CN113359181B - 一种新型平头尖顶脉冲成形系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型平头尖顶脉冲成形系统及方法，首先通过核辐射探测器探测放射源的核辐射信号，再通过前置放大器对核辐射信号进行放大，得到放大信号，然后通过高速模数转换器对放大信号进行数字化处理，得到负指数核脉冲x(n)，最后通过FPGA数字信号处理模块对负指数核脉冲x(n)进行处理，得到新型平头尖顶脉冲S(n)，并传输至终端进行显示。本发明与现有尖顶脉冲成形方法相比，不存在中间量的累加溢出，无需调整运算顺序，简单高效。

Description

一种新型平头尖顶脉冲成形系统及方法

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种新型平头尖顶脉冲成形系统及方法的设计。

背景技术

数字核脉冲成形算法是数字化核仪器能谱测量的关键。简单且高效的数字核脉冲成形算法不仅可以减小电子学噪声、弹道亏损和脉冲堆积等对能量和时间分辨率的影响，而且可以兼顾能量分辨率和脉冲通过率的优化选择，改善系统的灵活性和自适应性。

根据最优脉冲理论，尖脉冲是最理想的脉冲，理论上可以达到最佳的信噪比，但无限长的尖脉冲在实际中无法获取，故国内外研究人员对有限长度的新型平头尖顶脉冲成形算法展开了研究。国外研究主要是采用卷积法获取尖顶脉冲的脉冲响应函数进而得到尖顶脉冲成形算法，这类方法运算量大而且过程复杂不易实时实现。国内研究人员采用函数递归等方式推导出了新型平头尖顶脉冲成形算法，该方法存在中间函数运算过程中累加溢出，导致成形脉冲基线漂移，需要调节运算顺序，存在一定的缺陷。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有尖顶脉冲成形算法存在的上述问题，提出了一种新型平头尖顶脉冲成形系统及方法，实时性高，自适应能力强。

本发明的技术方案为：一种新型平头尖顶脉冲成形系统，包括依次连接的核辐射探测器、前置放大器、高速模数转换器、FPGA数字信号处理模块和终端；核辐射探测器用于探测放射源的核辐射信号；前置放大器用于对核辐射信号进行放大，得到放大信号；高速模数转换器用于对放大信号进行数字化处理，得到负指数核脉冲x(n)；FPGA数字信号处理模块用于对负指数核脉冲x(n)进行处理，得到新型平头尖顶脉冲S(n)；终端用于显示新型平头尖顶脉冲S(n)。

进一步地，FPGA数字信号处理模块包括逆RC单元、延迟-减法器单元、延迟-加法器单元、第一积分器、第二积分器和减法器，逆RC单元的输入端作为FPGA数字信号处理模块的输入端，其输出端分别与延迟-减法器单元的输入端以及延迟-加法器单元的输入端连接，延迟-减法器单元的输出端与第一积分器的输入端连接，第一积分器的输出端与减法器的第一输入端连接，延迟-加法器单元的输出端与减法器的第二输入端连接，减法器的输出端与第二积分器的输入端连接，第二积分器的输出端作为FPGA数字信号处理模块的输出端。

逆RC单元用于对负指数核脉冲x(n)进行处理，得到阶跃脉冲v(n)；延迟-减法器单元用于对阶跃脉冲v(n)进行处理，得到双矩形脉冲D1(n)；延迟-加法器单元用于对阶跃脉冲v(n)进行处理，得到双阶跃脉冲D2(n)；第一积分器用于对双矩形脉冲D1(n)进行积分处理，得到双斜坡脉冲P(n)；减法器用于对双阶跃脉冲D2(n)和双斜坡脉冲P(n)作差，得到对称锯齿脉冲R(n)；第二积分器用于对对称锯齿脉冲R(n)进行积分处理，得到新型平头尖顶脉冲S(n)。

进一步地，阶跃脉冲v(n)、双矩形脉冲D1(n)、双阶跃脉冲D2(n)、双斜坡脉冲P(n)、对称锯齿脉冲R(n)和新型平头尖顶脉冲S(n)的表达式分别为：

v(n)＝v(n-1)+x(n)-d*x(n-1)

D1(n)＝v(n)-v(n-K)+v(n-L-1)-v(n-K-L-1)

D2(n)＝(v(n-K)+v(n-L))*K

P(n)＝P(n-1)+D1(n)

R(n)＝P(n)-D2(n)

S(n)＝S(n-1)+R(n)

其中x(·)表示负指数核脉冲函数，v(·)表示阶跃脉冲函数，D1(·)表示双矩形脉冲函数，D2(·)表示双阶跃脉冲函数，P(·)表示双斜坡脉冲函数，R(·)表示对称锯齿脉冲函数，S(·)表示新型平头尖顶脉冲函数，n表示采样点，d为第一指数且d＝exp(-Ts/τ)，Ts表示高速模数转换器的采样周期，τ表示衰减时间常数，K表示新型平头尖顶脉冲的上升时间，L表示新型平头尖顶脉冲的上升时间与平头时间之和。

本发明还提供了一种新型平头尖顶脉冲成形方法，包括以下步骤：

S1、通过核辐射探测器探测放射源的核辐射信号。

S2、通过前置放大器对核辐射信号进行放大，得到放大信号。

S3、通过高速模数转换器对放大信号进行数字化处理，得到负指数核脉冲x(n)。

S4、通过FPGA数字信号处理模块对负指数核脉冲x(n)进行处理，得到新型平头尖顶脉冲S(n)，并传输至终端进行显示。

进一步地，步骤S4包括以下分步骤：

S41、通过逆RC单元对负指数核脉冲x(n)进行处理，得到阶跃脉冲v(n)；

S42、通过延迟-减法器单元对阶跃脉冲v(n)进行处理，得到双矩形脉冲D1(n)；

S43、通过延迟-加法器单元对阶跃脉冲v(n)进行处理，得到双阶跃脉冲D2(n)；

S44、通过第一积分器对双矩形脉冲D1(n)进行积分处理，得到双斜坡脉冲P(n)；

S45、通过减法器对双阶跃脉冲D2(n)和双斜坡脉冲P(n)作差，得到对称锯齿脉冲R(n)；

S46、通过第二积分器对对称锯齿脉冲R(n)进行积分处理，得到新型平头尖顶脉冲S(n)，并传输至终端进行显示。

进一步地，阶跃脉冲v(n)、双矩形脉冲D1(n)、双阶跃脉冲D2(n)、双斜坡脉冲P(n)、对称锯齿脉冲R(n)和新型平头尖顶脉冲S(n)的表达式分别为：

v(n)＝v(n-1)+x(n)-d*x(n-1)

D1(n)＝v(n)-v(n-K)+v(n-L-1)-v(n-K-L-1)

D2(n)＝(v(n-K)+v(n-L))*K

P(n)＝P(n-1)+D1(n)

R(n)＝P(n)-D2(n)

S(n)＝S(n-1)+R(n)

其中x(·)表示负指数核脉冲函数，v(·)表示阶跃脉冲函数，D1(·)表示双矩形脉冲函数，D2(·)表示双阶跃脉冲函数，P(·)表示双斜坡脉冲函数，R(·)表示对称锯齿脉冲函数，S(·)表示新型平头尖顶脉冲函数，n表示采样点，d为第一指数且d＝exp(-Ts/τ)，Ts表示高速模数转换器的采样周期，τ表示衰减时间常数，K表示新型平头尖顶脉冲的上升时间，L表示新型平头尖顶脉冲的上升时间与平头时间之和。

本发明的有益效果是：

(1)本发明结构简单，运算量小，易于在FPGA中实现。

(2)本发明成形脉冲上升时间、平头时间宽度可独立调整，有利于提高脉冲通过率，便于实时处理，具有优异的能量分辨率。

(3)本发明与现有尖顶脉冲成形方法相比，不存在中间量的累加溢出，无需调整运算顺序，简单高效。

附图说明

图1所示为本发明实施例一提供的一种新型平头尖顶脉冲成形系统结构框图。

图2所示为本发明实施例一提供的新型平头尖顶脉冲成形效果图。

图3所示为本发明实施例二提供的一种新型平头尖顶脉冲成形方法流程图。

图4所示为本发明实施例二提供的一种新型平头尖顶脉冲成形方法各阶段脉冲信号示意图。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。

实施例一：

本发明实施例提供了一种新型平头尖顶脉冲成形系统，如图1所示，包括依次连接的核辐射探测器、前置放大器、高速模数转换器、FPGA数字信号处理模块和终端。

核辐射探测器用于探测放射源的核辐射信号；前置放大器用于对核辐射信号进行放大，得到放大信号；高速模数转换器用于对放大信号进行数字化处理，得到负指数核脉冲x(n)；FPGA数字信号处理模块用于对负指数核脉冲x(n)进行处理，得到新型平头尖顶脉冲S(n)；终端用于显示新型平头尖顶脉冲S(n)。

如图1所示，FPGA数字信号处理模块包括逆RC单元、延迟-减法器单元、延迟-加法器单元、第一积分器、第二积分器和减法器，逆RC单元的输入端作为FPGA数字信号处理模块的输入端，其输出端分别与延迟-减法器单元的输入端以及延迟-加法器单元的输入端连接，延迟-减法器单元的输出端与第一积分器的输入端连接，第一积分器的输出端与减法器的第一输入端连接，延迟-加法器单元的输出端与减法器的第二输入端连接，减法器的输出端与第二积分器的输入端连接，第二积分器的输出端作为FPGA数字信号处理模块的输出端。

其中，逆RC单元用于对负指数核脉冲x(n)进行处理，得到阶跃脉冲v(n)；延迟-减法器单元用于对阶跃脉冲v(n)进行处理，得到双矩形脉冲D1(n)；延迟-加法器单元用于对阶跃脉冲v(n)进行处理，得到双阶跃脉冲D2(n)；第一积分器用于对双矩形脉冲D1(n)进行积分处理，得到双斜坡脉冲P(n)；减法器用于对双阶跃脉冲D2(n)和双斜坡脉冲P(n)作差，得到对称锯齿脉冲R(n)；第二积分器用于对对称锯齿脉冲R(n)进行积分处理，得到新型平头尖顶脉冲S(n)。

本发明实施例中，上述阶跃脉冲v(n)、双矩形脉冲D1(n)、双阶跃脉冲D2(n)、双斜坡脉冲P(n)、对称锯齿脉冲R(n)和新型平头尖顶脉冲S(n)的表达式分别为：

v(n)＝v(n-1)+x(n)-d*x(n-1)

D1(n)＝v(n)-v(n-K)+v(n-L-1)-v(n-K-L-1)

D2(n)＝(v(n-K)+v(n-L))*K

P(n)＝P(n-1)+D1(n)

R(n)＝P(n)-D2(n)

S(n)＝S(n-1)+R(n)

其中x(·)表示负指数核脉冲函数，v(·)表示阶跃脉冲函数，D1(·)表示双矩形脉冲函数，D2(·)表示双阶跃脉冲函数，P(·)表示双斜坡脉冲函数，R(·)表示对称锯齿脉冲函数，S(·)表示新型平头尖顶脉冲函数，n表示采样点，d为第一指数且d＝exp(-Ts/τ)，Ts表示高速模数转换器的采样周期，τ表示衰减时间常数，K表示新型平头尖顶脉冲的上升时间，L表示新型平头尖顶脉冲的上升时间与平头时间之和。

本发明实施例中，最终得到的新型平头尖顶脉冲S(n)如图2所示，由图2可知：

(1)本发明成形参数可调，自适应强。

(2)本发明成形脉冲上升时间、平头时间宽度可独立调整，有利于提高脉冲通过率，便于实时处理，具有优异的能量分辨率。

(3)本发明不存在中间量的累加溢出，无需调整运算顺序，简单高效。

实施例二：

本发明实施例提供了一种新型平头尖顶脉冲成形方法，如图3所示，包括以下步骤S1～S4：

S1、通过核辐射探测器探测放射源的核辐射信号。

S2、通过前置放大器对核辐射信号进行放大，得到放大信号。

S3、通过高速模数转换器对放大信号进行数字化处理，得到负指数核脉冲x(n)。

S4、通过FPGA数字信号处理模块对负指数核脉冲x(n)进行处理，得到新型平头尖顶脉冲S(n)，并传输至终端进行显示。

如图4所示，步骤S4包括以下分步骤S41～S46：

S41、通过逆RC单元对负指数核脉冲x(n)进行处理，得到阶跃脉冲v(n)；

S42、通过延迟-减法器单元对阶跃脉冲v(n)进行处理，得到双矩形脉冲D1(n)；

S43、通过延迟-加法器单元对阶跃脉冲v(n)进行处理，得到双阶跃脉冲D2(n)；

S44、通过第一积分器对双矩形脉冲D1(n)进行积分处理，得到双斜坡脉冲P(n)；

S45、通过减法器对双阶跃脉冲D2(n)和双斜坡脉冲P(n)作差，得到对称锯齿脉冲R(n)；

S46、通过第二积分器对对称锯齿脉冲R(n)进行积分处理，得到新型平头尖顶脉冲S(n)，并传输至终端进行显示。

本发明实施例中，上述阶跃脉冲v(n)、双矩形脉冲D1(n)、双阶跃脉冲D2(n)、双斜坡脉冲P(n)、对称锯齿脉冲R(n)和新型平头尖顶脉冲S(n)的表达式分别为：

v(n)＝v(n-1)+x(n)-d*x(n-1)

D1(n)＝v(n)-v(n-K)+v(n-L-1)-v(n-K-L-1)

D2(n)＝(v(n-K)+v(n-L))*K

P(n)＝P(n-1)+D1(n)

R(n)＝P(n)-D2(n)

S(n)＝S(n-1)+R(n)

其中x(·)表示负指数核脉冲函数，v(·)表示阶跃脉冲函数，D1(·)表示双矩形脉冲函数，D2(·)表示双阶跃脉冲函数，P(·)表示双斜坡脉冲函数，R(·)表示对称锯齿脉冲函数，S(·)表示新型平头尖顶脉冲函数，n表示采样点，d为第一指数且d＝exp(-Ts/τ)，Ts表示高速模数转换器的采样周期，τ表示衰减时间常数，K表示新型平头尖顶脉冲的上升时间，L表示新型平头尖顶脉冲的上升时间与平头时间之和。

本发明实施例提供的新型平头尖顶脉冲成形方法，与现有尖顶脉冲成形方法相比，不存在中间量的累加溢出，无需调整运算顺序，简单高效。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种新型平头尖顶脉冲成形系统，其特征在于，包括依次连接的核辐射探测器、前置放大器、高速模数转换器、FPGA数字信号处理模块和终端；

所述核辐射探测器用于探测放射源的核辐射信号；

所述前置放大器用于对核辐射信号进行放大，得到放大信号；

所述高速模数转换器用于对放大信号进行数字化处理，得到负指数核脉冲x(n)；

所述FPGA数字信号处理模块用于对负指数核脉冲x(n)进行处理，得到新型平头尖顶脉冲S(n)；

所述终端用于显示新型平头尖顶脉冲S(n)；

所述FPGA数字信号处理模块包括逆RC单元、延迟-减法器单元、延迟-加法器单元、第一积分器、第二积分器和减法器，所述逆RC单元的输入端作为FPGA数字信号处理模块的输入端，其输出端分别与延迟-减法器单元的输入端以及延迟-加法器单元的输入端连接，所述延迟-减法器单元的输出端与第一积分器的输入端连接，所述第一积分器的输出端与减法器的第一输入端连接，所述延迟-加法器单元的输出端与减法器的第二输入端连接，所述减法器的输出端与第二积分器的输入端连接，所述第二积分器的输出端作为FPGA数字信号处理模块的输出端；

所述逆RC单元用于对负指数核脉冲x(n)进行处理，得到阶跃脉冲v(n)；

所述延迟-减法器单元用于对阶跃脉冲v(n)进行处理，得到双矩形脉冲D1(n)；

所述延迟-加法器单元用于对阶跃脉冲v(n)进行处理，得到双阶跃脉冲D2(n)；

所述第一积分器用于对双矩形脉冲D1(n)进行积分处理，得到双斜坡脉冲P(n)；

所述减法器用于对双阶跃脉冲D2(n)和双斜坡脉冲P(n)作差，得到对称锯齿脉冲R(n)；

所述第二积分器用于对对称锯齿脉冲R(n)进行积分处理，得到新型平头尖顶脉冲S(n)；

所述阶跃脉冲v(n)、双矩形脉冲D1(n)、双阶跃脉冲D2(n)、双斜坡脉冲P(n)、对称锯齿脉冲R(n)和新型平头尖顶脉冲S(n)的表达式分别为：

v(n)＝v(n-1)+x(n)-d*x(n-1)

D1(n)＝v(n)-v(n-K)+v(n-L-1)-v(n-K-L-1)

D2(n)＝(v(n-K)+v(n-L))*K

P(n)＝P(n-1)+D1(n)

R(n)＝P(n)-D2(n)

S(n)＝S(n-1)+R(n)

其中x(·)表示负指数核脉冲函数，v(·)表示阶跃脉冲函数，D1(·)表示双矩形脉冲函数，D2(·)表示双阶跃脉冲函数，P(·)表示双斜坡脉冲函数，R(·)表示对称锯齿脉冲函数，S(·)表示新型平头尖顶脉冲函数，n表示采样点，d为第一指数且d＝exp(-Ts/τ)，Ts表示高速模数转换器的采样周期，τ表示衰减时间常数，K表示新型平头尖顶脉冲的上升时间，L表示新型平头尖顶脉冲的上升时间与平头时间之和。

2.一种新型平头尖顶脉冲成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过核辐射探测器探测放射源的核辐射信号；

S2、通过前置放大器对核辐射信号进行放大，得到放大信号；

S3、通过高速模数转换器对放大信号进行数字化处理，得到负指数核脉冲x(n)；

S4、通过FPGA数字信号处理模块对负指数核脉冲x(n)进行处理，得到新型平头尖顶脉冲S(n)，并传输至终端进行显示；

所述步骤S4包括以下分步骤：

S41、通过逆RC单元对负指数核脉冲x(n)进行处理，得到阶跃脉冲v(n)；

S42、通过延迟-减法器单元对阶跃脉冲v(n)进行处理，得到双矩形脉冲D1(n)；

S43、通过延迟-加法器单元对阶跃脉冲v(n)进行处理，得到双阶跃脉冲D2(n)；

S44、通过第一积分器对双矩形脉冲D1(n)进行积分处理，得到双斜坡脉冲P(n)；

S45、通过减法器对双阶跃脉冲D2(n)和双斜坡脉冲P(n)作差，得到对称锯齿脉冲R(n)；

S46、通过第二积分器对对称锯齿脉冲R(n)进行积分处理，得到新型平头尖顶脉冲S(n)，并传输至终端进行显示；

所述阶跃脉冲v(n)、双矩形脉冲D1(n)、双阶跃脉冲D2(n)、双斜坡脉冲P(n)、对称锯齿脉冲R(n)和新型平头尖顶脉冲S(n)的表达式分别为：

v(n)＝v(n-1)+x(n)-d*x(n-1)

D1(n)＝v(n)-v(n-K)+v(n-L-1)-v(n-K-L-1)

D2(n)＝(v(n-K)+v(n-L))*K

P(n)＝P(n-1)+D1(n)

R(n)＝P(n)-D2(n)

S(n)＝S(n-1)+R(n)

其中x(·)表示负指数核脉冲函数，v(·)表示阶跃脉冲函数，D1(·)表示双矩形脉冲函数，D2(·)表示双阶跃脉冲函数，P(·)表示双斜坡脉冲函数，R(·)表示对称锯齿脉冲函数，S(·)表示新型平头尖顶脉冲函数，n表示采样点，d为第一指数且d＝exp(-Ts/τ)，Ts表示高速模数转换器的采样周期，τ表示衰减时间常数，K表示新型平头尖顶脉冲的上升时间，L表示新型平头尖顶脉冲的上升时间与平头时间之和。

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