基于單光子探測的時間相關計數TCSPC設計實現

1 . TCSPC技術原理

TCSPC時間相關單光子計數技術是一種成熟且通用的單光子計數技術，是一種功能強大的分析方法，目前廣泛應用于熒光壽命測量、時間分辨光譜、熒光壽命成像、飛行時間測量等眾多領域，尤其是在生命科學和基礎物理學中使用。

TCSPC技術使用高重復頻率的脈沖激光器作為光源，使用高靈敏度探測器對信號多次重復測量，計量離散光子脈沖實現甄別信號，把探測器探測到的信號看成單個光子形成的脈沖序列，每當探測器輸出一個脈沖則代表探測到一個光子，不是記錄脈沖強度，而是記錄脈沖密度來實現測量。

單光子探測器的輸出信號是對應于探測到單個光子的隨機分布的脈沖序列。一般情況下，一個信號周期內探測到多于一個光子的幾率是很小的，有些信號周期會探測到一個光子，也有可能許多信號周期內沒有檢測到光子。

當探測到一個光子時，就可以在信號周期內測得與探測器脈沖對應的時間。每記錄一次這樣的事件(光子)，就在對應的存儲單元中加“1”，該存儲單元的地址與探測時間對應。在記錄了許多光子之后，就可以根據存儲器中各個單元的光子數，得到探測時間的分布，即光脈沖的波形。

TCSPC技術將多個激光脈沖周期采集到的光子信號累積，光子信號與激光同步信號之間具有時間相關性，會在時域上形成光子計數峰，同時剔除隨機分布在各個時刻，計數值較少的暗計數。如圖1所示為TCSPC計數原理。

圖1 TCSPC計數原理

2 .TCSPC計數FPGA實現

在普通的激光測距系統中，可以將經過TDC時間數字轉換技術求取的時刻值通過傳輸接口，傳輸給上位機軟件或直接由MCU進行處理，得到測距值。但是在多通道、高重頻單光子激光三維成像系統中，為了得到高質量的圖像信息，勢必需要大容量的點云數據，進行分析，此時，需要進行實時的在線處理，完成圖像數據的提取。

圖2為時間相關單光子技術模塊結構圖，在這里，等比鑒別器我們將在后續的文章中做具體的講解，而時間數字轉換器的FPGA實現前面已分多個章節講解過，在這里主要講解，如何在FPGA中實現在線的TCSPC的累積，即生成柱狀圖。有需要的讀者，可以聯系筆者，下載程序，或者一起探討。

圖2 時間相關單光子技術模塊

其實,FPGA實現TCSPC的累積相對比較簡單，也就是統計時刻值的個數。通過FPGA內的RAM模塊進行實現，如圖３所示。

將計算得到的TDC值作為RAM的讀寫地址，首先將當前的時刻值的統計值從RAM中讀出，然后完成加１，將新的計數值存在RAM中，這樣完成一個TCSPC累積，根據系統具體的累積時間要求，完成TCSPC的累積。

圖3時間相關光子計數FPGA實現

根據上次基于多相位的TDC設計，輸出的TDC值位寬為16bit，因此在這里設置簡單雙端口RAM的界面如圖4所示，數據位寬為16bit,即累積最大的值為65536，數據深度為65536(根據TDC的位寬決定)。

圖4 RAM IP核設置

//* tb文件，從文件中讀取仿真數據 //

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部分代碼 //

ram_enb <= 1'b0;

ram_ena <= 1'b1;

ram_wea <= 1'b1;

ram_addra <= TDC_Data;

ram_dina <= ram_doutb + 16'd1; //讀出RAM值進行+1

if(acc_cnt == 16'd5000)//累積5000個數據結束

begin

ms_ram <= 4'd4;

acc_cnt <= 16'd0;

end

else

begin

fms_ram <= 4'd0;

acc_cnt <= acc_cnt + 16'd1;

end

圖5為TCSPC仿真結果圖，在這里累積了5000個點，在實際程序中，可以按累積時間點來計算，也可以按數據點數來計算。和圖6 Matlab程序進行比較，得出FPGA的計算結果是正確的。

圖5 TCSPC FPGA仿真結果

圖6為TCSPC Matlab計算結果圖