CN112764082B - 一种基于fpga的核脉冲数字化成形采样方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及核辐射探测技术领域，提供一种基于FPGA的核脉冲数字化成形采样方法，包括以下步骤：（1）将经高速ADC采样的核脉冲信号进行滤波处理判断触发条件；（2）将核脉冲信号通过滤波处理后计算基线值并扣除基线；（3）峰值提取形成能谱数据。本发明方法通过对高速ADC采样的核脉冲信号进行滤波成形处理后，分析其幅度和时间信息，可有效避免由于基线波动产生的误触发及脉冲计数率过高出现堆积时道址的漏触发情况，提高了能谱数据的准确度。

Description

一种基于FPGA的核脉冲数字化成形采样方法
技术领域
本发明涉及核辐射探测技术领域，具体的说是一种基于FPGA的核脉冲数字化成形采样方法。
背景技术
核能谱测量的方法因其精准高效的特点，而被广泛应用于核辐射探测技术领域中。通过对能谱的解析，可以得到被测对象中所含的核素的种类和含量的量化数据。数字多道脉冲幅度分析器通过对射线转换的电压脉冲的幅度分布进行统计，从而间接的得到对应的能谱分布信息。它作为构成核能谱检测系统的核心部件，对系统的性能起着至关重要的作用。
近年来以FPGA为平台的数字核脉冲处理方法以逐渐取代传统的模拟处理方法，直接采集前置放大器输出脉冲波形、由数字信号处理进行多道脉冲幅度提取和分析实现全数字化核谱仪。常规处理方法是当输入信号的幅值超过设定的阈值时产生一个触发信号进行幅值甄别，但这种方式并不适合用作核脉冲的触发器，因为脉冲的基线可能会产生波动而导致误触发，并且当脉冲计数率较高出现堆积时将会导致漏触发，如图1所示。亟需一种能谱分析方法克服上述问题，实现核脉冲的数字化能谱采集功能。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述技术问题，提供一种基于FPGA的核脉冲数字化成形采样方法，该方法通过对经高速ADC采样的核脉冲进行滤波成形处理，分析其幅度和时间信息，并形成能谱数据，有效提高了能谱数据的准确度。
为了达到上述目的，本发明的技术解决方案如下。
一种基于FPGA的核脉冲数字化成形采样方法，包括以下步骤：
（1）将经高速ADC采样的核脉冲信号进行滤波处理判断触发条件；
（2）将核脉冲信号通过滤波处理后计算基线值并扣除基线；
（3）峰值提取形成能谱数据。
在上述技术方案中，步骤（1）具体操作为将经高速ADC采样的核脉冲信号通过二阶差分滤波送入比较器进行过零检测，产生触发信号。
在上述技术方案中，步骤（2）具体操作为将核脉冲信号通过梯形滤波处理后计算基线值并扣除基线，消除基线漂移所带来的影响。
在上述技术方案中，步骤（3）具体操作为对滤除基线后的梯形信号进行峰值采样以及堆积判弃后提取峰值数据。
本发明中通过对高速ADC采样的核脉冲信号进行滤波成形处理后，分析其幅度和时间信息，可有效避免由于基线波动产生的误触发及脉冲计数率过高出现堆积时道址的漏触发情况，提高了能谱数据的准确度。
附图说明
图1为误触发与漏触发示例图。
图2为本发明实施例中触发器滤波处理的实例。
图3为本发明核脉冲滤波成形过程。
图4为核脉冲堆积情况。
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，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明实施例提供一种基于FPGA的核脉冲数字化成形采样方法，具体包括以下步骤：
步骤1，将经高速ADC采样的核脉冲信号通过二阶差分滤波送入比较器进行过零检测，产生触发信号；
核脉冲滤波采用RC-(CR)2滤波方法。RC-(CR)2滤波由一级RC滤波器以及两级CR滤波器组成。所述RC滤波器为低通滤波器，通过均值平滑实现，其目的是滤除输入脉冲信号中的高频噪声。(CR)2滤波器通过两个差分操作实现，即二阶差分。图2给出了触发器中的滤波处理的实例，其中触发信号的产生位于(CR)2滤波器输出的过零点处，而二阶差分（二阶导）的过零点对应于原始信号的拐点处。与输入信号的最高点作为脉冲信号的触发点相比，以信号的拐点作为脉冲信号的触发点的优点在于，最高点的位置与脉冲上升沿所持续的时间相关，脉冲幅值越高则上升沿时间越长，因此最高点的位置越靠后，而脉冲信号的拐点与脉冲的幅值与上升时间无关，因此对于各种不同幅值大小的脉冲均有相同的触发时间。为避免由于噪声和信号振荡导致误触发，当脉冲产生一个出发信号后，会产生一段时间的触发停滞，即此时间段内屏蔽触发信号，使得触发处于禁用状态。另外，触发控制还可根据外部的符合/反符合信号来决策是否产生触发信号。执行上述过程的功能模块为过零检测模块，最终输出触发信号。
步骤2，将核脉冲信号通过梯形滤波处理后计算基线值并扣除基线，消除基线漂移所带来的影响；
梯形滤波器将输入的指数脉冲信号转换为一个梯形信号，如图3（d）所示，梯形信号的上升时间、平顶时间和下降时间都可进行软件设定。同时分析缓存区内之前一段时间内的脉冲信号的幅值及时间信息，并结合梯形滤波器输出的梯形信号进行基线估算，计算信号的基线值。最后将梯形信号减去基线值以达到扣除基线的目的，消除基线漂移所带来的影响。
步骤3，峰值提取形成能谱数据；
峰值提取是对滤除基线后的梯形信号进行峰值采样，峰值采样的采样点是将过零检测模块输出的触发进行延时，该延时时间可通过软件进行设定，使其处于梯形信号的平顶区域的中点处，如图3（e）所示。
在脉冲峰值采样过程中，会有一定概率出现两个脉冲互相叠加堆积的情况，如图4所示。为了克服脉冲堆积所导致的对测量精度的影响，在脉冲峰值采样过程中需进行堆积判弃。a.当两个连续脉冲仅部分重叠堆积时（即第一个梯形右侧下降沿与第二个梯形左侧上升沿重叠，但梯形的上升沿与下降沿不与另一个梯形的平顶重叠时），如图4（a）所示，通过脉冲整型和峰值保持后仍具有平坦稳定的峰值区域，则此时仍对两个脉冲峰值都进行采样，采集过程不会引入任何误差； b.当两个连续脉冲严重重叠堆积时（即第一个梯形右侧下降沿与第二个梯形平顶重叠时），如图4（b）所示，通过脉冲整型和峰值保持后无法将连个脉冲分离开，峰值保持结果严重变形，则此时将这两个脉冲丢弃，不产生采样触发信号，不进行采样；c.当两个脉冲完全堆积时（即第一个梯形平顶与第二个梯形平顶重叠时），如图4（c）所示，脉冲整型和峰值保持将该两个脉冲识为一个脉冲进行处理，采样峰值为两个脉冲峰值之和。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
以上所述仅为本发明较佳实施例而已，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、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于FPGA的核脉冲数字化成形采样方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
（1）将经高速ADC采样的核脉冲信号进行滤波处理判断触发条件；
（2）将核脉冲信号通过滤波处理后计算基线值并扣除基线；
（3）峰值提取形成能谱数据，对滤除基线后的梯形信号进行峰值采样以及堆积判弃后提取峰值数据，在脉冲峰值采样过程中需进行堆积判弃，a.当两个连续脉冲仅部分重叠堆积时，即第一个梯形右侧下降沿与第二个梯形左侧上升沿重叠，但梯形的上升沿与下降沿不与另一个梯形的平顶重叠时，通过脉冲整型和峰值保持后仍具有平坦稳定的峰值区域，则此时仍对两个脉冲峰值都进行采样，采集过程不会引入任何误差； b.当两个连续脉冲严重重叠堆积时，即第一个梯形右侧下降沿与第二个梯形平顶重叠时，通过脉冲整型和峰值保持后无法将连个脉冲分离开，峰值保持结果严重变形，则此时将这两个脉冲丢弃，不产生采样触发信号，不进行采样；c.当两个脉冲完全堆积时，即第一个梯形平顶与第二个梯形平顶重叠时，脉冲整型和峰值保持将该两个脉冲识为一个脉冲进行处理，采样峰值为两个脉冲峰值之和。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的核脉冲数字化成形采样方法，其特征在于：步骤（1）具体操作为将经高速ADC采样的核脉冲信号通过二阶差分滤波送入比较器进行过零检测，产生触发信号。
3.根据权利要求2所述的基于FPGA的核脉冲数字化成形采样方法，其特征在于：核脉冲滤波采用RC-(CR)2滤波方法，RC-(CR)2滤波由一级RC滤波器以及两级CR滤波器组成，所述RC滤波器为低通滤波器，通过均值平滑实现，用于滤除输入脉冲信号中的高频噪声，(CR)2滤波器通过两个差分操作实现，即二阶差分，其中触发信号的产生位于(CR)2滤波器输出的过零点处，而二阶差分的过零点对应于原始信号的拐点处。
4.根据权利要求1所述的基于FPGA的核脉冲数字化成形采样方法，其特征在于：步骤（2）具体操作为将核脉冲信号通过梯形滤波处理后计算基线值并扣除基线，消除基线漂移所带来的影响。
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