CN102916683B - 一种可调参数核脉冲模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调参数核脉冲模拟方法。在核仪器与核信号处理方法研究中，为了验证硬件和处理方法的可靠性，常常需要大量的、多样化的核脉冲信号。本发明根据选择的任意能谱和时间谱，通过抽样产生服从其分布的幅度及相邻脉冲时间间隔值；选择合适的探测器电路参数，建立参数化模型；设计合适的电流脉冲形状并作为模型的激励信号，按参数、随机幅值及相邻脉冲时间间隔值产生幅值和相邻脉冲时间随机且服从期望能谱和时间谱分布的连续信号，将连续信号离散化和叠加后得到各采样时刻的电压值即数字化脉冲波形。将这些离散序列值经过数模转化后可作为后续电路的输入信号，这样为后续电路的放大、成形、甄别、符合等处理及数据的分析提供了逼真且多样化的辐射信号。结果表明，该方法通过参数化模型可方便、灵活产生多种波形的脉冲信号，能满足在核仪器与核信号处理方法研究中对核脉冲多样化的要求。

Description

一种可调参数核脉冲模拟方法

技术领域

本发明涉及一种可调参数核脉冲模拟方法。

背景技术

在核仪器与核信号处理方法研究中，为了验证硬件和处理方法的可靠性，常常需要大量的、多样化的核脉冲信号。借助放射源产生脉冲信号往往受到工作场地、时间等条件的限制；特别是，长时间的射线照射会对工作者的身体健康带来严重影响。因此，模拟产生丰富多样的核随机信号就显得非常必要。由于放射性核素衰变的随机性，探测器中产生的电离、激发、光电转换及电子倍增等也是随机。若能根据选择的任意能谱和时间谱，模拟产生探测器的输出信号，为后续电路的放大、成形、甄别、符合等处理及数据的分析提供逼真且多样化的脉冲信号，无疑具有重要意义。本发明正是基于以上需要，通过参数调整、连续系统的数值离散化方法产生幅值、时间随机且服从期望分布的脉冲，模拟放射性测量系统前端的核脉冲信号，结果表明该方法方便、灵活，能满足在核仪器与核信号处理方法研究中对核脉冲多样化的要求。

发明内容

本发明的目的在于公开一种可调参数核脉冲模拟方法，该方法克服了目前核脉冲模拟方法的不足。

本发明是通过以下技术方案实现的，具体包括如下步骤①~③。

① 选择任意能谱及其时间谱，产生随机幅值及相邻脉冲时间间隔值，包含如下步骤A～D：

A将选择的能谱进行平滑处理，能谱各道址的计数分别除以该能谱的总计数，得到幅值概率密度函数；

B将选择的时间谱进行平滑处理，时间谱各时间的计数分别除以该时间谱的总计数，得到相邻脉冲时间间隔概率密度函数；

C 采用离散直接抽样法产生服从A中幅值概率密度函数分布的随机幅值；

D 采用离散直接抽样法产生服从B中相邻脉冲概率密度函数分布的相邻脉冲随机时间间隔值。

② 选择合适的探测器电路参数，建立参数化模型，包含如下步骤A～B：

A选择电阻R及电容C参数值，构成RC并联电路；

B将射线与探测器作用的输出信号看成电流源，并与RC并联电路连接，构成电路模型。

③ 按参数、随机幅值及相邻脉冲时间间隔值产生数字化脉冲波形，包含如下步骤A～E：

A 按所用探测器类型设计电流脉冲形状，并选定电流脉冲标准面积；

B 将具有标准面积的电流脉冲作为电流源信号，求取电路模型电容C两端的电压信号；

C 将所求电容C两端的电压信号进行离散化，得到标准电压离散值；

D将①中随机幅值折算为电荷量，与电流脉冲标准面积比对，得到新的电流脉冲面积，并按比例求得新的电压离散值；

E将①中相邻脉冲随机时间间隔值作为相邻电流脉冲的随机时间间隔，进行电压离散值的叠加，得到各采样时刻的电压值。

本发明的有益效果是：采用参数化电路模型，设计射线与探测器相互作用输出的电流脉冲，并作为电路模型的激励信号，按参数、随机幅值及相邻脉冲时间间隔值产生幅值和相邻脉冲时间随机且服从期望能谱和时间谱分布的连续信号，按采样频率进行输出信号的离散化，所有脉冲的离散输出值在各采样时刻叠加后，得到各采样时刻的电压值。该方法可结合不同探测条件设计脉冲信号和电路，按预期的能谱及其时间谱输出随机信号，这为后续放大、成形、甄别、符合等处理及数据的分析提供了逼真且多样化的辐射信号。结果表明，该方法通过参数化模型可方便、灵活产生多种波形的脉冲信号，能满足在核仪器与核信号处理方法研究中对核脉冲多样化的要求。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明的流程如图1所示，具体步骤如下①～③步所述。

① 选择任意能谱及其时间谱，产生随机幅值及相邻脉冲时间间隔值，包含如下步骤A～D。

A将选择的能谱进行平滑处理，能谱各道址的计数分别除以该能谱的总计数，得到幅值概率密度函数。

B将选择的时间谱进行平滑处理，时间谱各时间的计数分别除以该时间谱的总计数，得到相邻脉冲时间间隔概率密度函数。

步骤A和B中，可根据需要选择或设计任意能谱和时间谱或其局部谱段，平滑滤波可采用小波方法、多项式方法或GMM（Gaussian mixturemodel）等方法，对能谱进行平滑滤波。将能谱或时间谱的各道址或各时间的计数分别除以总计数，得到概率密度函数：设谱区域为m,m+1,…,m+n，其对应的计数分别为N_m, N_(m+1),…,N_(m+n)，总计数N=N_m＋N_(m+1)＋…＋N_(m+n)，则数据N_m/N, N_(m+1) /N,…,N_(m+n) /N构成概率密度函数值。

C 采用离散直接抽样法产生服从A中幅值概率密度函数分布的随机幅值。

D 采用离散直接抽样法产生服从B中相邻脉冲概率密度函数分布的相邻脉冲随机时间间隔值。

步骤C和D中离散直接抽样产生随机幅值及相邻脉冲随机时间间隔值按如下方法进行：

将概率密度函数表示为如下的离散型分布函数形式：

（1）

其中：i取值为道址或时间值m,m+1,…,m+n；按式(2) 抽样产生随机数x，即求得服从F(x)分布的随机数，其中ε为服从[0-1]均匀分布的随机数；

（2）

随机数x就是服从能谱或时间谱分布的道址（幅值）或相邻脉冲时间间隔。

② 选择合适的探测器电路参数，建立参数化模型，包含如下步骤A～B。

A 选择电阻R及电容C参数值，构成RC并联电路：

根据探测器种类设置等效电阻R及等效电容C参数值。对于脉冲电离室，电阻R为电离室负载电阻与后续放大器输入电阻的并联阻值；电容C为分布电容、电离室电容与后续放大器输入电容的并联值；当用于能谱测量时，设置时间常数RC大于离子收集时间T⁺；当用于计数测量时，设置时间常数RC大于电子收集时间 T^-而小于离子收集时间T⁺。对于半导体探测器，将分布电容、极间电容、后续放大器输入电容及非灵敏区电容等电容用等效电容C代替，将灵敏区电阻、非灵敏区电阻、后续放大器输入电阻及负载电阻等电阻用等效电阻R代替；当用于能谱测量时，设置时间常数RC大于载离子收集时间。对于闪烁探测器，将分布电容、阳极输出电容及后续放大器输入电容等电容用等效电容C代替，将阳极负载电阻及后续放大器输入电阻等电阻用等效电容R代替；当用于能谱测量时，设置时间常数RC大于载离子收集时间。将等效电阻R及等效电容C构成RC并联电路，可以方便地调整RC以模拟各种具有不同性能探测器的输出电路。

B将射线与探测器作用的输出信号看成电流源，并与RC并联电路连接，构成电路模型。

③ 按参数、随机幅值及相邻脉冲时间间隔值产生数字化脉冲波形，包含如下步骤A～E。

A 按所用探测器类型设计电流脉冲形状，并选定电流脉冲标准面积：

不同类型的探测器，其电荷的产生、运移和收集过程不同，故产生的电流脉冲形状也不同。不过，当所用探测器只用于能谱测量时，将气体探测器、闪烁探测器、半导体探测器设计为具有不同宽度的矩形脉冲，甚至设计为冲击函数（Q为电荷量，t ₀为电流脉冲出现的时间）。当用于时间信息分析时，电流脉冲形状根据各类型探测器中电荷的收集过程设计为单矩形脉冲或单准高斯脉冲，甚或设计为由两个具有不同宽度和高度的矩形脉冲紧连的复合脉冲，等等。电流脉冲标准面积可大致设为探测器中多次辐射事件所收集电荷的平均值。

B 将具有标准面积的电流脉冲作为电流源信号，求取电路模型电容C两端的电压信号：

由于脉冲形状较多，为了方便起见，本步骤B以及如下的C、D、E步骤均以电流脉冲为冲击函数时加以举例说明。由所建立的电路模型可得单位冲击响应为：

（3）

可进一步求得电荷量为Q _b 的标准面积电流脉冲作用时输出的电压信号为：

（4）。

C 将所求电容C两端的电压信号进行离散化，得到标准电压离散值：

（5）

其中T为离散化时的采样周期，m为整数0,1,2,……。

D 将①中随机幅值折算为电荷量，与电流脉冲标准面积比对，得到新的电流脉冲面积，并按比例求得新的电压离散值：

首先，按下式计算第n个电流脉冲的面积

（6）

其中Q _b 为标准面积电流脉冲的电荷量，F _n 为步骤①中抽样产生的第n个随机幅值（与第n个电流脉冲的能量即电荷量相关），F _max 为随机幅值中最大的一个，λ为一常数，且 （λ>2）；

然后，按下式计算第n个电流脉冲对应的电压离散值

（7）

其中T为离散化时的采样周期，m为整数0,1,2,……，，t _n为第n个电流脉冲出现的时间。

E将①中相邻脉冲随机时间间隔值作为相邻电流脉冲的随机时间间隔，进行电压离散值的叠加，得到各采样时刻的电压值：

由于连续脉冲可表示为

（8），

则I(t)对应的输出电压U(t)为这些脉冲响应的叠加

（9），

公式（9）中，t _n按如下公式给出

（10），

公式（10）中，为步骤①中抽样产生的两个相邻脉冲随机时间间隔值，表示为

（11），

将公式（9）进一步离散化，得到响应叠加后输出电压U(t)各采样时刻的电压值U(mT)，

（12）。

以上步骤 以电流脉冲为冲击函数时进行了分析，当电流脉冲为其它形状时， 输出电压u _b (t)为i(t)与h(t)的卷积，即u _b (t)＝i(t)*h(t)，其余步骤C、D、E采用的方法相同。

从以上具体实施可以看出，采用参数化电路模型，设计射线与探测器相互作用输出的电流脉冲，并作为电路模型的激励信号，按参数、随机幅值及相邻脉冲时间间隔值产生幅值和相邻脉冲时间随机且服从期望能谱和时间谱分布的连续信号，按采样频率进行输出信号的离散化，所有脉冲的离散输出值在各采样时刻叠加后，得到各采样时刻的电压值。该方法可结合不同探测条件设计脉冲信号和电路，按预期的能谱及其时间谱输出随机信号，可在作适当比例放大、数模转换等处理后为后续放大、成形、甄别、符合等处理及数据的分析提供了逼真且多样化的辐射信号。该方法克服了目前核随机信号发生器产生的脉冲信号随机性单一、不灵活及不逼真的局限，可以通过参数化模型方便、灵活产生多种波形的脉冲信号，提供丰富的能量及时间信息，能满足在核仪器与核信号处理方法研究中对核脉冲多样化的要求。

在上述本发明的实施例中，对可调参数核脉冲模拟方法进行了详细说明，但需说明的是，以上所述仅为本发明的一个实施例而已，设计的电流脉冲可为不同形状以模拟放射性测量中不同探测器内部电荷的产生、运移和收集过程，本发明同样可对各种射线的全谱或局部谱段进行核脉冲模拟。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种可调参数核脉冲模拟方法，其特征在于，是按如下步骤①~③完成的：

① 选择任意能谱及其时间谱，产生随机幅值及相邻脉冲时间间隔值，包含如下步骤A～D：

A将选择的能谱进行平滑处理，能谱各道址的计数分别除以该能谱的总计数，得到幅值概率密度函数；

B将选择的时间谱进行平滑处理，时间谱各时间的计数分别除以该时间谱的总计数，得到相邻脉冲时间间隔概率密度函数；

C 采用离散直接抽样法产生服从A中幅值概率密度函数分布的随机幅值；

D 采用离散直接抽样法产生服从B中相邻脉冲概率密度函数分布的相邻脉冲时间间隔值；

② 选择合适的探测器电路参数，建立参数化模型，按如下步骤A～B完成：

A选择电阻R及电容C参数值，构成RC并联电路；

B将射线与探测器作用的输出信号看成电流源，并与RC并联电路连接，构成电路模型；

③ 按参数、随机幅值及相邻脉冲时间间隔值产生数字化脉冲波形，按如下步骤A～E完成：

A 按所用探测器类型设计电流脉冲形状，并选定电流脉冲标准面积；

B 将具有标准面积的电流脉冲作为电流源信号，求取电路模型电容C两端的电压信号；

C 将所求电容C两端的电压信号进行离散化，得到标准电压离散值；

D 将①中随机幅值折算为电荷量，与电流脉冲标准面积比对，得到新的电流脉冲面积，并按比例求得新的电压离散值；

E 将①中相邻脉冲时间间隔值作为相邻电流脉冲的随机时间间隔，进行电压离散值的叠加，得到各采样时刻的电压值。