CN111600584A - 一种核脉冲信号处理方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核脉冲信号处理方法及系统，首先探测器将射线转换为信号后经过模拟放大；将放大后的信号转换成数字信号；将数字信号输入FPGA中经过R‑C逆变换消除信号上升沿，然后经过C‑R逆变换得到原始信号，将原始信号进行积分、抽样后形成梯形模型以实时产生梯形脉冲信号。本发明采用C‑R逆系统、R‑C逆系统重新构建了适合于FPGA运算的数字梯形成形递推公式，未引入浮点运算，计算速度更快。并且通过R‑C逆系统生成了只有2‑4个采样点的高信噪比的快信号处理递推公式。因此极大的提高了测量系统的脉冲通过率。与直接采用快成形相比，需要的采样点更少，并且对于微弱信号的分辨能力更强。

Description

一种核脉冲信号处理方法及系统

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，具体涉及核信号处理，尤其是一种核脉冲信号处理方法及系统。

背景技术

核信号的数字化处理发展得非常迅速，其中FPGA的应用起到了非常重要的作用。高速AD采样后的数据处理速度必须与高速AD同步，所以研究适合FPGA高速计算的算法显得尤为重要。例如，基线恢复(参见由曾国强、杨健、胡天宇等发表的基于对称零面积梯形的基线恢复技术。物理研究中的核仪器和方法，2017858:57-61)、重叠脉冲分离(参见由周建斌，刘毅，洪旭，等发表的X射线光谱中堆积脉冲识别的梯形脉冲整形。中国物理C，2015，39(6)：110-115)、脉冲甄别(参见唐林，喻杰，周建斌，等人发表的一种消除假峰以获得精确X射线谱的新方法。应用辐射和同位素，2018135:171-176)等都采用FPGA进行处理。

Valentin T.Jordanov和曾国强等人采用反卷积的方法研究数字脉冲处理，取得了很多成果。在此基础上我们引入了正系统与逆系统的分析方法。在信号处理时，常用的方法是根据已有的系统去推导输出结果。然而有时候我们需要通过输出信号来判断探测器采集到的信号，这时就需要对信号进行逆系统数字分析，但是在电路系统中信号本身是不可逆的。已知系统与V_in,求解V_out的过程我们定义为正系统，已知系统与V_out，求解V_in的过程我们定义为逆系统。在正系统的研究方面我们已经取得一些进展。已知V_in与V_out，求解系统的过程称为反演，主要在地震、地质结构、核图像处理中应用。

目前申请人已经研究了RC逆系统用于信号上升沿的修复(参见专利申请号为201910370049.9)。但是发明人在后续的实际研发过程中发现通常探测器将射线转换为信号后会经过模拟放大，然后再转变为数字信号进入FPGA中进行处理。经过模拟电路后输出的信号不是标准的负指数信号，而是带有上升沿的负指数信号。这样直接对该信号进行成谱处理时，在FPGA中会出现差分和除以不为2ⁿ的数的情况，这就会增大输出误差，并且降低FPGA的处理速度。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述技术存在之不足，我们在研究RC逆系统用于信号上升沿的修复技术的基础上对其进行进一步的研究，得到了一种核脉冲信号处理方法及系统。该方式具有更简洁的可在FPGA中快速实现的数字梯形成形公式并且得到了信噪比更高的快信号处理方式。

为实现上述目的本发明所采用的技术方案是：

一种核脉冲信号处理方法,其特征在于，包括以下操作：

探测器将射线转换为信号后经过模拟放大；

将放大后的信号转换成数字信号；

将数字信号输入FPGA中经过R-C逆变换消除信号上升沿，然后经过C-R逆变换得到原始信号，将原始信号进行积分、抽样后形成梯形模型以实时产生梯形脉冲信号。

本发明中进一步地优选实施方式是，所述R-C逆变换的具体过程如下:

采用R-C变换得到，取足够小的时间间隔，则可以将Vin数字化为X(n)，Vout数字化为Y(n)，dt＝50ns，则可以把上述公式转化成，n＝0、1、2…；然后将其通过R-C逆变换，得到；

x[n]＝(1+k)*y[n]-k*y[n-1]

令y[0]＝0，通过积分变换后得到

Σx[n]＝Σy[n]+k*y[n]即为R-C逆变换的数字递推解，得到的输出结果即为原始信号的数字积分。

本发明中进一步地优选实施方式是，所述C-R逆变换的具体过程是：将C-R微分成形电路进行逆变换得到公式，然后进行C-R逆变换，可以得到

x[n+1]-x[n]＝(1+k)*y[n+1]-y[n]

整理后得到

x[n+1]-x[n]＝k*y[n+1]+(y[n+1]-y[n])

将其做积分变换，当信号的初值为0时，得到

x[n+1]＝k*Σy[n+1]+y[n+1]

此时完成C-R逆变换的数字递推解，以适合在FPGA系统中运行；式中：输入信号数字化为X(n)，输出信号数字化为Y(n)，k＝dt/RC是一个浮点数，dt＝50ns。

本发明中进一步地优选实施方式是，，公式x[n+1]＝k*Σy[n+1]+y[n+1]中k＝dt/RC是一个浮点数，将其再变换成

m*x[n+1]＝Σy[n+1]+m*y[n+1]

式中m＝1/k,可以取整成2n运算，实际输出信号只需要进行移位操作即可复原，公式中输入信号为标准的负指数信号，输出为阶跃信号或单位脉冲响应信号或锯齿信号，然后在变换成梯形信号。

本发明中进一步地优选实施方式是，输入信号x[n]为阶跃信号，其梯形成形模型是，

n_a*z(n)＝Σ(x[n]+x[n-n_a-L]-x[n-n_a]-x[n-L])，其中n_a为梯形的上升宽度，L为梯形的上升加平顶宽度。

本发明中进一步地优选实施方式是，输入信号x1[n]为锯齿信号，其梯形成形模型是，

n_a*z(n)＝(x1[n]+x1[n-n_a-L]-x1[n-n_a]-x1[n-L])，其中n_a为梯形的上升宽度，L为梯形的上升加平顶宽度。

本发明中进一步地优选实施方式是，输入信号x2[n]为单位冲击信号，其梯形成形模型是，

n_a*z(n)＝ΣΣ(x2[n]+x2[n-n_a-L]-x2[n-n_a]-x2[n-L])，其中n_a为梯形的上升宽度，L为梯形的上升加平顶宽度。

本发明还提供了一种实现上述方法的核脉冲信号处理系统，其包括：

探测器，用于获取核脉冲信号；

模拟放大器，将上述核脉冲信号放大；

模数转换器，将放大后的核脉冲信号转换成数字信号；

FPGA系统，数字信号处理，消除信号上升沿，然后经过C-R逆变换得到原始信号，将原始信号进行积分、抽样后形成梯形模型以实时产生梯形脉冲信号。

本发明中核脉冲信号的处理系统，的进一步优选实施方式是所述FPGA系统包括了

R-C逆系统，用于将双指数的探测器信号转换成单指数信号，并消除脉冲信号上升沿；

C-R逆系统，用于将核脉冲信号变换成原始信号。

相比现有技术，本发明的技术方案具有如下优点/有益效果：

本发明采用C-R逆系统、R-C逆系统重新构建了适合于FPGA运算的数字梯形成形递推公式，未引入浮点运算，计算速度更快。并且通过R-C逆系统生成了只有2-4个采样点的高信噪比的快信号处理递推公式，因此极大的提高了测量系统的脉冲通过率。与直接采用快成形相比，需要的采样点更少，并且对于微弱信号的分辨能力更强。

本发明在核信号的分析中对逆系统进行了研究，并且在实时核信号处理中用研究了适合FPGA处理的算法，得到了新的核信号数字梯形成形的递推公式以及高信噪比的快信号处理的递推公式，提高了信号处理速度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明发明的方法原理流程框图。

图2是基本的C-R微分成形原理图。

图3是公式(3-c)的FPGA实现原理图。

图4是负指数信号经CR逆系统转化成阶跃信号示意图。

图5是阶跃信号微分结果示意图。

图6是阶跃信号积分结果示意图。

图7是累加部分的FPGA实现原理示意图。

图8是实际探测器信号变换成梯形信号示意图。

图9是RC积分电路原理图。

图10是公式(10-b)的FPGA实现原理图。

图11是R-C逆系统修复实测信号的上升沿模拟效果图。

图12是改善梯形成型后的模拟效果示意图。

图13是R-C逆系统用于生成快脉冲效果图。

具体实施方式

为使本发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

实施例：

如图1所示，探测器将射线转换为信号后会经过模拟放大，然后再转变为数字信号进入FPGA中进行处理。经过模拟电路后输出的信号不是标准的负指数信号，而是带有上升沿的负指数信号。直接对该信号进行成谱处理时，在FPGA中会出现差分和除以不为2ⁿ的数的情况，这就会增大输出误差，并且降低FPGA的处理速度。

因此为了解决上述问题，本实施例采用了C-R逆系统、R-C逆系统及FPGA来实现。

C-R微分成形电路是核电子学中一种常用的简单成形方式，如图2所示，图中的C、R参数一般由实验确定。

V_in为输入信号，V_out为输出信号，则可以推导C-R正系统的求解公式(此推导过程为已知的现有技术在此就不再做详细描述，具体可以参考由周建斌、周伟、王敏等人2017年在中国原子能出版社发表的核信号的数字分析与处理；以及由周建斌、周伟、庹先国等人2012年在核技术英文版期刊上发表的核信号时域数字脉冲整形算法研究)：

当取足够小的时间间隔，则可以将V_in数字化为X(n)，V_out数字化为Y(n)，dt＝50ns(由于计算机技术的发展，dt还可以小到1ps，当然计算的工作量会很大)可以把式(1)转化成式(2)，n＝0、1、2…。

C-R微分电路的逆系统将其定义为C-R逆系统。将公式(2)进行C-R逆变换，可以得到公式(3-a)。

x[n+1]-x[n]＝(1+k)*y[n+1]-y[n] (3-a)

整理得到公式(3-b)

x[n+1]-x[n]＝k*y[n+1]+(y[n+1]-y[n]) (3-b)

x[n+1]＝k*Σy[n+1]+y[n+1] (3-c)

将公式(3-b)做积分变换，当信号的初值为0时，得到公式(3-c)，这就是C-R逆系统的数字递推解，适合在FPGA系统中运行，具体如图3所示。公式(3-c)与公式(3-a)相比，更加简化，并且不会产生截断误差。

上述C-R逆系统与数字梯形成型的具体过程是：核探测器输出的信号经前置放大器后，得到了一个指数衰减信号，该信号具有很快的上升沿和较长下降沿，同时在该信号上还叠加有噪声。将该信号送给高速数据采集系统，可得到数字核辐射能量信号，随后实现脉冲信号成形。利用高效递推算法，实现快速数字脉冲成形，以实时产生梯形(三角形)的脉冲。

下面我们通过C-R逆系统的应用，来具体说明数字梯形成型的过程。式3-c中由于k＝dt/RC是一个浮点数，可以将公式(3-c)再变换成公式(3-d)

m*x[n+1]＝Σy[n+1]+m*y[n+1](3-d)

式中m＝1/k,可以取整成2ⁿ运算，实际输出信号只需要进行移位操作即可复原。公式(3-d)中如果输入信号(C-R逆系统的输出信号)是标准的负指数信号，则输出是阶跃信号(C-R逆系统的输入信号)，如图4所示。

信号与系统中x[n]′＝x[n]-x[n-1]，当x[0]＝0时，有∑(x[n]-x[n-1])＝x[n]。阶跃信号微分结果如图5所示，阶跃信号积分结果则如图6所示。

由图5可得出，阶跃信号经过微分处理后是单位脉冲响应信号。由图6得出，阶跃信号经积分处理后是锯齿信号。

在数字梯形成型中，需要将负指数信号变换成梯形信号。通过我们C-R逆系统的分析，可以把问题转化成阶跃信号、锯齿信号或者单位冲击信号变换成梯形信号的问题。

当输入信号x[n]为阶跃信号时，梯形成形公式如公式(4-a)所示，

n_a*z(n)＝Σ(x[n]+x[n-n_a-L]-x[n-n_a]-x[n-L]) (4-a)

当输入信号x1[n]为锯齿信号时，梯形成形公式如公式(4-b)所示，

n_a*z(n)＝(x1[n]+x1[n-n_a-L]-x1[n-n_a]-x1[n-L]) (4-b)

当输入信号x2[n]为单位冲击信号时，梯形成形公式如公式(4-c)所示，

n_a*z(n)＝ΣΣ(x2[n]+x2[n-n_a-L]-x2[n-n_a]-x2[n-L]) (4-c)

上述各式中n_a为梯形的上升宽度，L为梯形的上升加平顶宽度。

公式(4)即为阶跃信号、锯齿信号和单位冲击信号变换成梯形信号的公式，本实施例中所述公式(4)是指公式(4-a)、(4-b)和(4-c)。将图3的系统与公式(4)的系统级联，即可构成负指数信号变换成梯形信号的数字成型系统。式(4)中数字计算部分的FPGA实现如图7所示。这种方法的特点是最后求差，前面都是乘加运算，而且可以全部设计成整数运算，简化了系统，减少了截断误差，可以用于核信号的实时连续处理。最后整理得到的信号处理公式如下，适合FPGA的实现。

x1[n]＝m*x[n]＝Σy[n]+m*y[n] (5)

z1(n)＝Σx1[n] (6)

z(n)＝(z1[n]+z1[n-n_a-L]-z1[n-n_a]-z1[n-L])/n_a/m (7)

m可以取值为2ⁿ形式可以用移位操作来代替除法运算。

实际探测器信号变换成梯形信号的效果则如图8所示。

为了便于FPGA的运算实现，本实施例还将详细地描述R-C逆系统及FPGA实现，其具体如下：

在核电子学中R-C积分成形电路是一种常用的简单成形方式，如图10所示，图10中的R、C参数一般由实验与计算确定。

如图9所示，图中，V_in为输入信号，V_out为输出信号，则可推导了RC正系统的求解公式

取足够小的时间间隔，则可以将V_in数字化为X(n)，V_out数字化为Y(n)，dt＝50ns(由于计算机技术的发展，dt还可以小到1ps，当然计算的工作量会很大)可以把式(8)转化成式(9)，n＝0、1、2…。

R-C积分成形电路的逆系统我们定义为R-C逆系统。将公式(9)通过R-C逆系统变化，可以得到公式(10-a)。

x[n]＝(1+k)*y[n]-k*y[n-1] (10-a)

公式(10-a)含有差分运算，在FPGA中计算时，会增加计算误差，并且会降低运算速度，当y[0]＝0时，通过积分变换后得到公式(10-b)

Σx[n]＝Σy[n]+k*y[n] (10-b)

公式(10-b)就是R-C逆系统的数字递推解，这个公式在FPGA系统中很好实现如图10所示，由于公式(10-b)一直在做乘、做累加运算，没有产生截断误差，得到的输出结果是原来信号的数字积分。

在实际过程中R-C逆系统的应用如下，R-C逆系统可以用于将双指数的探测器信号转换成近似单指数的理想信号，消除脉冲信号前沿，效果如图11所示，图11中A方块是测量得到的脉冲信号，B菱形是修复过度的脉冲信号，C三角形是需要的修复的信号，D三角形是经过修复，但还是有上升沿的脉冲信号。

然后将经过R-C逆系统处理后的脉冲再进行梯形成型的效果如图12所示，平台部分得到明显改善。经过R-C逆系统处理后生成的快脉冲如图13所示,一个脉冲信号只占用了2-4个采样点，极大的提高了测量系统的脉冲通过率。与直接采用快成形相比，需要的采样点更少，并且对于微弱信号的分辨能力更强。

为实现上述过程，本实施例采用了相应地处理系统主要包括了探测器，用于获取核脉冲信号；模拟放大器，将上述核脉冲信号放大；模数转换器，将放大后的核脉冲信号转换成数字信号；FPGA系统，数字信号处理，消除信号上升沿，然后经过C-R逆变换得到原始信号，将原始信号进行积分、抽样后形成梯形模型以实时产生梯形脉冲信号。在FPGA系统中的R-C逆系统，用于将双指数的探测器信号转换成单指数信号，并消除脉冲信号上升沿；C-R逆系统，用于将核脉冲信号变换成原始信号。

本实施例中所采用的探测器、模拟软件、模数转换器、FPGA系统均为现有设备，比如探测器可以采用碘化钠探测器、高纯锗探测器、硅漂移探测器等等，再此本实施例就不做详细的罗列。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种核脉冲信号处理方法,其特征在于，包括以下操作：

探测器将射线转换为信号后经过模拟放大；

将放大后的信号转换成数字信号；

将数字信号输入FPGA中经过R-C逆变换消除信号上升沿，然后经过C-R逆变换得到原始信号，将原始信号进行积分、抽样后形成梯形模型以实时产生梯形脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的核脉冲信号处理方法，其特征在于，所述R-C逆变换的具体过程如下:

采用R-C变换得到

取足够小的时间间隔，则可以将Vin数字化为X(n)，Vout数字化为Y(n)，dt＝50ns，则可以把上述公式转化成

n＝0、1、2…；然后将其通过R-C逆变换，得到；

x[n]＝(1+k)*y[n]-k*y[n-1]

令y[0]＝0，通过积分变换后得到

Σx[n]＝Σy[n]+k*y[n]即为R-C逆变换的数字递推解，得到的输出结果即为原始信号的数字积分。

3.根据权利要求1所述的核脉冲信号处理方法，其特征在于，所述C-R逆变换的具体过程是：将C-R微分成形电路进行逆变换得到公式

然后进行C-R逆变换，可以得到

x[n+1]-x[n]＝(1+k)*y[n+1]-y[n]

整理后得到

x[n+1]-x[n]＝k*y[n+1]+(y[n+1]-y[n])

将其做积分变换，当信号的初值为0时，得到

x[n+1]＝k*Σy[n+1]+y[n+1]

此时完成C-R逆变换的数字递推解，以适合在FPGA系统中运行；式中：输入信号数字化为X(n)，输出信号数字化为Y(n)，k＝dt/RC是一个浮点数，dt＝50ns。

4.根据权利要求3所述的核脉冲信号处理方法，其特征在于，公式x[n+1]＝k*Σ

y[n+1]+y[n+1]中k＝dt/RC是一个浮点数，将其再变换成

m*x[n+1]＝Σy[n+1]+m*y[n+1]

式中m＝1/k,可以取整成2ⁿ运算，实际输出信号只需要进行移位操作即可复原，公式中输入信号为标准的负指数信号，输出为阶跃信号或单位脉冲响应信号或锯齿信号，然后再变换成梯形信号。

5.根据权利要求4所述的核脉冲信号处理方法，其特征在于，

输入信号x[n]为阶跃信号，其梯形成形模型是，

n_a*z(n)＝Σ(x[n]+x[n-n_a-L]-x[n-n_a]-x[n-L])，其中n_a为梯形的上升宽度，L为梯形的上升加平顶宽度。

6.根据权利要求4所述的核脉冲信号处理方法，其特征在于，输入信号x1[n]为锯齿信号，其梯形成形模型是，

n_a*z(n)＝(x1[n]+x1[n-n_a-L]-x1[n-n_a]-x1[n-L])，其中n_a为梯形的上升宽度，L为梯形的上升加平顶宽度。

7.根据权利要求4所述的核脉冲信号处理方法，其特征在于，

输入信号x2[n]为单位冲击信号，其梯形成形模型是，

n_a*z(n)＝ΣΣ(x2[n]+x2[n-n_a-L]-x2[n-n_a]-x2[n-L])，其中n_a为梯形的上升宽度，L为梯形的上升加平顶宽度。

8.一种核脉冲信号处理系统，其特征在于包括：

探测器，用于获取核脉冲信号；

模拟放大器，将上述核脉冲信号放大；

模数转换器，将放大后的核脉冲信号转换成数字信号；

FPGA系统，数字信号处理，消除信号上升沿，然后经过C-R逆变换得到原始信号，将原始信号进行积分、抽样后形成梯形模型以实时产生梯形脉冲信号。

9.根据权利要求8所述的一种核脉冲信号处理系统，其特征在于所述FPGA系统包括了

R-C逆系统，用于将双指数的探测器信号转换成单指数信号，并消除脉冲信号上升沿；

C-R逆系统，用于将核脉冲信号变换成原始信号。

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