[实用新型]一种硅光电倍增器的片上读出系统

摘要

一种硅光电倍增器的片上读出系统，其包括双时钟模块，共时间域测量模块，激活微元标记模块，光子的空间分布模块，微元屏蔽模块，编码模式控制模块，压缩与传输模块。该发明在光电转换的最早阶段将光信号和模拟信号转换成数字信号并以压缩的数据量传输到上位机或者信号处理单元中。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。

主权项

一种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数字化的传输数据，具体包括：双时钟模块，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，其中一个时钟源的时钟频率为1～100 MHz，另一个时钟源的时钟频率即双时钟模块中较快的时钟源为100～500MHz，分别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；时钟输入端检测模块，隶属于双时钟模块，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，如果有两路输出则调用倍频分频模块；移相模块，隶属于双时钟模块，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，隶属于双时钟模块，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；共时间域测量模块，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；共时间测量域划分模块，隶属于共时间域测量模块，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，隶属于共时间域测量模块，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，隶属于共时间域测量模块，读取延迟链的时间信息至触发器，触发器的驱动时钟由双时钟模块中较快的时钟源提供，每一个时钟周期读取一次延迟链的时间测量信息激活微元标记模块，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RA，在每个两个时钟源中较慢的时钟周期内，记录被光子激发的微元分布；微元脉冲斩波模块，隶属于激活微元标记模块，微元的慢输出口通过比较电路进行斩波处理，其正性输出不超越量程；斯密特脉宽调制模块，隶属于激活微元标记模块，根据微元脉冲斩波模块中的斩波信号，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，使其等于双时钟源模块中较慢的时钟源的周期；激活微元标记模块，隶属于激活微元标记模块，微元在双时钟源模块中较慢的时钟源的单个周期内是否被激活由激活微元标记阵列RA记录，激活矩阵的刷新频率由双时钟源模块中较慢的时钟源时钟频率所确定，根据斯密特脉宽调制模块中的调节宽度的触发器脉冲，标记响应位置是否被激活，光子的空间分布模块，为所有的时间数字转换器建立时间占用状态阵列RB，在双时钟模块中较快的时钟源每个时钟周期内，记录被光子激发的时间分布；防亚稳态触发器模块，隶属于光子的空间分布模块，防止亚稳态现象发生，模块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，隶属于光子的空间分布模块，寄存时间占用状态阵列，根据防亚稳态触发器模块中的防亚稳态触发器的输出情况，防亚稳态触发器模块中的防亚稳态触发器输出给时间占用状态阵列RB，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，隶属于光子的空间分布模块，根据时间占用状态阵列寄存模块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;微元屏蔽模块，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；失效测试模块，隶属于微元屏蔽模块，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Ijd和Ijs，将两种环境下的电流大小输出给微元性能模块；微元性能模块，隶属于微元屏蔽模块，评估每一个微元的工作性能，确定每一个微元是否失效，根据失效测试模块中的避光电流和强光电流的比值Ijd/Ijs，定义失效标记矩阵，当Ijd/Ijs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；微元禁用模块，隶属于微元屏蔽模块，根据微元性能模块的工作性能参数，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;编码模式控制模块，为每一个微元建立阵列RA和RB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；编码控制模块，隶属于编码模式控制模块，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，隶属于编码模式控制模块，根据编码控制模块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，隶属于编码模式控制模块，获得编码矩阵后，根据编码矩阵获得编码矩阵获得模块中的编码矩阵，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;压缩与传输模块，通过模块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;解编码矩阵生成模块，隶属于压缩与传输模块，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，对数据进行解码；传输数据获得模块，隶属于压缩与传输模块，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，隶属于压缩与传输模块，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；微元阵列数据存储模块，隶属于压缩与传输模块，将微元的时空数据进行存储。