CN113466924A - 一种对称类弹头脉冲成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对称类弹头脉冲成形装置及方法，首先通过核辐射信号采集模块采集核辐射信号，并将其处理为离散的负指数核脉冲x(n)；然后通过数字核信号处理模块对离散的负指数核脉冲x(n)进行处理，得到对称类弹头脉冲S(n)，并传输至终端进行显示。本发明提出的对称类弹头脉冲成形装置结构简单，运算量小，便于在FPGA中实现；同时本发明提出的对称类弹头脉冲成形方法兼顾了能量分辨率和脉冲通过率等技术需求，成形脉冲参数可调，自适应性强。

Description

一种对称类弹头脉冲成形装置及方法

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种对称类弹头脉冲成形装置及方法的设计。

背景技术

随着科学技术的飞速发展，传统的模拟多道技术由于其电路结构复杂、设计成本高、功耗大且模拟器件受环境因素影响较大等缺陷，已经无法胜任现在的核辐射测量需求，高性能的数字多道技术逐渐成为主流。数字核脉冲成形技术是数字多道技术的关键，简单且高性能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，改善系统的灵活性和自适应性。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有模拟多道技术的缺陷，提出了一种对称类弹头脉冲成形装置及方法，采用数字对称类弹头脉冲成形的方式提高能谱测量的能量分辨率、抗堆积以及弹道亏损。

本发明的技术方案为：一种对称类弹头脉冲成形装置，包括核辐射信号采集模块和数字核信号处理模块，核辐射信号采集模块的输出端与数字核信号处理模块的输入端连接，数字核信号处理模块的输出端与终端连接；核辐射信号采集模块用于采集核辐射信号，并将其处理为离散的负指数核脉冲x(n)；数字核信号处理模块用于对离散的负指数核脉冲x(n)进行处理，得到对称类弹头脉冲S(n)，并传输至终端进行显示。

进一步地，核辐射信号采集模块包括依次连接的核辐射探测器、前置放大器、调理电路单元和高速模数转换器；核辐射探测器用于探测核辐射信号；前置放大器用于对核辐射信号进行放大，得到放大信号；调理电路单元用于对放大信号进行调整，得到调整信号；高速模数转换器用于对调整信号进行数字化处理，得到离散的负指数核脉冲x(n)。

进一步地，数字核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、第二积分器和加法器，逆RC单元的输入端作为数字核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加法器的第一输入端连接，延迟-加法器单元的输出端与加法器的第二输入端连接，加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与终端连接。

逆RC单元用于对离散的负指数核脉冲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，得到反向双矩形脉冲D1(n)；延迟-加法器单元用于对阶跃脉冲v(n)进行处理，得到正向双阶跃脉冲D2(n)；第一积分器用于对反向双矩形脉冲D1(n)进行处理，得到反向双斜坡脉冲P(n)；加法器用于对正向双阶跃脉冲D2(n)和反向双斜坡脉冲P(n)进行求和，得到对称双锯齿脉冲R(n)；第二积分器用于对对称双锯齿脉冲R(n)进行处理，得到对称类弹头脉冲S(n)，并传输至终端进行显示。

进一步地，阶跃脉冲v(n)、反向双矩形脉冲D1(n)、正向双阶跃脉冲D2(n)、反向双斜坡脉冲P(n)、对称双锯齿脉冲R(n)和对称类弹头脉冲S(n)的表达式分别为：

v(n)＝v(n-1)+x(n)-d*x(n-1)

D1(n)＝v(n-K-1)-v(n-1)+v(n-K-L)-v(n-L)

D2(n)＝(v(n)+v(n-K-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(·)表示反向双矩形脉冲函数，D2(·)表示正向双阶跃脉冲函数，P(·)表示反向双斜坡脉冲函数，R(·)表示对称双锯齿脉冲函数，S(·)表示对称类弹头脉冲函数，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表示对称类弹头脉冲的上升时间，L表示对称类弹头脉冲的上升时间与平顶时间之和。

本发明还提供了一种对称类弹头脉冲成形方法，包括以下步骤：

S1、通过核辐射信号采集模块采集核辐射信号，并将其处理为离散的负指数核脉冲x(n)。

S2、通过数字核信号处理模块对离散的负指数核脉冲x(n)进行处理，得到对称类弹头脉冲S(n)，并传输至终端进行显示。

进一步地，步骤S1包括以下分步骤：

S11、通过核辐射探测器探测核辐射信号。

S12、通过前置放大器对核辐射信号进行放大，得到放大信号。

S13、通过调理电路单元对放大信号进行调整，得到调整信号。

S14、通过高速模数转换器对调整信号进行数字化处理，得到离散的负指数核脉冲x(n)。

进一步地，步骤S2包括以下分步骤：

S21、通过逆RC单元对离散的负指数核脉冲x(n)进行处理，得到阶跃脉冲v(n)。

S22、通过延迟-减法器单元对阶跃脉冲v(n)进行处理，得到反向双矩形脉冲D1(n)。

S23、通过延迟-加法器单元对阶跃脉冲v(n)进行处理，得到正向双阶跃脉冲D2(n)。

S24、通过第一积分器对反向双矩形脉冲D1(n)进行处理，得到反向双斜坡脉冲P(n)。

S25、通过加法器对正向双阶跃脉冲D2(n)和反向双斜坡脉冲P(n)进行求和，得到对称双锯齿脉冲R(n)。

S26、通过第二积分器对对称双锯齿脉冲R(n)进行处理，得到对称类弹头脉冲S(n)，并传输至终端进行显示。

进一步地，阶跃脉冲v(n)、反向双矩形脉冲D1(n)、正向双阶跃脉冲D2(n)、反向双斜坡脉冲P(n)、对称双锯齿脉冲R(n)和对称类弹头脉冲S(n)的表达式分别为：

v(n)＝v(n-1)+x(n)-d*x(n-1)

D1(n)＝v(n-K-1)-v(n-1)+v(n-K-L)-v(n-L)

D2(n)＝(v(n)+v(n-K-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(·)表示反向双矩形脉冲函数，D2(·)表示正向双阶跃脉冲函数，P(·)表示反向双斜坡脉冲函数，R(·)表示对称双锯齿脉冲函数，S(·)表示对称类弹头脉冲函数，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表示对称类弹头脉冲的上升时间，L表示对称类弹头脉冲的上升时间与平顶时间之和。

本发明的有益效果是：

(1)本发明结构简单，运算量小，便于在FPGA中实现。

(2)本发明兼顾了能量分辨率和脉冲通过率等技术需求，成形脉冲参数可调，自适应性强。

(3)本发明引入平顶时间参数，使得平顶参数可调，当平顶持续时间大于最大电荷收集时间，就可以有效的克服弹道亏损带来的幅度损失，从而准确地提取原始脉冲的真实幅值。

(4)本发明提出了一种全新的数字核脉冲成形技术，具备首创性。

附图说明

图1所示为本发明实施例一提供的一种对称类弹头脉冲成形装置结构框图。

图2所示为本发明实施例一提供的对称类弹头脉冲成形效果图。

图3所示为本发明实施例二提供的一种对称类弹头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对称类弹头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对称类弹头脉冲成形装置，如图1所示，包括核辐射信号采集模块和数字核信号处理模块，核辐射信号采集模块的输出端与数字核信号处理模块的输入端连接，数字核信号处理模块的输出端与终端连接。

核辐射信号采集模块用于采集核辐射信号，并将其处理为离散的负指数核脉冲x(n)；数字核信号处理模块用于对离散的负指数核脉冲x(n)进行处理，得到对称类弹头脉冲S(n)，并传输至终端进行显示。

如图1所示，核辐射信号采集模块包括依次连接的核辐射探测器、前置放大器、调理电路单元和高速模数转换器；核辐射探测器用于探测核辐射信号；前置放大器用于对核辐射信号进行放大，得到放大信号；调理电路单元用于对放大信号进行调整，得到调整信号；高速模数转换器用于对调整信号进行数字化处理，得到离散的负指数核脉冲x(n)。

如图1所示，数字核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、第二积分器和加法器，逆RC单元的输入端作为数字核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加法器的第一输入端连接，延迟-加法器单元的输出端与加法器的第二输入端连接，加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与终端连接。

其中，逆RC单元用于对离散的负指数核脉冲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，得到反向双矩形脉冲D1(n)；延迟-加法器单元用于对阶跃脉冲v(n)进行处理，得到正向双阶跃脉冲D2(n)；第一积分器用于对反向双矩形脉冲D1(n)进行处理，得到反向双斜坡脉冲P(n)；加法器用于对正向双阶跃脉冲D2(n)和反向双斜坡脉冲P(n)进行求和，得到对称双锯齿脉冲R(n)；第二积分器用于对对称双锯齿脉冲R(n)进行处理，得到对称类弹头脉冲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)、反向双矩形脉冲D1(n)、正向双阶跃脉冲D2(n)、反向双斜坡脉冲P(n)、对称双锯齿脉冲R(n)和对称类弹头脉冲S(n)的表达式分别为：

v(n)＝v(n-1)+x(n)-d*x(n-1)

D1(n)＝v(n-K-1)-v(n-1)+v(n-K-L)-v(n-L)

D2(n)＝(v(n)+v(n-K-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(·)表示反向双矩形脉冲函数，D2(·)表示正向双阶跃脉冲函数，P(·)表示反向双斜坡脉冲函数，R(·)表示对称双锯齿脉冲函数，S(·)表示对称类弹头脉冲函数，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表示对称类弹头脉冲的上升时间，L表示对称类弹头脉冲的上升时间与平顶时间之和。

本发明实施例中，最终得到的对称类弹头脉冲S(n)如图2所示，由图2可知：

(1)本发明成形参数可调，自适应性强。

(2)本发明能够分离堆积脉冲，准确提取脉冲幅值信息，成形方法兼顾能量分辨率与脉冲通过率等技术指标。

(3)本发明引入平顶时间参数，使得平顶参数可调，当平顶持续时间大于最大电荷收集时间，就可以有效的克服弹道亏损带来的幅度损失，从而准确地提取原始脉冲的真实幅值。

实施例二：

本发明实施例提供了一种对称类弹头脉冲成形方法，如图3所示，包括以下步骤S1～S2：

S1、通过核辐射信号采集模块采集核辐射信号，并将其处理为离散的负指数核脉冲x(n)。

步骤S1包括以下分步骤S11～S14：

S11、通过核辐射探测器探测核辐射信号。

S12、通过前置放大器对核辐射信号进行放大，得到放大信号。

S13、通过调理电路单元对放大信号进行调整，得到调整信号。

S14、通过高速模数转换器对调整信号进行数字化处理，得到离散的负指数核脉冲x(n)。

S2、通过数字核信号处理模块对离散的负指数核脉冲x(n)进行处理，得到对称类弹头脉冲S(n)，并传输至终端进行显示。

如图4所示，步骤S2包括以下分步骤S21～S26：

S21、通过逆RC单元对离散的负指数核脉冲x(n)进行处理，得到阶跃脉冲v(n)。

S22、通过延迟-减法器单元对阶跃脉冲v(n)进行处理，得到反向双矩形脉冲D1(n)。

S23、通过延迟-加法器单元对阶跃脉冲v(n)进行处理，得到正向双阶跃脉冲D2(n)。

S24、通过第一积分器对反向双矩形脉冲D1(n)进行处理，得到反向双斜坡脉冲P(n)。

S25、通过加法器对正向双阶跃脉冲D2(n)和反向双斜坡脉冲P(n)进行求和，得到对称双锯齿脉冲R(n)。

S26、通过第二积分器对对称双锯齿脉冲R(n)进行处理，得到对称类弹头脉冲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)、反向双矩形脉冲D1(n)、正向双阶跃脉冲D2(n)、反向双斜坡脉冲P(n)、对称双锯齿脉冲R(n)和对称类弹头脉冲S(n)的表达式分别为：

v(n)＝v(n-1)+x(n)-d*x(n-1)

D1(n)＝v(n-K-1)-v(n-1)+v(n-K-L)-v(n-L)

D2(n)＝(v(n)+v(n-K-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(·)表示反向双矩形脉冲函数，D2(·)表示正向双阶跃脉冲函数，P(·)表示反向双斜坡脉冲函数，R(·)表示对称双锯齿脉冲函数，S(·)表示对称类弹头脉冲函数，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表示对称类弹头脉冲的上升时间，L表示对称类弹头脉冲的上升时间与平顶时间之和。

本发明实施例引入平顶时间参数，使得平顶参数可调，当平顶持续时间大于最大电荷收集时间，就可以有效的克服弹道亏损带来的幅度损失，从而准确地提取原始脉冲的真实幅值。

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 (8)

1.一种对称类弹头脉冲成形装置，其特征在于，包括核辐射信号采集模块和数字核信号处理模块，所述核辐射信号采集模块的输出端与数字核信号处理模块的输入端连接，所述数字核信号处理模块的输出端与终端连接；

所述核辐射信号采集模块用于采集核辐射信号，并将其处理为离散的负指数核脉冲x(n)；

所述数字核信号处理模块用于对离散的负指数核脉冲x(n)进行处理，得到对称类弹头脉冲S(n)，并传输至终端进行显示。

2.根据权利要求1所述的对称类弹头脉冲成形装置，其特征在于，所述核辐射信号采集模块包括依次连接的核辐射探测器、前置放大器、调理电路单元和高速模数转换器；

所述核辐射探测器用于探测核辐射信号；

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；

所述调理电路单元用于对放大信号进行调整，得到调整信号；

所述高速模数转换器用于对调整信号进行数字化处理，得到离散的负指数核脉冲x(n)。

3.根据权利要求1所述的对称类弹头脉冲成形装置，其特征在于，所述数字核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、第二积分器和加法器，所述逆RC单元的输入端作为数字核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加法器的第一输入端连接，所述延迟-加法器单元的输出端与加法器的第二输入端连接，所述加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与终端连接；

所述逆RC单元用于对离散的负指数核脉冲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，得到反向双矩形脉冲D1(n)；

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

所述第一积分器用于对反向双矩形脉冲D1(n)进行处理，得到反向双斜坡脉冲P(n)；

所述加法器用于对正向双阶跃脉冲D2(n)和反向双斜坡脉冲P(n)进行求和，得到对称双锯齿脉冲R(n)；

所述第二积分器用于对对称双锯齿脉冲R(n)进行处理，得到对称类弹头脉冲S(n)，并传输至终端进行显示。

4.根据权利要求3所述的对称类弹头脉冲成形装置，其特征在于，所述阶跃脉冲v(n)、反向双矩形脉冲D1(n)、正向双阶跃脉冲D2(n)、反向双斜坡脉冲P(n)、对称双锯齿脉冲R(n)和对称类弹头脉冲S(n)的表达式分别为：

v(n)＝v(n-1)+x(n)-d*x(n-1)

D1(n)＝v(n-K-1)-v(n-1)+v(n-K-L)-v(n-L)

D2(n)＝(v(n)+v(n-K-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(·)表示反向双矩形脉冲函数，D2(·)表示正向双阶跃脉冲函数，P(·)表示反向双斜坡脉冲函数，R(·)表示对称双锯齿脉冲函数，S(·)表示对称类弹头脉冲函数，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表示对称类弹头脉冲的上升时间，L表示对称类弹头脉冲的上升时间与平顶时间之和。

5.一种对称类弹头脉冲成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过核辐射信号采集模块采集核辐射信号，并将其处理为离散的负指数核脉冲x(n)；

S2、通过数字核信号处理模块对离散的负指数核脉冲x(n)进行处理，得到对称类弹头脉冲S(n)，并传输至终端进行显示。

6.根据权利要求5所述的对称类弹头脉冲成形方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下分步骤：

S11、通过核辐射探测器探测核辐射信号；

S12、通过前置放大器对核辐射信号进行放大，得到放大信号；

S13、通过调理电路单元对放大信号进行调整，得到调整信号；

S14、通过高速模数转换器对调整信号进行数字化处理，得到离散的负指数核脉冲x(n)。

7.根据权利要求5所述的对称类弹头脉冲成形方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下分步骤：

S21、通过逆RC单元对离散的负指数核脉冲x(n)进行处理，得到阶跃脉冲v(n)；

S22、通过延迟-减法器单元对阶跃脉冲v(n)进行处理，得到反向双矩形脉冲D1(n)；

S23、通过延迟-加法器单元对阶跃脉冲v(n)进行处理，得到正向双阶跃脉冲D2(n)；

S24、通过第一积分器对反向双矩形脉冲D1(n)进行处理，得到反向双斜坡脉冲P(n)；

S25、通过加法器对正向双阶跃脉冲D2(n)和反向双斜坡脉冲P(n)进行求和，得到对称双锯齿脉冲R(n)；

S26、通过第二积分器对对称双锯齿脉冲R(n)进行处理，得到对称类弹头脉冲S(n)，并传输至终端进行显示。

8.根据权利要求7所述的对称类弹头脉冲成形方法，其特征在于，所述阶跃脉冲v(n)、反向双矩形脉冲D1(n)、正向双阶跃脉冲D2(n)、反向双斜坡脉冲P(n)、对称双锯齿脉冲R(n)和对称类弹头脉冲S(n)的表达式分别为：

v(n)＝v(n-1)+x(n)-d*x(n-1)

D1(n)＝v(n-K-1)-v(n-1)+v(n-K-L)-v(n-L)

D2(n)＝(v(n)+v(n-K-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(·)表示反向双矩形脉冲函数，D2(·)表示正向双阶跃脉冲函数，P(·)表示反向双斜坡脉冲函数，R(·)表示对称双锯齿脉冲函数，S(·)表示对称类弹头脉冲函数，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表示对称类弹头脉冲的上升时间，L表示对称类弹头脉冲的上升时间与平顶时间之和。

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