CN113204044A - 一种用于核测井仪器的核脉冲能量测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种用于核测井仪器的核脉冲能量测量方法，属于核脉冲信号处理技术领域，该方法包括：使用MVT数字化方法预先设置N个固定的电压阈值；记录下待测核脉冲上升沿正向越过以及下降沿反向越过预设的阈值电压的时间信息，获得核脉冲的2N个采样样本点，并且实时对该采样样本点进行温度校准；本发明所述核脉冲能量测量方法的特征是在可编程逻辑器件中完成了待测脉冲的MVT数字化、拟合重建、能量计算，并对采样样本点进行实时温度校准，该方法面向石油测井高温环境中对快速核脉冲能量的测量需求，有效的解决了长久以来缺乏高速高温ADC器件，从而无法在石油测井高温环境中对快速核脉冲进行数据采样的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及核脉冲信号处理技术领域，尤其涉及一种用于核测井仪器的核脉冲能量测量方法。
背景技术
核闪烁探测器输出的核脉冲所携带的电荷量大小与入射粒子的能量成正比，若输出电流脉冲，其面积就代表电荷量。并且核脉冲信号往往具有较小的衰减时间，具有高计数率和能量分辨率的LaBr3:Ce晶体探测器衰减时间仅仅35ns，整个脉冲宽度100ns左右。
在测井仪器应用中，基于上述核脉冲信号特性，传统的方法是将该脉冲送到电容上累计电荷，电容上的输出电压幅度就相应代表电荷量，然后用ADC进行采样获得输出电压的峰值来反映入射粒子能量的大小。这种方法在电容积分的过程中存在较大的死时间，导致了较低的测量精度。
另一种方法是直接用高速ADC采样该脉冲，然而目前高速ADC器件难以应用在高温测井环境中。多阈值电压(MVT)数字化方法(对于MVT数字化方法的更多细节，可以参考XieQ,Zhang Q,Anwen L,et al.Method for digitalizing scintillation pulse:U.S.Patent 9,910,167[P].2018-3-6.)可以替代高温高速ADC对快速脉冲信号直接采样，不同于传统ADC采用的基于时间轴的横向电压采样方式，多电压阈值(MVT)数字化方法是一种纵向采样方法，使用MVT数字化方法预先设置N个固定的电压阈值，记录下待测核脉冲上升沿正向越过以及下降沿反向越过预设的阈值电压的时间信息，获得核脉冲的2N个采样样本点，再结合已知的脉冲特征形状，对脉冲进行重建，便可以得到脉冲的能量信息。但该MVT方法不考虑在高温环境工作时带来的器件内部延迟线时间随温度漂移的问题，对工作在测井高温环境下的核测井仪器其能量测量精度有较大影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于核测井仪器的核脉冲能量测量方法，用于解决现有快速核脉冲能量测量系统不能用于石油测井高温环境的问题。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
提供一种用于核测井仪器的核脉冲能量测量方法，该方法包括以下步骤：
S1：使用MVT数字化方法预先设置N个固定的电压阈值。
S2：记录下待测核脉冲上升沿正向越过以及下降沿反向越过预设的阈值电压的时间信息，获得核脉冲的2N个采样样本点，并且实时对该采样样本点进行温度校准。
S3：基于已知的核脉冲数字模型和2N个采样样本点，重建待测核脉冲信号。
S4:依据重建的待测核脉冲计算其能量值，将能量值传输到地面计算机系统。
进一步的，所述待测核脉冲信号的脉冲模型为
v(t)＝aebttc (1)
其中v(t)为电压值(mV)，t为相对于脉冲起始点的时间值(ns)，a、b、c为三个参数值。
进一步的，所述N个固定的电压阈值由模数转换器(DAC)提供，并由FPGA来控制DAC的输出电压值。
进一步的，使用LVDS接收器来完成所述待测脉冲与N个固定的电压阈值的电压比较，LVDS接收器是利用FPGA的一对高速差分I/O口工作在低压差分信号(LVDS)接收器模式所实现。
进一步的，所述时间信息由数字时间转换器(TDC)进行测量，TDC是在FPGA芯片内基于抽头延迟线的方法所实现，延迟线由FPGA中的加法进位链级联组成。
进一步的，所述采样样本点的实时温度校准，指的是利用FPGA的片上数字温度传感器检测片上TDC附近的温度变化，当温度变化超过设定的阈值时，重新进行TDC校准。
进一步的，所述数字温度传感器是基于环形振荡器的方法所实现，环形振荡器是一个自激振荡器，由延迟缓冲器和非门组成，其输出的方波信号振荡周期正比与温度值。
进一步的，所述TDC校准步骤包括：
TDC附近的温度变化超过设定的阈值：TDC的输入通道连接到所述环形振荡器输出的方波信号，此信号与TDC采样时钟信号不相关，可视为随机信号。
校准TDC延迟链中延迟单元的延迟时间：根据码密度校准原理，输入大量的随机信号时，统计随机信号落在不同延迟单元上的数量，该数量与延迟单元的延迟时间成正比，统计完成后，把其统计的结果更新到查找表中。
回归正常测量模式：当校准完成之后，回归到正常测量模式，TDC的输入通道连接到所述LVDS接收器的输出信号，TDC测量完成后，查询查找表得到该温度下更精确的时间信息，以此获得更精确的采样样本点。
进一步的，所述待测核脉冲信号的重建，是通过最小二乘拟合算法来完成，其算法步骤如下：
首先将所述待测核脉冲信号的脉冲模型变换成：
v(t)＝eaebttc (2)
然后对式(2)等式两边同时取对数
lnv(t)＝a+bt+clnt (3)
记V(t)为lnv(t)，则式(3)可变为
V(t)＝a+bt+clnt (4)
将式(4)作为拟合函数原型，对脉冲信号的2N个采样样本点(v(ti),ti)进行非线性的最小二乘拟合，取
要使F最小，a,b,c,应同时能够满足式(6)
式(6)简化得到
将所述的2N个采样样本点，带入式(7)计算出等式两边累加项，则式(7)成为三元一次方程组，解此方程组能得到脉冲模型的三个参数值a、b、c。
则拟合得到的脉冲模型为
v*(ti)＝eaebtct (8)
进一步的，所述脉冲的能量可以由拟合而成的脉冲模型曲线的数值积分来表征
为了在FPGA中实现能量值计算，需将式(9)离散化，得到式(10)
根据式(10)取五个等间隔采样点t＝20ns,40ns,…,100ns，计算出相应的v*(ti)，得到脉冲的能量值。
进一步的，所述MVT数字化、脉冲重建以及能量计算均集成于现场可编程逻辑阵列(FPGA)中。
本发明的有益效果是：本发明在FPGA芯片内部设计了数字温度传感器检测温度的变化，并根据温度的变化，完成了采样样本点的实时温度校准，有效解决了测井高温环境下FPGA器件延迟线时间随温度漂移的问题。同时，目前的MVT采样方法是将MVT数字化之后的数字脉冲信号采样样本点通过高速接口上传至高性能的PC端进行脉冲拟合重建、能量计算以及能谱统计的功能，然而在石油测井应用中，由于测井仪器与地面数据处理系统之间通讯速率低，无法将采样样本点数据实时传输到地面数据处理系统进行处理，因此必须在井下测量系统中准确提取出单个事件的能量信息，完成信号的高精准度还原。本发明在可编程逻辑器件中完成了待测脉冲的MVT数字化、拟合重建、能量计算，并对采样样本点进行实时温度校准，该方法面向石油测井高温环境中对快速核脉冲能量的测量需求，有效的解决了长久以来缺乏高速高温ADC器件，从而无法在石油测井高温环境中对快速核脉冲进行数据采样的技术问题。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的一种用于核测井仪器的核脉冲能量测量方法流程图；
图2为本发明实施例2提供的一种用于核测井仪器的核脉冲能量测量系统结构框图；
图3为本发明仿真实例提供的一个待测核脉冲波形图；
图4为本发明仿真实例提供的PC端计算得到的能量值与Modelsim仿真输出的能量道数的线性关系图；
图5为本发明实验实例提供的150°下TDC校准查找表直方图；
图6为本发明实验实例提供的25°下TDC校准查找表直方图；
图7为本发明实验实例提供的150°下TDC延迟链码宽；
图8为本发明实验实例提供的25°下TDC延迟链码宽；
图9为本发明实验实例提供的150℃下经过校准后TDC的DNL；
图10为本发明实验实例提供的25℃下经过校准后TDC的DNL；
图11为本发明实验实例提供的150℃下经过校准后TDC的INL；
图12为本发明实验实例提供的25℃下经过校准后TDC的INL；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1：
如图2所示，提供了一种用于核测井仪器的核脉冲能量测量系统，包括：
LVDS阈值电压比较模块，包含16个LVDS接收器，用于将待测核脉冲信号与16个电压阈值同时进行电压比较。
时间数字转化器(TDC)及其校准模块，包含16个TDC及其校准电路，它们分别与16个LVDS接收器相连接，记录下待测核脉冲上升沿正向越过以及下降沿反向越过预设的阈值电压的时间信息，获得核脉冲的32个采样样本点，同时，16个TDC及其校准电路分别也连接到了16个数字温度传感器，如果任一数字温度传感器检测到相应的TDC附近温度变化超过设置的阈值时，该TDC的输入信号切换成与数字温度传感器内部的环形振荡器输出信号，重新进行TDC校准。
数字温度传感器模块，包含16个数字温度传感器，它们是基于环形振荡器所实现，用于检测相对应的TDC附近温度变化。
核脉冲重建模块，基于已知的核脉冲数字模型和32个采样样本点，使用最小二乘法拟合重建该待测脉冲信号。
核脉冲能量计算模块，基于重建后的脉冲信号，使用数值积分的方法计算能量值。
DAC模拟电压阈值预设模块，用于预先设置16个模拟电压阈值。
其中，所述模拟电压阈值预设模块由模数转换器(DAC)提供，并由FPGA来控制DAC的输出电压值。
所述LVDS阈值电压比较模块、时间数字转化器(TDC)及其校准模块、数字温度传感器模块、核脉冲重建模块、核脉冲能量计算模块均由FPGA所实现。
仿真实例：
为了验证脉冲重建以及能量计算模块中最小二乘拟合以及能量计算的正确性，使用Modelsim进行功能仿真测试。
首先在PC端生成60000组曲线脉冲，设置16个阈值电压50mV、130mV、210mV…1250mV，并且在此曲线脉冲上取其对应的32个采样点。根据式(10)取五个等间隔采样点t＝20ns,40ns,…,100ns计算能量值E，这60000组曲线脉冲能量值E分布在200～3200，缩放因子N＝0.08，E转化成能量道数为16～255，图3展示了其中一组曲线脉冲信号。
60000组脉冲的32个采样点数据根据所述的脉冲重建以及能量计算方法在PC端中实现。在FPGA中设置相同的电压阈值，缩放因子N＝0.08，然后进行Modelsim功能仿真。
图4展示了PC端计算得到的能量值与Modelsim仿真输出的能量道数的线性关系图。
实验实例：
FPGA-TDC以及其温度校准结果需要通过温度实验进行测试，函数信号发生器被使用来生成脉冲信号，通过同轴电缆连接到脉冲采集电路板上，电路板放置在恒温箱中，使用UART串口将测试结果输出到PC端。在PC端使用Matlab软件进行数据分析，得到不同温度下，TDC的延迟链码宽分布，并就此分析出TDC的测量分辨率(LSB)、积分非线性误差(DNL)、微分非线性误差(INL)。温度实验结果如图5、6、7、8、9、10、11、12。
由此可以得出结论，温度的上升导致了延迟单元的平均延迟变大，测量分辨率降低，如果仅仅时在常温25℃下对TDC进行校准，未做温度校准时，150℃下，INL可高达-10LSB，做了温度校准后，降低到0.43LSB，TDC温度校准极大的减少TDC由于温漂引起的积分非线性误差。
本发明未尽事宜为公知技术。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于核测井仪器的核脉冲能量测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1：使用MVT数字化方法预先设置N个固定的电压阈值。
S2：记录下待测核脉冲上升沿正向越过以及下降沿反向越过预设的阈值电压的时间信息，获得核脉冲的2N个采样样本点，并且实时对该采样样本点进行温度校准。
S3：基于已知的核脉冲数字模型和2N个采样样本点，重建待测核脉冲信号。
S4:依据重建的待测核脉冲计算其能量值，将能量值传输到地面计算机系统。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述N个固定的电压阈值由模数转换器提供，并由FPGA来控制模数转换器的输出电压值。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用LVDS接收器来完成所述待测核脉冲与N个固定的电压阈值的电压比较。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述时间信息由数字时间转换器进行测量。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采样样本点的实时温度校准，指的是利用FPGA的片上数字温度传感器检测片上数字时间转换器附近的温度变化，当温度变化超过设定的阈值时，重新进行数字时间转换器校准。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待测核脉冲信号的重建，是通过最小二乘拟合算法来完成。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待测核脉冲信号的能量值是依据重建的待测核脉冲进行数值积分获得。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述数字温度传感器是在FPGA芯片内置的数字温度传感器，在布局布线中将其放置在数字时间转换器的附近。
该传感器是基于环形振荡器的方法所实现，环形振荡器是一个自激振荡器，由延迟缓冲器和非门组成，其输出的方波信号振荡周期正比与温度值。
9.如权利要求1～8任一项所述的方法，其特征在于，所述MVT数字化、脉冲重建以及能量计算均集成于现场可编程逻辑阵列中。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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