0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

基于单光子探测的时间相关计数TCSPC设计实现

冬至子 来源:电子故事汇 作者:求学者 2023-09-22 15:03 次阅读

1 . TCSPC技术原理

TCSPC时间相关单光子计数技术是一种成熟且通用的单光子计数技术,是一种功能强大的分析方法,目前广泛应用于荧光寿命测量、时间分辨光谱、荧光寿命成像、飞行时间测量等众多领域,尤其是在生命科学和基础物理学中使用。

TCSPC技术使用高重复频率的脉冲激光器作为光源,使用高灵敏度探测器信号多次重复测量,计量离散光子脉冲实现甄别信号,把探测器探测到的信号看成单个光子形成的脉冲序列,每当探测器输出一个脉冲则代表探测到一个光子,不是记录脉冲强度,而是记录脉冲密度来实现测量。

单光子探测器的输出信号是对应于探测到单个光子的随机分布的脉冲序列。一般情况下,一个信号周期内探测到多于一个光子的几率是很小的,有些信号周期会探测到一个光子,也有可能许多信号周期内没有检测到光子。

当探测到一个光子时,就可以在信号周期内测得与探测器脉冲对应的时间。每记录一次这样的事件(光子),就在对应的存储单元中加“1”,该存储单元的地址与探测时间对应。在记录了许多光子之后,就可以根据存储器中各个单元的光子数,得到探测时间的分布,即光脉冲的波形。

TCSPC技术将多个激光脉冲周期采集到的光子信号累积,光子信号与激光同步信号之间具有时间相关性,会在时域上形成光子计数峰,同时剔除随机分布在各个时刻,计数值较少的暗计数。如图1所示为TCSPC计数原理。

图片

图1 TCSPC计数原理

2 .TCSPC计数FPGA实现

在普通的激光测距系统中,可以将经过TDC时间数字转换技术求取的时刻值通过传输接口,传输给上位机软件或直接由MCU进行处理,得到测距值。但是在多通道、高重频单光子激光三维成像系统中,为了得到高质量的图像信息,势必需要大容量的点云数据,进行分析,此时,需要进行实时的在线处理,完成图像数据的提取。

图2为时间相关单光子技术模块结构图,在这里,等比鉴别器我们将在后续的文章中做具体的讲解,而时间数字转换器的FPGA实现前面已分多个章节讲解过,在这里主要讲解,如何在FPGA中实现在线的TCSPC的累积,即生成柱状图。有需要的读者,可以联系笔者,下载程序,或者一起探讨。

图片

图2 时间相关单光子技术模块

其实,FPGA实现TCSPC的累积相对比较简单,也就是统计时刻值的个数。通过FPGA内的RAM模块进行实现,如图3所示。

将计算得到的TDC值作为RAM的读写地址,首先将当前的时刻值的统计值从RAM中读出,然后完成加1,将新的计数值存在RAM中,这样完成一个TCSPC累积,根据系统具体的累积时间要求,完成TCSPC的累积。

图片

图3时间相关光子计数FPGA实现

根据上次基于多相位的TDC设计,输出的TDC值位宽为16bit,因此在这里设置简单双端口RAM的界面如图4所示,数据位宽为16bit,即累积最大的值为65536,数据深度为65536(根据TDC的位宽决定)。

图片

图4 RAM IP核设置

//* tb文件,从文件中读取仿真数据 //

reg [15:0]TDC_data[4999:0];

integer i;

initial

begin

i=0;

begin

$readmemh("D:/TDC_data.txt",TDC_data,0,4999);

end

forever

begin

@(posedge Clk_in or posedge Reset)

if(Reset == 1'b1)

begin

TDC_Data1 <= 12'd0;

TDC_Data_Valid1 <= 1'b0;

end

else

begin

i <= i+1;

TDC_Data1 <= TDC_data[i];

TDC_Data_Valid1<= 1'b1;

end

end

end

// FPGA部分代码 //

ram_enb <= 1'b0;

ram_ena <= 1'b1;

ram_wea <= 1'b1;

ram_addra <= TDC_Data;

ram_dina <= ram_doutb + 16'd1; //读出RAM值进行+1

if(acc_cnt == 16'd5000)//累积5000个数据结束

begin

ms_ram <= 4'd4;

acc_cnt <= 16'd0;

end

else

begin

fms_ram <= 4'd0;

acc_cnt <= acc_cnt + 16'd1;

end

图5为TCSPC仿真结果图,在这里累积了5000个点,在实际程序中,可以按累积时间点来计算,也可以按数据点数来计算。和图6 Matlab程序进行比较,得出FPGA的计算结果是正确的。

图片

图5 TCSPC FPGA仿真结果

图片

图6为TCSPC Matlab计算结果图

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • FPGA设计
    +关注

    关注

    9

    文章

    428

    浏览量

    26463
  • 存储器
    +关注

    关注

    38

    文章

    7425

    浏览量

    163505
  • 数字转换器
    +关注

    关注

    0

    文章

    233

    浏览量

    27494
  • 上位机
    +关注

    关注

    27

    文章

    930

    浏览量

    54688
  • 单光子探测器

    关注

    1

    文章

    31

    浏览量

    4411
收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    光子探测

    ``光子计数探测器混合像素探测器,为您的实验室精心准备PILATUS混合像素探测器的设计是X射线探测
    发表于 03-03 19:12

    光子计数

    `光子计数探测器混合像素探测器,为您的实验室精心准备PILATUS混合像素探测器的设计是X射线探测
    发表于 03-03 19:21

    TCSPC技术的工作原理是什么?有哪些应用?

    时间相关光子计数法 (TCSPC) 是什么?有什么功能?
    发表于 06-22 07:40

    以较低的设计和生产成本推广到其他光子计数器的设计和实现

    光子计数器是量子光学实验中光子探测常用的数据采集设备,用于收集
    发表于 11-24 16:56 639次阅读
    以较低的设计和生产成本推广到其他<b class='flag-5'>光子</b><b class='flag-5'>计数</b>器的设计和<b class='flag-5'>实现</b>

    基于Microblaze软核FSL总线的门光子计数器设计与实现[图]

    摘要: 门光子计数器是量子光学实验中光子探测常用的数据采集设备,用于收集
    发表于 01-19 22:47 408次阅读

    TDC及TCSPC的技术原理-TCSPC高精度时间相关光子计数模块

    TDC技术和TCSPC技术都是用来进行时间测量的技术手段,虽然应用范围大致相同,但是原理却不同,对于时间分辨率(时间精度)这个重要参数,TCSPC
    的头像 发表于 12-02 09:51 8120次阅读
    TDC及<b class='flag-5'>TCSPC</b>的技术原理-<b class='flag-5'>TCSPC</b>高精度<b class='flag-5'>时间</b><b class='flag-5'>相关</b><b class='flag-5'>单</b><b class='flag-5'>光子</b><b class='flag-5'>计数</b>模块

    碲镉汞光子计数型线性雪崩探测

    光子计数技术能将光子信号充分放大以克服电子器件的读出噪声,利用弱光照射下探测器输出电信号自然离散的特点,记录一定时间
    的头像 发表于 03-24 15:52 2150次阅读

    碲镉汞光子计数型线性雪崩探测

    光子计数技术能将光子信号充分放大以克服电子器件的读出噪声,利用弱光照射下探测器输出电信号自然离散的特点,记录一定时间
    的头像 发表于 04-01 15:47 1980次阅读

    小型超导纳米线光子探测系统,为机载平台提供高精度探测数据

    根据工作机理,光子探测器主要有光电倍增管(PMT)、光子雪崩二极管(SPAD)、超导纳米线
    的头像 发表于 05-10 09:37 1214次阅读
    小型超导纳米线<b class='flag-5'>单</b><b class='flag-5'>光子</b><b class='flag-5'>探测</b>系统,为机载平台提供高精度<b class='flag-5'>探测</b>数据

    Mantis3纳秒级时间戳的光子计数相机

    轻易地与其它设备组合。 * TPX3Cam由阿姆斯特丹科学仪器公司(Amsterdam Scientific Instruments)合作提供。 产品应用 雷达; 时间相关光子
    的头像 发表于 05-23 07:06 467次阅读
    Mantis3纳秒级<b class='flag-5'>时间</b>戳的<b class='flag-5'>单</b><b class='flag-5'>光子</b><b class='flag-5'>计数</b>相机

    短波红外光子探测器的发展

    光子探测器达到了光电探测的极限灵敏度,InP/InGaAs 短波红外光子
    发表于 06-28 09:31 931次阅读
    短波红外<b class='flag-5'>单</b><b class='flag-5'>光子</b><b class='flag-5'>探测</b>器的发展

    微型化自由运行光子探测器的设计实现

    光子探测器具有最高的光探测灵敏度,在激光雷达(LiDAR)系统中使用光子
    的头像 发表于 07-03 16:31 1094次阅读
    微型化自由运行<b class='flag-5'>单</b><b class='flag-5'>光子</b><b class='flag-5'>探测</b>器的设计<b class='flag-5'>实现</b>

    重新定义光子探测技术:基于真空管的探测器解决方案

    Photonis 光子探测解决方案基于真空管探测器技术。该技术结合了高检测效率 (QE) 和极低的暗计数(暗噪声)。发出脉冲后,检测器在检
    的头像 发表于 07-26 06:48 827次阅读
    重新定义<b class='flag-5'>单</b><b class='flag-5'>光子</b><b class='flag-5'>探测</b>技术:基于真空管的<b class='flag-5'>探测</b>器解决方案

    短波红外光子激光雷达研究进展

    光子激光雷达技术在遥感、自动驾驶、无人机导航等领域中扮演着关键角色。该技术利用时间相关光子
    发表于 12-04 14:35 498次阅读
    短波红外<b class='flag-5'>单</b><b class='flag-5'>光子</b>激光雷达研究进展

    什么是光子探测

      光子探测器(SPD)是一种超低噪声器件,增强的灵敏度使其能够探测到光的小能量量子——光子
    的头像 发表于 03-29 06:34 593次阅读