CN102819034A - 一种能谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能谱仪，特征在于，根据谱漂计算公式直接求得数控增益放大器对应的控制字，通过串口输出，最后达到谱漂校正的目的。

Description

一种能谱仪

技术领域

本发明涉及物理勘探领域，具体而言，本发明涉及一种能谱仪。

背景技术

航空物探，是地球物理勘探技术与航空技术相结合的一门高新技术，其实质是将航空飞行器作为运载工具，装载地球物理探测仪器在空中完成地球物理信息采集的方法，是一种快速获取并研究地球岩石圈、特别是与地壳有关的多种地球物理场信息（如磁场、电磁场、重力场、放射性场）的方法。航空能谱勘探则是获取地球放射性场信息的一种航空物探方法。自从本世纪四十年代末美国、加拿大、苏联等国率先开展航空放射性测量以来，放射性航测从技术到设备都取得了长足进展。特别是近二、三十年来，随着电子技术、计算机技术的应用，航空γ能谱测量得到了广泛应用。随着环境意识的增强和水资源的短缺，航空γ能谱成功用于环境监测、地质找水等领域。GPS技术的应用，使得航空γ能谱测量能够适用于各种条件，尤其是在沙漠、戈壁地区更为优越。实践证明，航空γ能谱测量是一种多快好省的勘查手段。到目前为止，航空γ能谱测量已成为一种重要的地质测量手段，并广泛用于各种领域。航空放射性测量在六十年代以前，仅是总量测量，随后开发了航空伽玛能谱测量系统。二十世纪七十年代为4道航空伽玛能谱测量系统。北京703航测队（核工业航测遥感中心前身）与北京综合仪器厂联合研制，采用国产大体积圆柱型NaI（T1）晶体的双探头，在七十年代我国铀矿勘探中发挥了重要作用。到八十年代末期，由北京铀矿地质研究院采用国外探测器组件，组装了AS2000型4道航空伽玛能谱测量系统。此后，国内对航空伽玛能谱仪的研制开发工作一直处于停顿状态，航空伽玛能谱测量的硬、软件依赖进口。随着近几十年计算机技术，IC制造技术，数字信号处理技术的发展，国外公司大量引入数字信号处理技术到能谱仪当中，并已实现商品化，垄断了航空能谱测量仪器的生产。主要有美国产的GR-800D，加拿大Exploranium公司和Scintrex公司的GR-820型256道和GRS16型(GRS10型)256/512道航空伽玛能谱测量系统。其中GR-800D为早期产品，为纯模拟电路设计，已退出市场。GR-820航空能谱仪为模拟电路与数字信号处理算法结合的架构；GRS-16除了前置放大器和高速ADC以外，全部采用实时数字信号处理算法完全取代了传统模拟电路，其各项性能也显著提高，为目前最先进的航空能谱测量系统，其体积小巧，功能丰富，灵活易用。GR-800、GR-820、GRS-16等国外航空伽玛能谱仪的仪器精度都不高，谱线精度为256，合成谱¹³⁷Cs峰的能量分辨率差于8.8％，钾、铀、钍、总道、宇宙道窗口计数的重复测量精度差于10％，这些指标大大影响了后期改正（譬如高度改正、大气氡改正、宇宙本底扣除及飞机本底扣除等）的效果，影响了航空伽玛能谱勘查系统对于钾、铀、钍含量最终的探测精度。

屈国普等研究了在使用NaI晶体探测器系统中引起谱漂的多种因素：NaI晶体发光效率受温度影响，光电倍增管的光阴极热发射和各打拿极的二次发射系数受温度的影响，元器件本身的温度效应及非线性特征；李勇平、方建国设计了四能窗稳谱程序和稳谱流程，并在伽玛测井中得到了应用；汤天知、郭斌、何绪新等研究了谱漂与系统增益的关系采用硬件二窗口稳谱和软硬件结合的四窗口稳谱方法，并在测井中得到了应用。M.Matoba等采用了天然能谱中的平坦窗口部分与谱线的最高能端窗口部分作为稳谱的依据，而替代了传统采用天然谱线中的特征峰的方法，取得了一定的效果，但是稳谱的精度较低，只能保证谱线在某一个范围内的稳定，仍然无法达到高精度的谱线稳定；P.K.Patwardhan等采用了变容二极管实现对谱线的稳谱增益调节，通过对特征峰的积分得到控制电压，从而改变了变容二极管的电容值，最终实现对谱线的增益调节，该方法可以不用软件控制，是纯粹硬件闭环控制行为，但是缺乏灵活性，调节不易，不适合航空能谱多晶体稳谱的应用场合；R.Martincic等则采用特殊波段的LED发出的光线激发NaI晶体，从而在谱线中形成特征峰，并以此特征峰稳定谱线；P.Ottonello等则采用的是激光方法形成特征峰并稳定谱线；而更常规的方法的则是采用外置的放射源，通过对放射源的特征峰寻峰来稳定谱线。

发明内容

本发明目的在于提供一种能谱仪，其特征在于，根据谱漂计算公式直接求得数控增益放大器对应的控制字，通过串口输出，最后达到谱漂校正的目的。

本发明提供了基于全谱匹配的谱漂记忆的航空多晶体数字稳谱方法。

在航空能谱勘探系统中，测量周期一般为1秒或者0.5秒，为了在这么短时间内能够获取足够多的来自放射性核素的信息，需要采用多条大尺寸晶体同时测量，并将每条大尺寸晶体获取的谱线互相叠加从而得到上测合成谱和下测合成谱，并做后续的数据处理。由于大尺寸NaI晶体的能量分辨率本身就比较差，通常在8％左右，而多晶体合成后谱线的能量分辨率会差于能量分辨率最好的单条晶体，为了降低这种作用，就必须使得所有晶体谱线在整个航测过程中都不发生谱漂，且所有相同能量的谱线道址都是一一对应的。传统的地面能谱仪，也有很多种方法可以用来稳定谱漂，但是稳谱的精度通常较低，稳谱的条件也较航空能谱稳谱更加容易。在航空能谱勘探系统中，引起谱漂的因素主要有：1.NaI晶体的温度特性。通过实测笔者发现即使采购自同一批的大尺寸NaI晶体的发光效率受温度的影响不同，有的温度稳定性较好，有的较差，有的是正温度系数，有的是负温度系数。2.能谱仪本身的温度特性。能谱仪中的放大器，模数转换器等都有一定的温度特性，随着温度的变化，其电气特性也会发生一定的变化。3.高压电源的稳定性。高压电源对于光电倍增管的光电转换增益影响巨大，而实际的高压电源并不是永远恒定的，会发生一定的电压漂移，因此也会带来谱线的漂移。

谱漂的主要影响因素有：①温度影响：NaI（T1）晶体的发光效率受温度影响，不同晶体对应的高压模块温度系数不尽相同，不同晶体对应的电子学线路如前置放大器、主放大器、ADC等的温度系数不同，都会造成温度发生变化时，每条晶体的谱漂有所不同。②地球磁场的影响：由于每条晶体的光电倍增管都会或多或少受到地球磁场的影响，尤其是飞机在大角度调整飞行方向，导致光电倍增管与地球磁场的偏角发生变化时，使得谱漂不同。为了克服上述影响因素，就必须设计反应迅速、稳定可靠的自动稳谱方法。通过自动稳谱方法，自动补偿上述影响因素对不同晶体带来的谱漂，使每条晶体最大的谱漂不超过±1道（1024道分辨率），这时我们就可以很容易的进行谱线合成，保证合成后的谱线分辨率不至于变差。常用的稳谱方法有：采用放射源形成的特征峰稳谱和采用天然放射性元素特征峰稳谱。由于本系统不允许使用放射源，因此只能采用第二种方法即采用天然放射性元素U、Th、K作为特征峰进行稳谱，根据不同的环境背景自动选取U、Th、K中任意一个为特征峰。

谱漂的硬件调节：假设已知谱漂量，则可以根据谱漂计算公式直接求得数控增益放大器对应的控制字，通过串口输出，最后达到谱漂校正的目的。由于系统采用的是Y/U双通道数控增益放大器，在高能模式（低放大倍数）时调节Y值，低能模式（高放大倍数）时调节U值，因此放大倍数Gain=Ycode/Ucode；高能模式下谱漂调节公式如下：

DeltaG=(2*P_F-P_M)/P_F；                                （4-6）

Gcur=Ycode1/Ucode*DeltaG；                           （4-7）

Ycode2=Gcur*Ycode1；                                 （4-8）

其中PF为设定的峰位值，PM为实测峰位值，Ycode1为当前的Y通道增益控制字，Ycode2为校正当前谱漂时对应输出的Y通道增益控制字。同理可以得出低能模式下谱漂调节公式。

为了保证稳谱的精度，计算谱漂的原始谱线分辨率全部为1024，与用户设定的谱线存储分辨率无关。在稳谱时，每个能谱采集器都是独立进行的，也就说系统中，同时对20条晶体能谱采集器计算谱漂，根据数字稳谱算法实现每条晶体的谱漂在1024分辨率下小于+-1道。数字稳谱的核心思想是基于全谱匹配的逐次逼近误差回归算法。

本发明的有益效果：

1.可大大提高在航空多晶体谱漂求解的可靠性，避免传统局部谱漂求解方法的假峰现象；

2.采用本发明方法求解得到的谱漂量精度更高，抖动更小，更加适合于航空能谱测量的场合。

3.可自动消除航空能谱测量中特征峰计数率、峰形变化带来的影响，自动择优选取特征峰。

4.采用逐步逼近误差回归方法调节谱漂，可以完全无视任何能谱仪系统的差别、使用环境不同，进行实时动态调节，不依赖于特定参数，特定能谱仪，具有适用性广的特点。

附图说明

图1是本发明能谱仪数字稳谱的流程图。

图2是本发明优选能谱仪的使用流程图，其中21－MAX232串行通信接口芯片，22－控制器，23－YU双通道乘法器，24－数控高压电源，25－能谱仪探头(PMT+NaI晶体)，26－基于全谱匹配的谱漂记忆的航空多晶体数字稳谱方法(PC机，工控机或者嵌入式处理机等)，27－乘法器YU值及高压值，28－能谱曲线。

具体实施方式

本发明根据下述实施例和附图做进一步的描述，本领域技术人员可以明了的是，下述实施例以及附图对本发明仅仅起到说明的作用。在不背离本发明精神的前提下，对本发明所做的任意改进和替代均在本发明保护的范围之内。

算法的简要描述如下：首先是采用kalman滤波的方法对所有晶体的谱线进行降噪，谱线光滑处理，可提高后续谱漂漂移量求解的精度；其次是采用全谱匹配方法求取每条谱线的谱线大致漂移量。全谱匹配的核心思想上是采用峰形压制的办法，不断调整谱线上每个特征峰上所有导数不连续的部位，并加以计数抑制，经过多次迭代，可使得谱线上的每个点的导数值为连续变化趋势，因此也就完全消除了谱线上的所有峰，使得谱线为仅保留本底的曲线，由于本底曲线为指数曲线形式，因此可以将去除特征峰后的谱线进行指数曲线拟合，获取a值，根据a值判断谱线的大致漂移。该方法的优点是具有很强的抗干扰能力。

在航空能谱测量中，如果仅仅采用局部特征峰作为判定谱漂的唯一标准，容易受到干扰峰的影响，导致判断到假的特征峰，从而导致求取的谱漂错误。而采用全谱匹配的方法，则与谱线上所有的峰无关，至于谱线本身的整体峰形有关，因此不存在干扰的问题。求得谱线的大致漂移后，进入谱线精密谱漂求解过程。在当前选择的特征峰基础上求取左右峰边界，根据面积积分法获得代表特征峰谱漂的数值。传统的求取谱线漂移的方法都是采用求解导数为0的点作为特征峰的峰位，用峰位的移动代表整条谱线的漂移，该方法在要求精度不高的情况下比较适合，在要求较高，尤其是航空伽马能谱勘查系统中个，不仅谱线计数率低，而且对谱漂的要求极高，此时传统办法将不可行。

本发明采用了面积积分法求取到的特征峰峰面积代替传统的峰位作为谱线漂移的判定量。面积积分法首先是要求解得到左右峰边界，然后扣除本底，同时判断本底曲线是否过零，如果过零则放弃此次调节，延长测量时间。当本底曲线不过零，则扣除本底得到净峰面积，此时可以保证净峰面积大于零。由于采用了面积积分的方式，所以在本质上是一种滤波，降低了噪声的影响，在实测中发现效果显著。此时求解得到的精细谱漂量还不能马上进行增益调节，还需要判断当前选取的特征峰是否收到干扰，或者是否计数率满足条件。采用高斯拟合法，拟合特征峰，如果拟合系数不能达到阈值，说明当前选取的特征峰收到了异常核素的干扰，峰形变差，已经不是干净的高斯峰，此时就需要退出当前测量，在备选的多种特征峰中，分别求取高斯拟合系数，选取拟合系数最优且计数率较高的特征峰为当前的特征峰。经过上面的几个步骤后，得到了精细的谱漂量，即可调用逐次逼近的误差回归公式计算得到实际的增益调节量。逐次逼近误差回归公式如下： $G\left(k\right)=K*E\left(k\right)+T{*}^{{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{k}E\left(i\right)}+D*(E\left(k\right)-E(k-1));$ G(k)为当前的增益调节量，K、T、D为比例系数。E(k)为当前采样周期的谱漂量。最后根据公式得到的增益调节量输出增益调节命令，调节实际每条晶体的增益值，从而达到消除谱漂的方法。采用该方法的好处是避免了传统固定增益调节方式带来的固有谱漂的问题。该方法可以适应任意环境，条件变化下带来的谱漂问题，可实时动态消除谱漂，并能够记录整个调节周期内的所有谱漂量，并加以回归反馈，最终动态获得高精度的谱漂消除。如图1所示：

1、是否经过了一个稳谱周期的时间（60秒）？如果时间已到，则转第2步，否则20条晶体采集的谱线继续累加，转第14步；

2、如果此次稳谱时间已经超过稳谱周期的20倍即为20分钟，则放弃此次稳谱操作，清除所有晶体的谱线数据，转第14步，对放弃稳谱的次数做自加操作，否则转第4步；

3、如果自加计数操过2次，则将稳谱良好状态置为假，并转第14步；

4、如果所有晶体的累加谱线数据都超过了各自的设定的阈值，则启动稳谱操作，转第5步；由于晶体放置的空间位置不同，会导致其计数率不同，因此需要根据实际情况，测试每条晶体的稳谱阈值。否则转第14步；

5、清除稳谱周期的计数，对所有的谱线进行kalman光滑；转第6步；

6、如果尚未处于谱漂良好状态，则进入第7步实现谱漂的粗调，否则直接进入第8步；

7、谱漂的粗调采用全谱匹配方法提取整条谱线的大致谱漂。使用该方法可从全局获取谱线的漂移，比传统采用特征峰判断谱漂的方式更具有抗干扰能力，尤其是在出现异常谱漂的情况下，仍然可以精确的判断谱线漂移，避免采用局部特征峰出现假特征峰而计算得到错误的谱漂的问题。提取每条谱线的离散序列，不断进行谱线峰形抑制，直至谱线上所有的特征峰都被完全抑制，只保留下了本底曲线，根据指数曲线公式进行拟合回归获得指数曲线的a值，根据a值判断谱漂的粗调值，进入第8步。

8、如果当前谱漂的粗调值大于10道，则进入第12步；否则进入第9步；

9、根据当前的稳峰核素，采用一阶导数法，求取大致的特征峰左右峰边界，扣除本底，采用峰面积积分法求取特征峰峰位；转第10步；

10、调用高斯拟合函数，并根据返回的拟合结果，判断特征峰是否为标准的高斯峰，如果超出设定的阈值，也就是说特征峰受到了其他核素的干扰，则退出此次谱漂调节；转第14步；否则进入第11步；

11、如果谱漂小于5道则置谱漂良好标志为真；转第12步；

12、将谱漂量带入逐次逼近误差回归公式，得到实际的谱漂调节量，根据谱漂计算公式得到Y，U增益值，并通过串口输出命令到能谱采集器改变增益，从而消除谱漂；转第13步；

13、清除累加谱线缓冲区；转第14步；

14、分别在K，U，TH，CS等四个特征峰所在区域，求取峰边界，扣除本底后，采用高斯拟合法判断4个特征峰的峰形，峰形不符合要求的则剔除，保留符合高斯形状的特征峰，如果都不符合，则取高斯拟合结果最好的特征峰，作为下一个周期的稳峰核素；

15、在14步中找出的符合高斯函数的特征峰，计算其净峰面积，取净峰面积最大的特征峰为稳谱的特征峰；并转第一步。

Claims (3)

1.一种能谱仪，其特征在于包括Y/U双通道乘法器和串行通信接口芯片，所述乘法器对应的控制字是由谱漂计算公式求得。

2.根据权利要求1所述的能谱仪，其特征在于所述Y/U双通道乘法器在高能模式，低放大倍数时调节Y值，低能模式，高放大倍数时调节U值，放大倍数Gain=Ycode/Ucode；高能模式下谱漂调节公式如下：

DeltaG=(2*P_F-P_M)/P_F；                                （4-6）

Gcur=Ycode1/Ucode*DeltaG；                           （4-7）

Ycode2=Gcur*Ycode1；                                 （4-8）

其中P_F为设定的峰位值，P_M为实测峰位值，Ycode1为当前的Y通道增益控制字，Ycode2为校正当前谱漂时对应输出的Y通道增益控制字。

3.根据权利要求1所述的能谱仪，其特征在于，谱漂量是通过下述步骤得到的精细的谱漂量：

a.采用面积积分法求取到的特征峰峰面积，通过面积积分法求解得到左右峰边界，然后扣除本底，同时判断本底曲线是否过零，如果过零则放弃，延长测量时间，当本底曲线不过零，则扣除本底得到净峰面积；

b.采用高斯拟合法，拟合特征峰，如果拟合系数不能达到阈值，则退出当前测量，在备选的多种特征峰中，分别求取高斯拟合系数，选取拟合系数最优且计数率较高的特征峰为当前的特征峰；

c.用逐次逼近的误差回归公式计算得到实际的增益调节量，所述逐次逼近误差回归公式如下： $G\left(k\right)=K*E\left(k\right)+T{*}^{{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{k}E\left(i\right)}+D*(E\left(k\right)-E(k-1)),$ 其中G(k)为当前的增益调节量，K、T、D为比例系数，E(k)为当前采样周期的谱漂量；

d.最后根据得到的增益调节量输出增益调节命令，调节实际每条晶体的增益值，消除谱漂。

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