CN103713310A - 一种核脉冲信号高速数字分离方法、系统及数字化谱仪 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种核脉冲信号高速数字分离方法，实时采集数据，当采集的数字值大于基线时，开始实时采集脉冲幅度数据，并启动脉冲宽度测量；同时采用梯形算法进行实时成形处理，得到连续数字脉冲；在脉冲幅度下降过程中，若采集的数字值出现连续n个点的增加，说明出现了重叠峰；此时，停止脉冲宽度测量，并对重叠峰进行处理；上述n＞1，且n取整数。该方法能够实时识别和处理重叠峰的部分信息，解决在高放射性场合中，保持好能量分辨率的问题。

Description

一种核脉冲信号高速数字分离方法、系统及数字化谱仪

技术领域

本申请属于数据测量及处理技术领域，涉及一种针对石油测井、地质资源勘查、环境辐射评价和生产品质控制等放射性测量方面的核脉冲信号高速数字分离方法、系统及数字化谱仪。

背景技术

20世纪90年代以来,多道脉冲幅度分析技术朝着数字化方向发展。数字多道脉冲幅度分析技术又分为两个阶段，第一个阶段就是利用DSP等将模拟成形后的核脉冲信号通过高速ADC数字获取，直接在脉冲信号上找到峰值，完成脉冲信号的数字处理；第二个阶段就是利用DSP或FPGA等将核脉冲信号通过高速ADC数字获取，然后进行数字成形，再在成形后的脉冲上找到峰值，完成脉冲信号的数字处理。其中梯形成形（三角成形）就是一种用于数字化核脉冲信号滤波成形的重要方法。它不仅可代替复杂的模拟滤波成形电路,提高系统稳定性,而且还能改善系统灵活性和自适应性,在数字化多道谱仪研究中得到了应用，数字成形多道脉冲幅度分析技术在国外历经十多年发展，目前已初步实现了商品化。

放射性测量仪器中探测器和前置电路输出的脉冲信号是一个基于时间常数的指数衰减信号。如果直接进行多道脉冲幅度分析，则分析仪器的能量分辨率将受到很大的限制，进而降低整个系统的性能指标。因此，在探测器和前置电路输出后通常需要增加脉冲成形电路，将基于时间常数的指数衰减信号进行脉冲成形，再进行多道脉冲幅度分析，以提高分析仪器的综合性能指标。

现有的脉冲成形的方法是基于分立元件设计的模拟成形技术。该方法在工作稳定性、测量一致性、参数通用性和后期维护性等方面存在着诸多缺陷。而采用数字化的脉冲成形技术可以有效的克服上述模拟成形技术的缺陷，并且可以十分灵活的选择成形参数。对于现有的梯形成形算法，虽然可以将重叠的峰值做出有效的分离，但是当取不同的成形参数时，得到的脉冲宽度是不一样的。当脉冲宽度比正常的宽度要宽时，如果采用脉冲宽度甄别的方法，将丢弃掉两个重叠的脉冲，因此必须将原来的方法加以改进，才能达到获取有效重叠脉冲的目标。

发明内容

本申请的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种核脉冲信号数字分离方法，该方法能够快速、准确地对重叠的核脉冲信号进行有效的分离。

本申请还提供了一种核脉冲信号数字分离系统以及加载该系统的数字化谱仪。

为达到上述目的，本申请采取的技术方案是：提供一种核脉冲信号高速数字分离方法，其特征在于，实时采集数据，当采集的数字值大于基线时，开始实时采集脉冲幅度数据，并启动脉冲宽度测量；同时采用梯形算法进行实时成形处理，得到连续数字脉冲，连续数字脉冲包括上升沿和下降沿；上升沿对应脉冲幅度上升过程；下降沿对应脉冲幅度下降过程；上述核脉冲信号高速数字分离方法进一步包括以下步骤：

在脉冲幅度下降过程中，若采集的数字值出现连续n个点的增加，说明出现了重叠峰；此时，停止脉冲宽度测量，并对重叠峰进行处理；上述n＞1，且n取整数。

本申请还提供了一种核脉冲信号数字分离系统，其特征在于，包括：

数据采集模块，实时采集数据，当采集的数字值大于基线时，说明脉冲已启动，开始实时采集脉冲幅度数据；

启动模块，启动脉冲宽度测量；

梯形成形模块，采用梯形算法进行实时成形处理采集的数据，得到连续数字脉冲，连续数字脉冲包括上升沿和下降沿；上升沿对应脉冲幅度上升过程；下降沿对应脉冲幅度下降过程；

上述核脉冲信号高速数字分离系统进一步包括：

判断模块：在脉冲幅度下降过程中，用于判断采集的数字值是否出现连续n个点的增加；若采集的数字值未出现连续n个点的增加，且采集的数字值不大于基线，则说明脉冲已停止；

重叠峰处理模块，若采集的数字值出现连续n个点的增加，说明出现了重叠峰；此时，停止脉冲宽度测量，并对重叠峰进行处理；上述n＞1，且n取整数；

脉冲宽度甄别模块，用于在脉冲停止后，对脉冲作脉冲宽度甄别；若脉冲的脉冲宽度不属于正常峰的脉冲宽度范围，属于干扰并剔除掉所述数字脉冲。

本申请还提供了一种数字化谱仪，具有示波器的功能，其特征在于，包括数字脉冲处理核心；所述数字脉冲处理核心上包括顺次连接的放大器组件、ADC单元、FPGA处理单元和接口单元；所述FPGA处理单元包括权利要求5-8所述的核脉冲信号高速数字分离系统；所述放大器组件与探测器和前置放大器组成的装置连接；所述接口单元与计算机系统连接；所述ADC与FPGA处理单元、接口单元与FPGA处理单元之间实现双向通信；所述放大器组件由一级C-R高通滤波以及两级线性放大部分组成。

本申请提供的核脉冲信号高速数字分离技术方案，能够使探测器体现出高计数率性能下的高分辨率特性，这对于需要高精度测量的场合非常重要。该方法能够实时将具有重叠峰的部分信息识别和处理，进而解决放射性测量中信号噪声比、能量分辨率、测量准确性、测量可靠性、弹道亏损的问题，从而满足目前地质资源勘查、环境辐射评价和生产品质控制等领域进行放射性测量的迫切需求。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1示意性地示出了根据本申请一个实施例的核脉冲信号高速数字分离方法流程图；

图2示意性地示出了根据本申请一个实施例的理想核脉冲信号经梯形算法处理得到的数字脉冲信号图；

图3示意性地示出了根据本申请一个实施例的具有重叠峰的输入信号经梯形算法得到的具有重叠峰的数字信号图；

图4示意性地示出了根据本申请一个实施例的将本申请提供的核脉冲信号高速数字分离系统应用到能量色散X荧光分析仪得到的铅黄铜X荧光光谱图；以及

图5示意性地示出了根据本申请一个实施例的数字化谱仪组成结构示意图。

在这些附图中，使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本申请作进一步地详细说明。

在以下描述中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”、“示例”等等的引用表明如此描述的实施例或示例可以包括特定特征、结构、特性、性质、元素或限度，但并非每个实施例或示例都必然包括特定特征、结构、特性、性质、元素或限度。另外，重复使用短语“根据本申请的一个实施例”虽然有可能是指代相同实施例，但并非必然指代相同的实施例。

为简单起见，以下描述中省略了本领域技术人员公知的某些技术特征。

本申请提供了一种核脉冲信号高速数字分离方法，

图1示意性地示出了根据本申请一个实施例的核脉冲信号高速数字分离方法流程图。

根据本申请的一个实施例，该核脉冲信号高速数字分离方法应用于有核脉冲来到时，包括步骤101-111。

在步骤101中，实时采集数据。

根据本申请的一个实施例，上述实时采集数据可以采用FIFO（First InputFirst Output，先入先出列队）数据传输方式。

在步骤102中，判断采集的数字值与基线的关系；

根据本申请的一个实施例，基线指的是多道核脉冲幅度测量系统中，由于探测器漏电流、差的极零相消处理以及电子学元器件温漂、交流供电纹波等的影响，使有用信号叠加了一个不稳定的电压水平。

根据本申请的一个实施例，可以根据采集的数字值与基线的关系来给出脉冲是否已启动的结果，并进行下面的程序。在本申请中，Peak=0代表脉冲未启动，Peak=1代表脉冲已启动。

若采集的数字值大于基线，说明脉冲已启动，Peak=1，进入步骤103；若得到的数字值不大于基线，说明脉冲未启动，进入步骤110。

根据本申请的一个实施例，在步骤110中，脉冲未启动，进入步骤111，根据脉冲是否结束判断整个程序是否结束，若脉冲已经结束，表明整个程序已经结束；若脉冲未结束，返回到步骤101。

在步骤103中，脉冲宽度清零，同时启动脉冲宽度测量。

根据本申请的一个实施例，脉冲宽度指的是脉冲所能达到最大值（峰值）所持续的时间周期，可以用Tpulsel来表示。脉冲宽度测量值的就是得到Tpulsel的过程，可以采用本领域的常规手段。此外，脉冲上升沿对应的时间可以表示为Tup。

根据本申请的一个实施例，脉冲包括脉冲幅度上升过程和脉冲幅度下降过程以及达到最大值后的持续过程。

当采集的数字值不再增加时，得到脉冲的峰值（Value）和Tup。在采集的数字值出现了连续m个点的数字降低，说明脉冲已经过了峰，开始进入脉冲幅度下降过程。这里的m＞1，且m取整数。

例如，m可以取5，也就是说当得到的数字值出现了连续5个点的数字降低，说明数字脉冲已经过了峰，开始进入脉冲幅度下降过程。

在上述过程中，可以采用梯形算法对采集的数据进行实时成形处理，得到连续数字脉冲。

根据本申请的一个实施例，连续数字脉冲包括上升沿和下降沿；上升沿对应脉冲幅度上升过程；下降沿对应脉冲幅度下降过程。

图2示意性地示出了根据本申请一个实施例的理想核脉冲信号经梯形算法处理得到的数字脉冲信号图。

根据本申请的一个实施例，曲线a为采集的原始数据。梯形曲线b为采用常规的梯形算法处理得到的连续数字脉冲。

例如，采用梯形算法数学模型可以为：

$s\left(t\right)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}v\left(t^{\′}\right)h(t-t^{\′})d{t}^{\′}---\left(1\right)$

上述ν(t′)为在时间t′处的采样值；上述h(t-t′)为在时间t′处的冲击响应。

在步骤104中，对于脉冲幅度下降过程，判断采集的数字值是否出现了连续n个点增加，以给出是否出现重叠峰的判断结果。若采集的数字值出现连续n个点的增加，说明出现了重叠峰，进入步骤107；若采集的数字值没有出现连续n个点的增加，说明没有出现重叠峰，进入步骤105。

根据本申请的一个实施例，上述n＞1，且n取整数。

例如，n可以取5，也就是说当得到的数字值出现了连续5个点的数字值增加，说明已经出现了重叠峰。

根据本申请的一个实施例，在步骤107中，出现重叠峰，进入步骤108，作重叠峰的脉冲宽度甄别，目的在于剔除脉冲信号中的干扰峰，实现滤波处理。

根据本申请的一个实施例，重叠峰的脉冲宽度甄别指的是根据测量的脉冲宽度，判断脉冲宽度是否在重叠峰的脉冲宽度选择标准范围内。此外，正常峰的脉冲宽度甄别指的是根据测量的脉冲宽度，判断脉冲宽度是否在正常峰的脉冲宽度选择范围制备。正常峰的脉冲宽度选择范围和重叠峰的脉冲宽度选择标准范围可以根据不同的核素发出的核脉冲信号来确定。

例如，可以设定正常峰的脉冲宽度选择范围为180×25nS＜Tpulsel＜280×25nS，90×25nS＜Tup＜140×25nS。重叠峰的脉冲宽度选择范围为16×25nS＜Tpulsel＜280×25nS，4×25nS＜Tup＜140×25nS。

在步骤109中，根据重叠峰的脉冲宽度甄别结果，对重叠峰进行处理。根据本申请的一个实施例，可以根据重叠峰的脉冲宽度甄别结果，采用梯形算法对采集的重叠峰数据进行成形处理。

图3示意性地示出了根据本申请一个实施例的具有重叠峰的输入信号经梯形算法得到的具有重叠峰的数字信号图。

当数字脉冲达到峰值，开始出现下降后，又出现了数字值连续增加的现象，很明显的存在两个峰，这说明出现了重叠峰。曲线c为输入信号，曲线d、e、f分别代表采用不同的调制脉冲宽度并利用梯形算法进行处理后得到的连续数字脉冲。重叠峰的分离如图3所示，使用130×25nS、50×25nS、176×25nS的脉冲宽度均可以实现，但是50×25nS的尖脉冲分离法，得到的会减低仪器的能量分辨率。对于高性能的仪器来说，在提高计数率的同时，也必须要保持能量分辨率不变。因此，可以采用130×25nS或者176×25nS的方法进行分离，其中130×25nS个点最好。

在对重叠峰处理完后，由于脉冲已停止，Peak=0，重新返回步骤101。

根据本申请的一个实施例，在步骤105中，采集的数字值不大于基线。

在脉冲幅度下降过程中，采集的数字值没有出现连续n个点的增加，直至采集的数字值不大于基线时，说明脉冲已停止，进入步骤106。

在步骤106中，作正常峰的脉冲宽度甄别。作正常峰的脉冲宽度甄别的目的在于剔除脉冲信号中的干扰峰，实现滤波处理。

上面已经对正常峰的脉冲宽度甄别以及正常峰的脉冲宽度选择范围给出了阐述，这里不再赘述。

由于脉冲已停止，Peak=0，重新返回步骤101。

本申请还提供了一种核脉冲信号数字分离系统，其特征在于，包括：

数据采集模块，实时采集数据，当采集的数字值大于基线时，说明脉冲已启动，开始实时采集脉冲幅度数据；

启动模块，启动脉冲宽度测量；

梯形成形模块，采用梯形算法进行实时成形处理采集的数据，得到连续数字脉冲，连续数字脉冲包括上升沿和下降沿；上升沿对应脉冲幅度上升过程；下降沿对应脉冲幅度下降过程；

上述核脉冲信号高速数字分离系统进一步包括：

判断模块：在脉冲幅度下降过程中，用于判断采集的数字值是否出现连续n个点的增加；若采集的数字值未出现连续n个点的增加，且采集的数字值不大于基线，则说明脉冲已停止；

重叠峰处理模块，若采集的数字值出现连续n个点的增加，说明出现了重叠峰；此时，停止脉冲宽度测量，并对重叠峰进行处理；上述n＞1，且n取整数；

脉冲宽度甄别模块，用于在脉冲停止后，对脉冲作脉冲宽度甄别；若脉冲的脉冲宽度不属于正常峰的脉冲宽度范围，属于干扰并剔除掉所述数字脉冲。

如图4所述，本申请还提供一种数字化谱仪，具有示波器的功能，用于采集核脉冲信号，并将采集的数据处理输出利用核脉冲信号高速数字分离方法对重叠峰进行处理后的成形数据。该数字化谱仪包括数字脉冲处理核心；数字脉冲处理核心上包括顺次连接的放大器组件、ADC（Analog to Digital Converter）单元、FPGA（Field Programmable Gata Array）处理单元和接口单元；FPGA处理单元包括权利要求5-8所述的核脉冲信号高速数字分离系统；放大器组件与探测器和前置放大器组成的装置连接；所述接口单元与计算机系统连接；ADC与FPGA处理单元、接口单元与FPGA处理单元之间实现双向通信。

根据本申请的一个实施例，其中的ADC选用的是AD公司40MHZ12位高速ADC，FPGA选用的是Xilinx的XC3S500E，接口单元选用的是内嵌CAN协议处理单元的8位微控制器C8051F500，该数字化谱仪与计算机之间采用通讯速率为1Mbps的CAN通讯方式，FPGA与微控制器之间采用5Mbps的SPI通讯方式。因为一般的X射线分析系统还带有很多控制系统，为了数字化谱仪的扩展需要，采用了高可靠性的CAN总线。由于PC不带CAN接口，采用CAN-USB模块实现数据的转发。探测器采用美国Amptek公司SDD探测器。放大器组件由一级C-R高通滤波以及两级线形放大部分组成，线形放大倍数为10～20。探测器的成形信号时间常数τ=R×C，调整探测器信号的成形时间只需要调整R与C的取值即可；例如，R取值可以为680欧姆，C取值可以为4700pF，τ为3196nS。

图4为将上述核脉冲信号高速数字分离系统应用到FPGA中，CIT-3000SM能量色散X荧光分析仪进行实验，得到的铅黄铜X荧光光谱图。可以看出，经上述系统处理后的X荧光光谱没有引起歧义的杂峰，看到的均是铅黄铜的主峰。

实验例：

表一Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Pb和Sn没有进行高速数字分离的传统的数字化谱仪的X荧光光谱测试结果。

表一：

表二Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Pb和Sn基于本申请给出的数字化谱仪的X荧光光谱测试结果。

表二：

比较表一和表二的测试结果，结合放射性测量中的多道脉冲幅度特性及重峰特点可以看出：采用高速数字分离算法，对高速核脉冲信号进行分离，经过测试，发现修改前后荧光光谱图的形状基本没有发生变化，仪器分辨率都在130ev左右，但是采用新的脉冲分离算法后，所有的特征峰的面积都得到了提高。采用同一标样，同样的测量条件下进行对比测试，表一是基本的数字成形DPP测试结果，测试了10组的数据分别记录了Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Pb、Sn七个测量窗口的数据，求得平均值，最大值，最小值，极差，相对误差等参数，表二是有数字分离算法的数字成形DPP测试结果，处理方法相同。对比发现Mn的计数率提高了31%，Fe的计数率提高了33%，Ni的计数率提高了25%，Cu的计数率提高了11%，Zn的计数率提高了11%，Pb的计数率提高了62%，Sn的计数率提高了11%。测量数据的稳定性也得到了提高，特别是Pb的测量效果得到很大的提高。

所有的测量数据都没有扣除仪器的本底，采用新的算法后仪器的本底计数会有一定的增加。如果扣除仪器的本底，所有的测量窗口的净计数率都将有11%左右的提高，差别不会很大，这个效果对于需要高精度测量的场合非常重要。因此，该方法可以有效地分离高数核脉冲信号中出现的重峰，提高测量精度。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种核脉冲信号高速数字分离方法，其特征在于，实时采集数据，当采集的数字值大于基线时，开始实时采集脉冲幅度数据，并启动脉冲宽度测量；同时采用梯形算法进行实时成形处理，得到连续数字脉冲，连续数字脉冲包括上升沿和下降沿；上升沿对应脉冲幅度上升过程；下降沿对应脉冲幅度下降过程；上述核脉冲信号高速数字分离方法进一步包括以下步骤：

在脉冲幅度下降过程中，若采集的数字值出现连续n个点的增加，说明出现了重叠峰；此时，停止脉冲宽度测量，并对重叠峰进行处理；上述n＞1，且n取整数。

2.根据权利要求1所述的核脉冲信号高速数字分离方法，其特征在于，所述实时采集数据，采用FIFO数据传输方式。

3.根据权利要求1所述的核脉冲信号高速数字分离方法，其特征在于，在脉冲幅度下降过程中，若采集的数字值未出现连续n个点的增加，且采集的数字值不大于基线，则说明脉冲已停止，对脉冲作脉冲宽度甄别；若数字脉冲的脉冲宽度不属于正常峰的脉冲宽度范围，属于干扰并剔除掉所述数字脉冲。

4.根据权利要求1或3所述的核脉冲信号高速数字分离方法，其特征在于，n的取值为5。

5.一种核脉冲信号数字分离系统，其特征在于，包括：

数据采集模块，实时采集数据，当采集的数字值大于基线时，说明脉冲已启动，开始实时采集脉冲幅度数据；

启动模块，启动脉冲宽度测量；

梯形成形模块，采用梯形算法进行实时成形处理采集的数据，得到连续数字脉冲，连续数字脉冲包括上升沿和下降沿；上升沿对应脉冲幅度上升过程；下降沿对应脉冲幅度下降过程；

上述核脉冲信号高速数字分离系统进一步包括：

判断模块：在脉冲幅度下降过程中，用于判断采集的数字值是否出现连续n个点的增加；若采集的数字值未出现连续n个点的增加，且采集的数字值不大于基线，则说明脉冲已停止；

重叠峰处理模块，若采集的数字值出现连续n个点的增加，说明出现了重叠峰；此时，停止脉冲宽度测量，并对重叠峰进行处理；上述n＞1，且n取整数；

脉冲宽度甄别模块，用于在脉冲停止后，对脉冲作脉冲宽度甄别；若脉冲的脉冲宽度不属于正常峰的脉冲宽度范围，属于干扰并剔除掉所述数字脉冲。

6.一种数字化谱仪，具有示波器的功能，其特征在于，包括数字脉冲处理核心；所述数字脉冲处理核心包括顺次连接的放大器组件、ADC单元、FPGA处理单元和接口单元；所述FPGA处理单元包括权利要求5所述的核脉冲信号高速数字分离系统；所述放大器组件与探测器和前置放大器组成的装置连接；所述接口单元与计算机系统连接；所述ADC与FPGA处理单元、接口单元与FPGA处理单元之间实现双向通信；所述放大器组件由一级C-R高通滤波以及两级线性放大部分组成。

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