CN112327347B - 曲率可调的数字化核脉冲成形系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种曲率可调的数字化核脉冲成形系统，该系统利用数字化的辐射探测器信号作为输入信号，通过模拟响应消除器、形态可调的顶帽滤波器、两级累加器、幅度归一化等级联化操作，输出上升沿曲率可调的成形信号。通过调节输出信号上升沿的曲率可以成为三角、梯形、高斯、顶尖等常见且重要的核脉冲成形信号。该方法采样FPGA进行系统实现，所有操作均采用数字化处理方式，具有方法简单、系统实现简单、成本低、多种成形脉冲可调等特点。

Description

曲率可调的数字化核脉冲成形系统
技术领域
本发明核仪器仪表和核辐射探测领域，具体涉及一种曲率可调的数字化核脉冲成形系统。
背景技术
核仪器仪表和核辐射探测领域，核脉冲成形系统可以对输入的核信号进行滤波成形，提高系统的信噪比，便于后续的核脉冲幅度测量和计数率测量。在核电子学中，除了从提高信噪比着眼要求信号具有一定形状外，其它方面对信号波形还有一定的要求。例如在高计数率时，希望成形波形比较窄而减少信号的重叠；在幅度分析时，希望成形波形顶部具有平顶而便于幅度准确测量，在时间分析时，希望信号的边沿较陡而使定时准确。
常见的模拟或数字式核脉冲成形方法和系统中仅能实现一种或两种波形的输出，难以通过灵活配置，输出不同波形的成形信号，满足不同的成形需求。
本发明提出的成形方法与系统，通过调节输出信号上升沿的曲率可以成为三角、梯形、高斯、顶尖等常见且重要的核脉冲成形信号。该方法采样FPGA进行系统实现，所有操作均采用数字化处理方式，具有方法简单、系统实现简单、成本低、多种成形脉冲可调等特点。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种曲率可调的数字化核脉冲成形系统，该曲率可调的数字化核脉冲成形系统可以很好地解决上述问题。
为达到上述要求，本发明采取的技术方案是：提供一种曲率可调的数字化核脉冲成形系统，该系统包括如下部件：
使用FPGA作为算法实现的核心器件；
内部采用模拟响应消除器、顶帽滤波器、累加器、幅度归一化的等单元组合、级联构建出实现曲率可调的数字化核脉冲成形方法的系统；
所述模拟响应消除器用于将来自探测器的输入信号逆卷积为冲击响应信号；
所述顶帽滤波器用于将冲击响应信号处理为一个反向的顶帽信号；
所述累加器用于信号的积分；
所述幅度归一化单元用于恢复因多重积分引起的幅度增大。
该曲率可调的数字化核脉冲成形系统具有如下有益效果：
(1)可以调节参数控制信号t[n]上升沿及下降沿的曲率。改变曲率可获得不同的成形形状，例如三角、梯形、高斯、顶尖等常见且重要的核脉冲成形信号。
(2)可以控制信号t[n]的平顶宽度，从而获得弹道亏损免疫。
(3)整个过程自动连续进行，算法均在FPGA内实现，具有较简单实现逻辑。对硬件电路要求较低。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1示意性地示出了根据本申请一个实施例的系统示意图。
图2示意性地示出了根据本申请一个实施例的构建不同形状成形信号的示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合具体实施例，对本申请作进一步地详细说明。
在以下描述中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”、“示例”等等的引用表明如此描述的实施例或示例可以包括特定特征、结构、特性、性质、元素或限度，但并非每个实施例或示例都必然包括特定特征、结构、特性、性质、元素或限度。另外，重复使用短语“根据本申请的一个实施例”虽然有可能是指代相同实施例，但并非必然指代相同的实施例。
为简单起见，以下描述中省略了本领域技术人员公知的某些技术特征。
根据本申请的一个实施例，提供一种曲率可调的数字化核脉冲成形系统，该系统使用FPGA作为算法实现的核心器件，内部采用模拟响应消除器、顶帽滤波器、累加器、幅度归一化的等单元组合、级联构建出可实现曲率可调的数字化核脉冲成形方法的系统；
(1)模拟响应消除器可将来自探测器的输入信号逆卷积为冲击响应信号；
(2)顶帽滤波器可以将冲击响应信号处理为一个反向的顶帽信号；
(3)累加器用于信号的积分；
(4)幅度归一化单元可以恢复因多重积分引起的幅度增大。
顶帽滤波器，采用以下步骤实现：
(1)首先构造矩形滤波器，得到两个矩形脉冲p[n]和q[n]。p[n]用于构建顶帽滤波器的帽沿，q[n]用于构建顶帽滤波器的帽顶；
(2)信号p[n]和q[n]采用信号延时、幅度控制、加减等操作，合成顶帽滤波器；
顶帽滤波器，同时具有以下特征：
(1)冲击响应δ[n]通过该顶帽滤波器可以成形为反向的顶帽波形r[n](帽沿为正、帽顶为负)；
(2)顶帽滤波器内含有增益控制，可以使滤波器的积分面积为零，防止在后续累加操作时发生基线漂移的情况；
(3)顶帽滤波器内含延时环节，可以控制帽沿和帽顶的宽度。
采用累积器对信号r[n]进行积分，得到双极性且中心对称的信号s[n]。采用累积器对信号s[n]进行积分，得到目标成形波形t[n]，该波形单极性且中心对称。
如图1所示，零散化探测器输入信号x[n](为描述方便，假定输入信号的幅度为1)，通常为双指数、指数、阶梯信号。根据文献V.T.Jordanov,Nucl.Instrum.MethodsPhys.Res.A,805:63-71(2016)，信号x[n]经过模拟响应消除器处理(Unfolding)可以得到冲击响应信号δ[n]。
信号δ[n]通过一个顶帽滤波器(Tophat filter)可以形成顶帽波形。顶帽滤波器(Tophat filter)的具体构造过程是：
首先构造矩形滤波器，得到两个矩形脉冲p[n]和q[n]，递归方程分别见式(2)、(3)。
p[n]＝∑(δ[n]-δ[n-k]) (1)
q[n]＝∑(δ[n]-δ[n-l]) (2)
参数k、l是矩形的宽度。
p[n]用于构建顶帽滤波器的帽沿，q[n]用于构建顶帽滤波器的帽顶。信号p[n]和q[n]采用信号延时、幅度控制、加减等操作，合成为顶帽滤波器(Tophat filter)。其中增益控制的目的是使合成的顶帽滤波器的面积为零，防止在后续累加操作时发生基线漂移的情况。顶帽滤波器输入信号r[n]。
r[n]＝l·p[n]+l·p[n-j-l]-k·q[n-k]-k·q[n-j](3)
j＝k+l+m (4)
参数m用于控制成形信号的平顶宽度。
信号r[n]经过累加器进行积分得到信号s[n]，再经过一级累加器进行积分得到信号t[n]。信号s[n]和t[n]的表达式见式(5)、(6)。
s[n]＝∑r[n]＝s[n-1]+r[n] (5)
t[n]＝∑s[n]＝t[n-1]+s[n] (6)
由于信号t[n]已经经过多次累加操作，幅度放大很多，需要进行幅度归一化操作，得到目标信号y[n]。信号y[n]就是最终的成形信号。信号y[n]左右对称，成形时间为参数k和l的和，平顶宽度为m。调节参数k和l可以控制信号y[n]上升和下降沿的曲率，构建出不同波形的信号。
采用图1所示的框架可以实现曲率可调的数字化核脉冲成形，图2是通过控制参数k、l和m构建不同形状成形信号。基于该方法和系统可以构建出三角、梯形、高斯、顶尖等常见且重要的核脉冲成形信号。
以上所述实施例仅表示本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。因此本发明的保护范围应该以所述权利要求为准。

Claims (1)

1.一种曲率可调的数字化核脉冲成形系统，其特征在于，包括如下部件：
使用FPGA作为算法实现的核心器件；
内部采用模拟响应消除器、顶帽滤波器、累加器、幅度归一化单元组合、级联构建出实现曲率可调的数字化核脉冲成形方法的系统；
所述模拟响应消除器用于将来自探测器的输入信号逆卷积为冲激响应信号；
所述顶帽滤波器用于将冲激响应信号处理为一个反向的顶帽信号；
所述累加器用于信号的积分；
所述幅度归一化单元用于恢复因多重积分引起的幅度增大；
所述顶帽滤波器，实现步骤如下：
S1：构造矩形滤波器，得到两个矩形脉冲p[n]和q[n]，
p[n]＝∑(δ[n]-δ[n-k])；
q[n]＝∑(δ[n]-δ[n-l])；
参数k、l是矩形的宽度；
其中p[n]用于构建顶帽滤波器的帽沿，q[n]用于构建顶帽滤波器的帽顶；
S2：信号p[n]和q[n]采用信号延时、幅度控制、加减的操作，合成顶帽滤波器，顶帽滤波器输出的信号r[n]；
r[n]＝l·p[n]+l·p[n-j-l]-k·q[n-k]-k·q[n-j]
j＝k+l+m
参数m用于控制成形信号的平顶宽度；
冲激响应信号δ[n]通过该顶帽滤波器成形为反向的顶帽信号r[n]，且帽沿为正、帽顶为负；顶帽滤波器内含有增益控制，使滤波器的积分面积为零，以防止在后续累加操作时发生基线漂移的情况；顶帽滤波器内含延时环节，用于控制帽沿和帽顶的宽度；
采用累加器对顶帽信号r[n]进行积分，得到双极性且中心对称的信号s[n]；
采用累加器对信号s[n]进行积分，得到目标成形波形t[n]，该波形单极性且中心对称；能够实现对目标成形波形t[n]上升沿及下降沿曲率的调节；通过曲率的调节能够获得至少四种成形形状，所述成形形状包括常见且重要的核脉冲成形信号；能够通过控制目标成形波形t[n]的平顶宽度获得弹道亏损免疫。
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