CN116774273A - 一种核脉冲信号展开为冲激信号的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核脉冲信号展开为冲激信号的方法及系统，属于信号处理技术领域。本发明对核脉冲信号处理过程中要经过的每个具体电路进行分析，然后依据这些实际电路采用逆向推导思维建立逆系统，实现核脉冲信号生成步骤的逆推，从而将核脉冲信号展开为冲激信号，该方法可以很好的将核脉冲信号展开为冲激信号，且有利于获得很窄宽度的脉冲信号和分离堆积脉冲提高脉冲计数。

Description

一种核脉冲信号展开为冲激信号的方法及系统

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种核脉冲信号展开为冲激信号的方法及系统。

背景技术

在核技术及其应用中，核脉冲信号的展开是核脉冲信号数字成形中的关键技术，它对于合成梯形脉冲、高斯脉冲以及cusp-like等常见脉冲形状和获取入射粒子的数量信息和时间信息等具有重要意义。

在信号与系统中，冲激信号具有一个重要性质，即它与任何信号卷积等于信号本身。因此，如果能够将核脉冲信号成形为冲激信号，理论上就可以通过卷积将其成形为想要的脉冲形状，如梯形、高斯，cusp-like，sin-like。

在以往的冲激成形研究中，是将探测器的输出信号等效为阶跃、指数、双指数信号三种模型，并作为输入信号。然后，将冲激信号δ(t)作为输出信号，通过z变换的方式实现阶跃信号冲激成形、指数信号冲激成形以及双指数信号冲激成形。但是，通过z变换方式得到的冲激响应的数字解往往是递归表达式，会导致很大的计算量，从而影响脉冲信号的成形速度。Valentin T.Jordanov同样是以阶跃信号、指数衰减信号、以及双指数信号（指数卷积）作为核脉冲信号数学模型，通过构建不同模型对应的δ(t)，建立了冲激成形系统传递函数，从而实现核脉冲信号冲激成形。但是通过这种方式并不是所有类型的信号都可以展开，尤其是在极短的时间尺度上，并且这种方式更加偏向于从数学转换的角度来得到冲激信号。

发明内容

本发明的目的是克服上述存在之不足，提供一种核脉冲信号展开为冲激信号的方法及系统，本发明对核脉冲信号产生过程中要经过的每个具体电路进行分析，然后依据这些实际电路采用逆向推导思维建立逆系统，实现核脉冲信号生成步骤的逆推，从而将核脉冲信号展开为冲激信号。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种核脉冲信号展开为冲激信号的方法，其包括以下步骤，

S1、探测器输出端经过测量系统将信号转换成核脉冲信号；

S2、求解测量系统中每个电路的逆系统；

S3、根据S2中得到的逆系统函数将核脉冲信号与测量系统中每个电路过程顺序的反向递推从而实现核脉冲信号的展开为冲激信号。

进一步地，S2中求解测量系统中每个电路的逆系统是根据基尔霍夫电流定律或Z变换或逆Z变换来实现的。

进一步地，S1中所述测量系统中的电路包括探测器输出等效RC电路、开关复位型前置放大器、CR电路。

进一步地，探测器输出等效RC电路逆系统的离散系统函数为，；

开关复位型前置放大器逆系统的离散系统函数为其中prea-reset代表的是开关复位型前置放大器；

CR电路逆系统的离散系统函数为，，

上述公式中，z^-1为单位延迟因子，R₁、C₁表示CR电路的电阻和电容值，R₂、C₂分别表示为RC电路的电阻和电容值，T_s为ADC采样周期。

进一步地，S3中反向递推过程如下，将探测器输出转换成的双指数核脉冲信号作为输入信号经过CR电路逆系统得到具有上升沿的阶跃信号，然后将具有上升沿的阶跃信号输入开关复位型前置放大器逆系统得到指数衰减信号，最后将得到的指数衰减信号输入探测器输出等效RC电路逆系统得到冲激信号。

进一步地，S1中所述测量系统中的电路包括探测器输出等效RC电路、阻容反馈型前置放大器、PZC电路。

进一步地，探测器输出等效RC电路逆系统的离散系统函数为，；

阻容反馈型前置放大器逆系统的离散系统函数为，，其中prea-resis代表的是阻容反馈型前置放大器；

PZC电路逆系统的离散系统函数为，，

其中，z^-1为单位延迟因子，T_s为ADC采样周期，R_PZ为PZC电路的可变电阻，R₃、C₃分别为定值电阻和电容值。

进一步地，S3中反向递推过程如下，将探测器输出转换成的双指数核脉冲信号作为输入信号经过PZC电路逆系统得到展宽的双指数信号，然后将展宽的双指数信号输入阻容反馈型前置放大器逆系统得到指数衰减信号，最后将得到的指数衰减信号输入探测器输出等效RC电路逆系统得到冲激信号。

本发明还提供了一种用于实现上述方法的核脉冲信号展开为冲激信号的系统，其包括：

探测器，输出初始信号，并输入测量系统；

测量系统，将探测器输出信号转换成核脉冲信号；

反向递推系统，所述反向递推系统为测量系统中每个电路的反向递推的逆系统，核脉冲信号经过反向递推系统后展开为冲激信号。

进一步地，测量系统包括探测器输出等效RC电路、开关复位型前置放大器、CR电路，或包括探测器输出等效RC电路、阻容反馈型前置放大器、PZC电路；

所述反向递推系统包括CR电路逆系统、开关复位型前置放大器逆系统、探测器输出等效RC电路逆系统，或包括PZC电路逆系统、阻容反馈型前置放大器逆系统、探测器输出等效RC电路逆系统。

本发明相比现有技术具有如下优点：

本发明对核脉冲信号处理过程中要经过的每个具体电路进行分析，然后依据这些实际电路采用逆向推导思维建立逆系统，实现核脉冲信号生成步骤的逆推，从而将核脉冲信号展开为冲激信号，该方法可以很好的将核脉冲信号展开为冲激信号，且有利于获得很窄宽度的脉冲信号和分离堆积脉冲提高脉冲计数。

附图说明

图1是本发明中核脉冲信号展开为冲激信号的系统程图；

图2是开关复位型前置放大器逆系统数字实现框图；

图3是阻容反馈型前置放大器逆系统数字实现框图；

图4是RC电路逆系统数字实现框图；

图5是 CR电路逆系统数字实现框图；

图6是PZC电路逆系统数字实现框图；

图7是开关复位型核脉冲信号测量系统的逆系统思维的输入信号图；

图8是开关复位型核脉冲信号测量系统的逆系统思维的输出信号图；

图9是阻容反馈型核脉冲信号测量系统的逆系统思维的输入信号图；

图10是阻容反馈型核脉冲信号测量系统的逆系统思维的输出信号图；

图11是开关复位型电荷灵敏前置放大器的测量系统展开流程图；

图12是实施例1中逆开关复位型测量系统各输入信号图；

图13是实施例1中逆开关复位型测量系统中逆CR系统输出信号图；

图14是实施例1中逆开关复位型测量系统中逆开关复位型系统输出信号图；

图15是实施例1中逆开关复位型测量系统中逆RC系统输出信号图；

图16是阻容反馈型电荷灵敏前置放大器的测量系统展开流程图；

图17是不存在PZC的逆阻容反馈型测量系统各输出信号图。

具体实施方式

为使本发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

实施例1

本实施例是基于开关复位型电荷灵敏前置放大器的测量系统，如图1、2、4、5、11所示，图中，b+1和b分别代表的是信号放大倍数，k1和k2也是信号放大倍数，z^-1为单位延迟因子，X(n)为输入信号，Y(n)为输出信号，G为放大倍数系数。首先该核脉冲信号展开为冲激信号系统包括探测器、开关复位型前置放大器、CR电路、探测器输出等效RC电路逆系统、开关复位型前置放大器逆系统、CR电路逆系统；其中开关复位型前置放大器、CR电路组成测量系统，CR电路逆系统、开关复位型前置放大器逆系统、探测器输出等效RC电路逆系统组成反向递推系统，探测器信号经过开关复位型前置放大器、CR电路后成为核脉冲信号，核脉冲信号再依次经过CR电路逆系统、开关复位型前置放大器逆系统、探测器输出等效RC电路逆系统最终输出为冲激信号。本实施例中开关复位型电荷灵敏前置放大器测量系统的流程为，探测器输出信号经等效RC电路作用后，进入前置放大器，再经CR电路，最终输出双指数信号。通过求解整个测量系统当中每个电路的逆系统从而实现将输出的核脉冲信号展开为冲激信号。

其中利用基尔霍夫电流定律、Z变换和逆Z变换可以得到探测器等效RC电路、前置放大电路、CR电路和PZC电路的逆系统对应的系统函数，将核脉冲信号利用这些逆系统的系统函数进行递推从而实现核脉冲信号的展开。具体如下，

开关复位型前置放大器逆系统的离散系统函数： 其中prea-reset代表的是开关复位型前置放大器；

假定开关复位型前置放大器的输入电流信号为i_in(t)=dQ(t)dt，输出的电压信号为v_out(t)，则可以建立等式

整理可得

式中Q_s/C_fδ(t)表示与输入电流信号对应的电压信号。

利用数值微分代替上式中微分运算，则

其中T_s表示ADC的采样时间间隔。对上式进行z变换得

则开关复位型前置放大器的离散系统函数为

其中prea-reset代表的是开关复位型前置放大器

开关复位型前置放大器逆系统对应的离散系统的系统函数可以写为

其中prea-reset代表的是开关复位型前置放大器

式中：T_s表示ADC的采样时间间隔

其开关复位型前置放大器逆系统数字实现框图如图2所示。

探测器输出信号经探测器输出等效RC电路逆系统的离散系统函数：

假定RC电路的输入电压为v_in(t)，输出电压为v_out(t)，建立RC滤波器微分方程为

利用数值微分代替微分运算，则RC电路对应数字滤波器的系统函数可以写为

对应逆系统的系统函数为

式中: R₁和C₁分别代表RC电路中的电阻和电容值；H^-1 _RC（Z）为传递函数；T_s为ADC采样周期。

该探测器输出信号经探测器输出等效RC电路逆系统数字实现框图如图4所示。

CR电路逆系统的离散系统函数：

假定CR电路输入电压为v_in(t)，输出电压为v_out(t)，建立CR电路微分方程为

利用数值微分代替微分运算可以得到CR电路的离散系统函数，即

对应逆系统的离散系统函数为

式中：R₂和C₂分别表示为CR电路的电阻和电容值的大小，T_s为ADC采样周期。

该CR电路逆系统数字实现框图如5所示。

本系统中核脉冲信号的具体变化过程如下，首先，将双指数信号作为输入信号经过CR逆系统得到具有上升沿的阶跃信号，然后将具有上升沿的阶跃信号输入开关复位型前置放大器逆系统得到指数衰减信号，最后将得到的指数衰减信号输入探测器输出等效RC电路逆系统得到冲激信号。至此，实现了基于开关复位型前置放大器的双指数信号展开为冲激信号，此过程中在核脉冲信号在各逆系统中的变化过程如图12-15所示，输入信号和最终输出信号如图7、8所示。

以往的核脉冲信号展开为冲激信号是将核脉冲信号等效为阶跃信号、指数信号和双指数信号等模型，然后通过Z变换来建立冲激成形系统的系统函数，从而将其展开为冲激信号。这种方法忽略了核脉冲信号形成的实际过程，只是通过建立抽象的传递函数关系实现核脉冲信号到冲激信号的一步转换。而实施例是对核脉冲信号产生过程中要经过的每个具体电路进行分析，然后依据这些实际电路采用逆向推导思维建立逆系统，实现核脉冲信号生成步骤的逆推，从而将核脉冲信号展开为冲激信号。从图7、8可以看出将开关复位型测量系统获得的核脉冲信号按顺序输入到该系统测量电路的逆系统中就可以得到冲激信号作为输出，并且从7、8中可以明显看出堆积信号经过该逆系统后得到很好的分离，输出冲激信号宽度窄。

实施例2

本实施例是基于阻容反馈型电荷灵敏前置放大器的测量系统，如图1、3、4、6、16所示，首先，图3、图4中α+1、b+1和b分别代表的是信号放大倍数，k1和k2也是信号放大倍数，z^-1为单位延迟因子，X(n)为输入信号，Y(n)为输出信号，对于设置了PZC电路的阻容反馈测量系统而言，首先该核脉冲信号展开为冲激信号系统包括探测器、阻容反馈型前置放大器、PZC电路、PZC电路逆系统、阻容反馈型前置放大器逆系统、探测器输出等效RC电路逆系统；其中阻容反馈型前置放大器、PZC电路组成测量系统，PZC电路逆系统、阻容反馈型前置放大器逆系统、探测器输出等效RC电路逆系统组成反向递推系统。

本实施例中阻容反馈型电荷灵敏前置放大器测量系统输出信号的展开：分别求出探测器输出等效RC电路、前置放大电路、PZC电路的逆系统，然后将双指数信号作为输入信号，依次通过PZC电路、前置放大电路、探测器输出等效RC电路的逆系统，最终实现将阻容反馈型电荷灵敏前置放大器测量系统的输出信号展开为冲激信号。

求出探测器输出等效RC电路、前置放大电路、PZC电路的逆系统具体如下，

探测器输出等效RC电路逆系统的离散系统函数：

式中：

该探测器输出等效RC电路逆系统数字实现框图如图4所示。

阻容反馈型前置放大器逆系统的离散系统函数：其中prea-resis代表的是阻容反馈型前置放大器；

式中：

该阻容反馈型前置放大器逆系统数字实现框图如图3所示。

PZC电路逆系统的离散系统函数：

PZC电路的微分方程可以写为

根据上式，可以得到PZC电路的离散系统函数，如下所示。

由上式可以得到其对应逆系统的离散系统函数，即

其中，T_s为ADC采样周期，R_PZ为PZC电路的可变电阻，R₃和C₃分别为定值电阻和电容值。

该PZC电路逆系统数字实现框图如图6所示。

然后将双指数信号作为输入信号经过PZC逆系统得到展宽的双指数信号，然后将展宽的双指数信号输入阻容反馈型前置放大器逆系统得到指数衰减信号，最后将得到的指数衰减信号输入探测器输出等效RC电路逆系统得到冲激信号。

此过程中在核脉冲信号在各逆系统中输入信号和最终输出信号如图9、10所示。从图9、10可以看出将阻容反馈型测量系统获得的核脉冲信号按顺序输入到该系统测量电路的逆系统中就可以得到冲激信号作为输出。并且从图10中可以明显看出堆积信号经过该逆系统后得到很好的分离，输出冲激信号宽度窄。

总体来说本技术的优点是考虑到实际输出的核脉冲信号不能简单的用阶跃信号、指数信号和双指数信号模型代替，所以在探测器和前置放大器之间等效了一个RC电路。然后根据添加了等效RC电路的测量系统，无论什么形状的核脉冲信号，只要知道测量系统当中采用到的电路，都可以通过这些电路的逆系统从而实现核脉冲信号的展开。并且由图8和图10可知通过这种逆系统思维可以很好的将双指数信号展开为冲激信号，有利于获得很窄宽度的脉冲信号和分离堆积脉冲提高脉冲计数。

同理，本发明的技术方案同样也适用于对于不存在PZC电路的阻容反馈测量系统，如图17所示，该图展示了不存在PZC的逆阻容反馈型测量系统各输出信号图，这样则直接将双指数信号作为输入信号（原始信号）经过阻容反馈逆系统（逆阻容系统）再经过RC逆系统（逆RC系统）得到冲激信号。至此，实现了基于阻容反馈型前置放大器的双指数信号展开为冲激信号。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种核脉冲信号展开为冲激信号的方法，其特征在于包括以下步骤，

S1、探测器输出端经过测量系统将信号转换成核脉冲信号；

S2、求解测量系统中每个电路的逆系统；

S3、根据S2中得到的逆系统函数将核脉冲信号与测量系统中每个电路过程顺序的反向递推从而实现核脉冲信号的展开为冲激信号。

2.根据权利要求1所述的一种核脉冲信号展开为冲激信号的方法，其特征在于，S2中求解测量系统中每个电路的逆系统是根据基尔霍夫电流定律或Z变换或逆Z变换来实现的。

3.根据权利要求1所述的一种核脉冲信号展开为冲激信号的方法，其特征在于，S1中所述测量系统中的电路包括探测器输出等效RC电路、开关复位型前置放大器、CR电路。

4.根据权利要求3所述的一种核脉冲信号展开为冲激信号的方法，其特征在于，

探测器输出等效RC电路逆系统的离散系统函数为，，

开关复位型前置放大器逆系统的离散系统函数为；

CR电路逆系统的离散系统函数为，，

上述公式中，z^-1为单位延迟因子，R₁、C₁表示CR电路的电阻和电容值，R₂、C₂分别表示为RC电路的电阻和电容值，T_s为ADC采样周期。

5.根据权利要求4所述的一种核脉冲信号展开为冲激信号的方法，其特征在于，S3中反向递推过程如下，将探测器输出转换成的双指数核脉冲信号作为输入信号经过CR电路逆系统得到具有上升沿的阶跃信号，然后将具有上升沿的阶跃信号输入开关复位型前置放大器逆系统得到指数衰减信号，最后将得到的指数衰减信号输入探测器输出等效RC电路逆系统得到冲激信号。

6.根据权利要求1所述的一种核脉冲信号展开为冲激信号的方法，其特征在于，S1中所述测量系统中的电路包括探测器输出等效RC电路、阻容反馈型前置放大器、PZC电路。

7.根据权利要求6所述的一种核脉冲信号展开为冲激信号的方法，其特征在于，

探测器输出等效RC电路逆系统的离散系统函数为，；

阻容反馈型前置放大器逆系统的离散系统函数为，；

PZC电路逆系统的离散系统函数为，，

其中，z^-1为单位延迟因子，T_s为ADC采样周期，R_PZ为PZC电路的可变电阻，R₃、C₃分别为定值电阻和电容值，R_f阻容反馈型前置放大器的反馈电阻， C_f是阻容反馈型前置放大器的反馈电容。

8.根据权利要求7所述的一种核脉冲信号展开为冲激信号的方法，其特征在于，S3中反向递推过程如下，将探测器输出转换成的双指数核脉冲信号作为输入信号经过PZC电路逆系统得到展宽的双指数信号，然后将展宽的双指数信号输入阻容反馈型前置放大器逆系统得到指数衰减信号，最后将得到的指数衰减信号输入探测器输出等效RC电路逆系统得到冲激信号。

9.一种核脉冲信号展开为冲激信号的系统，其特征在于包括：

探测器，输出初始信号，并输入测量系统；

测量系统，将探测器输出信号转换成核脉冲信号；

反向递推系统，所述反向递推系统为测量系统中每个电路的反向递推的逆系统，核脉冲信号经过反向递推系统后展开为冲激信号。

10.根据权利要求9所述的一种核脉冲信号展开为冲激信号的系统，其特征在于，测量系统包括探测器输出等效RC电路、开关复位型前置放大器、CR电路，或包括探测器输出等效RC电路、阻容反馈型前置放大器、PZC电路；

所述反向递推系统包括CR电路逆系统、开关复位型前置放大器逆系统、探测器输出等效RC电路逆系统，或包括PZC电路逆系统、阻容反馈型前置放大器逆系统、探测器输出等效RC电路逆系统。