高精度时间数字转换器(TDC)用于将两个物理事件发生的时间间隔转化为数字量,广泛应用于核物理实验、空间科学、电力传输、同步授时、航空航天、芯片设计、卫星导航、数字通信等领域。单光子探测是一种极弱光信号探测技术,若将其探测二极管以阵列形式集成,在获取每一像素信号强度信息的同时获得时间信息,则可实现单光子三维成像的功能,可用于机器人视觉、自动驾驶车辆导航、制作工艺控制、工业安全、地形勘探以及对伪装目标、树林隐藏目标发现和定位的军事用途等。本文针对单光子探测器在时间相关计数成像中的应用为其设计相对应的TDC电路,将基于抽头延迟线的方案在FPGA上对时间数字转换器进行研究、设计及实现,并提出信道间内插的算法来减少测量误差,主要工作如下:(1)对单光子计数成像技术、时间数字转换技术及单光子探测阵列中的TDC技术进行充分调研并总结,考虑到系统集成化的可行性,选择了基于抽头延迟线的设计方式;(2)参考Nutt方法进行系统的硬件实现;利用FPGA中的快速进位链、时间管理模块等资源在XC5VLX30T型号芯片中对系统硬件电路进行实现;(3)使用码密度测试的方法实现系统自校准从而解决延迟单元非线性的问题;提出基于信道内插的方案提高多信道测量的测量精度,并将其与信道平均的方法进行对比;(4)在MATLAB上对码密度测试结果进行分析、仿真,对实际测量数据进行处理并对算法性能进行分析;基于C#完成上位机软件的设计,使之能够与硬件电路进行通信,可以向系统发送指令,并实时显示测量结果。本文所实现的基于抽头延迟线的时间标记FPGA精密时间测量系统,通过实际测量该系统在采用信道间内插方法后可将分辨率由63ps提高至21ps,将均方根误差从66ps提高至33ps。