CN107817514B - 一种数字化核能谱测量系统中的脉冲阶梯成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种数字化核能谱测量系统中的脉冲阶梯成形方法，该方法利用负指数脉冲的尾部信息对其峰值进行修正的基本思想，通过阶梯成形方法对负指数脉冲信号的能量进行估计与修正处理，使其重新转变成阶梯信号，只要求出阶梯形前后台阶的高度差，即可得到负指数脉冲的峰值幅度。本发明所述数字化核能谱测量系统中的脉冲阶梯成形方法，能够自动兼顾无脉冲堆积时的能量分辨率和当脉冲堆积较严重时的脉冲通过率，相比其他数字化脉冲成形方法，特点明显。

Description

一种数字化核能谱测量系统中的脉冲阶梯成形方法

技术领域

本发明属于核辐射测量领域，可应用于数字化核能谱测量系统，可在保证能量分辨率的情况下实现堆积脉冲分离，特别适用于要求兼顾较高脉冲通过率和较好能量分辨率的能谱测量系统。

背景技术

在典型的放射性能谱测量系统中，射线能量与核探测器输出的能量是一致的，探测器输出的等效电荷经过前置放大器后变成电压脉冲，理想电荷灵敏前置放大器输出的信号为阶梯形，但因为受到运算放大器等电子学器件工作电源幅度范围的限制，一般先要将阶梯形信号经过微分等处理变换为负指数信号，然后进行放大等处理，处理后的脉冲峰值电压与射线能量成正比。

在放射性能谱测量系统中，能量分辨率和脉冲通过率是反映谱仪性能的两个重要指标，如果谱仪的能量分辨率较差，会极大增加谱线解释的难度，甚至可能得到错误的解释结果；如果谱仪的有效脉冲通过率较低，会影响仪器本身的探测效率，严重时甚至会降低谱仪的能量分辨率，进而降低了谱仪的性能。

在现有的数字化谱仪中，为了得到较好的能量分辨率，一般需要对放大器输出的脉冲信号先进行AD采样，然后进行数字化滤波成形，确保在提高信噪比的同时，能够更准确地提取脉冲峰值幅度。目前国内外学者研究较多的成形方法有：三角成形、梯形成形、高斯成形、CUSP成形、CR/RC成形等，而在实际应的数字化谱仪中，多采用三角成形/梯形成形，该方法能够得到较好的能量分辨率，同时可在一定程度上实现部分重叠脉冲的分离。

然而上述成形方法均不能在保证能量分辨率的同时，较好地实现堆积脉冲的分离。当脉冲堆积时，只能丢弃、或仅取第一个脉冲峰值，进而会造成有效脉冲通过率远低于实际输入脉冲数，甚至随着输入信号重叠脉冲概率的增大，脉冲通过率反而会下降，进而影响仪器本身的探测效率，严重时甚至会降低谱仪的能量分辨率。即使有些成形方法(如三角成形/梯形成形)能够把两个堆积不是很严重(即尾部堆积)的脉冲分开，也是以牺牲能量分辨率为代价的。

射线能量经过核探测器和理想电荷灵敏前置放大器输出的信号为阶梯形信号，阶梯前后台阶的高度差与射线能量成正比，但实际情况下，进入AD转换处理的信号为阶梯信号经过微分等处理后的负指数脉冲，负指数脉冲的幅度、能量(即完整的脉冲面积)均与射线能量成正比，但是因为受到AD采样频率等因素的限制，很难确保能够采到脉冲的最高峰值点。然而可通过负指数脉冲的尾部信息对其峰值进行修正，即如果通过阶梯成形方法对负指数脉冲信号的能量进行估计与修正处理，使其重新转变成阶梯信号，只要求出阶梯形前后台阶的高度差，即可得到负指数脉冲的峰值幅度。除非前后两个脉冲完全重叠，否则必会在阶梯形前后台阶上反映出一个高度差(即使台阶的宽度可能很窄)。

迄今为止，尚未见到有关脉冲阶梯成形的报道。

发明内容

本发明的目的是为了解决数字化核能谱测量系统中脉冲通过率较高情况下的能量分辨率和脉冲通过率无法兼顾的问题，而提出一种脉冲阶梯成形方法。

本发明的技术方案为：本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

(1)若负指数信号的衰减时间为τ，信号的峰值幅度为A，用函数可表示为

利用如下公式将输入负指数脉冲信号转换为阶梯信号：

S＝E＝Aτ

其中S表示负指数信号的面积，E可表示该负指数信号所拥有的能量；

可通过负指数脉冲信号的尾部信息对其脉冲幅度进行修正，对输入信号进行连续的AD采样，得到连续的采样序列：A(1)、A(2)、…、A(n-1)、A(n)，利用如下公式可将连续的负指数脉冲采样序列转换为阶梯信号：

S＝E＝Aτ

＝A(1)×Δt+A(2)·τ

＝A(1)·Δt+A(2)·Δt+A(3)·Δt+......+A(n-1)·Δt+A(n)·τ

其中Δt表示AD采样周期，令Δt＝“1”，则上式可表示为：

S＝E＝A(1)+A(2)+A(3)+......+A(n-1)+A(n)·τ

(2)采用小梯形面积代替小矩形面积，则上式可表示为：

S＝E＝A(1)/2+A(2)+A(3)+......+A(n-1)+A(n)/2+A(n)·τ

其中：A(1)/2+A(2)+A(3)+......+A(n-1)+A(n)/2为已放电能量，A(n)·τ为剩余能量；

(3)进一步将上述公式变换为递归算法，求得转换后的阶梯形能量E_ladder(n)：

E_dischg(1)＝E_dischg(2)＝A(1)/2

E_ladder(1)＝0

E_dischg(n)＝E_dischg(n-1)+A(n-1) n≥3

E_ladder(n)＝E_dischg(n)+A(n)/2+A(n)·τ n≥2

其中E_dischg(n)表示已放电能量，E_ladder(n)表示转换后的阶梯形能量；

(4)对连续的阶梯形能量波形E_ladder(n)进行一阶数值微分，得：

若输入信号的纹波干扰及噪声等幅度范围大于ε，如果满足条件：

则该点必为阶梯形能量波形新台阶的上升沿，同时也是新的负指数脉冲信号的上升沿，如果满足条件：

则该点必为阶梯形能量波形新台阶的下降沿，同时也是负指数脉冲信号的下降沿；

(5)若在FPGA中可使用改进的滑动平均值法对阶梯形能量波形的台阶平台进行滤波，在FPGA中开辟N个点的循环缓冲区，用于缓存阶梯形能量波形数据E_ladder(n)，公式如下：

E_avr(n)＝E_sum(n)/N n≥1

其中E_sum(n)表示累加后的总能量，L_lad表示阶梯平台长度，E_ladder(n)表示第n个点的阶梯形能量波形数据，即最新的一个数据，E_oldest(n)表示最老的一个数据，E_avr(n)表示滤波后的平均值；

若在CPU或计算机中可直接使用平均值法对阶梯形能量波形的台阶平台进行滤波，公式如下：

E_avr(n)＝E_sum(n)/L_lad n≥1

其中E_sum(n)表示累加后的总能量，L_lad表示平台长度，E_avr(n)表示滤波后的平均值；

(6)利用下列公式求各个负指数脉冲信号的能量E_pulse及其峰值幅度P_pulse：

Epre_avr＝E_avr(n-1)

其中Epre_avr表示前一个平台的能量平均值，E_pulse(n)表示各个负指数脉冲对应的能量，P_pulse(n)表示各个负指数脉冲信号的峰值。

本发明的优点在于：利用负指数脉冲的尾部信息对其峰值进行修正的基本思想，通过阶梯成形方法对负指数脉冲信号的能量进行估计与修正处理，使其重新转变成阶梯信号，只要求出阶梯形前后台阶的高度差，即可得到负指数脉冲的幅度，该方法能够自动兼顾无脉冲堆积时的能量分辨率和当脉冲堆积较为严重时的脉冲通过率。

附图说明

图1为本发明实施例1的系统结构框图；

图2为本发明实施例2的系统结构框图；

图3为本发明实施例1及实施例2的效果图；

图中：核辐射信号探测器-1，信号调理电路-2，高速模数转换器-3，数据采集卡-4，FPGA控制系统进行高速模数采样-5，数据缓存-6，高速通讯接口-7，基线扣除-8，负指数信号转换为阶梯信号-9，一阶数值微分-10，梯形平台平均值滤波-11，求得各个脉冲峰值幅度-12，计算机-13，FPGA控制芯片-14。

具体实施方式

本发明的基本思想是在以FPGA或数字采集卡等为核心的数字化核能谱测量系统中，利用高速模数转换器对输入射线脉冲信号进行连续采样，利用负指数脉冲的尾部信息对其峰值进行修正。通过阶梯成形方法对负指数脉冲信号的能量进行估计与修正处理，使其重新转变成阶梯信号，阶梯形前后台阶的高度差，即可得到负指数脉冲的峰值幅度。

实施例1：下面通过附图1和具体实施方式例1对本发明作更为详细的描述。

本发明所述的以FPGA为核心的脉冲阶梯成形的具体步骤如下：

a、由FPGA控制AD采样芯片按一定的时钟频率进行采样；

b、对采样数据先进行基线扣除，基线扣除方法可采用发明专利“数字化核能谱测量系统中的脉冲基线估计”中所公布的算法；

c、在FPGA中编程实现下述递归算法：

E_dischg(1)＝E_dischg(2)＝A(1)/2

E_ladder(1)＝0

E_dischg(n)＝E_dischg(n-1)+A(n-1) n≥3

E_ladder(n)＝E_dischg(n)+A(n)/2+A(n)·τ n≥2

其中A(1)、…、A(n-1)、A(n)为通过AD采样得到的数据经过基线扣除后的结果，E_dischg(n)表示已放电能量，E_ladder(n)表示转换后的阶梯形能量；

只需要执行三次加法、一次移位运算和一次乘法，即可实现将负指数脉冲信号转变为阶梯形能量信号；

d、对连续的阶梯形能量波形E_ladder(n)进行一阶数值微分，得：

若输入信号的纹波干扰及噪声等幅度范围大于ε，如果满足条件：

则该点必为阶梯形能量波形新台阶的上升沿，同时也是新的负指数脉冲信号的上升沿，如果满足条件：

则该点必为阶梯形能量波形新台阶的下降沿，同时也是负指数脉冲信号的下降沿；

e、使用改进的滑动平均值法对阶梯形能量波形的台阶平台进行滤波，在FPGA中开辟N个点的循环缓冲区，用于缓存阶梯形能量波形数据E_ladder(n)，公式如下：

E_avr(n)＝E_sum(n)/N n≥1

其中E_sum(n)表示累加后的总能量，L_lad表示平台长度，E_ladder(n)表示第n个点的阶梯形能量波形数据(即最新的一个数据)，E_oldest(n)表示最老的一个数据，E_avr(n)表示滤波后的平均值；

f、利用下列公式求各个负指数脉冲信号的能量E_pulse及其峰值幅度P_pulse：

Epre_avr＝E_avr(n-1)

其中Epre_avr表示前一个平台的能量平均值，E_pulse(n)对各个负指数脉冲对应的能量，P_pulse(n)表示各个负指数脉冲信号的峰值；

g、为了保证P_pulse(n)的精度，需要确保阶梯形能量波形的台阶平台比较平缓，不会上斜或下倾，如果平台出现上斜可通过增大τ取值进行修正、下倾可通过减小τ取值进行修正；

h、为了保证后续能谱曲线的能量分辨率，需要阶梯的平台L_lad有一定的长度，L_lad越小越容易进行堆积脉冲分离，但会降低能量分辨率，因为输入信号的纹波干扰及噪声幅度ε会影响脉冲峰值P_pulse(n)的计算精度；

L_lad越大能量分辨率越好，但是需要丢弃堆积较严重的第一个脉冲(即被堆积的脉冲)，因为该脉冲信号的幅度无法通过足够的脉冲尾部进行修正；

若ε为10mV，而能谱测量系统要求达到的数据处理精度为1mV，则只要L_lad≥10即可达到较好的脉冲峰值P_pulse(n)计算精度和较理想的能量分辨率。

实施例2：下面通过附图2和具体实施方式例2对本发明作更为详细的描述。

本发明所述的以数字采集卡为核心的脉冲阶梯成形的具体步骤如下：

a、由高速数字采集卡控制系统按一定的时钟频率进行模数采样，采样数据经过缓存后通过高速接口传递给计算机；

b、对输入脉冲数据先进行基线扣除，基线扣除方法可采用发明专利“数字化核能谱测量系统中的脉冲基线估计”中所公布的算法；

c、利用下述递归算法，将负指数脉冲信号转变为阶梯形能量信号：

E_dischg(1)＝E_dischg(2)＝A(1)/2

E_ladder(1)＝0

E_dischg(n)＝E_dischg(n-1)+A(n-1) n≥3

E_ladder(n)＝E_dischg(n)+A(n)/2+A(n)·τ n≥2

其中A(1)、…、A(n-1)、A(n)为通过AD采样得到的数据经过基线扣除后的结果，E_dischg(n)表示已放电能量，E_ladder(n)表示转换后的阶梯形能量；

d、对连续的阶梯形能量波形E_ladder(n)进行一阶数值微分，得：

若输入信号的纹波干扰及噪声等幅度范围大于ε，如果满足条件：

则该点必为阶梯形能量波形新台阶的上升沿，同时也是新的负指数脉冲信号的上升沿，如果满足条件：

则该点必为阶梯形能量波形新台阶的下降沿，同时也是负指数脉冲信号的下降沿；

e、使用平均值法对阶梯形能量波形的台阶平台进行滤波，公式如下：

E_avr(n)＝E_sum(n)/L_lad n≥1

其中E_sum(n)表示累加后的总能量，L_lad表示平台长度，E_avr(n)表示滤波后的平均值；

f～h、步骤f～步骤h与实例1一致。

由实施例1和实施例2得到的脉冲阶梯成形效果如图3所示，其中AD采样频率为50MHz、AD转换精度为1mV、纹波及噪声等干扰幅度ε≈50mV、滑动滤波长度N＝128，从图中可以看出，该方法能够很好地区分堆积脉冲，同时能够保证成形后的结果与负指数脉冲峰值幅度基本吻合，即该方法能够兼顾能谱测量中的能量分辨率和脉冲通过率。

Claims (1)

1.一种数字化核能谱测量系统中的脉冲阶梯成形方法，其步骤：

(1)若负指数信号的衰减时间为τ，信号的峰值幅度为A，用函数可表示为

利用如下公式将输入负指数脉冲信号转换为阶梯信号：

S＝E＝Aτ

其中S表示负指数信号的面积，E可表示该负指数信号所拥有的能量；

可通过负指数脉冲信号的尾部信息对其脉冲幅度进行修正，对输入信号进行连续的AD采样，得到连续的采样序列：A(1)、A(2)、…、A(n-1)、A(n)，利用如下公式可将连续的负指数脉冲采样序列转换为阶梯信号：

S＝E＝Aτ

＝A(1)×Δt+A(2)·τ

＝A(1)·Δt+A(2)·Δt+A(3)·Δt+......+A(n-1)·Δt+A(n)·τ

其中Δt表示AD采样周期，令Δt＝”1”，则上式可表示为：

S＝E＝A(1)+A(2)+A(3)+......+A(n-1)+A(n)·τ

(2)采用小梯形面积代替小矩形面积，则上式可表示为：

S＝E＝A(1)/2+A(2)+A(3)+......+A(n-1)+A(n)/2+A(n)·τ

其中：A(1)/2+A(2)+A(3)+......+A(n-1)+A(n)/2为已放电能量，A(n)·τ为剩余能量；

(3)进一步将上述公式变换为递归算法，求得转换后的阶梯形能量E_ladder(n)：

E_dischg(1)＝E_dischg(2)＝A(1)/2

E_ladder(1)＝0

E_dischg(n)＝E_dischg(n-1)+A(n-1) n≥3

E_ladder(n)＝E_dischg(n)+A(n)/2+A(n)·τ n≥2

其中E_dischg(n)表示已放电能量，E_ladder(n)表示转换后的阶梯形能量；

(4)对连续的阶梯形能量波形E_ladder(n)进行一阶数值微分，得：

d_Eladder(n)＝E_ladder(n)-E_ladder(n-1)

若输入信号的纹波干扰及噪声等幅度范围大于ε，如果满足条件：

d_Eladder(n)/τ＞ε n≥2

则该点必为阶梯形能量波形新台阶的上升沿，同时也是新的负指数脉冲信号的上升沿，如果满足条件：

d_Eladder(n)/τ≤ε n≥2

则该点必为阶梯形能量波形新台阶的下降沿，同时也是负指数脉冲信号的下降沿；

(5)若在FPGA中可使用改进的滑动平均值法对阶梯形能量波形的台阶平台进行滤波，在FPGA中开辟N个点的循环缓冲区，用于缓存阶梯形能量波形数据E_ladder(n)，公式如下：

E_avr(n)＝E_sum(n)/N n≥1

其中E_sum(n)表示累加后的总能量，L_lad表示阶梯平台长度，E_ladder(n)表示第n个点的阶梯形能量波形数据，即最新的一个数据，E_oldest(n)表示最老的一个数据，E_avr(n)表示滤波后的平均值；

若在CPU或计算机中可直接使用平均值法对阶梯形能量波形的台阶平台进行滤波，公式如下：

E_avr(n)＝E_sum(n)/L_lad n≥1

其中E_sum(n)表示累加后的总能量，L_lad表示平台长度，E_avr(n)表示滤波后的平均值；

(6)利用下列公式求各个负指数脉冲信号的能量E_pulse及其峰值幅度P_pulse：

Epre_avr＝E_avr(n-1)

其中Epre_avr表示前一个平台的能量平均值，E_pulse(n)表示各个负指数脉冲对应的能量，P_pulse(n)表示各个负指数脉冲信号的峰值。

Images