CN103941279A - 基于脉宽和幅度双参数的核脉冲信号数字高斯成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于脉宽和幅度双参数的核脉冲信号数字高斯成形方法，其步骤：基于Sallen-Key滤波器，运用基尔霍夫电流定律建立节点之间的电流传递方程；传递方程变换过程中运用脉宽和幅度因子进行参数替代；变换后的传递方程是一个二次微分方程，运用微分数值法求解该方程，从而得到高斯成形模型。本发明的优点在于：在系统方法设计上，在核脉冲信号进行幅度分析前进行了脉冲成形处理，提高了整个测量系统的综合指标。在脉冲成形设计方法上，采用了基于可编程逻辑器件的数字化设计方法，提示了成形系统的工作稳定性、测量一致性、参数通用性和后期维护性。在系统性能上，采用了数字脉冲成形技术后，Fe-55核素能量分辨率提高超过20eV。

Description

基于脉宽和幅度双参数的核脉冲信号数字高斯成形方法

技术领域

本发明涉及核分析技术，尤其是一种基于脉宽和幅度双参数的核脉冲信号数字高斯成形方法。

背景技术

核分析技术具有高精度、高灵敏度、微量元素等特点，能够提供其他检测手段所不能提供的信息，为多种学科的基础研究提供了灵敏而精确的实验方法和分析手段。相应的，核仪器的发展一直受到人们广泛关注。20世纪90年代以来，随着电子技术的高度发展及其在核仪器中的应用，数字化已成为核仪器发展的主要方向。核仪器数字化的关键技术是数字脉冲成形技术，已成为近年来核信号处理最为活跃的研究领域。数字化脉冲成形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。

如果核仪器中探测器产生的电荷被瞬时收集，则探测器和电荷灵敏前置放大器系统的输出信号可描述为基于一个时间常数的指数衰减信号。而高斯波形的脉冲信号在提高信号噪声比、减小弹道亏损等方面具有良好的综合表现。因此，为了提高分析仪器的综合性能，脉冲成形单元需要将指数衰减信号滤波变换为高斯波形信号。

现有核脉冲信号高斯成形的方法有基于分立元件的设计和基于小波变换的设计2种。基于分立元件的方法在工作稳定性、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。此外，真正的高斯脉冲成形具有反因果部分，模拟系统难以实现。基于小波分析的方法在小波函数的选取上难度较大，并且该方法以傅里叶变换为基础，计算量巨大，不能保证信号处理的实时性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于脉宽和幅度双参数的核脉冲信号数字高斯成形方法，该方法能够克服传统核脉冲信号成形方法的诸多缺陷，独立控制成形输出脉冲信号的脉宽和幅度，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、测量可靠性的问题，从而能够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。

本发明的技术方案为：一种基于脉宽和幅度双参数的核脉冲信号数字高斯成形方法，其步骤：A、基于Sallen-Key滤波器，运用基尔霍夫电流定律建立节点之间的电流传递方程；B、传递方程变换过程中运用脉宽和幅度因子进行参数替代；C、变换后的传递方程是一个二次微分方程，运用微分数值法求解该方程，从而得到高斯成形模型。

本发明的优点在于：在系统方法设计上，在核脉冲信号进行幅度分析前进行了脉冲成形处理，提高了整个测量系统的综合指标。在脉冲成形设计方法上，采用了基于可编程逻辑器件的数字化设计方法，提示了成形系统的工作稳定性、测量一致性、参数通用性和后期维护性。在电路功能上主要完成核脉冲信号的数字化高斯成形。在放射性测量中，核辐射探测器将不同能量的射线粒子转换成相应大小的呈指数衰减的微弱电信号，然后通过后续电路，对这个微弱的电信号进行幅度放大，使之成为一个电脉冲信号后进入后续处理电路。通过控制电路控制高速ADC模块进行工作，把不同幅度的模拟脉冲信号转换成对应的数字信号。这些代表信号幅度大小的数字信号在数字脉冲处理模块内部，按照数字硬件滤波器转换成对应数字高斯脉冲信号因为高斯型波形信号顶部比较平坦，而且在数字成形处理中采取了抑制噪声的措施。因此，对数字成形后的高斯型脉冲信号进行分析，能够获得较高的系统指标。在系统性能上，采用了数字脉冲成形技术后，Fe-55核素能量分辨率提高超过20eV。

附图说明

图1为核脉冲信号高斯成形的电路模型；

图2为核探测器的输出波形图；

图3为核脉冲信号数字化成形后波形图；

图4为核脉冲信号谱线图。

具体实施方式

一种基于脉宽和幅度双参数的核脉冲信号数字高斯成形方法：

图1中标记4个节点(节点1～4)，分别标识对应的电压V_f，V_p，V_n和V_o。根据基尔霍夫电流定律(Kirchhoff Current Law)，建立如式⑴～⑷的4个传递公式。

$\frac{(V_{\mathrm{in}}-V_f)}{R_1}=\frac{(V_f-V_p)}{R_2}+C_2\·\frac{d(V_f-V_o)}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

$\frac{(V_f-V_p)}{R_2}=C_1\·\frac{{\mathrm{dV}}_p}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

$V_n=V_o\·\frac{R_3}{R_3+R_4}---\left(3\right)$

V_n＝V_p                 ⑷

上述式⑴～⑷，取R₁＝R₂＝＝R，C₁＝C₂＝C。

令(幅度参数)，则得到

a·V_n＝V_o                   ⑸

将⑸式代入⑴、⑵和⑷式得到

$a\·V_{\mathrm{in}}={\left(\mathrm{RC}\right)}^2\·\frac{d\left(\frac{{\mathrm{dV}}_o}{\mathrm{dt}}\right)}{\mathrm{dt}}+\mathrm{RC}\·(3-a)\·\frac{{\mathrm{dV}}_o}{\mathrm{dt}}+V_o---\left(6\right)$

将式⑹变换为：

(RC)²·y″+RC·(3-a)·y'+y＝a·x          ⑺

采用微分数值法将式⑺变换为：

${\left(\mathrm{RC}\right)}^2\·\frac{(\frac{y_{n+1}-y_n}{\mathrm{\Δt}}-\frac{y_n-y_{n-1}}{\mathrm{\Δt}})}{\mathrm{\Δt}}+\mathrm{RC}\·(3-a)\·\frac{y_{n+1}-y_n}{\mathrm{\Δt}}+y_{n+1}=a\·x---\left(8\right)$

将式⑻进行合并整理后，得：

$\begin{array}{c}(1+\frac{\mathrm{RC}(3-a)}{\mathrm{\Δt}}+{\left(\frac{\mathrm{RC}}{\mathrm{\Δt}}\right)}^2)\·y_{n+1}=(\frac{\mathrm{RC}\·(3-a)}{\mathrm{\Δt}}+2{\left(\frac{\mathrm{RC}}{\mathrm{\Δt}}\right)}^2)\·y_n\\ -{\left(\frac{\mathrm{RC}}{\mathrm{\Δt}}\right)}^2\·y_{n-1}+a\·x\end{array}---\left(9\right)$

令(脉宽参数)，将式⑼变换为：

(1+k(3-a)+k²)·y_n+1＝(k(3-a)+2k²)·y_n-k²·y_n-1+a·x     ⑽

根据式⑽可以得到：

$y_n=\frac{({2k}^2+(3-a)k)\·y_{n-1}-k^2\·y_{n-2}+a\·x_n}{k^2+(3-a)k+1},n>0---\left(11\right)$

y_n＝0,n≤0

其中，k、a表示高斯成形输出信号的调整参数，调整k、a可以分别调整输出高斯波形的脉冲宽度和脉冲幅度，因此我们把k定义为脉宽因子，把a定义为幅度因子。

如图2所示，核探测器输出的波形图。这种呈指数衰减的核脉冲信号，当中混杂着噪声等干扰信号，如果直接进行脉冲幅度分析，整个系统的能量分辨率通常是在180eV～200eV之间。

如图3所示，核脉冲信号经过数字化成形的波形图。采用的是数字化高斯成形方法。高斯脉冲波形顶部比较平坦，能够提高信号噪声比，减小弹道亏损，并且可以去除无用的干扰信号。

如图4所示，经过数字化脉冲成形后的核脉冲信号谱线图。实测Fe-55核素能量分辨率为160eV，较未经脉冲成形前的能量分辨率提高超过20eV。

Claims (1)

1.一种基于脉宽和幅度双参数的核脉冲信号数字高斯成形方法，其步骤：A、基于Sallen-Key滤波器，运用基尔霍夫电流定律建立节点之间的电流传递方程；B、传递方程变换过程中运用脉宽和幅度因子进行参数替代；C、变换后的传递方程是一个二次微分方程，运用微分数值法求解该方程，从而得到高斯成形模型。