CN109239765A - 一种仿核脉冲产生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种仿核脉冲产生装置及方法，包括单光子源、单光子探测器、量子真随机数提取器、高斯随机数生成器、八位寄存器、指数波形数据存储器、乘法器、启动转换控制器、数字模拟转换器（DAC）。量子真随机数提取器与单光子探测器输出端相连用于提取均匀分布的随机数，高斯随机数生成器与量子真随机数提取器输出端相连，生成的高斯随机数存入八位寄存器，高斯随机数生成器包含四位只读存储器和乘法器。本发明利用单光子脉冲到达时间间隔服从指数分布特性产生仿核脉冲时间，利用单光子脉冲提取均匀分布随机数产生高斯分布随机数作为仿核脉冲幅值。本发明的仿核脉冲产生方法实现简单，灵活性高、随机性好且具有连续性。

Description

一种仿核脉冲产生装置及方法

本发明涉及单光子探测技术领域，具体的说，公开了一种仿核脉冲产生装置，同时公开了其方法。

背景技术

仿核脉冲可以仿真核信号的时间与幅值特性，广泛运用于各大核信号研究实验室、工厂、地质勘测。仿核脉冲信号可用于标定各种核粒子探测和能谱设备，为核信号处理系统的研制提供信号源。放射性核素的衰变在时间上是随机的，核能级的统计特性使衰变产生的射线在能量上也是具有随机性，具体表现为对单一能量的核辐射对应的脉冲，在幅度上基本符合高斯分布，在时间间隔上则符合指数分布。

从目前的研究成果来看，仿核信号发生器主要分为模拟式和数字式两类。现有的仿核脉冲随机源利用半导体材料的热噪声作为真随机源或者利用算法产生伪随机码，随机数的产生速率不高，不能精确产生仿核脉冲，稳定性不好，系统复杂或者需要大量的后续处理等技术问题。基于FPGA的仿核信号产生的设计方法，FPGA作为核心控制器通过LFSR 法对寄存器移位直接在寄存器中的到均匀随机数，通过Box-Muller算法进行高斯分布随机数的提取，利用FPGA的锁相环(PLL)对核脉冲频率的进行动态配置，该方法产生的随机数为伪随机数，随机性不好。

总体来说，仿核脉冲产生技术研究及产品开发还处于起步和摸索阶段，没有掌握相关的核心技术，不管是从种类还是从性能上，都处于相对落后的阶段，因此，加紧对此类产品的研制意义重大。

发明内容

为了解决现有的仿核脉冲随机数的产生速率低，随机性差，可靠性不高，稳定性不好，系统复杂或者需要大量的后续处理等技术问题，本发明针对所存在的技术问题提出一种仿核脉冲产生装置及方法，具体解决方案如下：

一种仿核脉冲产生装置，包括依次连接的单光子源、单光子探测器、量子真随机数提取器、高斯随机数生成器、八位寄存器、乘法器、数字模拟转换器；

所述单光子源输出离散的光子序列到单光子探测器；

所述单光子探测器通过支路上的启动转换控制器与数字模拟转换器连接；

所述乘法器还外接指数波形数据存储器。

所述单光子源包括依次排列设置的LED灯、衰减片、滤光片、可调节光阑。

所述高斯随机数生成器包括第一只读存储器、第二只读存储器和乘法器。

第一只读存储器、第二只读存储器的数据输出端均与乘法器相连。

第一只读存储器、第二只读存储器的地址线分别与量子真随机数提取器输出数据线的高、低四位相连，所述第一只读存储器、第二只读存储器的位宽均为4，存储单元数均为16。

所述单光子探测器是光电倍增管、微通道板或雪崩光电二极管的一种。

所述的量子真随机数提取器、高斯随机数生成器、八位寄存器、指数波形数据存储器、乘法器、启动转换控制器均用FPGA实现。

一种仿核脉冲产生方法，包括以下步骤：

1】产生离散单光子脉冲信号；

在单光子源内，LED灯产生强光信号，光信号经衰减片，滤光片及可调节光阑后输出离散的单光子序列，单光子探测器将离散单光子序列转换为随机的单光子脉冲信号；

2】提取八位均匀分布的量子真随机数；

单光子探测器将单光子脉冲信号输入量子真随机数提取器，量子真随机数提取器每检测到一个单光子脉冲时，提取八位量子真随机数；

3】由八位量子真随机数产生八位的高斯随机数；

4】产生幅度服从高斯分布的数字化指数波形数据；

5】输出仿核脉冲；

6】在下一个单光子脉冲到达时，循环步骤2】到5】，输出下一个仿核脉冲。

所述步骤3】包括如下步骤；

3.1】预先在第一只读存储器中存储值其中a＝7，Ui＝1～16为存储单元地址，在第二只读存储器中存储值b*(sin(2*π*(V_i/16))+1)，其中b＝8，Vi＝1～16为存储单元地址；

3.2】将量子真随机数提取器输出的八位量子真随机数的高四位和低四位分别输入第一只读存储器、第二只读存储器的地址端；

3.3】第一只读存储器、第二只读存储器输出的数据相乘，基于Box-Muller算法的原理，得到八位高斯随机数

所述步骤4】包括如下步骤，

4.1】预先在指数波形数据存储器中存储幅度固定的数字化指数波形数据；

4.2】将生成的八位高斯随机数存入八位寄存器；

4.3】指数波形数据存储器输出的幅值固定的数字化指数波形数据和八位寄存器输出的高斯随机数输入乘法器进行相乘，乘法器输出幅度呈高斯分布的数字化指数波形数据。

所述步骤5】中，包括如下步骤，

5.1】单光子探测器输出的单光子脉冲信号输入到启动转换控制器；

5.2】启动转换控制器在检测到一个单光子脉冲信号后输出控制脉冲启动数字模拟转换器；

5.3】数字模拟转换器将乘法器输入的数字化指数波形转换为一个仿核脉冲。

本发明的有益效果在于：

1、本发明装置基于单光子源驱动，采用一个单光子源、一个单光子探测器，单光子探测器输出随机的单光子脉冲信号当做随机源。量子真随机数提取器、高斯随机数生成器、八位寄存器、指数波形数据存储器、乘法器以及启动转换控制器均采用FPGA实现，显著降低了仿核脉冲产生装置的复杂度。

2、幅度随机性好。本发明利用单光子探测器将单光子脉冲信号输入量子真随机数提取器，量子真随机数提取器每检测到单光子脉冲就提取八位量子真随机数，保证了提取的随机数为真随机数。高斯随机数利用Box-Muller算法生成，通过单光子脉冲上升沿到达时间来控制高斯随机数的输出频率。

3、时间随机性好。本发明采用离散单光子序列作为随机源。通过光子到达时间作为启动转换控制器的触发信号，启动转换控制器在检测到一个单光子脉冲信号后输出控制脉冲，启动指数波形数据存储器输出对应的数字化指数波形数据到数字模拟转换器。利用单光子到达时间间隔为指数分布特性仿真核脉冲信号时间特性，时间随机性好，更符合理论要求，更接近真实核脉冲。

4、仿核脉冲产生速率可调。单光子源由光源(LED)、衰减片、滤光片以及可调节光阑组成，可以通过改变光源供电、增减衰减片与滤光片以及调节光阑来控制光信号的强弱，从而单光子探测器输出的单光子脉冲信号的速率可调，实现调整仿核脉冲产生的速率。

附图说明

图1为本发明仿核脉冲产生装置的结构示意图；

图2为单光子源产生装置；

图3为高斯随机数生成器示意图；

图4为仿核脉冲产生时序图；

具体实施方式

本发明的目的是提出一种随机性好、速率可调仿核脉冲产生的方法。输出的仿核脉冲精度高、幅度时间随机性好、速率可调。克服了现有仿核脉冲产生方法中，随机数产生规律弱、可操作性不强等方面的不足。利用单光子探测器输出的离散单光子脉冲时间间隔服从指数分布、等时间间隔内的光子数服从泊松分布的特点。将单光子脉冲信号输入量子真随机数提取器生成均匀分布的八位量子真随数，由八位量子真随机数产生八位高斯随机数存入八位寄存器。指数波形数据存储器输出的幅值固定的数字化指数波形数据和八位寄存器出的高斯随机数输入乘法器进行相乘，乘法器输出幅度成高斯分布的数字化指数形。启动转换控制器在检测到一个单光子脉冲信号后输出控制脉冲，启动数字模拟转换器将数字化指数波形转换为仿核脉冲。

采用了单光子脉冲时间信号作为启动产生仿核脉冲的控制信号，使得该装置产生的仿核脉冲在时间特性上很好的符合仿核脉冲在发生时间上的理论要求。采用了量子真随机数提取器产生的真随机数作为驱动产生高斯随机数，使得仿核脉冲在幅度特性上符合核脉冲幅度要求。

本发明提出的一种仿核脉冲产生装置，见图1，包括依次连接的单光子源1、单光子探测器2、量子真随机数提取器3、高斯随机数生成器4、八位寄存器5、乘法器6、数字模拟转换器7(DAC)；

所述单光子源1输出离散的光子序列到单光子探测器2；

所述单光子探测器2通过支路上的启动转换控制器8与数字模拟转换器7连接；

所述乘法器6还外接指数波形数据存储器9。

所述单光子源1如图2所示，包括依次排列被封装在壳体内的LED灯101、衰减片102、滤光片103、可调节光阑104，可以稳定的产生单光子随机脉冲序列，所以本装置具有稳定性良好的特点。由于通过调节驱动电压、增减衰减片片和滤光片以及调节光阑，可以调节到达单光子探测器的光强，因此产生仿核脉冲速率可调。

所述高斯随机数生成器4如图3所示，包括第一只读存储器401、第二只读存储器402 和乘法器403。

第一只读存储器401、第二只读存储器402的数据输出端均与乘法器403相连。

第一只读存储器401、第二只读存储器402的地址线分别与量子真随机数提取器3输出数据线的高、低四位相连，所述第一只读存储器401、第二只读存储器402的位宽均为4，存储单元数均为16。

第一只读存储器401、第二只读存储器402输出的数据相乘，基于Box-Muller算法的原理，得到8位高斯随机数。

所述单光子探测器是光电倍增管PMT、微通道板MCP或雪崩光电二极管APD的一种。

所述的量子真随机数提取器3、高斯随机数生成器4、八位寄存器5、指数波形数据存储器9、乘法器6、启动转换控制器8均用FPGA实现。

单光子源输出离散的光子序列到单光子探测器，单光子探测器输出随机单光子脉冲进入量子真随机数提取器和启动转换控制器。量子真随机数提取器每检测到一个单光子脉冲时，提取八位量子真随机数，由八位量子真随机数产生八位的高斯随机数。启动转换控制器检测到单光子脉冲后输出控制脉冲，启动数字模拟转换器，控制脉冲与指数波形数据存储器中存储幅度固定的数字化指数波形数据相对应。数字模拟转换器将乘法器输入的数字化指数波形转换为仿核脉冲。

本发明同时还公开了一种仿核脉冲产生方法，包括以下步骤：

1】产生离散单光子脉冲信号；

在单光子源1内，LED灯101产生强光信号，光信号经衰减片102，滤光片103及可调节光阑104后输出离散的单光子序列，单光子探测器2将离散单光子序列转换为随机的单光子脉冲信号；

2】提取八位均匀分布的量子真随机数；

当步骤1中的单光子探测器2将单光子脉冲信号输入量子真随机数提取器3，量子真随机数提取器3每检测到一个单光子脉冲时，提取八位量子真随机数；

3】由八位量子真随机数产生八位的高斯随机数；

3.1】预先在第一只读存储器(401)中存储值其中a＝7，Ui＝1～16 为存储单元地址，在第二只读存储器(402)中存储值b*(sin(2*π*(V_i/16))+1)，其中b＝8， Vi＝1～16为存储单元地址；

3.2】将量子真随机数提取器(3)输出的八位量子真随机数的高四位和低四位分别输入第一只读存储器(401)、第二只读存储器(402)的地址端；

3.3】第一只读存储器(401)、第二只读存储器(402)输出的数据相乘，基于Box-Muller 算法的原理，得到八位高斯随机数

4】产生幅度服从高斯分布的数字化指数波形数据；

4.1】预先在指数波形数据存储器(9)中存储幅度固定的数字化指数波形数据；

4.2】将生成的八位高斯随机数存入八位寄存器；

4.3】指数波形数据存储器输出的幅值固定的数字化指数波形数据和八位寄存器输出的高斯随机数输入乘法器进行相乘，乘法器输出幅度成高斯分布的数字化指数波形。

5】输出仿核脉冲；

5.1】单光子探测器(2)输出的单光子脉冲信号输入到启动转换控制器(8)；

5.2】启动转换控制器(8)在检测到一个单光子脉冲信号后输出控制脉冲启动数字模拟转换器；

5.3】数字模拟转换器将乘法器输入的数字化指数波形转换为一个仿核脉冲。

6】在下一个单光子脉冲到达时，循环步骤2】到5】，输出下一个仿核脉冲。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种仿核脉冲产生装置，其特征在于：包括依次连接的单光子源(1)、单光子探测器(2)、量子真随机数提取器(3)、高斯随机数生成器(4)、八位寄存器(5)、乘法器(6)、数字模拟转换器(7)；

所述单光子源(1)输出离散的光子序列到单光子探测器(2)；

所述单光子探测器(2)通过支路上的启动转换控制器(8)与数字模拟转换器(7)连接；

所述乘法器(6)还外接指数波形数据存储器(9)。

2.根据权利要求1所述的仿核脉冲产生装置，其特征在于：

所述单光子源(1)包括依次排列设置的LED灯(101)、衰减片(102)、滤光片(103)、可调节光阑(104)。

3.根据权利要求1所述的仿核脉冲产生装置，其特征在于：

所述高斯随机数生成器(4)包括第一只读存储器(401)、第二只读存储器(402)和乘法器(403)。

第一只读存储器(401)、第二只读存储器(402)的数据输出端均与乘法器(403)相连。

第一只读存储器(401)、第二只读存储器(402)的地址线分别与量子真随机数提取器(3)输出数据线的高、低四位相连，所述第一只读存储器(401)、第二只读存储器(402)的位宽均为4，存储单元数均为16。

4.根据权利要求1所述的仿核脉冲产生装置，其特征在于：

所述单光子探测器是光电倍增管、微通道板或雪崩光电二极管的一种。

5.根据权利要求1所述的仿核脉冲产生装置,其特征在于：

所述的量子真随机数提取器(3)、高斯随机数生成器(4)、八位寄存器(5)、指数波形数据存储器(9)、乘法器(6)、启动转换控制器(8)均用FPGA实现。

6.一种仿核脉冲产生方法，其特征在于：包括以下步骤：

1】产生离散单光子脉冲信号；

在单光子源(1)内，LED灯(101)产生强光信号，光信号经衰减片(102)，滤光片(103)及可调节光阑(104)后输出离散的单光子序列，单光子探测器(2)将离散单光子序列转换为随机的单光子脉冲信号；

2】提取八位均匀分布的量子真随机数；

单光子探测器(2)将单光子脉冲信号输入量子真随机数提取器(3)，量子真随机数提取器(3)每检测到一个单光子脉冲时，提取八位量子真随机数；

3】由八位量子真随机数产生八位的高斯随机数；

4】产生幅度服从高斯分布的数字化指数波形数据；

5】输出仿核脉冲；

6】在下一个单光子脉冲到达时，循环步骤2】到5】，输出下一个仿核脉冲。

7.根据权利要求6所述的仿核脉冲产生方法，其特征在于：所述步骤3】包括如下步骤；

3.1】预先在第一只读存储器(401)中存储值其中a＝7，Ui＝1～16为存储单元地址，在第二只读存储器(402)中存储值b*(sin(2*π*(V_i/16))+1)，其中b＝8，Vi＝1～16为存储单元地址；

3.2】将量子真随机数提取器(3)输出的八位量子真随机数的高四位和低四位分别输入第一只读存储器(401)、第二只读存储器(402)的地址端；

3.3】第一只读存储器(401)、第二只读存储器(402)输出的数据相乘，基于Box-Muller算法的原理，得到八位高斯随机数

8.根据权利要求6所述的仿核脉冲产生方法，其特征在于：所述步骤4】包括如下步骤，

4.1】预先在指数波形数据存储器(9)中存储幅度固定的数字化指数波形数据；

4.2】将生成的八位高斯随机数存入八位寄存器；

4.3】指数波形数据存储器输出的幅值固定的数字化指数波形数据和八位寄存器输出的高斯随机数输入乘法器进行相乘，乘法器输出幅度呈高斯分布的数字化指数波形数据。

9.根据权利要求6所述的仿核脉冲产生方法，其特征在于：所述步骤5】中，包括如下步骤，

5.1】单光子探测器(2)输出的单光子脉冲信号输入到启动转换控制器(8)；

5.2】启动转换控制器(8)在检测到一个单光子脉冲信号后输出控制脉冲启动数字模拟转换器；

5.3】数字模拟转换器将乘法器输入的数字化指数波形转换为一个仿核脉冲。