CN111273336A - 一种数字核脉冲信号高斯成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数字核脉冲信号高斯成形方法，基于三阶Sallen‑Key电路的高斯成形的基本思想，获取其在拉普拉斯域内的传输函数，根据传输函数推导了其数值递推模型，并给出了该模型电路在时域中高斯成形的响应函数，将数字核脉冲信号输入到数值递推函数模型，可实现其高斯成形输出，通过调整成形参数k，可改变高斯成形输出的脉冲幅度与脉冲宽度，根据数值递推模型推导其在Z域中的幅频响应函数，获取其幅频响应曲线，分析高斯成形的效果；本发明克服了基于CR‑RCm电路的数字高斯成形过程中出现过零下冲、成形输出幅度小的缺点；克服基于Sallen‑Key电路数字高斯成形输出对称性不足、滤波性能不佳的缺点，为数字核脉冲信号快速、有效地高斯成形提供了一种新的实现方式。
Description
技术领域
本发明涉及核脉冲信号数字化处理技术领域，特别涉及一种数字核脉冲信号高斯成形方法。
背景技术
数字核能谱测量系统由于稳定性、灵活性、抗干扰性等方面具有明显的优越性，是当前核能谱测量与获取的主要研究热点，在核电运行与安全、铀资源勘查与采冶、环境监测与辐射防护、国土安全与核反恐、工业检测与辐射成像等领域得到了广泛应用。
核脉冲信号数字化处理的成形方法直接影响着脉冲信号的噪声抑制、堆积识别以及幅度提取等功能，进而影响所测能谱的能量分辨率等主要性能指标，高斯成形作为当前数字核脉冲信号的主要成形方法，由于其成形简单，噪声抑制与幅度提取等综合性能良好被广泛用于数字核脉冲的成形处理中。
现今常用的数字核脉冲信号高斯成形方法包括：基于CR-RCm电路的数字高斯成形与基于Sallen-Key电路的数字高斯成形两种，其中数字CR-RCm采用一级的CR微分成形，对于输入为负指数下降沿的核脉冲信号，经过一级的CR微分之后，出现过零下冲信号，影响了脉冲幅度信号的准确提取，同时m级的RC成形(为了保证信噪比，m一般取3或是4)，使得成形输出的脉冲幅度过小，也会影响脉冲幅度的准确提取；一级数字Sallen-Key高斯成形输出对称性较差，滤波效果不好，多级的数字Sallen-Key高斯成形输出幅度过小，均会影响脉冲幅度的有效提取。
针对上述问题，本申请提供一种数字核脉冲信号高斯成形方法，克服了基于CR-RCm电路的数字高斯成形过程中出现过零下冲、成形输出幅度小的缺点；
克服基于Sallen-Key电路数字高斯成形输出对称性不足、滤波性能不佳的缺点，为数字核脉冲信号快速、有效地高斯成形提供了一种新的实现方式。
发明内容
本发明的目的在于提供一种数字核脉冲信号高斯成形方法，克服了基于CR-RCm电路的数字高斯成形过程中出现过零下冲、成形输出幅度小的缺点；克服基于Sallen-Key电路数字高斯成形输出对称性不足、滤波性能不佳的缺点，为数字核脉冲信号快速、有效地高斯成形提供了一种新的实现方式。
本发明提供了一种数字核脉冲信号高斯成形方法，所述方法包括：
S1：根据三阶Sallen-Key滤波成形电路，得到该电路在拉普拉斯域内的传输函数，其表达式如下：
其中，R为电路中的电阻，C为电路中的电容，Vi(s)为输入信号Vi(t)的拉普拉斯变换，Vo(s)为输出信号Vo(t)的拉普拉斯变换；
S2：根据传输函数，获取在时域内的输入信号与成形输出信号之间的微分方程，输入信号Vi(t)与输出信号Vo(t)之间的微分方程表达式如下：
R1R2R3C1C2C3·Vo(t)”'+(R2R3C2C3+R1R3C2C3+R1R2C1C3+R1R3C1C3)Vo(t)”+...(R3C3+R2C3+R1C3+R1C1)·Vo(t)'+Vo(t)＝Vi(t)
S3：根据微分方程，建立在时域内的数值递推算式，将Vi(t)转换成数字序列x[n]，Vo(t)转换成数字序列y[n]，令R1＝R2＝R3＝R，C1＝C2＝C3＝C，则数值递推算式为：
其中，k＝RC/Δt，RC为输入信号Vi(t)的时间常数，Δt为离散化间隔时间；
S4：将数字化的核脉冲信号x[n]带入数值递推算式，实现数字核脉冲信号高斯成形输出。
进一步地，根据电路的数值递推算式，确定其在Z域中的传输函数，并获取不同参数下的幅频响应曲线；
根据不同参数下的幅频响应曲线，分析基于该电路的数值递推算式的高斯成形的合理性。
进一步地，分析高斯成形的合理性，具体包括：
k值越大，成形后的脉冲越宽，峰位越低，成形结果越趋近于高斯形。
进一步地，所述方法实现电路的幅频响应为低通滤波器。
与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
本发明提供了一种数字核脉冲信号高斯成形方法，本发明通过改变相关参数的取值调节成形输出的脉冲宽度，脉冲幅度等信息，克服了基于CR-RCm电路的数字高斯成形输出出现过零下冲、幅度过小的缺点，克服基于Sallen-Key电路的数字高斯成形输出对称性不好，滤波效果差的缺点，为数字核脉冲信号快速、有效地高斯成形提供了一种新的实现方式。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种数字核脉冲信号高斯成形方法的数字核脉冲信号高斯成形流程图；
图2为本发明实施例提供的三阶Sallen-Key电路原理图；
图3为本发明实施例提供的m阶CR-RCm电路原理图；
图4为本发明实施例提供的Sallen-Key电路原理图；
图5为本发明实施例提供的不同参数下的幅频响应曲线图；
图6为本发明实施例提供的仿真数字核脉冲信号高斯成形输出图；
图7为本发明实施例提供的实际采样核脉冲信号高斯成形输出图；
图8为本发明实施例提供的高斯成形方法与现有技术的效果对比图。
具体实施方式
下面结合本发明中的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
为了便于理解和说明，参照图1-8，本发明提供了一种数字核脉冲信号高斯成形方法，所述方法包括：
S1：根据三阶Sallen-Key滤波成形电路，得到该电路在拉普拉斯域内的传输函数，其表达式如下：
其中，R为电路中的电阻，C为电路中的电容，Vi(s)为该输入信号Vi(t)的拉普拉斯变换，Vo(s)为该输出信号Vo(t)的拉普拉斯变换；
S2：根据传输函数，获取在时域内的输入信号与成形输出信号之间的微分方程，输入信号Vi(t)与输出信号Vo(t)之间的微分方程表达式如下：
R1R2R3C1C2C3·Vo(t)”'+(R2R3C2C3+R1R3C2C3+R1R2C1C3+R1R3C1C3)Vo(t)”+...(R3C3+R2C3+R1C3+R1C1)·Vo(t)'+Vo(t)＝Vi(t)
S3：根据微分方程，建立在时域内的数值递推算式，将Vi(t)转换成数字序列x[n]，Vo(t)转换成数字序列y[n]，令R1＝R2＝R3＝R，C1＝C2＝C3＝C，则数值递推算式为：
其中，k＝RC/Δt，RC为输入信号Vi(t)的时间常数，Δt为离散化间隔时间(对应于ADC采样间隔时间)；
S4：将输入信号带入数值递推算式，实现数字核脉冲信号高斯成形输出。
进一步地，根据电路的数值递推算式，确定其在Z域中的传输函数，并获取不同参数下的幅频响应曲线；
根据不同参数下的幅频响应曲线，分析基于该电路的数值递推算式的高斯成形的合理性。
进一步地，分析高斯成形的合理性，具体包括：
k值越大，成形后的脉冲越宽，峰位越低，成形结果越趋近于高斯形。之后并验证高斯成形效果。由数值递推算式可得出：
将z＝ejw带入上式求模可得：
A＝10k6+40k5+120k4+98k3+40k3+8k+1
B＝4k(2k5+8k4+38k3+33k2+12k+2)
C＝4k2(k4+4k3-2k2-4k-1)
D＝4k3(2k3+8k2+6k+1)
E＝2k3(k3+4k2+4k+1)
结合图5可以看出，该方法的数值递推函数具有低通滤波器特性，可用于核脉冲信号的数字成形处理。其中k越大，成形输出后的脉冲越宽，峰位越低，越趋近于高斯形。
进一步地，所述方法实现电路的幅频响应为低通滤波器。
如图6所示，输入信号为带有噪声的仿真核脉冲信号，在不同的成形参数下的成形输出可知，随着k的增加，成形输出幅度越小，上升沿越平缓，越趋近于高斯形，且具有较好的噪声抑制性能。
如图7所示，输入信号为实际采样获取的核脉冲信号，在不同的参数下的成形输出可知，随着k的增加，成形输出幅度越小，越趋近于高斯形，滤波效果越好，且能有效将输入信号成形为高斯形。
如图8所示，本发明中的高斯成形方法同其他2种现有的高斯成形方法对比。相同参数下的不同方法的高斯成形输出，基于CR-RC3电路的数字高斯成形由于CR的微分特性，使得成形输出出现过零下冲，而且脉冲幅度太小；基于Sallen-Key电路的数字高斯成形输出脉冲对称性不好，滤波性能较差；本发明实施的数字高斯成形输出在成形脉冲幅度、脉冲形状，滤波等方面综合性能最佳。
综上所述，本发明通过改变相关参数的取值调节成形后脉冲幅度、波形等信息，克服了基于CR-RCm电路的数字高斯成形出现过零下冲、成形输出幅度过小的缺点，克服基于Sallen-Key电路的数字高斯成形输出脉冲对称性不好、滤波性能不佳的缺点，为数字核脉冲信号快速、有效地高斯成形提供了一种新的实现方式。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种数字核脉冲信号高斯成形方法，其特征在于，所述方法包括：
S1：根据三阶Sallen-Key滤波成形电路，得到该电路在拉普拉斯域内的传输函数，其表达式如下：
其中，R为电路中的电阻，C为电路中的电容，Vi(s)为输入信号Vi(t)的拉普拉斯变换，Vo(s)为输出信号Vo(t)的拉普拉斯变换；
S2：根据传输函数，获取在时域内的输入信号与成形输出信号之间的微分方程，输入信号Vi(t)与输出信号Vo(t)之间的微分方程表达式如下：
R1R2R3C1C2C3·Vo(t)”'+(R2R3C2C3+R1R3C2C3+R1R2C1C3+R1R3C1C3)Vo(t)”+...(R3C3+R2C3+R1C3+R1C1)·Vo(t)'+Vo(t)＝Vi(t)
S3：根据微分方程，建立在时域内的数值递推算式，将Vi(t)转换成数字序列x[n]，Vo(t)转换成数字序列y[n]，令R1＝R2＝R3＝R，C1＝C2＝C3＝C，则数值递推算式为：
其中，k＝RC/Δt，RC为输入信号Vi(t)的时间常数，Δt为离散化间隔时间；
S4：将数字化的核脉冲信号x[n]带入数值递推算式，实现数字核脉冲信号高斯成形输出。
2.如权利要求1所述的一种数字核脉冲信号高斯成形方法，其特征在于，根据电路的数值递推算式，确定其在Z域中的传输函数，并获取不同参数下的幅频响应曲线；
根据不同参数下的幅频响应曲线，分析基于该电路的数值递推算式的高斯成形的合理性。
3.如权利要求2所述的一种数字核脉冲信号高斯成形方法，其特征在于，分析高斯成形的合理性，具体包括：
k值越大，成形后的脉冲越宽，峰位越低，成形结果越趋近于高斯形。
4.如权利要求1所述的一种数字核脉冲信号高斯成形方法，其特征在于，所述方法实现电路的幅频响应为低通滤波器。
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