CN104184473B - 对tdc进行非线性校正的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种对TDC进行非线性校正的方法及装置，所述方法包括以下步骤：a)在探测器的扫描视野内放置放射源，并将探测器与电子学的时间偏移初始化归零；b)探测辐射事件，记录每个TDC通道的输出次数，以获得TDC通道的计数分布；c)选择一个TDC通道作为参考通道，使得布置在所选通道两侧的TDC通道的输出次数之和相等；d)为所述参考通道设置一个时间，并基于所述参考通道的时间计算各TDC通道的时间。本发明中的装置可实现上述TDC进行非线性校正的方法。利用本发明的方法，能够有效提高TDC输出的准确性；同时在校正过程中，无需外部提供信号源，操作简单。

Description

对TDC进行非线性校正的方法和装置

技术领域

本发明涉及时间数字转换技术领域，尤其涉及一种对用于辐射探测器中的时间数字转换器(Time-to-Digital Converter，TDC)进行非线性校正的方法和装置。

背景技术

时间数字转换技术是建立在R.Nutt在1968年提出了延迟线结构基础之上的。所谓的延迟线是由一组延迟单元组成的，理论上这组延迟单元传播时延时相等，都为τ。而时间间隔的测量就是通过两次脉冲信号在延迟线上的传播进行采样实现的，其基本结构如图1所示。图1中，整条延迟线由一组延迟时间为τ的延迟单元组成，每个延迟单元配合一个触发器，这里的延迟单元是电平触发，而不是边沿触发；触发器刚好相反是边沿触发的，而不是电平触发。时间间隔T开始时，Start由低变高，为上升沿，然后这个上升沿在延迟单元中以延迟τ传播，直到间隔结束，Stop由低变高，所有的触发器状态都被锁定，这一组触发器输出端Q形成一个类似与温度计结构的输出，由此读数即可表示为时间间隔长度。

基于Nutt结构的时间数字转换(TDC)技术的突出优点是结构简单，可实现单片集成，即可在ASIC上实现，也在单片FPGA上实现。在ASIC上实现时，可以达到和延迟锁定环同一级别的时间分辨率，但其时间分辨率会随温度的改变产生一定范围内的飘移。其缺点是测量的时间分辨率受限于所使用的延迟单元的延迟，而且延迟单元的延迟时间是不可控的。其误差来源主要包括以下四方面：一是量化误差，即一个延迟单元的时间，减少量化误差带来的是延迟单元的增加；二是延迟线集成非线性，由于在集成过程中不可能做到各个延迟单无完全一致，导致各个延迟单元的延迟时间不相等，对外表现为非线性效应，矫正的方法有平均法、矢量法等；三是随机变化，由延迟单元的自身温度和供电电压变化引起；四是时间抖动，包括时钟的抖动和延迟单元信号触发开关的时间抖动。

对于由延迟线集成非线性引起的测量误差，需要对TDC进行非线性校正，在J.Kalisz，“Review of methods for time interval measurements with picosecondresolution，”Metrologis，vol.41，pp.17-32，2004中公开了一种对TDC进行非线性校正的方法，该方法需要延时发生器(Delay generators)，用于产生精准的两个延时信号，两信号间延时量已知，输入TDC，计算输入量与输出量间的关系，从而得到时间与TDC通道的映射关系。在High-Resolution Multi-Channel FPGA-TDCArchitectures，Eugen Bayer，Nikolaus Kurz中公开了另一种对TDC进行非线性校正的方法，利用信号在导线中传播的时间与线长的关系(1cm=50ps)，制造不同的线长来得到不同的时间延迟。

发明内容

本发明的目的是提供一种对TDC进行非线性校正的方法，无需外部提供信号源，即可实现对TDC的非线性误差进行校正，简单有效。

为实现上述目的，本发明提供了一种对TDC进行非线性校正的方法，包括以下步骤：a)在探测器的扫描视野内放置放射源，并将探测器与电子学的时间偏移初始化归零；b)探测辐射事件，记录每个TDC通道的输出次数，以获得TDC通道的计数分布；c)选择一个TDC通道作为参考通道，使得布置在所述参考通道两侧的TDC通道的输出次数之和相等；d)为所述参考通道设置一个时间，并基于所述参考通道的时间计算各TDC通道的时间。

进一步地，所述步骤d)中，基于所述参考通道的时间计算各TDC通道的时间，计算式为：

$T_{i-1}=T_i-N_i\×\left(\frac{T}{\mathrm{\Σ}{N}_i}\right),i=c,c-1,c-2,c-3,...,0;$

$T_{i+1}=T_i+N_i\×\left(\frac{T}{\mathrm{\Σ}{N}_i}\right),i=c,c+1,c+2,c+3,...$

其中，T_i表示序号为i的TDC通道的时间，c表示参考通道的序号，N_i表示序号为i的TDC通道的输出次数，T表示TDC时钟周期。

进一步地，还包括以下步骤：响应于探测事件，由所述计算式计算得到TDC通道对应的时间。

进一步地，还包括以下步骤：由所述计算式计算得到时间与TDC通道的映射关系，生成时间与TDC通道的映射表，响应于探测事件，由所述映射表中查找得到TDC通道对应的时间。

进一步地，所述步骤d)中，设置所述参考通道的时间为T表示TDC时钟周期。

进一步地，所述步骤b)中，当满足以下条件时，探测辐射事件，记录每个TDC通道的输出次数的步骤停止：对于有效通道，所记录的TDC通道的平均输出次数大于阈值。

为实现上述目的，本发明还提供了一种对TDC进行非线性校正的装置，包括以下单元：

计数单元，用于在探测辐射事件时，记录每个TDC通道的输出次数，以获得TDC通道的计数分布；

选择单元，用于选择一个TDC通道作为参考通道，使得布置在所述参考通道两侧的TDC通道的输出次数之和相等；

计算单元，用于为所述参考通道设置一个时间，并基于所述参考通道的时间计算各TDC通道的时间。

进一步地，所述计算单元中，按照以下计算式计算各TDC通道的时间：

$T_{i-1}=T_i-N_i\×\left(\frac{T}{\mathrm{\Σ}{N}_i}\right),i=c,c-1,c-2,c-3,...,0;$

$T_{i+1}=T_i+N_i\×\left(\frac{T}{\mathrm{\Σ}{N}_i}\right),i=c,c+1,c+2,c+3,...$

其中，T_i表示序号为i的TDC通道的时间，c表示参考通道的序号，N_i表示序号为i的TDC通道的输出次数，T表示TDC时钟周期。

进一步地，所述计算单元中，为所述参考通道设置的时间为T表示TDC时钟周期。

进一步地，所述计算单元通过以下计算式计算得到时间与TDC通道的映射关系，生成时间与TDC通道映射表，响应于探测事件，由所述映射表中查找得到TDC通道对应的时间，所述计算式为：

$T_{i-1}=T_i-N_i\×\left(\frac{T}{\mathrm{\Σ}{N}_i}\right),i=c,c-1,c-2,c-3,...,0;$

$T_{i+1}=T_i+N_i\×\left(\frac{T}{\mathrm{\Σ}{N}_i}\right),i=c,c+1,c+2,c+3,...$

其中，T_i表示序号为i的TDC通道的时间，c表示参考通道的序号，N_i表示序号为i的TDC通道的输出次数，T表示TDC时钟周期。

本发明提供的对TDC进行非线性校正的方法和装置，利用统计的方法，获得TDC通道的计数分布，并基于获得的TDC通道的计数分布实现对TDC的非线性校正，能够有效提高TDC输出的准确性；同时在校正过程中，无需外部提供信号源，操作简单。

附图说明：

图1是一种现有TDC中的延迟线结构示意图；

图2是时间与TDC通道之间的非线性函数关系示意图；

图3是本发明对TDC进行非线性校正的方法的流程示意图；

图4是本发明实施例中的TDC通道的计数分布直方图；

图5是本发明对TDC进行非线性校正的装置的结构示意图。

具体实施方式：

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。

实施例一

本发明对TDC进行非线性校正的方法主要应用于辐射探测领域，包括应用于正电子发射断层扫描仪，以及应用于利用辐射传输和放射性药物的其它核医学成像仪，例如单光子发射计算机断层扫描成像仪、平面X射线成像仪、射电天文学、用于高能粒子的探测器(例如，切伦科夫辐射、同步加速器辐射、比色法探测器等)等。下面将具体参照以上对本发明进行描述，应该理解，本发明还可以应用于其它辐射探测器模式，以及使用辐射探测器的***和方法。

作为说明性示例描述正电子断层扫描仪(Positron emi ssion tomography，PET)。在正电子发射断层扫描(PET)中，放射性药物被注入成像对象，其中放射性药物的放射性衰变事件产生正电子。每个正电子与电子相互作用以产生发出两个相反指向的伽马(γ)射线的正负电子湮灭事件。使用并发探测电路，围绕成像对象的辐射探测器的环形阵列探测与正负电子湮灭相对应的并发的相反指向伽马射线事件。连接两个并发探测的响应线与正负电子湮灭事件的位置相交。这样的响应线类似于投影数据并且可以被重建以产生二维或三维图像。在飞行时间PET(TOF-PET)中，使用两个并发γ射线事件的探测之间的小时间差对沿着响应线的湮灭事件进行定位。时间数字转换器(TDC)输出与每个探测辐射事件相关联的时间戳(t imestamp)。该时间戳由并发探测电路用来确定并发对和对应的响应线，并且也由飞行时间测量电路使用。

在TDC输出与每个探测辐射事件相关联的时间戳时，需要对由延迟线集成非线性引起的测量误差进行校正。请参考图3，按照本发明的方法对TDC进行非线性校正：

执行步骤S301，在探测器的扫描视野内放置放射源，并将探测器与电子学的时间偏移初始化归零；

执行步骤S302，探测辐射事件，记录每个TDC通道的输出次数，以获得TDC通道的计数分布；

将放射源放置在PET探测器的扫描视野内，辐射事件在时刻上随机均匀分布。响应于探测到的辐射事件，TDC输出与每个辐射事件相关联的时间戳，记录每个TDC通道输出的次数，累计得到TDC通道的计数分布。优选地，以直方图表示TDC通道的计数分布。在理想的情况下，没有误差发生，得到的直方图应该是均匀的分布，每个TDC通道输出的次数都是相等的。但是，由于TDC的各个延迟单元的延迟时间不相等，即TDC的道宽不同，导致每个TDC通道的输出次数不同，最终得到如图4所示的直方图。图4中，横坐标表示TDC通道，记为i=0，1，2，3，..，i是为各TDC通道定义的编号，纵坐标表示记录的各TDC通道的输出次数，记为N_i。需要说明的是，在本实施例中的TDC计时电路中，我们按照信号传播方向对各TDC通道依次进行编号，依次记为i=0，1，2，3，..。

辐射事件在时刻上随机均匀分布，而且记录的TDC的输出次数足够多，可以忽略时间测量抖动对结果的影响，那么图4所示的直方图可以被用来估计TDC通道的非线性误差，可以认为每个TDC通道对应的辐射事件数与TDC道宽成正比，通过辐射事件数在每个TDC通道上的分布，可以得到TDC道宽非线性的数量关系。需要说明的是，为忽略时间测量抖动对结果的影响，需要TDC通道的计数足够多，优选为在满足以下条件时停止计数：对于有效通道，所记录的TDC通道的平均输出次数大于预设阈值，如将阈值设置为1000。

上述利用统计的方法，获得TDC通道的计数分布，估计TDC道宽的非线性数量关系。继续执行以下步骤，来完成对TDC通道的非线性校正。

执行步骤S303，选择一个TDC通道作为参考通道，使得布置在所述参考通道两侧的TDC通道的输出次数之和相等；

执行步骤S304，为所述参考通道设置一个时间，并基于所述参考通道的时间计算各TDC通道的时间。

基于得到的TDC通道的计数分布，从TDC的所有通道中选择一个通道作为参考通道，并为该参考通道设置一个时间值。被选作参考通道的TDC通道需要满足一定的条件，具体为：布置在参考通道两侧的TDC通道的输出次数之和相等。所述布置在参考通道两侧指的是物理意义上的位置关系，在TDC计时电路中，所有的TDC通道沿信号传播路径依次排列，对位于参考通道两边的TDC通道的输出次数分别进行求和计算。TDC输出的时间值均为相对值，在为所选参考通道设置一个时间值后，其他TDC通道的时间可以相对于该参考通道的时间进行设置。优选为，基于所述参考通道的时间和得到的TDC通道的计数分布，递归计算各TDC通道的时间，计算式为：

$T_{i-1}=T_i-N_i\×\left(\frac{T}{\mathrm{\Σ}{N}_i}\right),i=c,c-1,c-2,c-3,...,0;$

$T_{i+1}=T_i+N_i\×\left(\frac{T}{\mathrm{\Σ}{N}_i}\right),i=c,c+1,c+2,c+3,...$

其中，T_i表示序号为i的TDC通道的时间，c表示参考通道的序号，N_i表示序号为i的TDC通道的输出次数，T表示TDC时钟周期。优选为，设置所述参考通道的时间

经过计算，最终得到时间与TDC通道的映射关系T(i)，i=0，1，2，3，..。在进行被成像物体进行PET扫描时，利用得到的时间与TDC通道的映射关系，即可由TDC通道得到辐射事件的时间，具体实现方式可以为利用上述计算式计算得到时间值；也可以为由上述计算式预先计算得到时间与TDC通道的映射关系T(i)，i=0，1，2，3，..，生成时间与TDC通道的映射表，响应于探测事件，由所述映射表中查找得到TDC通道对应的时间。

本发明的对TDC进行非线性校正的方法，利用统计的方法，获得TDC通道的计数分布，并基于获得的TDC通道的计数分布实现对TDC的非线性校正，能够有效提高TDC输出的准确性，而且在校正过程中，无需外部提供信号源，操作简单。

实施例二

对应上述对TDC进行非线性校正的方法，本发明还提供了一种对TDC进行非线性校正的装置，包括以下单元：

计数单元501，用于在探测辐射事件时，记录每个TDC通道的输出次数，以获得TDC通道的计数分布；

选择单元502，用于选择一个TDC通道作为参考通道，使布置在所述参考通道两侧的TDC通道的输出次数之和相等；

计算单元503，用于为所述参考通道设置一个时间，并基于所述参考通道的时间计算各TDC通道的时间。

上述计算单元的一种优选实施方式为：按照以下计算式计算得到各TDC通道的时间：

$T_{i-1}=T_i-N_i\×\left(\frac{T}{\mathrm{\Σ}{N}_i}\right),i=c,c-1,c-2,c-3,...,0;$

$T_{i+1}=T_i+N_i\×\left(\frac{T}{\mathrm{\Σ}{N}_i}\right),i=c,c+1,c+2,c+3,...$

其中，T_i表示序号为i的TDC通道的时间，c表示参考通道的序号，N_i表示序号为i的TDC通道的输出次数，T表示TDC时钟周期。优选地，为所述参考通道设置的时间为T表示TDC时钟周期。

上述计算单元的另一种优选实施方式为：通过以下计算式计算得到时间与TDC通道的映射关系，生成时间与TDC通道映射表，响应于探测事件，由所述映射表中查找得到TDC通道对应的时间，所述计算式为：

$T_{i-1}=T_i-N_i\×\left(\frac{T}{\mathrm{\Σ}{N}_i}\right),i=c,c-1,c-2,c-3,...,0;$

$T_{i+1}=T_i+N_i\×\left(\frac{T}{\mathrm{\Σ}{N}_i}\right),i=c,c+1,c+2,c+3,...$

其中，T_i表示序号为i的TDC通道的时间，c表示参考通道的序号，N_i表示序号为i的TDC通道的输出次数，T表示TDC时钟周期。

本实施例中，所述对TDC进行非线性校正的装置具体实施可参考本实施例中所述对TDC进行非线性校正的方法的实施，在此不再赘述。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种对TDC进行非线性校正的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)在探测器的扫描视野内放置放射源，并将探测器与电子学的时间偏移初始化归零；

b)探测辐射事件，记录每个TDC通道的输出次数，以获得TDC通道的计数分布；

c)选择一个TDC通道作为参考通道，使得布置在所选通道两侧的TDC通道的输出次数之和相等；

d)为所述参考通道设置一个时间，并基于所述参考通道的时间和得到的TDC通道的计数分布，递归计算各TDC通道的时间。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤d)中，基于所述参考通道的时间计算各TDC通道的时间，计算式为：

$T_{i-1}=T_i-N_i\×\left(\frac{T}{\mathrm{\Σ}{N}_i}\right),i=c,c-1,c-2,c-3,...,0;$

$T_{i+1}=T_i+N_i\×\left(\frac{T}{\mathrm{\Σ}{N}_i}\right),i=c,c+1,c+2,c+3,...$

其中，T_i表示序号为i的TDC通道的时间，c表示参考通道的序号，N_i表示序号为i的TDC通道的输出次数，T表示TDC时钟周期。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：响应于探测事件，由所述计算式计算得到TDC通道对应的时间。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：由所述计算式计算得到时间与TDC通道的映射关系，生成时间与TDC通道的映射表，响应于探测事件，由所述映射表中查找得到TDC通道对应的时间。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤d)中，设置所述参考通道的时间为T表示TDC时钟周期。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤b)中，当满足以下条件时，探测辐射事件，记录每个TDC通道的输出次数的步骤停止：对于有效通道，所记录的TDC通道的平均输出次数大于阈值。

7.一种对TDC进行非线性校正的装置，其特征在于，包括以下单元：

计数单元，用于在探测辐射事件时，记录每个TDC通道的输出次数，以获得TDC通道的计数分布；

选择单元，用于选择一个TDC通道作为参考通道，使得布置在所述参考通道两侧的TDC通道的输出次数之和相等；

计算单元，用于为所述参考通道设置一个时间，并基于所述参考通道的时间和得到的TDC通道的计数分布，递归计算各TDC通道的时间。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述计算单元中，按照以下计算式计算各TDC通道的时间：

$T_{i-1}=T_i-N_i\×\left(\frac{T}{\mathrm{\Σ}{N}_i}\right),i=c,c-1,c-2,c-3,...,0;$

$T_{i+1}=T_i+N_i\×\left(\frac{T}{\mathrm{\Σ}{N}_i}\right),i=c,c+1,c+2,c+3,...$

其中，T_i表示序号为i的TDC通道的时间，c表示参考通道的序号，N_i表示序号为i的TDC通道的输出次数，T表示TDC时钟周期。

9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述计算单元中，为所述参考通道设置的时间为T表示TDC时钟周期。

10.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述计算单元通过以下计算式计算得到时间与TDC通道的映射关系，生成时间与TDC通道映射表，响应于探测事件，由所述映射表中查找得到TDC通道对应的时间，所述计算式为：

$T_{i-1}=T_i-N_i\×\left(\frac{T}{\mathrm{\Σ}{N}_i}\right),i=c,c-1,c-2,c-3,...,0;$

$T_{i+1}=T_i+N_i\×\left(\frac{T}{\mathrm{\Σ}{N}_i}\right),i=c,c+1,c+2,c+3,...$

其中，T_i表示序号为i的TDC通道的时间，c表示参考通道的序号，N_i表示序号为i的TDC通道的输出次数，T表示TDC时钟周期。