CN112134545A - 一种基于最佳滤波器的梯形成形方法、系统、终端及介质 - Google Patents

一种基于最佳滤波器的梯形成形方法、系统、终端及介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于最佳滤波器的梯形成形方法、系统、终端及介质，涉及核信息获取与处理领域，其技术方案要点是：CR‑RCm滤波器将探测器输出的单指数衰减脉冲成形为类高斯信号；以类高斯信号的时域表达式作为梯形成形滤波器的输入信号，梯形成形滤波器将输入信号成形为梯形脉冲输出。探测器输出脉冲信号共历经两种算法的滤波成形计算，当经过第一级最佳滤波后，由于RC电路的固有特性产生弹道亏损，使得滤波后的类高斯信号幅度明显降低，获得最好的信噪比；再将最佳滤波后的类双指数衰减脉冲看作是独立的脉冲信号，通过梯形成形滤波器成形后，不仅能够使脉冲宽度有效变窄，同时得到更高的信噪比。

Description

一种基于最佳滤波器的梯形成形方法、系统、终端及介质
技术领域
本发明涉及核信息获取与处理领域，更具体地说，它涉及一种基于最佳滤波器的梯形成形方法、系统、终端及介质。
背景技术
相比于辐射探测领域的传统模拟多道分析器，数字多道脉冲幅度分析系统以其设计简便、算法实现精准的优势，在绝大部分核测应用中取代了传统多道。数字多道与模拟多道最明显的区别在于：前者无需复杂的滤波成形电路，仅利用模拟数字转换芯片(ADC)将核脉冲波形数字化后，在后端处理器中对信号进行滤波成形和幅度分析等过程。
数字滤波成形算法中，梯形成形和CR-RCm算法应用最为普遍。梯形成形使原本近似于单指数衰减的探测器输出脉冲信号成形为梯形脉冲，梯形脉冲脉宽窄可有效避免指数衰减信号造成的脉冲尾堆积现象，同时梯形脉冲顶部平坦便于提取脉冲峰值。但梯形成形算法抗噪能力较差，在信噪比较差的应用场景中，只有通过加长梯形脉冲宽度来提高信噪比；CR-RCm成形是对噪声理论中最佳滤波器的近似模拟，探测器输出信号首先经过CR微分电路，在经过若干级RC积分电路，使脉冲信号信噪比达到最高。后级RC级数越多，成形后脉冲越接近高斯形脉冲，导致脉冲宽度过大，易产生信号堆积。
因此，如何研究设计一种能够克服现有数字滤波成形算法在探测器输出脉冲信号中应用缺陷的技术是我们目前急需解决的问题。
发明内容
为解决现有数字滤波成形算法在探测器输出脉冲信号中应用缺陷的问题，本发明的目的是提供一种基于最佳滤波器的梯形成形方法、系统、终端及介质，在最佳滤波算法基础上级联梯形成形算法，在有效提高信噪比的同时，使成形后信号保持较窄的脉冲宽度，该方法可应用于信噪比较差且计数率较高的辐射探测应用场景，如利用衬硼正比计数管测量反应堆源区中子通量时，通过脉冲幅度谱设置有效的甄别阈值。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
第一方面，提供了一种基于最佳滤波器的梯形成形方法，包括以下步骤：
CR-RCm滤波器将探测器输出的单指数衰减脉冲成形为类高斯信号；
以类高斯信号的时域表达式作为梯形成形滤波器的输入信号，梯形成形滤波器将输入信号成形为梯形脉冲输出。
进一步的，所述CR-RCm滤波器成形具体为：通过Z变换将探测器输出的单指数衰减脉冲从时域变换至Z域，并在Z域中将脉冲函数和传递函数做乘积，再反变换回时域。
进一步的，所述类高斯信号在Z域的表达式具体为：
Figure BDA0002702226150000021
数字能谱系统中ADC常常工作在过采样状态，即T＜＜τRC，故A≈1，则简化为：
Figure BDA0002702226150000022
其中，A＝(k·d+1-d)÷(k+1-d)；B＝(k·d)÷(k+1-d)；d＝τRC÷(τRC+T)；k为极零相消电路中与微分电容相并联的电阻与串联电阻之比；τRC是RC积分电路时间常数；T是离散化时的采样周期。
进一步的，所述类高斯信号的时域表达式为离散表达式，具体为：
Figure BDA0002702226150000023
进一步的，所述梯形成形滤波器成形具体为：将输入信号变换至Z域，并将类高斯信号在Z域的表达式对梯形信号在Z域的表达式做商得到传递函数的表达式，再将传递函数通过反变换回时域。
进一步的，所述梯形脉冲的时域表达式为离散表达式，具体为：
Vo[n]＝(VCR-RCm[n-1]-VCR-RCm[n-na-1]-VCR-RCm[n-nb-1]+VCR-RCmn-nc-1÷(na*e1-e2)-(e1+e2)·VCR-RCmn-2-VCR-RCmn-na-2-VCR-RCmn-nb-2+VCR-RCmn-nc-2÷(na*e1-e2)+e1·e2·VCR-RCmn-3-VCR-RCmn-na-3-VCR-RCmn-nb-3+VCR-RCmn-nc-3÷(na*e1-e2)+2·Vo n-1-Von-2；
其中，A＝(k·d+1-d)÷(k+1-d)；B＝(k·d)÷(k+1-d)；d＝τRC÷(τRC+T)；k为极零相消电路中与微分电容相并联的电阻与串联电阻之比；τRC是RC积分电路时间常数；DB是RC电路的弹道亏损；na梯形上升沿，nb＝na+梯形顶宽，nc＝na+nb；
Figure BDA0002702226150000031
第二方面，提供了一种基于最佳滤波器的梯形成形系统，包括：
第一滤波模块，用于通过CR-RCm滤波器将探测器输出的单指数衰减脉冲成形为类高斯信号；
第二滤波模块，用于以类高斯信号的时域表达式作为梯形成形滤波器的输入信号，并通过梯形成形滤波器将输入信号成形为梯形脉冲输出。
第三方面，提供了一种计算机终端，包含存储器、处理器及存储在存储器并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面中任意一项所述的一种基于最佳滤波器的梯形成形方法。
第四方面，提供了一种处理器，处理器用于运行计算机程序，计算机程序运行时执行如第一方面中任意一项所述的一种基于最佳滤波器的梯形成形方法。
第五方面，提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行可实现如第一方面中任意一项所述的一种基于最佳滤波器的梯形成形方法。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：探测器输出脉冲信号共历经两种算法的滤波成形计算，当经过第一级最佳滤波后，由于RC电路的固有特性产生弹道亏损，使得滤波后的类高斯信号幅度明显降低，获得最好的信噪比；再将最佳滤波后的类双指数衰减脉冲看作是独立的脉冲信号，通过梯形成形滤波器成形后，不仅能够使脉冲宽度有效变窄，同时得到更高的信噪比，通过滤波成形后得到的传递函数将使得最终成形结果幅度存在弹道亏损，两级传递函数的耦合结果使其既包含滤波效果又包含成形功能。该方法可应用于信噪比较差且计数率较高的辐射探测应用场景，如利用衬硼正比计数管测量反应堆源区中子通量时，通过脉冲幅度谱设置有效的甄别阈值。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是本发明实施例中与梯形成形、CR-RCm算法成形的效果对比图；
图2是本发明实施例中与梯形成形结果的效果对比图；
图3是本发明实施例中与C-CR1滤波结果的效果对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：一种基于最佳滤波器的梯形成形方法，包括以下步骤：
步骤一：CR-RCm滤波器将探测器输出的单指数衰减脉冲成形为类高斯信号。CR-RCm滤波器成形具体为：通过Z变换将探测器输出的单指数衰减脉冲从时域变换至Z域，并在Z域中将脉冲函数和传递函数做乘积，再反变换回时域。此时输出信号幅度和噪声水平均明显降低，信噪比提升。这种信号幅度的损失是由RC电路的弹道亏损造成。
步骤二：以类高斯信号的时域表达式作为梯形成形滤波器的输入信号，梯形成形滤波器将输入信号成形为梯形脉冲输出。所述梯形成形滤波器成形具体为：将输入信号变换至Z域，并将类高斯信号在Z域的表达式对梯形信号在Z域的表达式做商得到传递函数的表达式，再将传递函数通过反变换回时域。由于类高斯信号本身包含CR-RCm的传递函数，则最终梯形成形的结果可认为探测器输出信号连续经过CR-RCm滤波器和梯形成形滤波器后成形为梯形脉冲输出。
后级梯形成形输入信号的来源：以类高斯信号的时域表达式作为梯形成形滤波器的输入信号。若在频域中直接耦合两种成形的方法将导致中间级被抵消，使得最终结果失去滤波效果，即：
Figure BDA0002702226150000041
公式(1)得到的结果与直接利用梯形成形得到的结果类似，这是因为未考虑到RC滤波过程引入的弹道亏损效应。因此，第二级梯形成形的输入信号直接是滤波后类高斯信号的时域表达式，而不是经过CR-RCm变换后的类高斯信号的递推关系式。
经过CR-RCm成形得到的单指数输入信号经CR-RCm(m＝1)成形后的类高斯信号在时域的离散递推关系式为：
VCR-RCm[n]＝A·(1-d)·Vi[n]-B·(1-d)·Vi[n-1]+(d+B)·VCR-RCm[n-1]-B·d·VCR-RCm[n-2]；
其中：
A＝(k·d+1-d)÷(k+1-d)；
B＝(k·d)÷(k+1-d)；
d＝τRC÷(τRC+T)；
τRC是RC积分电路时间常数；
T是离散化时的采样周期(ADC的采样周期)。
类高斯信号在Z域的表达式具体为：
Figure BDA0002702226150000051
数字能谱系统中ADC常常工作在过采样状态，即T＜＜τRC，故A≈1，则简化为：
Figure BDA0002702226150000052
其中，A＝(k·d+1-d)÷(k+1-d)；B＝(k·d)÷(k+1-d)；d＝τRC÷(τRC+T)；k为极零相消电路中与微分电容相并联的电阻与串联电阻之比；τRC是RC积分电路时间常数；T是离散化时的采样周期。
该Z域表达式与双指数衰减信号十分接近，事实上如果CR-RCm中m＝1，则对单指数衰减信号的滤波结果是使其成形为类双指数衰减信号。
类高斯信号的时域表达式为离散表达式，具体为：
Figure BDA0002702226150000053
梯形脉冲的时域表达式为离散表达式，具体为：
Vo[n]＝(VCR-RCm[n-1]-VCR-RCm[n-na-1]-VCR-RCm[n-nb-1]+VCR-RCmn-nc-1÷(na*e1-e2)-(e1+e2)·VCR-RCmn-2-VCR-RCmn-na-2-VCR-RCmn-nb-2+VCR-RCmn-nc-2÷(na*e1-e2)+e1·e2·VCR-RCmn-3-VCR-RCmn-na-3-VCR-RCmn-nb-3+VCR-RCmn-nc-3÷(na*e1-e2)+2·Vo n-1-Von-2；
其中，A＝(k·d+1-d)÷(k+1-d)；B＝(k·d)÷(k+1-d)；d＝τRC÷(τRC+T)；k为极零相消电路中与微分电容相并联的电阻与串联电阻之比；τRC是RC积分电路时间常数；DB是RC电路的弹道亏损；na梯形上升沿，nb＝na+梯形顶宽，nc＝na+nb；
Figure BDA0002702226150000061
便于通过FPGA实现。
如图1所示，将单指数衰减信号的信噪比设置为0.1，符合当前反应堆堆外核测系统中衬硼电离室输出。
如图2所示，将梯形成形结果与本发明中结果归一化后做进一步对比，发现本发明成形结果能够实现更好的信噪比。
如图3所示，将RC-CR1成形结果与本发明中结果归一化后做进一步对比，发现本发明成形结果脉宽更小，更接近高斯型，同时比CR-RC1滤波效果佳，具有更高的信噪比。
实施例2：一种基于最佳滤波器的梯形成形系统，包括第一滤波模块、第二滤波模块。第一滤波模块，用于通过CR-RCm滤波器将探测器输出的单指数衰减脉冲成形为类高斯信号。第二滤波模块，用于以类高斯信号的时域表达式作为梯形成形滤波器的输入信号，并通过梯形成形滤波器将输入信号成形为梯形脉冲输出。
工作原理：探测器输出脉冲信号共历经两种算法的滤波成形计算，当经过第一级最佳滤波后，由于RC电路的固有特性产生弹道亏损，使得滤波后的类高斯信号幅度明显降低，获得最好的信噪比；再将最佳滤波后的类双指数衰减脉冲看作是独立的脉冲信号，通过梯形成形滤波器成形后，不仅能够使脉冲宽度有效变窄，同时得到更高的信噪比。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于最佳滤波器的梯形成形方法，其特征是，包括以下步骤：
CR-RCm滤波器将探测器输出的单指数衰减脉冲成形为类高斯信号；
以类高斯信号的时域表达式作为梯形成形滤波器的输入信号，梯形成形滤波器将输入信号成形为梯形脉冲输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于最佳滤波器的梯形成形方法，其特征是，所述CR-RCm滤波器成形具体为：通过Z变换将探测器输出的单指数衰减脉冲从时域变换至Z域，并在Z域中将脉冲函数和传递函数做乘积，再反变换回时域。
3.根据权利要求2所述的一种基于最佳滤波器的梯形成形方法，其特征是，所述类高斯信号在Z域的表达式具体为：
Figure FDA0002702226140000011
数字能谱系统中ADC常常工作在过采样状态，即T＜＜τRC，故A≈1，则简化为：
Figure FDA0002702226140000012
其中，A＝(k·d+1-d)÷(k+1-d)；B＝(k·d)÷(k+1-d)；d＝τRC÷(τRC+T)；k为极零相消电路中与微分电容相并联的电阻与串联电阻之比；τRC是RC积分电路时间常数；T是离散化时的采样周期。
4.根据权利要求3所述的一种基于最佳滤波器的梯形成形方法，其特征是，所述类高斯信号的时域表达式为离散表达式，具体为：
Figure FDA0002702226140000013
5.根据权利要求1所述的一种基于最佳滤波器的梯形成形方法，其特征是，所述梯形成形滤波器成形具体为：将输入信号变换至Z域，并将类高斯信号在Z域的表达式对梯形信号在Z域的表达式做商得到传递函数的表达式，再将传递函数通过反变换回时域。
6.根据权利要求5所述的一种基于最佳滤波器的梯形成形方法，其特征是，所述梯形脉冲的时域表达式为离散表达式，具体为：
Vo[n]＝(VCR-RCm[n-1]-VCR-RCm[n-na-1]-VCR-RCm[n-nb-1]+VCR-RCm[n-nc-1])÷(na*e1-e2)-(e1+e2)·(VCR-RCm[n-2]-VCR-RCm[n-na-2]-VCR-RCm[n-nb-2]+VCR-RCm[n-nc-2])÷(na*e1-e2)+e1·e2·(VCR-RCm[n-3]-VCR-RCm[n-na-3]-VCR-RCm[n-nb-3]+VCR-RCm[n-nc-3])÷(na*e1-e2)+2·Vo[n-1]-Vo[n-2]；
其中，A＝(k·d+1-d)÷(k+1-d)；B＝(k·d)÷(k+1-d)；d＝τRC÷(τRC+T)；k为极零相消电路中与微分电容相并联的电阻与串联电阻之比；τRC是RC积分电路时间常数；DB是RC电路的弹道亏损；na梯形上升沿，nb＝na+梯形顶宽，nc＝na+nb；
Figure FDA0002702226140000021
7.一种基于最佳滤波器的梯形成形系统，其特征是，包括：
第一滤波模块，用于通过CR-RCm滤波器将探测器输出的单指数衰减脉冲成形为类高斯信号；
第二滤波模块，用于以类高斯信号的时域表达式作为梯形成形滤波器的输入信号，并通过梯形成形滤波器将输入信号成形为梯形脉冲输出。
8.一种计算机终端，其特征是，包含存储器、处理器及存储在存储器并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-6中任意一项所述的一种基于最佳滤波器的梯形成形方法。
9.一种处理器，其特征是，处理器用于运行计算机程序，计算机程序运行时执行如权利要求1-6中任意一项所述的一种基于最佳滤波器的梯形成形方法。
10.一种计算机可读介质，其特征是，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行可实现如权利要求1-6中任意一项所述的一种基于最佳滤波器的梯形成形方法。
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