用于飞行时间测量系统的重合信号产生方法和系统技术领域
本发明涉及飞行时间测量系统(Timeoffly，TOF)技术领域，尤其涉及一
种用于飞行时间测量系统的重合信号产生方法和系统。
背景技术
TOF系统测量随机信号的发生时间，利用输入信号与输出信号的传输时间
的变化来进行位置测量，常被用于高能物理装置、医学和工业成像以及精确测
距等领域。近年来，随着闪烁晶体、光电探测器和快电子学的发展，TOF技术
重新获得重视并快速发展。TOF系统的采用使得高分辨率正电子发射断层扫描
仪(PositronEmissionTomography，PET)得到了快速发展，为高分辨率的商用PET
设备提供了核心技术支撑。TOF系统的应用前景得到了核医学成像研究组织和
仪器制造商的高度重视。目前，飞利浦公司、西门子公司和通用电气公司等PET
设备生产厂商己经逐步将TOF系统应用到新型高分辨率PET设备的研制中。
TOF系统包括前端光学晶体、光电转换器、高速重合信号检测电路(Fast
CoincidenceDetection，FCD)和时间-数字化转换器(Time-to-DigitalConverter，
TDC)等多个部分。光学晶体和光电转换器的时间测量精度受到材料特性和加工
方法的制约。但是在FCD和TDC电路中，可以通过采用高时间分辨率的电路
设计方法达到有效提高系统测量精度的目的。
在TOF系统中，FCD电路检测由光子产生的随机电脉冲并产生重合信号
(Coincidencesignal)，触发TDC电路实现对输入随机信号时间的精确测量。但
是，目前在FCD电路中普遍采用的采样、量化方法破坏了随机脉冲发生的时间
信息，并且结构复杂，带来噪声、失配等问题，影响了TOF系统时间分辨率的
提高。
现有技术中，TOF对接收到的随机时间信号边沿重合度进行检测、量化时，
由于噪声、失配等影响造成严重的检测误差，降低了系统的时间分辨率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于飞行时间测量系统的重合信号产生方法和
系统以解决现有技术中，TOF对接收到的随机时间信号边沿重合度进行检测、
量化时，由于噪声、失配等影响造成的严重检测误差和降低的系统时间分辨率
等问题。
本发明为了解决上述技术问题，采用的技术方案是：一种用于飞行时间测
量系统的重合信号产生方法，包括以下步骤：
步骤S1：通过延时锁相环产生多路精确同步脉冲信号；
步骤S2：将所述多路精确同步脉冲信号和外部随机脉冲信号输入精确触发
电路，以产生同步于所述多路精确同步脉冲信号的第一信号；
步骤S3：将所述外部随机脉冲信号输入精确延时电路以产生与所述第一信
号具有相同延时的第二信号；以及
步骤S4：通过所述第一信号与所述第二信号的时间差来计算所述外部脉冲
随机信号的产生时间。
优选地，所述步骤S2包括：
步骤S21：将所述多路精确同步脉冲信号和所述外部随机脉冲信号接入所述
精确触发电路的多个DFF触发器，通过所述多个DFF触发器产生多个精确触发
信号；以及
步骤S22：将所述多个精确触发信号输入第一或门以产生所述第一信号。。
优选地，所述多路精确同步脉冲信号接入所述多个DFF触发器的时钟输入
端，所述外部随机脉冲信号接入所述多个DFF触发器的数据输入端。
优选地，所述步骤S3包括：
步骤S31：将所述外部随机脉冲信号输入所述精确延时电路的DFF触发器
以产生初始第二信号；以及
步骤S32：将所述初始第二信号输入第二或门以产生所述第二信号。
优选地，所述外部随机脉冲信号接入所述DFF触发器的时钟输入端，所述
DFF触发器的数据输入端接高电平。
相应地，本发明还提供一种用于飞行时间测量系统的重合信号产生系统，
包括：
延时锁相环，用于产生多路精确同步脉冲信号；
精确触发电路，连接于所述延时锁相环，用于根据所述多路精确同步脉冲
信号和外部随机脉冲信号产生同步于所述多路精确同步脉冲信号的第一信号；
精确延时电路，用于根据所述外部随机脉冲信号产生与所述第一信号具有
相同延时的第二信号；以及
计算单元，连接于所述精确触发电路和所述精确延时电路，用于通过所述
第一信号与所述第二信号的时间差来计算所述外部脉冲随机信号的产生时间。
优选地，所述精确触发电路包括：
多个DFF触发器，用于根据所述多路精确同步脉冲信号和所述外部随机脉
冲信号产生多个精确触发信号；以及
第一或门，连接于所述多个DFF触发器，用于根据所述多个精确触发信号
产生所述第一信号。
优选地，所述多个DFF触发器的时钟输入端接入所述多路精确同步脉冲信
号，所述多个DFF触发器的数据输入端接入所述外部随机脉冲信号。
优选地，所述精确延时电路包括：
DFF触发器，用于根据所述外部随机脉冲信号产生初始第二信号；以及
第二或门，连接于所述DFF触发器，用于根据所述初始第二信号产生所述
第二信号。
优选地，所述DFF触发器的时钟输入端接入所述外部随机脉冲信号，所述
DFF触发器的数据输入端接高电平。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：本发明采用延时锁相环产生多路
精确同步脉冲信号，以DLL产生的多路精确同步脉冲信号通过精确触发电路捕
获TOF系统的随机脉冲信号，并基于NMOS的多输入高速或门合成第一信号。
由此产生的第一信号同步于DLL产生的多路精确同步脉冲，因此第一信号的产
生时间可由系统时钟确定。另一方面，随机脉冲信号通过与精确触发电路具有
相同延时的精确延时电路生成第二信号。通过测量第二信号和第一信号之间的
时差，就可以获知第二信号的产生时间进而计算出随机脉冲信号的产生时间。
通过本系统可以产生随机脉冲信号的高精度重合信号第二信号和第一信号，实
现对于随机脉冲信号产生时间的精确测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施
例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述
中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付
出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例提供的用于飞行时间测量系统的重合信号产生方法
的流程图。
图2所示为本发明一实施例提供的用于飞行时间测量系统的重合信号产生
系统的电路图。
图3所示为本发明一实施例提供的信号波形图。
图4所示为本发明一实施例提供的用于飞行时间测量系统的重合信号产生
系统的原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清
楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是
全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造
性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明一实施例提供的用于飞行时间测量系统的重合信号产生方法
的流程图。如图1所示，用于飞行时间测量系统的重合信号产生方法包括以下
步骤：
步骤S1：通过延时锁相环产生多路精确同步脉冲信号。
在本实施例中，采用延时锁相环(Delaylockedloop，DLL)产生多路精确
同步脉冲信号，其中，每路信号的上升沿与飞行时间测量系统的系统时钟同步。
使用频率为CLK的外部参时钟，利用DLL产生N路精确同步脉冲信号
(P<1>～P<N>(P<N:1>)。其中，相邻两路信号P<i>和P<i+1>的上升沿时间间
隔为Tclk/N，Tclk是CLK的时钟周期。
步骤S2：将所述多路精确同步脉冲信号和外部随机脉冲信号输入精确触发
电路，以产生同步于所述多路精确同步脉冲信号的第一信号。
在本实施例中，延时锁相环产生的多路精确脉冲同步信号被送入精确触发
电路，通过精确触发电路捕获飞行时间测量系统的随机脉冲输入信号，由此产
生同步于延时锁相环产生的多路精确同步脉冲信号的第一信号，因此，第一信
号的产生时间可由系统时钟确定。
具体地，在本发明一实施例中，步骤S2具体包括以下步骤：
步骤S21：将所述多路精确同步脉冲信号和所述外部随机脉冲信号接入所述
精确触发电路的多个DFF触发器，通过所述多个DFF触发器产生多个精确触发
信号；
步骤S22：将所述多个精确触发信号输入第一或门以产生所述第一信号。
进一步地，所述多路精确同步脉冲信号接入所述多个DFF触发器的时钟输
入端，所述外部随机脉冲信号接入所述多个DFF触发器的数据输入端。
图2所示为本发明一实施例提供的用于飞行时间测量系统的重合信号产生
系统的电路图。图3所示为本发明一实施例提供的信号波形图。如图2所示，
将延时锁相环40产生的N路精确同步脉冲信号P<N:1>作为触发信号送入精确
触发电路10并依次连接于多个DFF触发器(10-1～10-N)的时钟输入端，将外
部输入的随机脉冲信号Sin接到精确触发电路10中的多个DFF触发器
(10-1～10-N)的数据输入端。精确触发电路10由多个DFF触发器(10-1～10-N)
在N路精确同步脉冲信号P<N:1>的上升沿来捕获外部随机脉冲信号Sin的发生，
产生N个精确触发信号TM<N:1>。如图3所示，根据DFF触发器的工作特性，
上升沿超前于外部随机脉冲信号Sin的精确同步脉冲信号P<0>～P<i>触发产生的
精确触发信号TM<0>～TM<i>信号均为低电平，上升沿滞后于外部随机脉冲信号
Sin的精确同步脉冲信号P<i+1>～P<N>触发产生的精确触发信号
TM<i+1>～TM<N>信号均为高电平。精确触发信号TM<N:1>由精确同步脉冲信
号P<N:1>触发，与精确同步脉冲信号P<N:1>同步。精确触发信号TM<N:1>由
N输入高速NMOS或门30合成Stop信号(第一信号)。由于精确触发信号
TM<N:1>由精确同步脉冲信号P<N:1>同步于系统时钟CLK，因此Stop信号的
产生时间可由系统时钟CLK确定。
步骤S3：将所述外部随机脉冲信号输入精确延时电路以产生与所述第一信
号具有相同延时的第二信号。
在本实施例中，外部随机脉冲信号被输入精确延时电路，通过精确延时电
路延时后产生的第二信号与上述通过精确触发电路产生的第一信号具有相同的
延时，以降低系统误差。
具体地，在本发明一实施例中，步骤S3具体包括以下步骤：
步骤S31：将所述外部随机脉冲信号输入所述精确延时电路的DFF触发器
以产生初始第二信号；以及
步骤S32：将所述初始第二信号输入第二或门以产生所述第二信号。
进一步地，所述外部随机脉冲信号接入所述DFF触发器的时钟输入端，所
述DFF触发器的数据输入端接高电平。
如图2所示，外部随机脉冲信号Sin信号接入精确延时电路20产生第二信
号Start信号。精确延时电路20由DFF触发器21和N输入高速NOS或门22
构成，N输入高速NOS或门22与N输入高速NMOS或门30具有相同的延时，
以保证外部随机脉冲信号Sin产生的第二信号Start信号与第一信号Stop信号具
有相同的延时，降低系统误差。外部随机脉冲信号Sin信号直接接入精确延时电
路20中DFF触发器21的时钟输入端，由于该DFF触发器21的数据输入端接
“1”(高电位)，当外部随机脉冲信号Sin信号的上升沿到来时，将产生与精确
触发信号TM<N:1>相对于外部随机脉冲信号Sin上升沿延时一致的Start_in信号
(即初始第二信号)。Start_in信号经N输入高速NOS或门22产生Start信号(即
第二信号)以保证两条信号通道的延时精确一致。
步骤S4：通过所述第一信号与所述第二信号的时间差来计算所述外部脉冲
随机信号的产生时间。
在本实施例中，第二信号Start和第一信号Stop是经本电路由随机脉冲信号
Sin产生的高精度重合信号。由于第一信号Stop信号与系统时钟CLK同步，测
量第二信号Start和第一信号Stop的时间差就可以精确获得随机脉冲信号Sin的
产生时间。
本发明采用延时锁相环产生多路精确同步脉冲信号，每路信号的上升沿与
系统时钟同步。以DLL产生的多路精确同步脉冲信号通过精确触发电路捕获
TOF系统的随机脉冲信号，并基于NMOS的多输入高速或门合成第一信号。由
此产生的第一信号同步于DLL产生的多路精确同步脉冲，因此第一信号的产生
时间可由系统时钟确定。另一方面，随机脉冲信号通过与精确触发电路具有相
同延时的精确延时电路生成第二信号。通过测量第二信号和第一信号之间的时
差，就可以获知第二信号的产生时间进而计算出随机脉冲信号的产生时间。通
过本方法可以产生随机脉冲信号的高精度重合信号第二信号和第一信号，实现
对于随机脉冲信号产生时间的精确测量。
图4所示为本发明一实施例提供的用于飞行时间测量系统的重合信号产生
系统的原理图。如图4所示，用于飞行时间测量系统的重合信号产生系统包括：
延时锁相环410，用于产生多路精确同步脉冲信号；
精确触发电路420，连接于所述延时锁相环410，用于根据所述多路精确同
步脉冲信号和外部随机脉冲信号产生同步于所述多路精确同步脉冲信号的第一
信号；
精确延时电路430，用于根据所述外部随机脉冲信号产生与所述第一信号具
有相同延时的第二信号；以及
计算单元440，连接于所述精确触发电路420和所述精确延时电路430，用
于通过所述第一信号与所述第二信号的时间差来计算所述外部脉冲随机信号的
产生时间。
进一步地，如图2所示，所述精确触发电路420包括：
多个DFF触发器，用于根据所述多路精确同步脉冲信号和所述外部随机脉
冲信号产生多个精确触发信号；以及
第一或门，连接于所述多个DFF触发器，用于根据所述多个精确触发信号
产生所述第一信号。
优选地，所述多个DFF触发器的时钟输入端接入所述多路精确同步脉冲信
号，所述多个DFF触发器的数据输入端接入所述外部随机脉冲信号。
进一步地，如图2所示，所述精确延时电路430包括：
DFF触发器，用于根据所述外部随机脉冲信号产生初始第二信号；以及
第二或门，连接于所述DFF触发器，用于根据所述初始第二信号产生所述
第二信号。
优选地，所述DFF触发器的时钟输入端接入所述外部随机脉冲信号，所述
DFF触发器的数据输入端接高电平。
有利地，本发明采用延时锁相环产生多路精确同步脉冲信号，以DLL产生
的多路精确同步脉冲信号通过精确触发电路捕获TOF系统的随机脉冲信号，并
基于NMOS的多输入高速或门合成第一信号。由此产生的第一信号同步于DLL
产生的多路精确同步脉冲，因此第一信号的产生时间可由系统时钟确定。另一
方面，随机脉冲信号通过与精确触发电路具有相同延时的精确延时电路生成第
二信号。通过测量第二信号和第一信号之间的时差，就可以获知第二信号的产
生时间进而计算出随机脉冲信号的产生时间。通过本系统可以产生随机脉冲信
号的高精度重合信号第二信号和第一信号，实现对于随机脉冲信号产生时间的
精确测量。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发
明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流
程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。