CN109085638B - 一种基于带通滤波的粒子实时甄别系统及构建和甄别方法 - Google Patents

一种基于带通滤波的粒子实时甄别系统及构建和甄别方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及辐射测量技术领域，具体涉及一种基于带通滤波的粒子实时甄别系统及构建和甄别方法。该基于带通滤波的粒子实时甄别系统包括探测器、阻抗匹配单元、粒子特征频带滤波单元、粒子能量表征单元和模数转换单元；探测器通过阻抗匹配单元将信号分为两路，一路信号进入粒子特征频带滤波单元，然后通过模数转换单元实现粒子类别信息的提取；另一路信号进入粒子能量表征单元处理后，通过模数转换单元实现粒子能量信息的提取。该系统稳定性好，对环境敏感度低，耐射线辐照且实现方式简单，能够实时实现对空间粒子的实时甄别测量。

Description

一种基于带通滤波的粒子实时甄别系统及构建和甄别方法
技术领域
本发明涉及辐射测量技术领域，具体涉及一种应用于空间粒子混合辐射场测量的、基于带通滤波的粒子实时甄别的测量系统及构建和甄别方法。
背景技术
高能宇宙射线与大气层中的氧、氮等原子相互作用引起级联簇射，从而形成包括中子和伽马射线等在内的复杂空间辐射场。空间辐射场粒子能谱测量是认识空间环境、推动空间应用开发的重要环节。由于探测器对各种类型粒子一般均有响应，为测量空间中各类粒子的能谱等信息，基于波形甄别的粒子甄别技术得到了广泛的研究和发展。总体来说，现有波形甄别技术分为模拟电路实时甄别分析和基于高速ADC采集波形数据进行分析甄别。然而，对于空间测量尤其是空天环境中的粒子测量，现有的测量系统面临着诸多困难。
首先，由于探测器响应波形的时间跨度一般是纳秒量级，若采用高速ADC直接采集波形，则对ADC电路的采样率提出了极高的要求。为保证采样的频率和采样的精度，电路规模会变得比较庞大，不利于探测系统的小型化，同时还要求有一个较为稳定的外部环境。然而，由于空天环境稳定性较差，同时所采用的电路也会曝光于辐射场中，精密复杂的数字电路会受到较大影响，很难保证其运行的稳定性。
其次，由于需要实时测量，所采集的波形数据量庞大，海量数据的实时传输也存在着很大的问题。由于探测器位置离地面较远，信息的传递需要借助卫星，大量数据的传递占用了过多的信道资源，必然会增加了成本，造成了资源的浪费。
再次，若采用现有的模拟电路进行波形甄别，由于现有模拟甄别电路所采用的方法有上升时间法、过零时间法、电荷比较法、脉冲梯度分析等，其中使用了较多的精密的有源器件，如：FPGA等。这些有源器件不仅需要额外供电，而且耐辐照性能差，难以适应空天复杂环境下长时间测量的需要。
综上，有必要根据空间辐射环境测量需要，发展新的粒子甄别系统和方法。
发明内容
针对现有粒子甄别技术存在占用信道资源过多、难以适应空天复杂环境下长时间测量需要的问题，本发明提出了基于带通滤波的粒子实时甄别系统及构建和甄别方法，该系统及方法可以降低信号的频带范围，减弱对后续电路的要求，使信号更易于处理的同时提高了系统的稳定性。
本发明解决上述问题的技术方案是，一种基于带通滤波的粒子实时甄别系统，其特殊之处在于：
包括探测器、阻抗匹配单元、粒子特征频带滤波单元、粒子能量表征单元和模数转换单元；
阻抗匹配单元将接收到的探测器信号分为两路，一路信号进入粒子特征频带滤波单元，然后通过模数转换单元实现粒子类别信息的提取；另一路信号进入粒子能量表征单元处理后，通过模数转换单元实现粒子能量信息的提取。
以上为本发明的基本结构，基于该基本结构，本发明还做出以下优化改进：
进一步地，上述阻抗匹配单元包括电阻R11和电阻R21；所述粒子特征频带滤波单元包括第一带通滤波器和第二带通滤波器；电阻R11的一端与探测器的信号输出端连接，另一端与第一带通滤波器连接，电阻R21的一端与探测器的信号输出端连接，另一端与第二带通滤波器连接，第一带通滤波器和第二带通滤波器均与模数转换单元连接。
进一步地，上述第一带通滤波器和第二带通滤波器均为巴特沃斯二阶带通滤波器。
进一步地，上述粒子能量表征单元包括具有快速线性积分能力的脉冲积分电路，所述脉冲积分电路将脉冲辐射信号波形面积转化为脉冲峰值信号；上述模数转换单元由峰值保持电路和ADC电路组成，峰值保持电路提取脉冲信号最高峰值，ADC电路对峰值信号进行采样并将之转化为数字信号。
进一步地，上述探测器为BC501A液体闪烁体探测器。
同时，本发明还提供了一种上述基于带通滤波的粒子实时甄别系统的构建方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)探测器的选择
根据探测对象粒子种类以及探测能量范围选择合适的具有波形甄别能力的探测器；
2)构建粒子特征频带滤波单元
在辐射源上通过高采样率示波器采集粒子脉冲波形信息，对所采集到的波形进行幅度归一化，根据粒子脉冲波形甄别数字分析方法对归一化后的波形进行筛选分类，对各类的波形进行傅里叶变换，对比、分析、选取各类波形相对其他类的优势特征频段，优势特征频段的数量即为粒子种类的数量，并根据粒子种类的数量确定带通滤波器的数量，将带通滤波器阵列后构成粒子特征频带滤波；
3)构建粒子能量表征单元
根据采集到的探测器脉冲信号波形以及能量探测精度要求选择合适的粒子能量表征方式；
4)构建阻抗匹配单元
根据粒子能量表征单元、带通滤波器阵列的输入阻抗、探测器的输出阻抗以及探测器脉冲信号带宽选取电阻，构建阻抗匹配单元；
5)构建模数转换单元
依据带通滤波器输出信号以及粒子能量表征单元输出信号确定构建模数转换单元；
6)将探测器、阻抗匹配单元、粒子特征频带滤波单元、粒子能量表征单元和模数转换单元进行连接，整个系统构建完成。
进一步地，上述步骤3)中，所述粒子能量表征方式为：直接采用带通滤波器输出信号峰值作为粒子能量表征；
或者，根据信号波形选择满足其带宽的脉冲积分电路，以输出信号波形积分面积作为粒子能量表征。
另外，本发明还提供了一种上述基于带通滤波的粒子实时甄别方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)获取空间粒子的波形信息；
2)将步骤1)获取的波形信息分成两路进行滤波选通；
3)对步骤2)中的各滤波电路输出信号进行模数转换成数字信号，判断输入信号对应的粒子种类；
4)判断出粒子种类后，提取粒子能量信息。
进一步地，上述步骤4)中，提取粒子能量信息具体为：对探测器输出信号进行峰值保持采样，并转化为数字信号，提取粒子能量信息；
或者，先将其波形面积转化为脉冲峰值信号，再对峰值信号进行采样并将之转化为数字信号，提取粒子能量信息。
进一步地，上述步骤1)中是利用探测器获取空间粒子的波形信息。
本发明的优点：
1、本发明基于带通滤波的粒子实时甄别系统，其粒子特征频带滤波阵列所选用的频带比探测器输出信号频带覆盖范围低，通过该种方式，降低了信号的频带范围，减弱了对后续电路的要求，使信号更易于处理的同时提高了系统的稳定性；
2、本发明基于带通滤波的粒子实时甄别系统，通过无源滤波技术构建粒子特征频带滤波阵列，减少精密有源器件以及保障其正常工作的附属电路如稳压电路的使用，在减弱复杂环境对其稳定性影响的同时，减小了电路规模，使系统易于小型化；
3、本发明基于带通滤波的粒子实时甄别系统，其粒子特征频带滤波单元降低了信号频带、削弱对后续电路频带的要求；同时在滤波电路设计时考虑其输入阻抗与探测器进行匹配，使阻抗匹配单元与粒子特征频带滤波单元融为一体，实现粒子甄别信息转化成峰值的同时，减少了宽带有源器件的使用，提高对环境条件的承受能力；
4、本发明基于带通滤波的粒子实时甄别系统的构建方法，简单高效，带通滤波阵列由于各滤波器之间频带串扰较小，其并联阵列的输入阻抗易于计算，整个单元能够很好地被设计者掌握并应用到实际设计中；
5、传统的波形甄别方法是通过比较波形的时间特征，属于时域甄别，本发明基于带通滤波的粒子实时甄别方法利用带通滤波电路通过波形的频谱特征来甄别信号，将传统的时域甄别转化为频域甄别，在电路中更加明显的体现了不同甄别粒子间的特征差异，易于实现并且甄别能力强。
附图说明
图1为本发明基于带通滤波的粒子实时甄别系统框图；
图2为本发明实施例的粒子特征频带滤波单元的电路原理图；
图3为图2中信号端3的波形图；
图4为图2中信号输出端4、5的波形；
图5为图2的甄别系统直接接入探测器后对中子、伽马甄别结果二维图；
图6为图2的甄别系统在60Co源照射下探测系统信号端5的负峰值信号峰值的脉冲幅度谱。
其中：1、第一带通滤波器；2、第二带通滤波器；3、探测器的信号输出端；4、低频震荡信号输出端；5、高频震荡信号输出端；101、探测器；102、阻抗匹配单元；103、粒子特征频带滤波单元；104、粒子能量表征单元；105、模数转换单元。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1，本发明基于带通滤波的粒子实时甄别系统，包括探测器101、阻抗匹配单元102、粒子特征频带滤波单元103、粒子能量表征单元104和模数转换单元105。
探测器101为BC501A液体闪烁体探测器。
所述阻抗匹配单元102包括电阻R11和电阻R21；所述粒子特征频带滤波单元103包括第一带通滤波器和第二带通滤波器；电阻R11的一端与探测器101的信号输出端连接，另一端与第一带通滤波器连接，电阻R21的一端与探测器101的信号输出端连接，另一端与第二带通滤波器连接，第一带通滤波器和第二带通滤波器均与模数转换单元105连接。所述第一带通滤波器和第二带通滤波器均为巴特沃斯二阶带通滤波器。
所述粒子能量表征单元104包括具有快速线性积分能力的脉冲积分电路构成，所述脉冲积分电路将脉冲辐射信号波形面积转化为脉冲峰值信号。所述模数转换单元105由峰值保持电路和ADC电路组成，峰值保持电路提取脉冲信号最高峰值并保持一段时间，ADC电路对峰值信号进行采样并将之转化为数字信号。
探测器101通过阻抗匹配单元102将信号分为两路，一路信号进入粒子特征频带滤波单元103处理后通过模数转换单元105中的峰值保持以及ADC实现粒子类别信息的提取；另一路信号进入粒子能量表征单元104处理后通过模数转换单元105实现粒子能量信息的提取。
一种基于带通滤波的粒子实时甄别系统的构建方法，包括以下步骤：
1)探测器101的选择
根据探测对象粒子种类以及探测能量范围选择合适的具有波形甄别能力的探测器；
2)构建粒子特征频带滤波单元103
在辐射源上通过高采样率示波器采集粒子脉冲波形信息，对所采集到的波形进行幅度归一化，根据粒子脉冲波形甄别数字分析方法对归一化后的波形进行筛选分类，对各类的波形进行傅里叶变换，对比、分析、选取各类波形相对其他类的优势特征频段，根据所述优势特征频段构建带通滤波阵列；
3)构建粒子能量表征单元104
根据采集到的探测器101脉冲信号波形以及能量探测精度要求选择合适的粒子能量表征方式，可直接采用带通滤波器输出信号峰值作为粒子能量表征，或者根据信号波形选择满足其带宽的脉冲积分电路，以输出信号波形积分面积作为粒子能量表征；
4)构建阻抗匹配单元102
根据粒子能量表征单元104、带通滤波器阵列的输入阻抗、探测器101的输出阻抗以及探测器101脉冲信号带宽选取电阻，构建阻抗匹配单元102；
5)构建模数转换单元105
依据带通滤波器输出信号以及粒子能量表征单元104输出信号确定峰值保持电路以及ADC电路；
6)将探测器101、阻抗匹配单元102、粒子特征频带滤波单元103、粒子能量表征单元104和模数转换单元105进行连接，整个系统构建完成。
一种基于带通滤波的粒子实时甄别方法，包括以下步骤：
1)获取空间粒子的波形信息；
2)将步骤1)获取的波形信息分成两路进行滤波选通；
3)对步骤2)中的各滤波电路输出信号进行模数转换成数字信号，判断输入信号对应的粒子种类；
4)判断出粒子种类后，对探测器输出信号进行峰保持采样，并转化为数字信号，提取粒子能量信息，也可先将其波形面积转化为脉冲峰值信号，再对峰值信号进行采样并将之转化为数字信号，提取粒子能量信息。
上述步骤1)中是利用探测器101获取空间粒子的波形信息。
以实时测量中子-伽马辐射场中各粒子能谱为例：
实时甄别系统包括探测器101、阻抗匹配单元102、粒子特征频带滤波单元103、粒子能量表征单元104和模数转换单元105。
探测器101选用具有较好中子、伽马波形甄别能力的BC501A液体闪烁体；该实施例中由于对中子、伽马能谱精度要求不是很高，选择将探测器脉冲幅度峰值作为粒子能量表征，故直接考虑将探测器输出阻抗与特征频带滤波阵列输入阻抗进行匹配；由于甄别粒子有两种，因此采用两个带通滤波器并联同时完成阻抗匹配单元102、粒子特征频带滤波单元103、粒子能量表征单元104的设计。
参见图2，特征频率滤波单元3采用两个巴特沃斯二阶带通滤波器并联实现；电容C11与电感L11并联一端接地，另一端通过R11连接到探测器的信号输出端3，电容C12与电感L12串联一端连接到L11与R11之间的节点，另一端通过电阻R12接地，电容C12与电感L12串联电路与R12之间的节点连接到低频震荡信号输出端4；电容C21与电感L21并联后一端接地，另一端通过R21连接到探测器101的信号输出端3，电容C22与电感L22串联一端连接到L21与R21之间的节点，另一端通过电阻R22接地，电容C22与电感L22串联电路与R22之间的节点连接到高频震荡信号输出端5；电阻R11、R21均为100Ω，除了用于进行中子、伽马甄别的频率成分外，其余主要成分的输入阻抗为50Ω，实现探测器与粒子特征频带滤波阵列之间的阻抗匹配。
所述模数转换单元105由峰值保持电路以及ADC电路组成，峰值保持电路提取脉冲信号最高峰值并保持一段时间，ADC电路对峰值信号进行采样并将之转化为数字信号。
分别通过负脉冲信号峰值保持电路提取输入探测器的信号输出端3的负峰值以及正脉冲信号峰值保持电路提取低频震荡信号输出端4、高频震荡信号输出端5的正峰值，用于计算对应信号的能量信息以及中子、伽马甄别信息。探测器的信号输出端3以及低频震荡信号输出端4、高频震荡信号输出端5的波形分别如图3、4所示，输入信号由于受到巴特沃斯二阶带通滤波器影响而在其尾部产生了小范围震荡，但整体趋势基本保持不变，从信号时间跨度上来看，输入信号大概为100ns，输入波形正常，低频震荡信号输出端4的输出信号则形成了一个周期大概为1μs的震荡信号，且较快得到衰减，整个信号时间跨度约为2μs，高频震荡信号输出端5输出的为高中心频率带通滤波器输出信号，时间跨度较短，大约为0.2μs，整体满足较高强度辐射场测量需求。
对Am-Be中子源以及60Co上的电路分辨效果如图5所示，该实验所用源为60Co伽马放射源以及Am-Be中子源，从图5中可以看出，伽马信号分布集中，伽马信号与中子信号分开效果较好，能够做到实时甄别。
图6为60Co源照射下探测系统高频震荡信号输出端5的负峰值信号峰值的脉冲幅度谱，虽然计数率较低，但从图6中能明显看到康普顿沿，说明伽马射线的沉积能量信息得到了保持。
以上所述仅为本发明的一个实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种基于带通滤波的粒子实时甄别系统，其特征在于：
包括探测器(101)、阻抗匹配单元(102)、粒子特征频带滤波单元(103)、粒子能量表征单元(104)和模数转换单元(105)；
阻抗匹配单元(102)将接收到的探测器(101)信号分为两路，一路信号进入粒子特征频带滤波单元(103)，然后通过模数转换单元(105)实现粒子类别信息的提取；另一路信号进入粒子能量表征单元(104)处理后，通过模数转换单元(105)实现粒子能量信息的提取；
所述阻抗匹配单元(102)包括电阻R11和电阻R21；所述粒子特征频带滤波单元(103)包括第一带通滤波器和第二带通滤波器；电阻R11的一端与探测器(101)的信号输出端连接，另一端与第一带通滤波器连接，电阻R21的一端与探测器(101)的信号输出端连接，另一端与第二带通滤波器连接，第一带通滤波器和第二带通滤波器均与模数转换单元(105)连接；
所述第一带通滤波器和第二带通滤波器均为巴特沃斯二阶带通滤波器；
所述粒子特征频带滤波单元(103)是按照下述方法构建的：
在辐射源上通过高采样率示波器采集粒子脉冲波形信息，对所采集到的波形进行幅度归一化，根据粒子脉冲波形甄别数字分析方法对归一化后的波形进行筛选分类，对各类的波形进行傅里叶变换，对比、分析、选取各类波形相对其他类的优势特征频段，根据所述优势特征频段构建带通滤波阵列。
2.根据权利要求1所述的一种基于带通滤波的粒子实时甄别系统，其特征在于：所述粒子能量表征单元(104)包括具有脉冲积分电路，所述脉冲积分电路将脉冲辐射信号波形面积转化为脉冲峰值信号；
所述模数转换单元(105)由峰值保持电路和ADC电路组成，峰值保持电路提取脉冲信号最高峰值，ADC电路对峰值信号进行采样并将之转化为数字信号。
3.根据权利要求2所述的一种基于带通滤波的粒子实时甄别系统，其特征在于：所述探测器(101)为BC501A液体闪烁体探测器。
4.如权利要求1所述的基于带通滤波的粒子实时甄别系统的构建方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)探测器(101)的选择
根据探测对象粒子种类以及探测能量范围选择合适的具有波形甄别能力的探测器；
2)构建粒子特征频带滤波单元(103)
在辐射源上通过高采样率示波器采集粒子脉冲波形信息，对所采集到的波形进行幅度归一化，根据粒子脉冲波形甄别数字分析方法对归一化后的波形进行筛选分类，对各类的波形进行傅里叶变换，对比、分析、选取各类波形相对其他类的优势特征频段，根据所述优势特征频段构建带通滤波阵列；
3)构建粒子能量表征单元(104)
根据采集到的探测器(101)脉冲信号波形以及能量探测精度要求选择合适的粒子能量表征方式；
4)构建阻抗匹配单元(102)
根据粒子能量表征单元(104)、带通滤波器阵列的输入阻抗、探测器(101)的输出阻抗以及探测器(101)脉冲信号带宽选取电阻，构建阻抗匹配单元(102)；
5)构建模数转换单元(105)
依据带通滤波器输出信号以及粒子能量表征单元(104)输出信号确定构建模数转换单元(105)；
6)将探测器(101)、阻抗匹配单元(102)、粒子特征频带滤波单元(103)、粒子能量表征单元(104)和模数转换单元(105)进行连接，整个系统构建完成。
5.根据权利要求4所述的基于带通滤波的粒子实时甄别系统的构建方法，其特征在于：步骤3)中，所述粒子能量表征方式为：直接采用带通滤波器输出信号峰值作为粒子能量表征；
或者，根据信号波形选择满足其带宽的脉冲积分电路，以输出信号波形积分面积作为粒子能量表征。
6.一种利用权利要求1所述的基于带通滤波的粒子实时甄别系统进行粒子甄别的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)获取空间粒子的波形信息；
2)将步骤1)获取的波形信息分成两路进行滤波选通；
3)对步骤2)中的各滤波电路输出信号进行模数转换成数字信号，判断输入信号对应的粒子种类；
4)判断出粒子种类后，提取粒子能量信息。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤4)中，提取粒子能量信息具体为：对探测器输出信号进行峰值保持采样，并转化为数字信号，提取粒子能量信息；
或者，先将其波形面积转化为脉冲峰值信号，再对峰值信号进行采样并将之转化为数字信号，提取粒子能量信息。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤1)中是利用探测器(101)获取空间粒子的波形信息。
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