CN110598348A - 一种基于Matlab的核信号产生及处理的仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Matlab的核信号产生及处理的仿真方法，用Matlab基于蒙特卡洛方法粒子输运模型，构造了只需输入γ射线光子的能量和数量便能得到探测器内沉积能量的简易仿真方法，通过高斯展宽模拟统计涨落和噪声影响，用双指数函数模拟探测器物理特性拟合核信号波形，并用Simulink构建以放大、滤波为主的信号处理系统对核信号进行电学处理，实现了对整个核信号产生与处理全过程的仿真。
Description
技术领域
本发明涉及核电子学领域，具体涉及一种基于Matlab的核信号产生及处理的仿真方法。
背景技术
随着核技术的进一步应用，社会对核技术开发及应用专业人才的需求量越来越大。目前对于核技术应用方面的本科教育而言，专业课尤其是《核电子学》难度大、实验环境复杂、仪器价格昂贵，使得学习成本大，学习内容抽象，实验复杂度高，因此相关教育工作阻力很大。
软件仿真是解决实验风险和设备成本的一条理想途径，但现有核信号仿真软件例如蒙特卡洛模拟软件，使用门槛高，操作较为复杂。教学的发展需要一种能够模拟整个核信号产生与处理的仿真工具或建模、仿真方法。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于Matlab的核信号产生及处理的仿真方法解决了现有仿真工具或仿真方法使用门槛高、操作较为复杂，且不能同时具备模拟核信号生成过程和处理过程功能的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于Matlab的核信号产生及处理的仿真方法，包括以下步骤：
S1、设定入射γ射线光子的数量N以及每个入射γ射线光子的能量Eγi，其中i为在区间(0,N]内的整数；
S2、采用Matlab基于蒙特卡洛方法粒子输运模型，根据每个入射γ射线光子的能量Eγi模拟每个入射γ射线光子在碘化钠探测器内的反应，得到每个入射γ射线光子在探测器内沉积的能量Ei；
S3、将每个入射γ射线光子在探测器内沉积的能量Ei进行高斯展宽，得到高斯展宽的γ射线光子能量Edi；
S4、判断入射γ射线光子的数量N是否大于20，若是，则跳转至步骤S5，否则跳转至步骤S6；
S5、记录从i＝1～N累加过程中Ei的数值以及该数值出现的次数，并以Ei的各数值为横坐标，各数值出现的次数为纵坐标建立二维坐标下的曲线，得到能谱，并用Matlab进行窗体显示，完成仿真过程；
S6、将每个高斯展宽的γ射线光子能量Edi设定为每个γ射线光子各自的脉冲信号曲线Vi(t)的峰值，采用双指数函数拟合方法生成完整的脉冲信号曲线Vi(t)；
S7、将每个γ射线光子的脉冲信号曲线Vi(t)在时间分布上按照泊松分布叠加，得到核信号V(t)；
S8、使用MATLAB中的Simulink工具构建信号处理系统，对核信号V(t)进行信号处理，得到终端核信号Vout(t)。
进一步地：步骤S2中入射γ射线光子在碘化钠探测器内的反应包括：光电效应、康普顿效应和电子对效应。
进一步地：步骤S6中双指数函数拟合方法遵循下式：
其中τ为时间常数，其值为模拟的碘化钠探测器等效电阻R与等效电容C的乘积，λ为荧光衰减常数的倒数，t为时间。
进一步地：步骤S8包括以下步骤：
S81、使用Simulink工具的放大器控件构建前置放大子系统，对核信号V(t)进行前置放大，得到放大信号VG(t)；
S82、使用Simulink工具的极零相消控件，对放大信号VG(t)进行极零相消，得到第一极零相消信号VX1(t)；
S83、使用Simulink工具的跟随器控件构建跟随器子系统，对第一极零相消信号VX1(t)进行阻抗匹配，得到跟随信号VZ(t)；
S84、使用Simulink工具的极零相消控件，对跟随信号VZ(t)进行第二次极零相消，得到第二极零相消信号VX2(t)；
S85、使用Simulink工具的滤波放大控件，构建滤波放大子系统，对第二极零相消信号VX2(t)进行滤波放大，得到终端核信号Vout(t)。
进一步地：步骤S85中滤波放大控件包括：积分反馈滤波放大控件和S-K低通滤波放大控件。
进一步地：积分反馈滤波放大控件对第二极零相消信号VX2(t)进行滤波放大，得到滤波放大后的终端核信号Vout(t)。
进一步地：S-K低通滤波放大控件对第二极零相消信号VX2(t)进行低通滤波放大，得到低通滤波放大后的终端核信号Vout(t)。
本发明的有益效果为：用Matlab基于蒙特卡洛方法粒子输运模型，构造了只需输入γ射线光子的能量和数量便能得到探测器内沉积能量的简易仿真方法，通过高斯展宽模拟统计涨落和噪声影响，用双指数函数模拟探测器物理特性拟合核信号波形，并用Simulink构建以放大、滤波为主的信号处理系统对核信号进行电学处理，实现了对整个核信号产生与处理全过程的仿真，解决了现有仿真工具或仿真方法使用门槛高、操作较为复杂，且不能同时具备模拟核信号生成过程和处理过程功能的问题。
附图说明
图1为基于Matlab的核信号产生及处理的仿真方法流程示意图
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种基于Matlab的核信号产生及处理的仿真方法的步骤为：
S1、设定入射γ射线光子的数量N以及每个入射γ射线光子的能量Eγi，其中i为在区间(0,N]内的整数；
S2、采用Matlab基于蒙特卡洛方法粒子输运模型，根据每个入射γ射线光子的能量Eγi模拟每个入射γ射线光子在碘化钠探测器内的反应，得到每个入射γ射线光子在探测器内沉积的能量Ei；
步骤S2中入射γ射线光子在碘化钠探测器内的反应包括：光电效应、康普顿效应和电子对效应。
S3、将每个入射γ射线光子在探测器内沉积的能量Ei进行高斯展宽，得到高斯展宽的γ射线光子能量Edi；
S4、判断入射γ射线光子的数量N是否大于20，若是，则跳转至步骤S5，否则跳转至步骤S6，即入射γ射线光子的数量N大于20，则输出能谱；入射γ射线光子的数量N小于等于20，则输出终端核信号Vout(t)；
S5、记录从i＝1～N累加过程中Ei的数值以及该数值出现的次数，并以Ei的各数值为横坐标，各数值出现的次数为纵坐标建立二维坐标下的曲线，即为能谱，并用Matlab进行窗体显示，完成仿真过程；
S6、将每个高斯展宽的γ射线光子能量Edi设定为每个γ射线光子各自的脉冲信号曲线Vi(t)的峰值，采用双指数函数拟合方法生成完整的脉冲信号曲线Vii(t)；
其中步骤S6中双指数函数拟合方法遵循下式：
其中τ为时间常数，其值为模拟的碘化钠探测器等效电阻R与等效电容C的乘积，λ为荧光衰减常数的倒数，t为时间。
S7、将每个γ射线光子的脉冲信号曲线Vi(t)在时间分布上按照泊松分布叠加，得到核信号V(t)；
S8、使用MATLAB中的Simulink工具构建信号处理系统，对核信号V(t)进行信号处理，得到终端核信号Vout(t)。
其中步骤S8包括以下步骤：
S81、使用Simulink工具的放大器控件构建前置放大子系统，对核信号V(t)进行前置放大，得到放大信号VG(t)；
S82、使用Simulink工具的极零相消控件，对放大信号VG(t)进行极零相消，得到第一极零相消信号VX1(t)；
S83、使用Simulink工具的跟随器控件构建跟随器子系统，对第一极零相消信号VX1(t)进行阻抗匹配，得到跟随信号VZ(t)；
S84、使用Simulink工具的极零相消控件，对跟随信号VZ(t)进行第二次极零相消，得到第二极零相消信号VX2(t)；
S85、使用Simulink工具的滤波放大控件，构建滤波放大子系统，对第二极零相消信号VX2(t)进行滤波放大，得到终端核信号Vout(t)。
步骤S85中滤波放大控件包括：积分反馈滤波放大控件和S-K低通滤波放大控件。
积分反馈滤波放大控件对第二极零相消信号VX2(t)进行滤波放大，得到滤波放大后的终端核信号Vout(t)。
S-K低通滤波放大控件对第二极零相消信号VX2(t)进行低通滤波放大，得到低通滤波放大后的终端核信号Vout(t)。
各级电子学控件可选择输出，可选择电子学控件对核信号V(t)进行处理，得到用户需要的终端核信号Vout(t)。
本发明用Matlab基于蒙特卡洛方法粒子输运模型，构造了只需输入γ射线光子的能量和数量便能得到探测器内沉积能量的简易仿真方法，通过高斯展宽模拟统计涨落和噪声影响，用双指数函数模拟探测器物理特性拟合核信号波形，并用Simulink构建以放大、滤波为主的信号处理系统对核信号进行电学处理，实现了对整个核信号产生与处理全过程的仿真，解决了现有仿真工具或仿真方法使用门槛高、操作较为复杂，且不能同时具备模拟核信号生成过程和处理过程功能的问题。
Claims (7)
1.一种基于Matlab的核信号产生及处理的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、设定入射γ射线光子的数量N以及每个入射γ射线光子的能量Eγi，其中i为在区间(0，N]内的整数；
S2、采用Matlab基于蒙特卡洛方法粒子输运模型，根据每个入射γ射线光子的能量Eγi模拟每个入射γ射线光子在碘化钠探测器内的反应，得到每个入射γ射线光子在探测器内沉积的能量Ei；
S3、将每个入射γ射线光子在探测器内沉积的能量Ei进行高斯展宽，得到高斯展宽的γ射线光子能量Edi；
S4、判断入射γ射线光子的数量N是否大于20，若是，则跳转至步骤S5，否则跳转至步骤S6；
S5、记录从i＝1～N累加过程中Ei的数值以及该数值出现的次数，并以Ei的各数值为横坐标，各数值出现的次数为纵坐标建立二维坐标下的曲线，得到能谱，并用Matlab进行窗体显示，完成仿真过程；
S6、将每个高斯展宽的γ射线光子能量Edi设定为每个γ射线光子各自的脉冲信号曲线Vi(t)的峰值，采用双指数函数拟合方法生成完整的脉冲信号曲线Vi(t)；
S7、将每个γ射线光子的脉冲信号曲线Vi(t)在时间分布上按照泊松分布叠加，得到核信号V(t)；
S8、使用MATLAB中的Simulink工具构建信号处理系统，对核信号V(t)进行信号处理，得到终端核信号Vout(t)。
2.根据权利要求1所述的基于Matlab的核信号产生及处理的仿真方法，其特征在于，所述步骤S2中入射γ射线光子在碘化钠探测器内的反应包括：光电效应、康普顿效应和电子对效应。
3.根据权利要求1所述的基于Matlab的核信号产生及处理的仿真方法，其特征在于，所述步骤S6中双指数函数拟合方法遵循下式：
其中τ为时间常数，其值为模拟的碘化钠探测器等效电阻R与等效电容C的乘积，λ为荧光衰减常数的倒数，t为时间。
4.根据权利要求1所述的基于Matlab的核信号产生及处理的仿真方法，其特征在于，所述步骤S8包括以下步骤：
S81、使用Simulink工具的放大器控件构建前置放大子系统，对核信号V(t)进行前置放大，得到放大信号VG(t)；
S82、使用Simulink工具的极零相消控件，对放大信号VG(t)进行极零相消，得到第一极零相消信号VX1(t)；
S83、使用Simulink工具的跟随器控件构建跟随器子系统，对第一极零相消信号VX1(t)进行阻抗匹配，得到跟随信号VZ(t)；
S84、使用Simulink工具的极零相消控件，对跟随信号VZ(t)进行第二次极零相消，得到第二极零相消信号VX2(t)；
S85、使用Simulink工具的滤波放大控件，构建滤波放大子系统，对第二极零相消信号VX2(t)进行滤波放大，得到终端核信号Vout(t)。
5.根据权利要求4所述的基于Matlab的核信号产生及处理的仿真方法，其特征在于，所述步骤S85中滤波放大控件包括：积分反馈滤波放大控件和S-K低通滤波放大控件。
6.根据权利要求5所述的基于Matlab的核信号产生及处理的仿真方法，其特征在于，所述积分反馈滤波放大控件对第二极零相消信号VX2(t)进行滤波放大，得到滤波放大后的终端核信号Vout(t)。
7.根据权利要求5所述的基于Matlab的核信号产生及处理的仿真方法，其特征在于，所述S-K低通滤波放大控件对第二极零相消信号VX2(t)进行低通滤波放大，得到低通滤波放大后的终端核信号Vout(t)。
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