siipm和一个读出电路连接组成，每个通道的读出电路和控制器连接，读出电路包括甄别器和tdc，甄别器用于识别sipm产生的电流或者电压。该控制器可以采用fpga，当然也可以采用其他芯片实现，光电探测器系统的结构可以参照图2所示。
81.图4为本技术提供的一种sipm的读出电路的简化示意图，如图4所示，一个sipm与一个读出电路连接，其中，读出电路是由专用集成芯片(application specific integrated circuit，简称asic)组成，asic采用cmos工艺制作。读出电路包含了前端放大器、甄别器和tdc，其中，前端放大器包含了一个电抗元件(rin)和一个放大器，电抗元件可以是输入阻抗，输入阻抗主要作用可以识别有多大电流流入设备的输入端，例如，当有5安培(a)的输入电流(iin)流入到输入阻抗中，输入阻抗就能识别到电流大小，放大器的作用是将传输过来的电流放大倍数，通常地，放大倍数可以根据现场情况自行给定，此处不做限制。
82.该输出电路还包括积分器和模拟数字转换器(analog-to-digital converter，简称adc)，脉冲信号经过前端放大器传输至积分器和adc，处理得到能量量化结果。
83.甄别器可以是电压甄别器或者是电流甄别器，当是电压甄别器时设置阈值电压(uth)，当是电流甄别器时设置阈值电流(ith)，此处对甄别器的选择不做限制。
84.每个通道的读出电路与控制器连接，控制器可以为fpga，其具有对整个标定流程、数据存储以及数据拟合的自动控制作用，使得标定过程能够自动完成，读出结果。控制器会将读出结果反馈给上位机，在上位机的页面上显示读出结果。同时，上位机也可以给控制器下达是否执行标定动作的命令，由控制接收命令并控制整个标定流程的完成，再将结果反馈给上位机。下面将详细描述标定流程。
85.s301，控制器根据sipm产生的暗计数，获取通道的甄别器的多个不同甄别阈值对应的dcr。
86.sipm在没有光照的条件下，apd中的载流子由于热运动产生一定的能量，载流子在pn结的耗尽层不断运动，使得apd在反向偏置电压(vbias)下产生了雪崩现象，即为暗计数。一旦一个载流子发生了雪崩现象，就会引发更多的载流子在二极管里发生雪崩现象，继而产生更多的暗计数脉冲，其中，载流子就是光子。
87.甄别器用于识别sipm产生电流或者电压，甄别器是将电流或者电压幅度超过某一设定的阈值电流或者阈值电压的输入脉冲信号转换成幅度和宽度符合一定标准的脉冲信号输出，剔除设定的阈值电流或者阈值电压以下的任何输入信号。例如，在本实施例中，可以通过在上位机页面上设置甄别器的阈值电流或者阈值电压，控制器将上位机设置的阈值电流或者阈值电压传给甄别器，甄别器按照此阈值电流或者阈值电压下的条件工作，转换出大于该阈值电流或者阈值电压下的脉冲信号，并将其输出至tdc。
88.通过设置不同大小的甄别阈值，控制器即可获取不同甄别阈值下对应的dcr，其中，甄别阈值可以是阈值电压也可以是阈值电流，此处不做限制。dcr是指每秒产生暗计数脉冲的次数，通常地，可以设置甄别阈值从小到大依次增加，得到一系列不同甄别阈值对应的dcr。可以由上位机配置甄别器的甄别阈值从小到大依次增加，并将配置信息发送给控制器执行，控制器根据该配置信息控制甄别器的甄别阈值从小到大依次增加。
89.s302，控制器根据多个不同甄别阈值对应的dcr，确定通道的甄别器的单光子阈值和多光子阈值。
90.根据上述不同甄别阈值得到对应的dcr，可以拟合成一条变化曲线，在变化曲线上确定甄别器单光子阈值和多光子阈值。单光子是指一个光子，一个光子也具有一定的频率和能量，光子的能量是e＝fh，f是频率，h是常数。多光子的能量是单光子能量的x倍，x大于1，例如，如果是三光子，则三光子能量为3e，三光子的能量是单光子能量的3倍，依次类推可以得到更多多光子的能量。
91.其中，当一个sipm内，如果不发生串扰现象，在一个apd内由于雪崩而产生的暗计数脉冲幅度即为一个单光子水平，可以使用dcr来表征暗计数性能。如果发生串扰现象，一个sipm内，相互之间并联的apd在短时间内同时发生雪崩现象，多个像素输出暗计数脉冲，并在sipm的共用模拟接口汇聚总和，由于单光子和多光子的能量成倍数关系特点，使得在多个apd内发生串扰现象后，从sipm输出的多光子暗计数脉冲幅度为单光子暗计数脉冲幅度的多倍。其中，幅度可以是电流或者电压大小。根据单光子和多光子暗计数脉冲幅度“离散”分布特点，可以在曲线上获取到通道内甄别器的单光子阈值和多光子阈值。具体参考实施例二，此处不再赘述。
92.单光子使用dcr来表征暗计数性能，那么在短时间内有一定概率引起一个sipm内相互并联的apd发生串扰的概率是pct，那么双光子在单位时间内幅度超过两倍的暗计数率dcr》2近似为dcr》2＝pct*dcr，同理，三光子在单位时间内幅度超过三倍的暗计数率dcr》3近似为dcr》3＝pct2*dcr，由此看出，暗计数率与串扰概率成幂次方关系，也可以推出，暗计数脉冲的幅度与串扰概率也成幂次方关系。
93.由于暗计数率与串扰概率成幂次方，单位时间内多光子暗计数率随着光子数量的增加而越来越少，即三光子的暗计数率小于双光子暗计数率，且按照串扰概率的幂次方在减小。同时，单光子和多光子暗计数脉冲幅度也呈现一定的关系，这种“离散”特点可以在变化曲线上表示出来，根据变化曲线可以确定单光子和多光子位置，并通过单光子和多光子在变化曲线上对应的甄别阈值大小，确定通道的甄别器的单光子阈值和多光子阈值。
94.s303，控制器根据sipm产生的暗计数，获取检测周期内各个暗计数产生的细时间以及各细时间的统计分布。
95.本实施例中对一个暗计数脉冲即测量粗时间又测量细时间，其中，细时间小于粗时间，细时间比粗时间更加精确。粗计数时钟周期是用来衡量时间大小的指标，因此粗时间和细时间是在粗计数时钟周期下测量得到的。
96.各个细时间的值在一个粗计数时钟周期(记为tclk)范围内，在不同的标定情况下，tclk是可以按照实际情况自行给定的，例如，tclk＝20ns或者40ns。
97.细时间指暗计数脉冲在采样区间内，通过精确的tdc测量出来的具体时间。采样区间在读出电路内，一个读出电路有许多采样区间用来采样暗计数。在一个检测周期内，由tdc测量到暗计数脉冲达到采样区间的细时间，并将暗计数的细时间发送给控制器，控制器获取产生的暗计数的细时间，以及各细时间对应暗计数的个数。其中，各细时间的统计分布是指在检测周期内所有暗计数总数，检测周期内包括多个暗计数，部分暗计数产生的细时间相同，统计细时间相同的暗计数的个数。例如，当测量到存在细时间＝300ps，其中细时间＝300ps的暗计数个数有100个，则细时间＝300ps对应暗计数的个数就是100，同理，还能找到其他细时间的统计分布。其中，检测周期指的是当前标定完成所需的总时间，根据现场情况和需求来确定。关于细时间的测量，具体参考实施例三。
98.s304，控制器根据检测周期内各个暗计数产生的细时间、各细时间的统计分布和粗计数时钟周期，确定通道的tdc增益。
99.一种方式中，控制器根据上述确定了检测周期内各个暗计数产生的细时间、各细时间的统计分布和粗计数时钟周期，拟合成第二变化曲线，在第二变化曲线上确定细时间最大输出值和细时间最小输出值，实现对tdc增益标定。
100.另一种方式中，细时间的最大值和最小值也可以通过以下方式获得。控制器计算并统计了当前检测周期内所以暗计数的tfine，控制器通过比较各个细时间的大小确定检测周期内的细时间的最大值和最小值。控制器可以将各个细时间从小到大或者从大到小排列起来，确定细时间的最大值和最小值。
101.进一步的，确定了单光子阈值和多光子阈值即可实现对甄别器的光子阈值标定，确定了暗计数产生的细时间、各细时间的统计分布和粗计数时钟周期即能完成对tdc增益标定。光电探测器系统对甄别器的光子阈值标定和tdc增益标定利用sipm产生的暗计数现象进行标定，标定完成之后，即可进行对目标物的测量，其中，光子阈值指单光子阈值和/或多光子阈值。
102.通常地，现有技术中一般对通道的标定只测量一次(初始标定)，本实施例的方法即可以进行初始标定，也可以在初始标定之后在每一次目标物测量之前都进行实时标定。由于电路设计简单，测量时间短，所以能够应用在实时标定中，确保更精确的目标物测量值，实时标定可以减小因外界环境因素(如温度等)导致光电探测器系统通道的性能发生变化的影响，得到当前环境下目标物实时测量的结果。例如，光电探测器系统已经完成了初步标定后，一天内需要测量多个目标物，在每个目标物测量之前都进行一次实时标定，确定当前通道的甄别器的光子阈值和tdc增益，得到目标物测量时的实时结果。
103.本实施例中，控制器对多个通道的输出电路并行进行标定。一个光电探测器系统中，包含了多个独立通道，控制器与多个独立通道连接，形成了整体电路系统，通常地，独立通道有64个，控制器可以同时并行的对多个通道的输出电路进行标定，各个通道之间互不干扰，各个通道的数据由控制器处理并存储，控制器再将处理完成的数据反馈给上位机，得到多个通道的光子阈值和tdc增益，获取通道之间的差异大小。
104.本实施例，控制器通过根据sipm产生的暗计数，获取每个通道的甄别器的多个不同甄别阈值对应的dcr，根据不同甄别阈值对应的drc确定单光子阈值和多光子阈值，同时，控制器通过暗计数产生的细时间、各细时间的统计分布和粗计数时钟周期，确定各个通道的tdc增益。本实施例的标定方法采用sipm产生的暗计数进行甄别器的光子阈值标定和tdc增益标定，不需要注入外来的测试信号，也不需要额外计数电路，整个标定流程便捷，电路设计简单。
105.图5为本技术实施例二提供的一种光子阈值标定的流程示意图，如图5所示，本实施例的方法包括以下步骤。
106.s501，控制器根据多个不同甄别阈值对应的dcr，生成第一变化曲线，第一变化曲线的横轴为甄别阈值，第一变化曲线的纵轴为甄别阈值对应的dcr。
107.控制器根据sipm产生的暗计数，获取通道的甄别器的多个不同甄别阈值对应的dcr，首先要获得某种甄别阈值下不同阈值对应的dcr。针对任意甄别阈值，在设定甄别阈值下检测周期内各个采样区间内的首个暗计数的到达时间，到达时间是在粗计数时钟周期下
测量得到的，通过指数分布拟合对各个采样区间的首个暗计数的到达时间进行拟合，得到甄别阈值对应的dcr。
108.在一个sipm中有许多采样区间，测量各个采样区间内首个暗计数脉冲到达时间，此到达时间即为该暗计数脉冲的粗时间(记为tcoarse)。粗时间是指暗计数脉冲在采样区间内测得的比细时间较为粗略的时间，粗时间由读出电路中的计数器测量得到，计数器没有tdc测量时间的精确度高。
109.例如，在一个检测周期内，设定一个阈值为50毫伏(mv)的阈值电压，控制器获取在该阈值电压下各个采样区间的首个暗计数到达时间，并存储该到达时间。同样的，设定不同的阈值电压大小，即可得到不同阈值电压下的到达时间。此外，也可以设定阈值电流，此处不做限制。ti代表第i个暗计数的发生时间，一个暗计数既有粗时间又有细时间，其中，细时间在粗计数时钟周期内。
110.图6为本技术提供的一种时间获取的示意图，如图6所示，在检测周期内有多个采样区间，在某一甄别阈值下，其中，采样区间1的首个暗计数到达时间即为t1coasre，采样区间2的首个暗计数到达时间即为t2coasre，tcoarse＝nc*tclk，其中，nc代表tclk的个数，nc的数值由读出电路反馈给控制器，控制器接收nc的数值，根据tcoarse＝nc*tclk计算得到tcoarse，tclk即为粗计数时钟周期，其代表一个量化单位。在图6中，粗计数刻度按照相应的采样区间依次从小到大的顺序依次排列，一个小刻度占据的宽度即为一个tclk的宽度，一个tclk的宽度代表一个粗计数时钟周期的时间，例如，在图6中，采样区间1的粗计数刻度包括多个刻度，分别为：刻度n、刻度n+1等，采样区间2包括多个刻度，分别为：刻度n1、刻度n1+1等，采样区间3
……
，各个刻度的大小或者宽度为一个tclk。n代表采样区间1上时间刻度的起点，n1是采样区间2上是时间刻度起点，依次类推，n和n1可以是任意一个数值，此处不做限制。示例性的，当t1coarse占的刻度为刻度n和刻度n+1时，t1coarse占据大约2个tclk的宽度，即nc＝(n+1)-n+1＝2，其中，+1是加上n自身代表的1个宽度。因此t1coarse＝nc*tclk＝2*tclk，假设tclk＝20ns，那么t1coarse＝2*20ns＝40ns，同理，也可以测量出其余采样区间的tcoarse。
111.在某一甄别阈值下，根据上述的方法获得了所有采样区间的首个暗计数的tcoarse，将各个采样区间的首个暗计数的到达时间按照如下公式(1)进行指数拟合，即可得到该甄别阈值下的dcr。
112.p＝1-e
(-dcr*tcoarse)
(1)
113.其中，公式(1)中，p是指一个概率，p＝na/nt，nt为在一个检测周期内暗计数的总数，na即为采样区间首个暗计数脉冲的tcoarse等于某个值的个数，例如，tcoarse等于40ns，在暗计数的总数中，有100个首个暗计数脉冲的tcoarse＝40ns，那么p＝100/nt，其中，暗计数的总数可以由控制器计数并给出数值。图7为本技术提供的一种dcr曲线的示意图，如图7所示，横轴即为tcoarse，纵轴即为na，得到tcoarse和na的原始数据，根据原始数据拟合得到指数分布函数，得到一条dcr曲线，把曲线上任意一个点带入公式(1)中，即可得到该甄别阈值下的dcr，如图7所示，dcr＝106。
114.可选地，除了上述公式(1)可以得到某一甄别阈值下的dcr外，还可以使用公式(2)得到某一甄别阈值下的dcr。
115.po(ti-ti-1)＝1-e
(-dcr*to)
(2)
116.其中，公式(2)中，po是指一个概率，po＝no/nt，nt为在一个检测周期内暗计数的总数，no即为相邻两个采样区间的首个暗计数脉冲的差值等于某个值的个数，例如，t3coarse-t2coarse＝100ps，在所有的相邻采样区间内，相邻的首个暗计数的差值都等于100ps的个数为200个，那么po＝200/nt，其中，暗计数的总数可以由控制器计数并给出数值。to则为相邻两个采样区间前一个暗计数脉冲与后一个暗计数脉冲之间的时间间隔，如图6所示，to1则为t2coarse与t1coarse的时间间隔。to＝n*tclk，n为第ti-1个暗计数到第ti暗计数的时间间隔内tclk的个数，to可以由控制器计算出来。由此可见，根据公式(2)可以指数拟合一条dcr曲线，在曲线上任意找一个点，带入公式(2)中，即可得到该甄别阈值下的dcr。
117.根据上述两种方式都可以得到某一甄别阈值下的一个设定阈值大小的dcr，通过设定该甄别阈值下不同大小的阈值，得到不同大小甄别阈值对应的dcr，生成第一变化曲线，图8为本技术提供的第一变化曲线的示意图，如图8所示，横轴为阈值电流(ith)，说明选取甄别阈值是阈值电流，纵轴为不同阈值电流对应的dcr，本实施例中，也可以设定不同的阈值电压(uth)，此处不做限制。
118.s502，控制器根据第一变化曲线确定通道的甄别器的单光子阈值和多光子阈值。
119.根据实施例一所描述，在第一变化曲线上，由于单光子和多光子具有“离散”特点，在第一变化曲线上，可以确定单光子阈值和多光子阈值。
120.首先，确定第一变化曲线的各阶梯段，按照甄别阈值的从小到大的顺序，从每个阶梯段中选择一个甄别阈值，依次得到通道的甄别器的单光子阈值和多光子阈值，通道的甄别器的甄别阈值的标定即为对单光子阈值和双光子阈值的标定。
121.如图8所示，大约在12-15微安(ua)，暗计数率呈现快速下降，暗计数第一次快速下降阶段为第一阶梯段；大约在17-20ua，暗计数率又呈现快速下降，暗计数第二次快速下降阶段为第二阶梯段；大约在22-25ua，暗计数率再次呈现快速下降，暗计数第三次快速下降阶段为第三阶梯段，依次类推更多的阶梯段，确定第一变化曲线的第一阶梯段、第二阶梯段以及第三阶梯段的阶梯段位置。
122.如图8所示，在横轴上，从左到右阈值电流依次增大，按照阈值电流从小到大的顺序，从第一阶梯段中选出一个阈值电流，即为单光子(1p.e)阈值(记为i1)，i1＝14ua；从第二阶梯段中又选出一个阈值电流，即为双光子(2p.e)阈值(记为i2)，i2＝19ua；从第三阶梯段中再选出一个阈值电流，即为三光子(3p.e)阈值(记为i3)，i3＝24ua，即分别得到单光子和多光子阈值。
123.图8所示方式得到一个sipm在不同阈值电流下，dcr随着阈值电流变化的曲线。同样地，按照上述方法，可以测量出光电探测器系统中其余sipm的阈值电流与dcr的变化的曲线，通常地，64个sipm即会形成64个通道，每个通道都会得到各自通道相应的阈值电流与dcr的变化曲线，根据64个变化曲线，可以分别得到64个通道中各自的单光子阈值和多光子阈值，比较多个通道的甄别器的单光子阈值和多光子阈值，确定不同通道的甄别器的单光子阈值和多光子阈值的差异，即根据各自通道的甄别器的单光子阈值和多光子阈值之间大小，相互之间分别比较多个通道的甄别器的单光子阈值和多光子阈值，由于读出电路是由cmos工艺制作而成，工艺过程中会存在工艺偏差，因此，每个通道的甄别器的单光子阈值和多光子阈值会有所差异，但是，大部分通道的甄别器的单光子阈值和多光子阈值不会有太
大差异，基本可以在允许偏差范围内。
124.根据结果，单光子阈值和多光子阈值即体现了各自通道的甄别器的光子阈值。进一步的，根据不同通道的甄别器的单光子阈值和多光子阈值的差异，对目标通道的甄别器的单光子阈值和多光子阈值进行调整，其中，目标通道为光子阈值初始值io不在允许偏差范围内的甄别器，光子阈值初始值io是指在当前阈值标定前，各个通道写入的光子阈值，光子阈值初始值可以为任意数值。允许偏差范围是指第一变化曲线中得到的光子阈值的
±
1ua范围，即图8中得到单光子阈值i1为14ua，则允许该通道下单光子阈值初始值在14
±
1ua范围内，其中，允许偏差范围可以根据实际情况自行设定，也可以是得到的光子阈值的
±
0.0ua，此处不作限制。若其他通道得到的单光子阈值i1为20ua，则该通道光子阈值初始值io允许偏差范围为20
±
1ua。在大量结果中，发现某个或多个通道的甄别器的光子阈值差异较大，超出可允许偏差范围，控制器定位到此目标通道，并在上位机页面上显示目标通道的光子阈值初始值io和第一变化曲线得到的光子阈值i，并通过得到的进行光子阈值调整，其中，甄别器的光子阈值不在允许偏差范围内，可以是单光子阈值不在允许偏差范围内，也可以是多光子阈值不在允许偏差范围内，此处不做限制。其中，光子阈值是单光子阈值和/或多光子阈值。
125.通过调整每个通道中不在允许偏差范围的光子阈值初始值io，使得每个通道的单光子阈值都按照第一变化曲线中实际得到的光子阈值i作为阈值配置数据，从而使得每个通道按照实际工艺偏差去调整各自通道的光子阈值，得到的目标物测量值更加精确。
126.根据图8的结果，需要对甄别器的光子阈值进行调整。在上位机页面上定位到目标通道，通过目标通道配置参数页面上写入需要调整的阈值配置数据，例如，把某个通道的单光子阈值初始值i1o＝20ua调整为i1＝14ua，i1即为阈值配置数据，i1可以从第一变化曲线中得到。若该通道的单光子阈值初始值i1o在14ua
±
1ua范围内，可以不做调整，若单光子阈值初始值i1o不在14
±
1ua范围内，便要对该单光子阈值初始值i1o进行调整，调整数据为第一变化曲线中得到的单光子阈值i1。控制器调整该通道输出电流或电压的大小，写入第一变化曲线中得到的单光子阈值i1，根据实际的单光子阈值i1来调整当前道通的单光子阈值初始值i1o，减小因工艺带来的光子阈值差异。例如，如图8所示，在该通道下双光子阈值i2为19ua，若该通道的双光子阈值初始值不在19
±
1ua范围内，则把图8中得到的双光子阈值i2＝19ua作为阈值配置数据写入到上位机页面中，由控制器去调整光子阈值。
127.同样的，在另一个通道中，得到的双光子阈值为23ua，若该通道的双光子阈值初始值不在23
±
1ua范围内，则把得到的双光子阈值23ua作为阈值配置数据写入到上位机页面中，由控制器去调整光子阈值。
128.可以理解的是，光子阈值的调整流程包括：分别得到每个通道的光子阈值i对应通道得到的第一变化曲线，从第一变化曲线中得到每个通道下的光子阈值i，将每个通道得到的光子阈值i与相应通道的光子阈值初始值io对比较，若某个通道光子阈值初始值io不在光子阈值i的允许偏差范围内，则将该通道得到的光子阈值i作为阈值配置数据写入到上位机页面中。控制器可以对一个或多个通道同时进行光子阈值调整，此处不做限制。图9为本技术实施例三提供的一种tdc增益标定的流程示意图，如图9所示，本实施例的方法包括以下步骤。
129.s901，根据检测周期内各个暗计数产生的细时间和各细时间的的统计分布，生成
第二变化曲线，第二变化曲线的横轴为暗计数产生的细时间，第二变化曲线的纵轴为细时间的统计分布。
130.如图6所示，任意一个暗计数脉冲在采样区间被检测到，其暗计数脉冲分别有粗时间和细时间。在某一甄别阈值下，采样区间1的首个暗计数精细到达时间即为t1fine，采样区间2的首个暗计数精细到达时间即为t2fine，tfine＝nf*tclk，其中，tclk即为粗计数时钟周期，可以自行设定，nf代表tclk的个数，由图6可知，tfine表示各个采样区间的首个暗计数到达时间，tfine的大小小于tclk，即nf小于1。根据上述描述，nf的数值由读出电路反馈给控制器，控制器根据nf的数值，采用tfine＝nf*tclk计算得到tfine的具体数值。
131.在一个检测周期内，控制器计算所有tfine对应的个数，例如，所有暗计数中，tfine＝400ps的暗计数个数为200。结合细时间和各细时间的统计分布，根据公式(3)式，生成第二变化曲线。
132.pf＝tfine/tclk(3)
133.其中，pf是指一个概率，pf＝nf/nt，nt为在一个检测周期内暗计数的总数，nf即为采样区间首个暗计数脉冲的tfine等于某个值的个数，例如，tfine等于50ps，在暗计数中暑中，有150个首个暗计数脉冲的tfine＝50ps，那么pf＝150/nt，其中，暗计数的总数可以由控制器计数并给出数值。由此可见，结合tfine，根据公式(3)可以均匀分布拟合一条曲线，该曲线即为第二变化曲线。图10为第二变化曲线的示意图，其中，第二变化曲线的横轴为暗计数产生的细时间，即为tfine，纵轴为细时间的统计分布，即为nf，如图10所示，给出了细时间与其所对应的暗计数的个数的第二变化曲线。
134.s902，根据第二变化曲线，确定暗计数产生的细时间的最大值和最小值。
135.如图10所示，在第二变化曲线上确定暗计数产生的细时间的最大值(记为tfine(max))和最小值(记为tfine(min))从图中可以读出，tfine(max)大约在20ps，tfine(min)大约在1080ps。
136.s903，计算暗计数产生的细时间的最大值和最小值的差值。
137.计算tfine(max)和tfine(min)的差值，即tfine(max)-tfine(min)＝1080-20＝1060ps。
138.s904，根据粗计数时钟周期与差值的比值，得到通道的tdc增益。
139.根据公式(4)实现对tdc增益标定。
140.binsize＝tclk/(tfine(max)-tfine(min))(4)
141.其中，binsize就是指bin宽，可以用来衡量时间分辨率高低，单位为ps，时间分辨率是指tdc可以辨别的最小的时间间隔，时间分辨率越低，则tdc得到的就越精确。
142.进一步的，每一个通道的tdc可以通过上述公式(4)和方法实现tdc增益的标定，保持每个通道tdc增益波动差异在一个小范围内，各个通道tdc增益波动不大，对目标物的检测更加精确。若是发现某个或多个通道tdc增益初始值不在该tdc增益的允许偏差范围内，则需要进行tdc增益调整，其中，tdc增益初始值是指在当前tdc增益标定前，各个通道写入的tdc增益数值，tdc增益可以为任意数值，允许偏差范围为当前通道的binsize值的
±
0.2ps，若binsize＝1.4ps，则tdc增益初始值的允许偏差范围为1.4
±
0.2ps，其中，允许偏差范围可以根据实际情况自行设定，也可以是当前通道的binsize值的
±
0.0ps，此处不作限制。在上位机页面上找到相应通道的tdc增益标定调制页面，写入需要调整的tdc增益配
置数据，其中，tdc增益配置数据是根据第二变化曲线和公式(4)得到的binsize，控制器根据tdc增益配置数据，矫正该通道的tdc增益初始值。各个通道都按照各自的得到的binsize与tdc增益初始值的大小对比，调整各自通道的tdc增益初始值。例如，在某个通道内，binsize＝2ps，tdc增益初始值为1ps，tdc增益允许偏差范围为2
±
0.2ps，tdc增益初始值不在该允许偏差范围内，则需要对该tdc增益初始值进行调整，将binsize＝2ps作为tdc增益配置数据，写入到上位机页面上，将tdc增益初始值1ps调整为2ps，即实现了tdc增益标定。
143.同样的，若另一个通道的binsize为1.8，tdc增益初始值为1.2ps，tdc增益允许偏差范围为1.8
±
0.2ps，tdc增益初始值不在该允许偏差范围内，则需要对该tdc增益初始值进行调整，将binsize＝1.8ps作为tdc增益配置数据，写入到上位机页面上，将tdc增益初始值1.2ps调整为1.8ps，即实现了tdc增益标定。
144.可以理解的是，tdc增益标定的调整流程包括：分别得到每个通道的第二变化曲线，从第二变化曲线中得到每个通道下细时间的最大值和最小值，利用每个通道得到的细时间最大值、最小值和粗计数时钟周期得到该通道下的binsize，比较每个通道tdc增益初始值和binsize的大小，若某个通道tdc增益初始值不在tdc增益允许偏差范围内，则将该通道得到的binsize作为tdc增益配置数据写入到上位机页面中。控制器可以对一个或多个通道同时进行tdc增益调整，此处不做限制。
145.在实际应用中，由于光电探测器系统中有精确的tdc，因此可以测量到更加精确的时间，使得光电探测器系统应用到核医学成像、荧光寿命探测以及高能物理等领域中。
146.本实施例二至实施例三提供的光子阈值标定和tdc增益标定可以在测量目标物之前把因为工艺偏差导致的通道性能差异减小，使得光电探测器系统中各个通道性能参数都比较一致，这样能够保证对目标物的测量值更加精确。同时，光电探测器系统的性能是否良好，也是衡量其制造商产品是否合格的一个指标，厂家在售卖前光电探测器系统如果因通道之间光子阈值或者tdc增益波动太大而会影响其销售。
147.下面是本技术的装置实施例，图11为本技术实施例四提供的一种基于sipm暗计数的自动标定装置。如图11所示，该装置110包括以下模块。
148.该装置110应用于光电探测器系统的控制器，光电探测器系统包括多个并列通道和控制器，每个通道由一个sipm和一个读出电路连接组成，每个通道的读出电路和控制器连接，读出电路包括甄别器和时间数字转换器，甄别器用于识别sipm产生的电流或者电压；装置100包括：
149.第一获取模块1101，用于控制器根据sipm产生的暗计数，获取通道的甄别器的多个不同甄别阈值对应的dcr；
150.第一确定模块1102，用于控制器根据多个不同甄别阈值对应的dcr，确定通道的甄别器的单光子阈值和多光子阈值；
151.第二获取模块1103，还用于控制器根据sipm产生的暗计数，获取检测周期内各个暗计数产生的细时间以及各细时间的统计分布；
152.第二确定模块1104，还用于控制器根据检测周期内各个暗计数产生的细时间、各细时间的统计分布和粗计数时钟周期，确定通道的tdc增益。
153.在一种可行方式中，第一确定模块1102用于：
154.控制器根据多个不同甄别阈值对应的dcr，生成第一变化曲线，第一变化曲线的横
轴为甄别阈值，第一变化曲线的纵轴为甄别阈值对应的dcr；
155.控制器根据第一变化曲线确定通道的甄别器的单光子阈值和多光子阈值。
156.在一种可行方式中，第一确定模块1102用于：
157.确定第一变化曲线的各阶梯段；
158.按照甄别阈值的从小到大的顺序，从每个阶梯段中选择一个甄别阈值，依次得到通道的甄别器的单光子阈值和多光子阈值。
159.在一种可行方式中，第一获取模块1101用于：
160.针对任意甄别阈值，在设定甄别阈值下检测周期内各个采样区间内的首个暗计数的到达时间，到达时间是在粗计数时钟周期下测量得到的；
161.通过指数分布拟合对各个采样区间的首个暗计数的到达时间进行拟合，得到甄别阈值对应的dcr。
162.在一种可行方式中，第二确定模块1104用于：
163.根据检测周期内各个暗计数产生的细时间和各细时间的统计分布，生成第二变化曲线，第二变化曲线的横轴为暗计数产生的细时间，第二变化曲线的纵轴为细时间的统计分布；
164.根据第二变化曲线，确定暗计数产生的细时间的最大值和最小值；
165.计算暗计数产生的细时间的最大值和最小值的差值；
166.根据粗计数时钟周期与差值的比值，得到通道的tdc增益。
167.在一种可行方式中，装置110用于：对多个通道的输出电路并行进行标定。
168.在一种可行方式中，第一确定模块1102还用于：
169.比较多个通道的甄别器的单光子阈值和多光子阈值，确定不同通道的甄别器的单光子阈值和多光子阈值的差异；
170.根据不同通道的甄别器的单光子和多光子阈值的差异，对目标通道的甄别器的单光子阈值和多光子阈值进行调整。
171.本实施例提供的装置，可用于执行上述方法实施例中控制器执行的方法步骤，具体实现方式类似，这里不在赘述。
172.图12为本技术实施例五提供的一种光电探测器系统的结构示意图。如图12所示，该光电探测器系统120包括多个并列通道和控制器1203，每个通道由一个sipm 1201和一个读出电路1202连接组成，每个通道的读出电路1202和控制器1203连接，读出电路1202包括甄别器1204和时间数字转换器1205，甄别器1204用于识别sipm产生的电流或者电压。控制器1202用于执行上述方法实施例，具体实现方式和技术效果类似，这里不再赘述。
173.本技术实施例六提供一种计算机可读存储介质。计算机可读存储介质中存储有计算机执行指令，计算机执行指令被处理器执行时用于执行上述方法实施例，具体实现方式和技术效果类似，这里不再赘述。
174.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本技术的其它实施方案。本技术旨在涵盖本技术的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本技术的一般性原理并包括本技术未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本技术的真正范围和精神由下面的权利要求书指出。
175.应当理解的是，本技术并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本技术的范围仅由所附的权利要求书来限制。