高速单光子探测系统及方法

技术领域

本申请涉及粒子探测技术领域，特别是涉及一种高速单光子探测系统及方法。

背景技术

微通道板是一种二维连续电子倍增的电真空器件，可用于直接探测光子、电子、离子、α粒子及γ射线和宇宙射线等粒子。如果微通道板以位置灵敏阳极(如楔条形阳极、延迟线阳极、交叉条形阳极)作为读出方式，可实现单光子灵敏度的二维成像，称为位置灵敏阳极光子计数成像探测器。位置灵敏阳极光子计数成像探测器被广泛应用于空间科学(如空间天文学、空间等离子体物理学、深空探测)领域。在众多的位置灵敏阳极中，交叉条形阳极可以在低增益下实现高空间分辨率。微通道板在低增益下可以达到更高的计数率上限且保持更长的寿命，这对于航天相机这类难以替换的昂贵设备十分重要。

现有的交叉条形阳极信号处理电子学系统通常是用电荷放大器将阳极输出的电流短脉冲信号转换为放大的电压信号，然后用整形放大器对信号进一步放大和整形来提升信噪比。或者是将电荷放大器和整形放大器集成为带有整形功能的前置放大器，但这种处理方法具有固定的整形时间，在光子计数率动态变化的场景下，固定整形时间的整形放大器无法与时间间隔动态变化的脉冲信号相适应。长整形时间的整形放大器，在低计数率下可以减小电子噪声，但高计数率下信号叠加严重。短整形时间的整形放大器，在高计数率下可以减小叠加，但在低计数率下有较高的电子噪声。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种高速单光子探测系统及方法，以解决模拟滤波在动态变化计数率下性能低的问题。

为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种高速单光子探测系统，其包括：微通道板、阳极、多路并行的信号处理通路；微通道板用于将入射的高速单光子转换为电子云；阳极用于将电子云分割为多路，再将每路收集的电荷生成电流短脉冲并传输至对应路的信号处理通路；信号处理通路用于将电流短脉冲转换为数字脉冲，再根据同一路相邻的数字脉冲之间的时间间隔选取对应的目标整形滤波器进行自适应整形滤波，再根据整形后的数字脉冲计算得到高速单光子的二维坐标相对值，再将二维坐标相对值输送至终端进行成像显示，信号处理通路包括多个不同滤波参数的整形滤波器，每个整形滤波器对应一个预设的时间间隔范围。

作为本申请的进一步改进，信号处理通路包括前置放大电路、模数转换模块、微处理器和数据传输模块；前置放大电路用于将电流短脉冲转换为模拟脉冲电压信号；模数转换模块用于将模拟脉冲电压信号转换为数字脉冲；微处理器用于根据同一路相邻的数字脉冲之间的时间间隔选取对应的目标整形滤波器进行自适应整形滤波，再根据整形后的数字脉冲计算得到高速单光子的二维坐标相对值；数据传输模块用于将二维坐标相对值输送至终端进行成像显示。

作为本申请的进一步改进，微处理器包括输入缓存区模块、数字滤波模块、峰值提取模块、质心计算模块、输出缓存区模块以及数据传输控制模块；输入缓存区模块用于缓存数字脉冲；数字滤波模块用于根据同一路相邻的数字脉冲之间的时间间隔选取对应的目标整形滤波器进行自适应整形滤波；峰值提取模块用于基于预设的方式提取整形滤波后的数字脉冲的波形峰值；质心计算模块用于根据每路的波形峰值进行计算，得到质心结果数组，并将质心结果数组作为二维坐标相对值；输出缓存区模块用于缓存二维坐标相对值；数据传输控制模块用于当输出缓存区模块的存储区存满数据时，将所有二维坐标相对值打包后通过控制数据传输模块发送至终端。

作为本申请的进一步改进，微处理器还包括脉冲识别模块，脉冲识别模块用于判断自身所处的信号处理通路是否接收到电流短脉冲，并在自身所处信号处理通路未接收到电流短脉冲时控制自身所处信号处理通路停止运行。

作为本申请的进一步改进，前置放大电路包括电荷放大器和极零相消电路，电荷放大器用于将电流短脉冲转换为模拟脉冲电压信号，极零相消电路用于减小模拟脉冲电压信号的拖尾长度。

作为本申请的进一步改进，阳极包括交叉条形阳极、楔条形阳极、游标阳极、多像素阳极中的一种。

为解决上述技术问题，本申请采用的再一个技术方案是：提供一种高速单光子探测方法，其应用于上述之一的高速单光子探测系统，高速单光子探测系统包括微通道板、阳极、多路并行的信号处理通路；方法包括：微通道板接收高速单光子，并将高速单光子转换为电子云并输送至阳极；阳极将电子云分割为多路，再将每路收集的电荷生成电流短脉冲并传输至对应路的信号处理通路；信号处理通路将电流短脉冲转换为数字脉冲，再根据同一路相邻的数字脉冲之间的时间间隔选取对应的目标整形滤波器进行自适应整形滤波，再根据整形后的数字脉冲计算得到高速单光子的二维坐标相对值，再将二维坐标相对值输送至终端进行成像显示，信号处理通路包括多个不同滤波参数的整形滤波器，每个整形滤波器对应一个预设的时间间隔范围。

作为本申请的进一步改进，信号处理通路包括前置放大电路、模数转换模块、微处理器和数据传输模块；信号处理通路将电流短脉冲转换为数字脉冲，再根据同一路相邻的数字脉冲之间的时间间隔选取对应的目标整形滤波器进行自适应整形滤波，再根据整形后的数字脉冲计算得到高速单光子的二维坐标相对值，再将二维坐标相对值输送至终端进行成像显示的步骤，包括：前置放大电路将电流短脉冲转换为模拟脉冲电压信号；模数转换模块将模拟脉冲电压信号转换为数字脉冲；微处理器根据同一路相邻的数字脉冲之间的时间间隔选取对应的目标整形滤波器进行自适应整形滤波，再根据整形后的数字脉冲计算得到高速单光子的二维坐标相对值；数据传输模块将二维坐标相对值输送至终端进行成像显示。

作为本申请的进一步改进，微处理器包括输入缓存区模块、数字滤波模块、峰值提取模块、质心计算模块、输出缓存区模块以及数据传输控制模块；微处理器根据同一路相邻的数字脉冲之间的时间间隔选取对应的目标整形滤波器进行自适应整形滤波，再根据整形后的数字脉冲计算得到高速单光子的二维坐标相对值的步骤，包括：输入缓存区模块缓存数字脉冲；数字滤波模块根据同一路相邻的数字脉冲之间的时间间隔选取对应的目标整形滤波器进行自适应整形滤波；峰值提取模块基于预设的方式提取整形滤波后的数字脉冲的波形峰值；质心计算模块根据每路的波形峰值进行计算，得到质心结果数组，并将质心结果数组作为二维坐标相对值；输出缓存区模块缓存二维坐标相对值；数据传输控制模块当输出缓存区模块的存储区存满数据时，将所有二维坐标相对值打包后通过控制数据传输模块发送至终端。

作为本申请的进一步改进，微处理器还包括脉冲识别模块；输入缓存区模块缓存数字脉的步骤之后，还包括：脉冲识别模块用于判断自身所处的信号处理通路是否接收到电流短脉冲，并在自身所处信号处理通路未接收到电流短脉冲时控制自身所处信号处理通路停止运行。

本申请的有益效果是：本申请的高速单光子探测系统通过在信号处理通路中预先设置多个不同滤波的整形滤波器，在将单光子经微通道板、阳极转换为多路电流短脉冲后，利用信号处理通路将多路电流短脉冲转换为多路数字脉冲，再根据同一路的相邻数字脉冲之间的时间间隔自动选取最合适的整形滤波器实现整形滤波，从而解决了模拟滤波器由于滤波参数固定，无法与时间间隔动态变化的脉冲信号相适应，从而导致实际计数率降低，空间分辨率下降的问题，充分发挥滤波器性能，有效滤除噪声，在动态变化的计数率下保持高空间分辨率。

附图说明

图1是本发明实施例的高速单光子探测系统的结构示意图；

图2是本发明实施例高速单光子探测系统的信号处理通路的结构示意图；

图3是现有的光子探测器信号处理流程示意图；

图4是本发明实施例的高速单光子探测系统的信号处理流程示意图；

图5是本发明实施例高速单光子探测系统的微处理器的结构示意图；

图6是本发明实施例的高速单光子探测方法的流程示意图；

图7是图6中步骤S3的具体流程示意图；

图8是图7中步骤S33的具体流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请中的术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

图1是本发明实施例的高速单光子探测系统的结构示意图。如图1所示，该高速单光子探测系统包括微通道板1、阳极2、多路并行的信号处理通路3。

其中，微通道板1(Microchannel Plate，以下简称MCP)可以被用于检测电子、离子、高能粒子、中子、紫外线、X射线等各种粒子和能量较高的电磁波。微通道板1是由大量中空的毛细管(微通道)二维排列而成的片状结构。微通道的内壁经过处理，使得粒子轰击时能够产生二次电子，微通道板1两端被加上电压，在微通道内部形成电场，粒子轰击产生的二次电子会被电场加速，再次轰击微通道内部产生更多的二次电子，这个过程在同一微通道中重复多次，最终在出口端输出大量的电子(即电子云)。本实施例中，微通道板1为两片微通道板叠加的V字结构或三片微通道板叠加的Z字结构。微通道板1的入射端接收入射的高速单光子，高速单光子在微通道堆内部连续倍增，在微通道板1的出射端形成包含106-107个电子的电子云，从而实现了将高速单光子转换为电子云。此外，微通道板1与阳极2之间设置有电场，电子云在电场作用下飞向阳极2。

阳极2用于将电子云分割为多路，再将每路收集的电荷生成电流短脉冲并传输至对应路的信号处理通路3。需要说明的是，阳极2包括交叉条形阳极、楔条形阳极、游标阳极、多像素阳极中的一种。本实施例中，以交叉条形阳极为例进行说明。交叉条形阳极是由双层正交的金属条构成，通常包括2n路的通道，阳极2在接收到电子云后，将电子云分割至多个通道中，将每个通道中收集的电荷分别生成电流短脉冲，该电流短脉冲所包含的电量为阳极收集的该通道中的电荷量。

信号处理通路3用于将电流短脉冲转换为数字脉冲，再根据同一路相邻的数字脉冲之间的时间间隔选取对应的目标整形滤波器进行自适应整形滤波，再根据整形后的数字脉冲计算得到高速单光子的二维坐标相对值，再将二维坐标相对值输送至终端进行成像显示。需要理解的是，阳极2将电子云转换为多路电流短脉冲，因此，需要为阳极2的每个通道设置一个对应的信号处理通路3，所有的信号处理通路3能够并行处理阳极2每个通道传递的电流短脉冲。并且，所有的信号处理通路3采用全并行的结构，使得每一路的信号都能够被及时处理和传输。

本实施例中，信号处理通路3包括多个不同滤波参数的整形滤波器，每个整形滤波器对应一个预设的时间间隔范围。其中，不同滤波参数的整形滤波器对于不同时间间隔范围内的数字脉冲具有不同的去噪效果，通过预先的实验确认不同滤波参数的整形滤波器对应的最佳时间间隔范围，利用对应的整形滤波器对数字脉冲达到最优的去噪效果。

具体地，在得到阳极2传送的电流短脉冲后，根据阳极2每个通道对应的信号处理通路3，将电流短脉冲传送至对应的信号处理通路3进行处理。信号处理通路3在接收到电流短脉冲后，将电流短脉冲转换为数字脉冲，再根据同一路相邻的数字脉冲之间的时间间隔选取对应的目标整形滤波器进行自适应整形滤波，再根据整形后的数字脉冲计算得到高速单光子的二维坐标相对值，再将二维坐标相对值输送至终端进行成像显示。

进一步的，本实施例的高速单光子探测系统还包括入射窗4和光阴极，光阴极附在微通道板1的入射端口，光子透过入射窗4后，经微通道板1的入射端口处理光阴极转换为光电子。

本发明实施例的高速单光子探测系统通过在信号处理通路中预先设置多个不同滤波的整形滤波器，在将单光子经微通道板1、阳极2转换为多路电流短脉冲后，利用信号处理通路3将多路电流短脉冲转换为多路数字脉冲，再根据同一路的相邻数字脉冲之间的时间间隔自动选取最合适的整形滤波器实现整形滤波，从而解决了模拟滤波器由于滤波参数固定，无法与时间间隔动态变化的脉冲信号相适应，从而导致实际计数率降低，空间分辨率下降的问题，充分发挥滤波器性能，有效滤除噪声，在动态变化的计数率下保持高空间分辨率。

进一步的，如图2所示，该信号处理通路3包括前置放大电路31、模数转换模块32、微处理器33和数据传输模块34。

其中，前置放大电路31用于将电流短脉冲转换为模拟脉冲电压信号。模数转换模块32用于将模拟脉冲电压信号转换为数字脉冲；微处理器33用于根据同一路相邻的数字脉冲之间的时间间隔选取对应的目标整形滤波器进行自适应整形滤波，再根据整形后的数字脉冲计算得到高速单光子的二维坐标相对值；数据传输模块34用于将二维坐标相对值输送至终端进行成像显示。

本实施例中，该前置放大电路31包括电荷放大器311和极零相消电路312，电荷放大器311用于将电流短脉冲转换为模拟脉冲电压信号，极零相消电路312用于减小模拟脉冲电压信号的拖尾长度。具体地，电荷放大器311将电流短脉冲转换为带有长拖尾的模拟脉冲电压信号，再利用极零相消电路312减小模拟脉冲电压信号的拖尾长度。最终前置放大电路31的输出为脉宽约200ns的负指数型的模拟脉冲电压信号。模数转换模块32为采样精度12位-14位、采样速率65-140MSPS的模数转换器组成，用以把模拟脉冲电压信号转变为数字脉冲，并输入到微处理器33。微处理器33为现场可编程门阵列(FPGA)，用于根据同一路相邻的数字脉冲之间的时间间隔选取对应的目标整形滤波器进行自适应整形滤波，再根据整形后的数字脉冲计算得到高速单光子的二维坐标相对值。数据传输模块34用于将微处理器33得到的二维坐标相对值输送至终端进行成像显示。

具体地，请参阅图3，图3展示了现有光子探测器信号处理流程示意图，图中包括现有光子探测器的信号处理模块，以及每个处理模块对应的输出信号。如图3所示，光子入射到现有的光子探测器后，阳极产生电流短脉冲(如图3(A1)所示，其中横轴表示时间，纵轴表示电量)，然后电荷放大器将电流短脉冲转换为负指数型的模拟脉冲电压信号(如图3(B1)所示，其中横轴表示时间，纵轴表示幅度)；随后，模拟脉冲电压信号输入整形放大器，并被整形为近高斯形(如图3(C1)所示，其中横轴表示时间，纵轴表示幅度)，再将整形后的模拟脉冲电压信号经过模数转换，然后在微处理器内提取峰值(如图3(D1)所示，其中横轴表示时间，纵轴表示幅度)。相比于现有的光子探测器而言，本实施例的信号处理通路无需整形放大器对信号进行模拟整形，具体请参阅图4，图4展示了本实施例的高速单光子探测系统的信号处理流程示意图，图中包括本实施例的高速单光子探测系统的信号处理模块，以及每个处理模块对应的输出信号。如图4所示，光子入射到高速单光子探测系统后，阳极2产生电流短脉冲(如图4(A2)所示，其中横轴表示时间，纵轴表示电量)，然后前置放大电路31将电流短脉冲转换为负指数型的模拟脉冲电压信号(如图4(B2)所示，其中横轴表示时间，纵轴表示幅度)；随后，模拟脉冲电压信号被模数转换为数字脉冲(如图4(C2)所示，其中横轴表示时间，纵轴表示幅度，在输入至微处理器33中进行数字滤波和提取峰值(如图4(D2)所示，其中横轴表示时间，纵轴表示幅度)。

相比于现有的光子探测器而言，本实施例的信号处理通路3无需整形放大器对信号进行模拟整形，前置放大电路31将电流短脉冲转换为模拟脉冲电压信号后直接传输至模数转换模块32进行模数转换，其结构设计上相比于现有的光子探测器更为精简，进而降低了整体成本。

进一步的，如图5所示，该微处理器33包括输入缓存区模块331、数字滤波模块332、峰值提取模块333、质心计算模块334、输出缓存区模块335以及数据传输控制模块336。

输入缓存区模块331用于缓存数字脉冲。

数字滤波模块332用于根据同一路相邻的数字脉冲之间的时间间隔选取对应的目标整形滤波器进行自适应整形滤波。

峰值提取模块333用于基于预设的方式提取整形滤波后的数字脉冲的波形峰值。具体地，峰值提取模块333对输出波形峰值进行提取，其峰值与阳极2中该路的电荷量成正比。对于高斯滤波器的输出波形，可用逐点比较法选取峰值；对于梯形滤波器，根据波形平顶宽度和平顶倾斜程度，选择峰单点或者多点平均值作为峰值。

质心计算模块334用于根据每路的波形峰值进行计算，得到质心结果数组，并将质心结果数组作为二维坐标相对值。具体地，质心算法可用高斯拟合算法或者重心算法，输出的质心结果数组(X,Y)代表入射光子的二维坐标相对值。

输出缓存区模块335用于缓存二维坐标相对值。

数据传输控制模块336用于当输出缓存区模块335的存储区存满数据时，将所有二维坐标相对值打包后通过控制数据传输模块34发送至终端。

进一步的，需要理解的是，对于单个光子事件，其电子云在阳极2中可能只会被分割到一小部分通道中产生电流短脉冲。因此，为了提高数据处理效率，减少对资源的占用，本实施例中，该微处理器33还包括脉冲识别模块337，脉冲识别模块337用于判断自身所处的信号处理通路3是否接收到电流短脉冲，并在自身所处信号处理通路3未接收到电流短脉冲时控制自身所处信号处理通路3停止运行。

具体地，每个信号处理通路3对应阳极2中的一个通道，当该通道中不存在分割的电子云时，则该通道不会产生电流短脉冲，因此，该通道不会发送电流短脉冲至对应的信号处理通路3中，即该路未接收到电流短脉冲的信号处理通路3不需要处理脉冲信号，可通过控制该路信号处理通路3停止运行以节省计算资源，只需要接收到脉冲信号的信号处理通路3进行计算即可，从而提高运行速度。

进一步的，本实施例的高速单光子探测系统还可用于探测其他高能粒子。

图6是本发明实施例的高速单光子探测方法的流程示意图。需注意的是，若有实质上相同的结果，本发明的方法并不以图6所示的流程顺序为限。如图6所示，该高速单光子探测方法应用于上述实施例所述的高速单光子探测系统，该高速单光子探测系统包括微通道板、阳极、多路并行的信号处理通路，该高速单光子探测方法包括以下步骤：

步骤S1：微通道板接收高速单光子，并将高速单光子转换为电子云并输送至阳极。

具体地，微通道板(Microchannel Plate，以下简称MCP)可以被用于检测电子、离子、高能粒子、中子、紫外线、X射线等各种粒子和能量较高的电磁波。微通道板是由大量中空的毛细管(微通道)二维排列而成的片状结构。微通道的内壁经过处理，使得粒子轰击时能够产生二次电子，微通道板两端被加上电压，在微通道内部形成电场，粒子轰击产生的二次电子会被电场加速，再次轰击微通道内部产生更多的二次电子，这个过程在同一微通道中重复多次，最终在出口端输出大量的电子(即电子云)。本实施例中，微通道板为两片微通道板叠加的V字结构或三片微通道板叠加的Z字结构。微通道板的入射端接收入射的高速单光子，高速单光子在微通道堆内部连续倍增，在微通道板的出射端形成包含106-107个电子的电子云，从而实现了将高速单光子转换为电子云。此外，微通道板与阳极之间设置有电场，电子云在电场作用下飞向阳极。

步骤S2：阳极将电子云分割为多路，再将每路收集的电荷量生成电流短脉冲并传输至对应路的信号处理通路。

具体地，阳极将电子云分割为多路，再将每路收集的电荷生成电流短脉冲并传输至对应路的信号处理通路。需要说明的是，阳极包括交叉条形阳极、楔条形阳极、游标阳极、多像素阳极中的一种。本实施例中，以交叉条形阳极为例进行说明。交叉条形阳极是由双层正交的金属条构成，通常包括2n路的通道，阳极在接收到电子云后，将电子云分割至多个通道中，将每个通道中收集的电荷分别生成电流短脉冲，该电流短脉冲所包含的电量为阳极收集的该通道中的电荷量。

步骤S3：信号处理通路将电流短脉冲转换为数字脉冲，再根据同一路相邻的数字脉冲之间的时间间隔选取对应的目标整形滤波器进行自适应整形滤波，再根据整形后的数字脉冲计算得到高速单光子的二维坐标相对值，再将二维坐标相对值输送至终端显示，信号处理通路包括多个不同滤波参数的整形滤波器，每个整形滤波器对应一个预设的时间间隔范围。

具体地，信号处理通路将电流短脉冲转换为数字脉冲，再根据同一路相邻的数字脉冲之间的时间间隔选取对应的目标整形滤波器进行自适应整形滤波，再根据整形后的数字脉冲计算得到高速单光子的二维坐标相对值，再将二维坐标相对值输送至终端进行成像显示。需要理解的是，阳极将电子云转换为多路电流短脉冲，因此，需要为阳极的每个通道设置一个对应的信号处理通路，所有的信号处理通路能够并行处理阳极每个通道传递的电流短脉冲。并且，所有的信号处理通路采用全并行的结构，使得每一路的信号都能够被及时处理和传输。

本实施例中，信号处理通路包括多个不同滤波参数的整形滤波器，每个整形滤波器对应一个预设的时间间隔范围。其中，不同滤波参数的整形滤波器对于不同时间间隔范围内的数字脉冲具有不同的去噪效果，通过预先的实验确认不同滤波参数的整形滤波器对应的最佳时间间隔范围，利用对应的整形滤波器对数字脉冲达到最优的去噪效果。

具体地，在得到阳极传送的电流短脉冲后，根据阳极每个通道对应的信号处理通路，将电流短脉冲传送至对应的信号处理通路进行处理。信号处理通路在接收到电流短脉冲后，将电流短脉冲转换为数字脉冲，再根据同一路相邻的数字脉冲之间的时间间隔选取对应的目标整形滤波器进行自适应整形滤波，再根据整形后的数字脉冲计算得到高速单光子的二维坐标相对值，再将二维坐标相对值输送至终端进行成像显示。

其中，该高速单光子探测系统还包括入射窗和光阴极，光阴极附在微通道板的入射端口，光子透过入射窗后，经微通道板的入射端口处理光阴极转换为光电子。

进一步的，信号处理通路包括前置放大电路、模数转换模块、微处理器和数据传输模块，如图7所示，步骤S3具体包括：

步骤S31：前置放大电路将电流短脉冲转换为电压脉冲。

步骤S32：模数转换模块将电压脉冲转换为数字脉冲。

步骤S33：微处理器根据同一路相邻的数字脉冲之间的时间间隔选取对应的目标整形滤波器进行自适应整形滤波，再根据整形后的数字脉冲计算得到高速单光子的二维坐标相对值。

步骤S34：数据传输模块将二维坐标相对值输送至终端显示。

具体地，前置放大电路用于将电流短脉冲转换为模拟脉冲电压信号。模数转换模块用于将模拟脉冲电压信号转换为数字脉冲；微处理器用于根据同一路相邻的数字脉冲之间的时间间隔选取对应的目标整形滤波器进行自适应整形滤波，再根据整形后的数字脉冲计算得到高速单光子的二维坐标相对值；数据传输模块用于将二维坐标相对值输送至终端进行成像显示。

本实施例中，该前置放大电路包括电荷放大器和极零相消电路，电荷放大器用于将电流短脉冲转换为模拟脉冲电压信号，极零相消电路用于减小模拟脉冲电压信号的拖尾长度。具体地，电荷放大器将电流短脉冲转换为带有长拖尾的模拟脉冲电压信号，再利用极零相消电路减小模拟脉冲电压信号的拖尾长度。最终前置放大电路的输出为脉宽约200ns的负指数型的模拟脉冲电压信号。模数转换模块为采样精度12位-14位、采样速率65-140MSPS的模数转换器组成，用以把模拟脉冲电压信号转变为数字脉冲，并输入到微处理器。微处理器为现场可编程门阵列(FPGA)，用于根据同一路相邻的数字脉冲之间的时间间隔选取对应的目标整形滤波器进行自适应整形滤波，再根据整形后的数字脉冲计算得到高速单光子的二维坐标相对值。数据传输模块用于将微处理器得到的二维坐标相对值输送至终端进行成像显示。

进一步的，微处理器包括输入缓存区模块、数字滤波模块、峰值提取模块、质心计算模块、输出缓存区模块以及数据传输控制模块，如图8所示，步骤S33具体包括：

步骤S331：输入缓存区模块缓存数字脉冲。

步骤S332：数字滤波模块根据同一路相邻的数字脉冲之间的时间间隔选取对应的目标整形滤波器进行自适应整形滤波。

步骤S333：峰值提取模块基于预设的方式提取整形滤波后的数字脉冲的波形峰值。

具体地，峰值提取模块对输出波形峰值进行提取，其峰值与阳极中该路的电荷量成正比。对于高斯滤波器的输出波形，可用逐点比较法选取峰值；对于梯形滤波器，根据波形平顶宽度和平顶倾斜程度，选择峰单点或者多点平均值作为峰值。

步骤S334：质心计算模块根据每路的波形峰值进行计算，得到质心结果数组，并将质心结果数组作为二维坐标相对值。

具体地，质心算法可用高斯拟合算法或者重心算法，输出的质心结果数组(X,Y)代表入射光子的二维坐标相对值。

步骤S335：输出缓存区模块缓存二维坐标相对值。

步骤S336：数据传输控制模块当输出缓存区模块的存储区存满数据时，将所有二维坐标相对值打包后通过控制数据传输模块发送至终端。

进一步的，微处理器还包括脉冲识别模块。步骤S331之后，还包括：脉冲识别模块用于判断自身所处的信号处理通路是否接收到电流脉冲，并在自身所处信号处理通路未接收到电流脉冲时控制自身所处信号处理通路停止运行。

需要理解的是，对于单个光子事件，其电子云在阳极中可能只会被分割到一小部分通道中产生电流短脉冲。因此，为了提高数据处理效率，减少对资源的占用，本实施例中，该微处理器还包括脉冲识别模块，脉冲识别模块用于判断自身所处的信号处理通路是否接收到电流短脉冲，并在自身所处信号处理通路未接收到电流短脉冲时控制自身所处信号处理通路停止运行。

具体地，每个信号处理通路对应阳极中的一个通道，当该通道中不存在分割的电子云时，则该通道不会产生电流短脉冲，因此，该通道不会发送电流短脉冲至对应的信号处理通路中，即该路未接收到电流短脉冲的信号处理通路不需要处理脉冲信号，可通过控制该路信号处理通路停止运行以节省计算资源，只需要接收到脉冲信号的信号处理通路进行计算即可，从而提高运行速度。

本发明实施例的高速单光子探测方法通过在信号处理通路中预先设置多个不同滤波的整形滤波器，在将单光子经微通道板、阳极转换为多路电流短脉冲后，利用信号处理通路将多路电流短脉冲转换为多路数字脉冲，再根据同一路的相邻数字脉冲之间的时间间隔自动选取最合适的整形滤波器实现整形滤波，从而解决了模拟滤波器由于滤波参数固定，无法与时间间隔动态变化的脉冲信号相适应，从而导致实际计数率降低，空间分辨率下降的问题，充分发挥滤波器性能，有效滤除噪声，在动态变化的计数率下保持高空间分辨率。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。