CN108508046B - 一种衍射信号接收并处理的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种衍射信号接收并处理的方法，涉及X射线探测技术领域。一种衍射信号接收并处理的装置，包括供电电源、信号处理系统、中央控制系统和显示系统；信号处理系统一端连接闪烁探测器，接收闪烁探测器输出的毫伏级弱电压脉冲信号，并将其转化为标准的数字脉冲信号和连续模拟信号；信号处理系统的另一端与中央控制系统相连；中央控制系统与显示系统相连；供电电源为整个装置和闪烁探测器供电。本发明提供采用衍射信号接收并处理的装置进行衍射信号接收并处理的方法。本发明提供的衍射信号接收并处理的方法，在满足同样测量精度要求的前提下，使闪烁探测器对X光管电流的强度要求大幅度减小，延长了X射线管的使用寿命。

Description

一种衍射信号接收并处理的方法
技术领域
本发明涉及X射线探测技术领域，尤其涉及一种衍射信号接收并处理的方法。
背景技术
目前国内外市场通用的单晶体材料X射线定向仪领域基本都采用盖革计数器作为接收器，经历了压电晶体SiO2、硅单晶Si、宝石Al2O3这三种典型的单晶体材料，以及即将大规模生产的碳化硅SiC材料，使人明显的感觉到单晶体材料的深入研究对设备精度和检测难度的要求越来越高。
传统的单晶体材料定向仪上面使用的多为盖革计数管，但是随着单晶体材料的不断出新，晶面衍射能力越来越弱，检测难度越来越大，现有测量方法只能通过增加X射线的强度，调高盖革计数管两端的电压来实现，例如：对于AL2O3晶体C向进行定向，对于现有的X射线定向仪只能将X光管的管电流提高到2mA，同时还要将盖革计数管接收器两端电压调节到接近饱和的DC1000V以上(此时盖革计数管或正比计数管已经非常接近非线性工作区)，才能满足测量要求，但是精度确大幅度下降。由于提高了X射线管的管电流，使得X射线管的使用寿命大幅度下降到原寿命的1/10，同时由于提高了盖革计数管接收器两端的高压，也使得其寿命大幅度减少。
闪烁探测器被作为一种探测放射线能谱、计数率等最常用的传感器之一，在X射线领域也有着广泛的应用。利用X射线激发某些固体物质(如碘化钠)发射荧光，并通过光电管进行测量。由于所发射的荧光量子很少，故须采用特殊的光电管--光电倍增管放大，以获得足以测量的电流。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供一种衍射信号接收并处理的方法，接收闪烁探测器输出的毫伏级微弱信号，并将其进行处理输出。
一种衍射信号接收并处理的装置包括供电电源、信号处理系统、中央控制系统和显示系统；所述信号处理系统一端连接闪烁探测器，接收闪烁探测器输出的毫伏级弱电压脉冲信号，并将其转化为标准的数字脉冲信号和连续模拟信号；所述信号处理系统的另一端与中央控制系统的输入端相连；所述中央控制系统的输出端与显示系统相连，将经过中央控制系统处理的脉冲信号进行显示；所述供电电源与信号处理系统、中央控制系统和显示系统均相连，为整个装置供电，同时供电电源还与闪烁探测器相连，为其供电。
优选地，所述供电电源包括直流低压电源和直流高压电源；所述直流低压采用开关电源，提供三组固定的电压输出，分别为+12V、–12V和+5V；所述直流高压电源的输出用10圈螺旋电位器进行调节，调节范围为0V～1000V，每圈为100V。
优选地，所述信号处理系统包括依次连接的放大滤波电路、整形电路、高阻器件和放大积分电路；
优选地，所述放大滤波电路包括两级放大电路。
优选地，所述高阻器件采用OP27GP高输入阻抗运算放大器。
优选地，所述中央控制系统采用TMS320F28335型DSP芯片。
优选地，所述中央控制系统的输入端包括A/D端口和I/O端口，分别接收信号处理系统的标准模拟信号和数字脉冲信号。
优选地，所述显示系统采用液晶显示器。
一种采用上述衍射信号接收并处理的装置进行衍射信号接收并处理的方法，包括以下步骤：
步骤1、直流低压电源将50周交流220V的供电电压变换为稳定的直流低压输出，提供装置中各器件所需的直流工作电压；直流高压电源提供闪烁探测器所需的工作偏压；
步骤2、信号处理系统将从闪烁探测器接收的毫伏级弱电压脉冲信号进行处理，得到数字脉冲信号和标准模拟信号，并通过中央控制系统的的I/O端口和A/D端口传输到中央控制系统中；
所述信号处理系统对毫伏级弱电压脉冲信号进行处理的具体方法为：
信号处理系统将从闪烁探测器接收的毫伏级弱电压脉冲信号经过放大滤波电路进行放大处理；整形电路将放大滤波电路输出的放大电压作为输入电压，并通过设定的道宽值和阈值将过大和过小的小电压脉冲信号滤掉，达到整形的要求，将该电压脉冲信号作为脉冲数计数率Count通过中央控制系统的I/O端口输出到中央控制系统中；电压脉冲信号再经过OP27GP高输入阻抗运算放大器的处理，变为mA级脉冲信号；得到的mA级脉冲信号再通过积分放大电路进行积分放大；经过积分后的信号有较多的高频噪声，再通过电压跟随器进行低通滤波得到标准模拟信号；最后将得到的标准模拟信号通过中央控制系统的A/D端口输出到中央控制系统中。
步骤3、微处理器对来自信号处理系统的标准模拟信号中的衍射峰信号基于小波阈值滤波原理进行降噪与光滑以及本底的扣除处理；对来自信号处理系统的数字信号以脉冲数计数率来表示衍射强度；
步骤4、将经过微处理器处理的闪烁探测器的电压以脉冲计数率和模拟量两种形式显示在显示器上，以此显示X射线衍射强度，完成对衍射信号的接收及处理。
由上述技术方案可知，本发明的有益效果在于：本发明提供的一种衍射信号接收并处理的方法，采用了合理的频压转换电路，实现了实时的模拟信号转换，为现有的X射线定向仪提供了标准的连续模拟信号接口。采用基于小波变换的方法，对输出的连续模拟信号进行滤波处理，滤除了所有干扰因素对装置输出信号的影响，得到了高质量的连续模拟信号。本发明较传统的盖革计数管具有明显的技术优势，在满足同样测量精度要求的前提下，使闪烁探测器对X光管电流的强度要求大幅度减小，延长了X射线管的使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种衍射信号接收并处理的装置的结构框图；
图2为本发明实施例提供的信号处理系统的工作流程图；
图3为本发明实施例提供的采用本发明的衍射信号接收并处理的装置进行衍射信号接收并处理的方法的流程图；
图4为本发明实施例提供的基于小波阈值滤波原理对标准模拟信号中的衍射峰信号进行降噪与光滑以及本底的扣除处理的流程图；
图5为本发明实施例提供的衍射峰原始信号的曲线图；
图6为本发明实施例提供的对衍射峰信号进行小波分解的细节信号曲线图；
图7为本发明实施例提供的对衍射峰信号进行降噪处理后的衍射峰曲线图；
图8为本发明实施例提供的对衍射峰信号进行扣除本底后的仿真图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本实施例以某闪烁探测器为例，使用本发明的衍射信号接收并处理的装置及方法对该闪烁探测器接收的X射线强度进行测量。
一种衍射信号接收并处理的装置如图1所示，包括供电电源、信号处理系统、中央控制系统和显示系统信号处理系统一端连接闪烁探测器，接收闪烁探测器输出的毫伏级弱电压脉冲信号，并将其转化为标准的数字脉冲信号和连续模拟信号；信号处理系统的另一端与中央控制系统的输入端相连；中央控制系统的输出端与显示系统相连，将经过中央控制系统处理的脉冲信号进行显示；供电电源与信号处理系统、中央控制系统和显示系统均相连，为整个装置供电，同时供电电源还与闪烁探测器相连，为其供电。
供电电源包括直流低压电源和直流高压电源；所述直流低压采用开关电源，提供三组固定的电压输出，分别为+12V、–12V和+5V；所述直流高压电源的输出用10圈螺旋电位器进行调节，调节范围为0V～1000V，每圈为100V。
信号处理系统包括依次连接的放大滤波电路、整形电路、高阻器件和放大积分电路。放大滤波电路包括两级放大电路。高阻器件采用OP27GP高输入阻抗运算放大器。
中央控制系统采用TMS320F28335型DSP芯片，中央控制系统的输入端包括A/D端口和I/O端口，分别接收信号处理系统的标准模拟信号和数字脉冲信号。显示系统采用液晶显示器。
采用上述衍射信号接收并处理的装置进行衍射信号接收并处理的方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤1、直流低压电源将50周交流220V的供电电压变换为稳定的直流低压输出，提供装置中各器件所需的直流工作电压；直流高压电源提供闪烁探测器所需的工作偏压；
步骤2、信号处理系统将从闪烁探测器接收的毫伏级弱电压脉冲信号进行处理，得到数字脉冲信号和标准模拟信号，并通过中央控制系统的I/O端口和A/D端口传输到中央控制系统中；
信号处理系统对毫伏级弱电压脉冲信号进行处理如图3所示，具体方法为：
信号处理系统将从闪烁探测器接收的毫伏级弱电压脉冲信号经过放大滤波电路进行放大处理；整形电路将放大滤波电路输出的放大电压作为输入电压，并通过设定的道宽值和阈值将过大和过小的小电压脉冲信号滤掉，达到整形的要求，将该电压脉冲信号作为脉冲数计数率Count通过中央控制系统的I/O端口输出到中央控制系统中；电压脉冲信号再经过OP27GP高输入阻抗运算放大器的处理，变为mA级脉冲信号；得到的mA级脉冲信号再通过积分放大电路进行积分放大；经过积分后的信号有较多的高频噪声，再通过电压跟随器进行低通滤波得到标准模拟信号；最后将得到的标准模拟信号通过中央控制系统的A/D端口输出到中央控制系统中。
步骤3、中央控制系统对来自信号处理系统的标准模拟信号中的衍射峰信号基于小波阈值滤波原理按如图4所示的流程进行降噪与光滑以及本底的扣除处理；对来自信号处理系统的数字信号以脉冲数计数率来表示衍射强度；
小波阈值滤波的方法为：
(1)确定小波和小波分解的具体的层数，然后计算相应层的小波系数；
本实施例中，将coif5作为小波函数，利用Mallat算法对衍射峰信号进行小波分解。coif5小波是Coiflets系列小波，表示形式为coif N(N＝1,2,3,4,5)。Coiflets小波函数具有正交性、双正交性、紧支撑性、可以进行连续和离散小波变换且效果良好。将如图5所示的衍射峰原始信号分解为如图6所示的细节信号，d1-d4分别对应第1尺度到第4尺度分解的细节信号。
(2)确定阈值，利用阈值函数对高频层小波系数进行处理；
小波阈值滤波包括硬阈值滤波和软阈值滤波两种。硬阈值的滤波原理如下公式所示：当信号的小波系数大于等于设定阈值时，保留该系数，当小波系数小于阈值时，将该小波系数清零。
Figure GDA0002824588230000051
其中，xi,j为小波系数，th为设定的阈值；
软阈值的滤波原理如下式所示，当小波系数大于设定阈值时，将小波系数向零逼近th个数量单位，当小波系数小于设定阈值时，将该系数清零。
Figure GDA0002824588230000052
软阈值的滤波中，阈值th的确定采用Donoho等人提出的根据阈值估计风险定义确定的阈值，如下公式所示：
Figure GDA0002824588230000053
其中，σu为噪声信号的标准差，N为信号的长度。
本实施例中，依次计算尺度1到尺度4的各个尺度的阈值，对各个尺度小波系数进行软阈值滤波。
(3)将处理过的小波系数进行重构；
将处理过的小波系数，根据coif5小波函数，利用Mallat重构递推公式进行重构，实现对衍射峰信号的降噪与光滑处理，最后得到如图7所示的滤波后的曲线。
衍射峰曲线扣除本底仍选用coif5小波进行衍射峰曲线本底的扣除。采用coif5小波对衍射峰进行12层的分解。将第12尺度的小波的低频系数全部置零，然后再对信号进行重构，得到如图8所示的衍射峰信号，图中实线为经过小波软阈值滤波后的衍射峰曲线，虚线的曲线为扣除衍射峰背底后的曲线。
步骤4、将经过微处理器处理的闪烁探测器的电压以脉冲计数率和模拟量两种形式显示在显示器上，以此显示X射线衍射强度，完成对衍射信号的接收及处理。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (2)

1.一种衍射信号接收并处理的方法，采用一种衍射信号接收并处理的装置进行，所述装置包括供电电源、信号处理系统、中央控制系统和显示系统；所述信号处理系统一端连接闪烁探测器，接收闪烁探测器输出的毫伏级弱电压脉冲信号，并将其转化为标准的数字脉冲信号和连续模拟信号；所述信号处理系统的另一端与中央控制系统的输入端相连；中央控制系统对来自信号处理系统的标准模拟信号中的衍射峰信号基于小波阈值滤波原理进行降噪与光滑以及本底的扣除处理；对来自信号处理系统的数字信号以脉冲数计数率来表示衍射强度；所述中央控制系统的输出端与显示系统相连，将经过中央控制系统处理的脉冲信号进行显示；所述供电电源与信号处理系统、中央控制系统和显示系统均相连，为整个装置供电，同时供电电源还与闪烁探测器相连，为其供电；
所述信号处理系统包括依次连接的放大滤波电路、整形电路、高阻器件和放大积分电路；
所述供电电源包括直流低压电源和直流高压电源；
其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤1、直流低压电源将50周交流220V的供电电压变换为稳定的直流低压输出，提供装置中各器件所需的直流工作电压；直流高压电源提供闪烁探测器所需的工作偏压；
步骤2、信号处理系统将从闪烁探测器接收的毫伏级弱电压脉冲信号进行处理，得到数字脉冲信号和标准模拟信号，并通过中央控制系统的的I/O端口和A/D端口传输到中央控制系统中；
步骤3、微处理器对来自信号处理系统的标准模拟信号中的衍射峰信号基于小波阈值滤波原理进行降噪与光滑以及本底的扣除处理；对来自信号处理系统的数字信号以脉冲数计数率来表示衍射强度；
步骤4、将经过微处理器处理的闪烁探测器的电压以脉冲计数率和模拟量两种形式显示在显示器上，以此显示X射线衍射强度，完成对衍射信号的接收及处理。
2.根据权利要求1所述一种衍射信号接收并处理的方法，其特征在于：所述信号处理系统对毫伏级弱电压脉冲信号进行处理的具体方法为：
信号处理系统将从闪烁探测器接收的毫伏级弱电压脉冲信号经过放大滤波电路进行放大处理；整形电路将放大滤波电路输出的放大电压作为输入电压，并通过设定的道宽值和阈值将过大和过小的小电压脉冲信号滤掉，达到整形的要求，将该电压脉冲信号作为脉冲数计数率Count通过中央控制系统的I/O端口输出到中央控制系统中；电压脉冲信号再经过OP27GP高输入阻抗运算放大器的处理，变为mA级脉冲信号；得到的mA级脉冲信号再通过积分放大电路进行积分放大；经过积分后的信号有较多的高频噪声，再通过电压跟随器进行低通滤波得到标准模拟信号；最后将得到的标准模拟信号通过中央控制系统的A/D端口输出到中央控制系统中。
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