CN111538067B - 一种数字化核脉冲直线成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种数字化核脉冲直线成形方法，其特征在于，构建出数字化核脉冲的直线成形方法传递公式；同时利用传递公式内的分量实现重叠核脉冲的堆积判弃；与基线提取结果相减获得数字化核脉冲的准确幅度值；最后给出了传递公式中各个参数的获取方法。与梯形成形相比，该方法算法更简单、无需快成形通道可同时实现核脉冲的定位、只要核脉冲的宽度大于可分辨间隔即可有效准确提取其幅度值；同时成形后核脉冲平顶区更平滑、无需下降沿，这些优势使得本发明算法能在保证能量分辨率的同时提高了能谱计数率。

Description

一种数字化核脉冲直线成形方法
技术领域
本发明涉及辐射环境测量领域，应用于数字化核能谱测量系统，具体是指一种数字化核脉冲直线成形方法。
背景技术
辐射射线与探测器发生相互作用后被探测器外加电场收集形成的电信号，被前置放大器转变成幅度与入射射线的能量成正比的核脉冲，信号调理电路将核脉冲放大并调节参考电压以匹配高速ADC(模数转换器)采样需求，经高速ADC等间隔采样获得数字化核脉冲，将其存储于FIFO(先进先出)等存储器中等待FPGA(现场可编程门阵列)等可编程器件处理。在FPGA内需实现基线提取、滤波成形、幅度提取、基线恢复、堆积判弃等过程以获得各个数字化核脉冲的幅度值并在相应道记录单元中加1，累积一段时间后按道址大小将相应道记录单元内数值排列显示即为能谱。
被滤波成形方法成形后的核脉冲宽度对能谱的计数率影响很大。目前滤波成形中多采用高斯成形方法(数字化Sallen–Key成形和数字化CR-RCm成形)和梯形成形方法，相比较而言梯形成形方法核脉冲宽度最短、重叠核脉冲的分辨能力最强。
本发明提出一种数字化核脉冲直线成形方法，与梯形成形相比，既能保证能谱的分辨率又能更好地分辨重叠核脉冲。
迄今为止，尚未见到数字化核脉冲直线成形方法的报道。
发明内容
本发明的目的在于克服上述背景技术的不足之处，提出一种数字化核脉冲直线成形方法，核心在于保证能谱的分辨率的同时提高重叠核脉冲的分辨能力。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的，一种数字化核脉冲直线成形方法，构建出数字化核脉冲的直线成形方法传递公式；同时利用传递公式内的分量实现重叠核脉冲的堆积判弃；与基线提取结果相减获得数字化核脉冲的准确幅度值；最后给出了传递公式中各个参数的获取方法。
进一步，所述构建出数字化核脉冲的直线成形方法传递公式为：
(1)核脉冲数学模型：
Figure BDA0002478624820000021
当τ2趋近于0时，yn＝fi，即直线成形方法；
(2)离散之前先对xn进行三点平滑，所以离散化后传递公式为：
yn＝A·{yn-1+[xn+1-xn-2]/3+[xn+1+xn+xn-1]/3M}。
更进一步，(1)、先确定数字化能谱仪内ADC的采样频率后，采集系列非重叠核脉冲和参考电压离散值，用于确定参数值，包括Nos、M、S和A的值；
(2)、构建数字化核脉冲直线成形方法传递公式：
yn＝A·{yn-1+[xn+1-xn-2]/3+[xn+1+xn+xn-1]/3M}；
(3)将参数Nos、M、S和A代入上述构建后数字化核脉冲直线成形方法传递公式，并于可编程器件内按如下步骤实现：
①依公式gn＝[xn+1-xn-2]/3计算gn并存储在硬件缓冲单元内；
②如果gn+1≥Nos且gn<Nos说明第n点处于新i个核脉冲的起始点Ui，依公式yn＝A·{yn-1+gn+[xn+1+xn+xn-1]/3M}计算数字化核脉冲直线成形后的值；否则依公式yn＝A·{gn+[xn+1+xn+xn-1]/3M}计算数字化核脉冲直线成形后的值；同时将yn存储在硬件缓冲单元内；
③当Ui+1-Ui＜S+5时,则第i个核脉冲丢弃，不记录其幅度值；否则第i个核脉冲的幅度提取值为Fi＝(yS+1+yS+2+yS+3+yS+4+yS+5)/5，扣除相应基线得到第i个核脉冲的幅度值为
Figure BDA0002478624820000022
(4)参数Nos、M、S和A的获取方法，是由以下方法得到的：
①参数Nos的确定：通过所用数字化能谱仪采集一段不存在数字化核脉冲的参考电压离散值(不少于五千个点)，将其最大值赋于Nos；
②参数M的确定：通过所用数字化能谱仪采集1个非重叠数字化核脉冲，其中非重叠数字化核脉冲幅度采样值大于能谱最大道址的一半；采用公式
Figure BDA0002478624820000031
对上述数字化核脉冲进行拟合，取M≤τ1均可实现数字化核脉冲直线成形，取M＝τ1时重叠核脉冲甄别能力最优，能谱计数率最高；
③参数S的确定：通过所用数字化能谱仪采集1个非重叠数字化核脉冲，其中非重叠数字化核脉冲幅度采样值大于能谱最大道址的一半；在A＝1时按前述成形方案对上述数字化核脉冲实施直线成形，用公式yn＝a-b·e-c·n拟合当前核脉冲的起始点后的直线成形值yn，则取
Figure BDA0002478624820000032
④参数A的确定：通过所用数字化能谱仪采集12个不同幅度的非重叠数字化核脉冲，其中非重叠数字化核脉冲幅度采样值从20到能谱最大道址；在A＝1时按前述方案提取上述12个数字化核脉冲的幅度值Fi(i＝1,……,12)，并用公式
Figure BDA0002478624820000033
拟合上述12个数字化核脉冲得到幅度拟合值fi(i＝1,……,12)；运用公式fi＝A·Fi拟合12个数据点(Fi,fi)得到参数A的值。
本发明有益效果及创造性分析：
从图1可以看出，经本发明成形后核脉冲中上升沿和平顶与梯形成形结果相似。与梯形成形相比，本发明还存在以下优点：
①成形后核脉冲平顶区更平滑(如图1)，证实本发明去除电子学噪声的效果更佳，能量分辨力亦越好；
②无需下降沿(如图2)，证实本发明成形后核脉冲可以更窄，重叠核脉冲分辨能力更强。即使重叠核脉冲的起始点间隔小于S+5导致第一个核脉冲幅度无法准确提取(如图2内第4个核脉冲)，该方法也不会影响后续核脉冲幅度的准确提取(如图2内第5个核脉冲)；
③算法更简单，无需快成形通道可同时实现核脉冲的定位，说明在相同的测量时间内本发明可以处理更多的核脉冲，能谱计数率更高。
附图说明
图1为本发明非重叠数字化核脉冲采样值的数字化直线成形与梯形成形结果；
图2为本发明25.6微秒核脉冲采样值的数字化直线成形与梯形成形结果；
图3为本发明参考电压ADC长时间采样值；
图4为本发明非重叠数字化核脉冲采样值及其拟合分布；
图5为本发明非重叠数字化核脉冲直线成形结果及其拟合分布；
图6为本发明参数A的拟合结果；
图7为本发明实施例1的FPGA内处理流程图；
图8为本发明于硬件中实现数字化直线成形结果后采集得到的137Cs点源的能谱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述，然而本发明的范围并不限于下述实施例。
实施例1：下面通过附图和具体实施方式对本发明作更为详细的描述。
实施例的数字化能谱仪硬件由滨松公司CH249-01型NaI探头、信号调理电路、AD9649、EP3C10E144C8N型FPGA芯片、CY7C68015A型单片机及相应的辅助电路组成。AD9649的采样率设置为40MSPS。
(1)依据核脉冲指数衰减规律，利用衰减补偿原理，建立数字化核脉冲直线成形方法离散传递公式：
①依公式gn＝[xn+1-xn-2]/3计算gn并存储在硬件缓冲单元内；
②如果gn+1≥Nos且gn<Nos说明第n点处于新i个核脉冲的起始点Ui，依公式yn＝A·{yn-1+gn+[xn+1+xn+xn-1]/3M}计算数字化核脉冲直线成形后的值；否则依公式yn＝A·{gn+[xn+1+xn+xn-1]/3M}计算数字化核脉冲直线成形后的值。同时将yn存储在硬件缓冲单元内。
③当Ui+1-Ui＜S+5时,则第i个核脉冲丢弃，不记录其幅度值；否则第i个核脉冲的幅度提取值为Fi＝(yS+1+yS+2+yS+3+yS+4+yS+5)/5，扣除相应基线得到第i个核脉冲的幅度值为
Figure BDA0002478624820000051
(2)参数的获取
①参数Nos的确定：采用本实施例中数字化能谱仪采集一段不存在数字化核脉冲的参考电压离散值，如图3所示。可以看出其最大值为6，则取Nos＝6。
②参数M的确定：采用本实施例中数字化能谱仪采集到的1个幅度较高(幅度采样值大于能谱最大道址的一半)非重叠数字化核脉冲如图4所示。于MATLAB平台采用公式
Figure BDA0002478624820000052
对图4种数字化核脉冲进行拟合(拟合结果如图4所示)，得到拟合值τ1＝16.87，为实现计数率最大化，取M＝τ1＝16.87。
③参数S的确定：在A＝1时按步骤(1)中①和②对图4中数字化核脉冲实施直线成形，用公式yn＝a-b·e-c·n拟合当前核脉冲的起始点后的直线成形结果yn，结果如图5所示。求解得到
Figure BDA0002478624820000053
④参数A的确定：采用本实施例中数字化能谱仪采集12个不同幅度(幅度采样值从20到能谱最大道址)的非重叠数字化核脉冲，在A＝1时按步骤(1)提取上述12个数字化核脉冲的幅度值Fi(i＝1,……,12)，并用公式
Figure BDA0002478624820000054
拟合上述12个数字化核脉冲得到幅度拟合值fi(i＝1,……,12)。运用公式fi＝A·Fi拟合12个数据点(Fi,fi)，结果如图6所示。得到参数A＝0.5176。
(3)将参数Nos、M、S和A代入步骤(1)中②和③即可获得适用于本实施例中数字化能谱仪的数字化直线成形方法的传递公式。于MATLAB平台实现步骤(1)，对本实施例中数字化能谱仪获得的25.6微秒连续采样值进行处理，得到数字化核脉冲直线成形方法的输出结果如图2所示。可以看出：在Ui+1-Ui≥41时，数字化直线成形方法能准确提取每个幅度值；即使第4个核脉冲不满足上述条件导致无法提取核脉冲幅度值，也不会对第5和6个核脉冲幅度准确提取造成影响，证实可有效提升能谱仪的计数率。
在本实施例中数字化能谱仪内FPGA芯片上实施数字化核脉冲直线成形方法，详细过程如图7所示，其中基线Bi利用最小平均值法提取；gn由步骤(1)中①确定；yn由步骤(1)中②确定；幅度提取、堆积判弃和基线恢复由步骤(1)中③确定。对每一个可提取幅度的核脉冲而言，能谱记录即将第
Figure BDA0002478624820000061
道计数加1。获得的137Cs点源的能谱如图8所示，分析发现其能量分辨力为7.58％，略高于梯形成形方法的7.61％；计数率较梯形成形提高了4.4％。
本发明所涉及的所有参数符号的具体含义为：
n：数字化能谱仪内ADC连续采样值的序号；
xn：数字化能谱仪内ADC的第n次采样值；
yn：数字化直线成形方法的第n个成形结果；
gn：数字化直线成形方法内分量，可用于确定核脉冲的起始位置Ui；
i：第i个核脉冲；
Ui：第i个核脉冲的起始位置；
A：经数字化直线成形方法成形后核脉冲幅度校正系数；
M：数字化直线成形方法内参数，取值等于核脉冲下降沿衰减系数；
S：经数字化直线成形方法成形后核脉冲上升沿持续时间；
Nos：数字化能谱仪参考电压的ADC采样最大值；
Fi：经数字化直线成形方法成形后第i个核脉冲的幅度值；
fi：采用双指数函数拟合得到的第i个核脉冲的幅度值；
Bi：利用最小平均值法提取的第i个核脉冲的基线值；
Figure BDA0002478624820000071
向下取整；
τ1：数字化核脉冲下降沿衰减时间常数；
τ2：数字化核脉冲上升沿衰减时间常数；
a：经数字化直线成形方法成形后核脉冲变化规律拟合函数内参数；
b：经数字化直线成形方法成形后核脉冲变化规律拟合函数内参数；
c：经数字化直线成形方法成形后核脉冲变化规律拟合函数内参数。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种数字化核脉冲直线成形方法，其特征在于，构建出数字化核脉冲的直线成形方法传递公式；同时利用传递公式内的分量实现重叠核脉冲的堆积判弃；与基线提取结果相减获得数字化核脉冲的准确幅度值；最后给出了传递公式中各个参数的获取方法；
(1)、先确定数字化能谱仪内ADC的采样频率后，采集系列非重叠核脉冲和参考电压离散值，用于确定参数值，包括Nos、M、S和A的值；
(2)、构建数字化核脉冲直线成形方法传递公式：
yn＝A·{yn-1+[xn+1-xn-2]/3+[xn+1+xn+xn-1]/3M}；
(3)将参数Nos、M、S和A代入上述构建后数字化核脉冲直线成形方法传递公式，并于可编程器件内按如下步骤实现：
①依公式gn＝[xn+1-xn-2]/3计算gn并存储在硬件缓冲单元内；
②如果gn+1≥Nos且gn<Nos说明第n点处于新i个核脉冲的起始点Ui，依公式yn＝A·{yn-1+gn+[xn+1+xn+xn-1]/3M}计算数字化核脉冲直线成形后的值；否则依公式yn＝A·{gn+[xn+1+xn+xn-1]/3M}计算数字化核脉冲直线成形后的值；同时将yn存储在硬件缓冲单元内；
③当Ui+1-UipS+5时,则第i个核脉冲丢弃，不记录其幅度值；否则第i个核脉冲的幅度提取值为Fi＝(yS+1+yS+2+yS+3+yS+4+yS+5)/5，扣除相应基线得到第i个核脉冲的幅度值为
Figure FDA0003769207080000011
(4)参数Nos、M、S和A的获取方法，是由以下方法得到的：
①参数Nos的确定：通过所用数字化能谱仪采集一段不存在数字化核脉冲的参考电压离散值，不少于五千个点，将其最大值赋于Nos；
②参数M的确定：通过所用数字化能谱仪采集1个非重叠数字化核脉冲，其中非重叠数字化核脉冲幅度采样值大于能谱最大道址的一半；采用公式
Figure FDA0003769207080000012
对上述数字化核脉冲进行拟合，取M≤τ1均可实现数字化核脉冲直线成形，取M＝τ1时重叠核脉冲甄别能力最优，能谱计数率最高；
③参数S的确定：通过所用数字化能谱仪采集1个非重叠数字化核脉冲，其中非重叠数字化核脉冲幅度采样值大于能谱最大道址的一半；在A＝1时按前述成形方案对上述数字化核脉冲实施直线成形，用公式yn＝a-b·e-c·n拟合当前核脉冲的起始点后的直线成形值yn，则取
Figure FDA0003769207080000021
④参数A的确定：通过所用数字化能谱仪采集12个不同幅度的非重叠数字化核脉冲，其中非重叠数字化核脉冲幅度采样值从20到能谱最大道址；在A＝1时按前述方案提取上述12个数字化核脉冲的幅度值Fi(i＝1,……,12)，并用公式
Figure FDA0003769207080000022
拟合上述12个数字化核脉冲得到幅度拟合值fi(i＝1,……,12)；运用公式fi＝A·Fi拟合12个数据点(Fi,fi)得到参数A的值。
2.根据权利要求1所述的一种数字化核脉冲直线成形方法，其特征在于，所述构建出数字化核脉冲的直线成形方法传递公式为：
(1)核脉冲数学模型：
Figure FDA0003769207080000023
当τ2趋近于0时，yn＝fi，即直线成形方法；
(2)离散之前先对xn进行三点平滑，所以离散化后传递公式为：
yn＝A·{yn-1+[xn+1-xn-2]/3+[xn+1+xn+xn-1]/3M}。
3.根据权利要求2所述的一种数字化核脉冲直线成形方法，其特征在于，当Ui+1-UipS+5时，丢弃第i个核脉冲；否则第i个核脉冲的幅度提取值为Fi＝(yS+1+yS+2+yS+3+yS+4+yS+5)/5。
4.根据权利要求2所述的一种数字化核脉冲直线成形方法，其特征在于，将第i个核脉冲的幅度提取值Fi减去当前基线值Bi后向下取整得到第i个核脉冲的幅度值
Figure FDA0003769207080000024
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