CZ201779A3 - Způsob nalezení užitečného signálu v šumu - Google Patents

Abstract

Způsob nalezení užitečného signálu v šumu pomocí tvarové analýzy náhodných detekovaných signálů ve spektroskopických metodách zahrnuje kroky: nastavení minimální hodnoty (2) amplitudy a nastavení maximální hodnoty (3) amplitudy platného pulsu, přičemž tím je stanoven rozsah amplitudy platného pulsu, a dále nastavení minimální hodnoty délky platného pulsu; přijetí analogového signálu z detektoru (6); vzorkování analogového signálu; porovnání naměřené hodnoty amplitudy signálu s nastaveným rozsahem amplitudy platného pulsu; porovnání naměřené hodnoty (5) délky příchozího pulsu s minimální délkou platného pulsu; vyhodnocení platnosti příchozího pulsu na základě porovnání naměřené hodnoty amplitudy a naměřené hodnoty délky (5) příchozího pulsu s nastaveným rozsahem amplitudy platného pulsu a nastavenou minimální hodnotou délky platného pulsu, přičemž platný puls je ten, jehož amplituda je větší než minimální hodnota (2) amplitudy platného pulsu a menší než maximální hodnota (3) amplitudy a zároveň je jeho délka větší než nastavená minimální hodnota délky platného pulsu.

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká měřicí techniky se zaměřením na detekci elektromagnetického záření a elementárních částic, tedy obecně na detekci signálů s náhodou dobou příletu. V aplikacích jsou detekce jednotlivých fotonů nebo elementárních částic převáděny na napěťové pulsy a ty jsou následně elektronicky zpracovány a vyhodnoceny.

Dosavadní stav techniky

V dosavadním stavu techniky je známo mnoho měřicích, respektive spektroskopických technik založených na sledování náhodně přicházejících pulsů, které reprezentují dopady fotonů, ionizujícího záření nebo elementárních částic. Pro analýzu těchto pulsů se v současnosti využívá pouze amplitudová analýza napěťových pulsů, přičemž při použití této techniky dochází k velké chybovosti při analýze signálů s obdobnou úrovní amplitudy případně signálů blízkých šumu.

K měření těchto záření slouží v současnosti několik typů detektorů. V současném stavu techniky se vyskytují emulzní, plynové, moderační, scintilační a polovodičové detektory. Nejběžněji používanými jsou scintilační detektory. Při analýze sledovaného ionizujícího záření dopadajícího do scintilačního detektoru je nejprve toto záření převedeno na spršku viditelných fotonů ve scintilátoru. Vyzářená sprška fotonů je následně zachycena fotonásobičem, který tento signál zesílí a převede na napěťový puls. Amplituda a tvar tohoto puls nesou informaci o energii dopadajícího záření do detektoru. Vystupující napěťové pulsy ze scintilačního detektoru jsou v současném stavu techniky zpracovávány do amplitudových spekter, ze kterého je poté různými metodami rozlišen užitečný signál.

Při amplitudové analýze je pro odlišení užitečného signálu využíváno několik metod. Amplitudová analýza má však své hranice. Při obdobných úrovních amplitud užitečného signálu a šumu, nelze užitečný signál precizně identifikovat. O dosavadním stavu techniky dále pojednávají následující dokumenty.

• ·

·..* .:. .:. ··

V patentovém dokumentu CN204028371 je popsán systém pro analýzu náhodných signálů se zaměřením na přesné určení doby příletu fotonu. Tento systém je založen na jedno-kanálovém analyzátoru amplitud detekovaných pulsů.

V patentovém dokumentu CN 102540240 je popsán systém pulsní amplitudové analýzy a také funkce samotného analyzátoru se zaměřením na analýzu amplitud.

V patentovém dokumentu CN 104483696 je popsána realizace pomocí sledování amplitudy měřených pulsů. Nevýhodou tohoto řešení je nemožnost detekovat pulsy s amplitudou na úrovni šumu.

V patentovém dokumentu CN104391182 je použito diferenciálního zapojení pro preciznější detekci. I toto řešení je založené na amplitudové analýze, při použití diferenciálního zapojení.

V patentovém dokumentu US2015204722 je popsána metoda pro zvýšení rozlišovacích schopností spektrometru u opakujících se jevů. Vyššího rozlišení je dosaženo na základě amplitudové analýzy a použití Fourierovy transformace.

V patentovém dokumentu US8901503 je popsána metoda pro rozlišení záření alfa, beta a gama na základě sledování délky pulsu a doby jeho příletu. Tento dokument se zaměřuje na detekci předem známého signálu a nespecifikuje využití délkové analýzy.

V patentovém dokumentu US7807973 je popsána metoda rozlišení dvou po sobě jedoucích pulsů. Na základě doby trvání jsou pulsy podrobené další analýze a jsou dále filtrovány a rozlišeny.

Nevýhoda při použití stávajících řešení spočívá v zaměření pouze na analýzu amplitud sledovaných napěťových pulsů. V případě, kdy jsou amplitudy sledovaných pulsů na úrovni amplitud šumu obsaženého v signálu, není možné dané signály od šumu odlišit. Případně čítané hodnoty v této oblasti obsahují velké množství chybných detekcí, tedy poměr užitečného signálu a náhodně detekovaného šumu je velmi nepříznivý. V tomto případě je znemožněna precizní analýza měřených dat.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky do jisté míry odstraňuje způsob nalezení užitečného signálu v šumu. Cílem vynálezu je poskytnout přesnější detekci užitečného signálu a zvýšit odstup signálu od šumu. Výhodou řešení dle předkládaného vynálezu je zkrácení doby nutné pro získání dostatečně velkého statistického souboru a s tím spojené snížení nákladů na provoz spektrometrických zařízení. Způsob nalezení užitečného signálu v šumu dle předkládaného řešení umožňuje rozšířit analýzu signálu o nové oblasti detekce, které byly pouze amplitudovou analýzou nerozlišitelné. Pomocí předkládaného řešení lze dosáhnout vyššího spektrometrického a energetického rozlišení a velmi precizně odlišit signál od šumu. Toto řešení umožňuje rozlišit pulsy odpovídající detekcím fotonů nebo elementárních částic s malou energií od neužitečného signálu, resp. šumu, přičemž amplitudy užitečného a neužitečného signálu jsou srovnatelné, tudíž běžnou amplitudovou analýzou nerozlišitelné.

Předkládané řešení představuje způsob nalezení užitečného signálu v šumu na základě tvarové analýzy pulsu, přičemž je sledována a měřena amplituda a délka příchozích pulsů. Měření délky pulsu je umožněno vhodným vzorkováním signálu přijatého z detektoru. Příchozí pulsy jsou analyzovány a následně vyhodnoceny na základě porovnání naměřených hodnot amplitudy a délky příchozího pulsu s nastaveným rozsahem amplitudy (minimální a maximální hodnoty) platného pulsu a nastavenou minimální hodnotou délky platného pulsu. Platný puls je pak takový příchozí puls, jehož amplituda je větší než minimální hodnota amplitudy platného pulsu a menší než maximální hodnota amplitudy a zároveň je jeho délka větší než nastavená minimální hodnota délky platného pulsu.

Při zkoumání překrývajících se energetických spekter je možné nastavit i maximální hodnotu délky pulsu, která vymezí s minimální hodnotou délky pulsu rozsah hodnot platného pulsu.

Způsob nalezení užitečného signálu v šumu dle předkládaného řešení umožňuje sledovat alespoň jednu oblast energetického spektra. Pro každou jednu zvolenou oblast energetického spektra je nastaven rozsah hodnot amplitudy platných pulsů a zároveň minimální hodnota délky platných pulsů, respektive rozsah hodnot délek platných pulsů.

Pro měření délky pulsuje přijatý signál navzorkován. S ohledem na druh zkoumaného signálu je zvolena vhodná vzorkovací frekvence, alespoň 10 MHz.

Délka příchozího pulsu je měřena pomocí mezní amplitudy. Měření délky příchozího pulsu probíhá v čase od nárůstu amplitudy na nastavenou mezní úroveň amplitudy až do poklesu její hodnoty na nastavenou mezní úroveň

Příchozí pulsy je možné vyhodnotit i na základě dalších parametrů, jako jsou úhel náběžné nebo sestupné hrany pulsu nebo velikost plochy pulsu pod křivkou. Při sledování těchto parametrů je nastaven rozsah hodnot platných pulsů obdobně, jako je tomu při sledování délky. Platný puls je pak takový příchozí puls, jehož hodnota amplitudy je větší než minimální hodnota amplitudy platného pulsu a menší než maximální hodnota amplitudy platného pulsu a zároveň je jeho hodnota dalšího parametru větší než 10 minimální hodnota daného parametru platného pulsu a menší než maximální hodnota dalšího parametru platného pulsu.

Všechny příchozí pulsy, které jsou po vyhodnocení platnosti označeny jako platné, jsou následně čítány nebo jsou k nim přiřazeny časové informace.

Výše uvedený způsob je realizován zařízením zahrnujícím analogově digitální 15 převodník připojený na detektor a počítač nebo zařízení zahrnující komparátor připojený k detektoru, hradlové pole, mikroprocesor, čítač a počítač.

• ·

Objasnění výkresů

Obr. 1 - Rozhodovací algoritmus nalezení užitečného signálu v šumu

Obr. 2 - Výběr sledovaných oblastí energetického spektra na základě hodnot 5 amplitudy a délky

Obr. 3 - Pohled na způsob měření délky příchozích pulsů s nastavenými minimálními a maximálními hodnotami amplitud a nastavenou úrovní mezní amplitudy

Obr. 4 - Schématické znázornění předkládaného řešení realizovaného jako 10 samostatného elektronického zařízení v jedné z možných variant.

Obr. 5 - Schématické znázornění předkládaného řešení realizovaného na programové úrovni v jedné z možných variant.

Příklady uskutečněni vynálezu

Příkladem provedení vynálezu je způsob nalezení užitečného signálu v šumu pomocí tvarové analýzy náhodných detekovaných signálů ve spektroskopických metodách, jak je například znázorněno na obrázku 1. Šumem se rozumí náhodné napěťové pulsy z okolí detektoru 6 spektrometrického měřicího systému, případně napěťové pulsy emitované samotným detektorem 6. Šumem může být také jiný napěťový puls.

Pomocí tohoto způsobu je možné analyzovat jak amplitudu, tak i jeden další parametr sledovaného signálu, přičemž tímto dalším parametrem je s výhodou délka, ale je také možné analyzovat úhel náběžné a sestupné hrany příchozího pulsu, nebo plochu pod křivkou příchozího pulsu.

Na obrázku 2 je znázorněn graf, na jehož horizontální ose x je vynesena hodnota amplitudy, na vertikální ose y hodnota délky a na ose z kolmé na osy x a y je vynesena četnost. Při přijetí elektronického signálu detektorem 6 je nejprve analyzováno celé spektrum. Osoba znalá současného stavu techniky je schopna dále vybrat sledované oblasti 1, jako je zobrazeno například na obrázku 2, ve kterých bude provedena tvarová analýza příchozích pulsů a následně je čítačem prováděno čítání platných pulsů.

Výběr sledované oblasti 1 je realizován nastavením minimální hodnoty 2 amplitudy a maximální hodnoty 3 amplitudy platných pulsů, přičemž minimální hodnota 2 amplitudy a maximální hodnota 3 amplitudy platných pulsů tvoří rozsah amplitudy platných pulsů a dále je také realizován nastavením minimální hodnoty délky platných pulsů, přičemž je možné nastavit také maximální hodnotu délky platných pulsů, která s nastavenou minimální hodnotou platných pulsů tvoří rozsah délky platných pulsů.

Nastavením alespoň jednoho rozsahu hodnot amplitud a délek platných pulsů je získán odpovídající počet sledovaných oblastí 1 signálu.

Detekovaný signál nejprve prochází amplitudovou analýzou, při níž jsou měřeny amplitudy příchozích pulsů a hodnoty tohoto měření jsou následně porovnány s nastavenými hodnotami amplitudového rozsahu platných pulsů.

Detekovaný signál je dále vzorkován vhodnou vzorkovací frekvencí, přičemž nastavení vhodné vzorkovací frekvence je schopna provést osoba znalá současného stavu techniky. Pro signály, jejichž amplitudy jsou od sebe běžnou amplitudovou analýzou stěží rozeznatelné, je vhodné využít vzorkovací frekvenci alespoň 10 MHz.

Dalším krokem způsobu odlišení užitečného signálu od šumu dle předkládaného řešení je nastavení mezní úrovně 4 amplitudy pro měření hodnoty 5 délky příchozího pulsu, jak je vyobrazeno například na obrázku 3. Mezní úroveň 4 amplitudy pro měření hodnoty 5 délky pulsu je taková hodnota amplitudy, při jejímž dosažení začíná, respektive končí měření délky příchozího pulsu. Toto měření probíhá v čase od nárůstu amplitudy příchozího pulsu na mezní úroveň 4 amplitudy až do poklesu její hodnoty po mezní úroveň 4 amplitudy. V alternativním provedení může měření probíhat v čase po nárůstu amplitudy příchozího pulsu nad mezní úroveň 4 amplitudy až do poklesu její hodnoty pod mezní úroveň 4 amplitudy.

Příchozí pulsy jsou díky nastavené mezní úrovní 4 amplitudy délkově analyzovány a je určena hodnota 5 délky pulsu. Hodnoty tohoto měření jsou následně porovnány s nastavenými hodnotami délkového rozsahu platných pulsů.

Dalším krokem způsobu rozlišení užitečného signálu od šumu dle předkládaného řešení je vyhodnocení platnosti pulsu na základě naměřených hodnot amplitudy a délky 5 příchozích pulsů. Za platný puls je považován ten, jehož hodnota amplitudy se nachází v nastaveném rozsahu amplitudy platných pulsů a jehož hodnota 5 délky pulsu se nachází v nastaveném rozsahu délky platných pulsů. Neplatný puls je poté takový puls, jehož hodnota amplitudy se nenachází v nastaveném rozsahu amplitudy platných pulsů a jehož hodnota 5 délky pulsu se nenachází v nastaveném rozsahu délky platných pulsů. Platné pulsy jsou dále čítány, přičemž tento součet platných pulsů je důležitou informací o množství užitečného signálu. Jednou z variant dalšího vyhodnocení po identifikaci platného pulsu je okamžité vygenerování logického plusu (například TTL) pro další zpracování ve spektrometrických systémech. Díky tomu je možné zaznamenat časovou informaci o platných pulsech. Nejširší využití takového vyhodnocení se předpokládá u aplikací, které jsou závislé na sledování, případně porovnávání doby příletu sledovaného signálu do detektoru (například tzv. koincidenční měření).

Způsob nalezení užitečného signálu v šumu je v tomto příkladném provedení vyobrazeném na obrázku 4 realizován pomocí samostatného elektronického zařízení, které je nastavitelné prostřednictvím připojeného počítače 12 pomocí komunikačních rozhraní, například USB. Tímto samostatným elektronickým zařízením je detektor 6 • ·

elektromagnetického záření, nebo zásuvný modul k detektoru 6 elektromagnetického záření ve standardu Nuclear Instrumentation Module (NIM), který zahrnuje komparátor 7, programovatelné hradlové pole 8, mikroprocesor 9 a čítač 11 platných pulsů. Nastavení rozsahů amplitudy a délky platných pulsů je v tomto příkladném provedení realizováno prostřednictvím počítače 12. Komparátor 7 v tomto příkladném provedení slouží k vyhodnocení naměřených hodnot amplitud příchozích pulsů. Komparátor 7 porovnává naměřené hodnoty příchozích pulsů s nastaveným rozsahem amplitudy platných pulsů. Programovatelné hradlové pole 8 (FPGA) slouží k vyhodnocení naměřených hodnot 5 délek příchozích pulsů. Pulsy jsou vyhodnocovány na základě porovnání naměřených hodnot příchozích pulsů s nastaveným rozsahem délky platných pulsů. Vyhodnocené pulsy jsou v případě platnosti zaznamenávány a sčítány čítačem 11.

Dalším příkladným provedením vynálezu je způsob nalezení užitečného signálu v šumu, v tomto příkladném provedení realizován na programové úrovni, jak je vyobrazeno na obrázku 5, přičemž tvarová analýza je prováděna osobním počítačem 12. K počítači 12 je v tomto příkladném provedení připojen analogově digitální převodník 10, který příchozí signál z detektoru 6 vhodně navzorkuje a takto digitalizovaný signál předá k dalšímu zpracování softwaru osobního počítače 12. V rámci software je prováděno porovnávání naměřených hodnot amplitud a naměřených hodnot 5 délek příchozích pulsů s nastaveným rozsahem amplitud a délek platných pulsů, přičemž příchozí pulsy, jejichž hodnoty amplitudy a délky leží v nastaveném rozsahu amplitudy a délky platných pulsů jsou následně zaznamenávány a čítány.

Průmyslová využitelnost

Způsob nalezení užitečného signálu dle předkládaného vynálezu, zejména různých druhů záření, je určen pro aplikaci ve spektrometrických měřicích systémech. Využití je možné nejen v oblastech detekce nízkoenergetických signálů, jejichž amplituda je blízká šumu.

Další oblasti použití pro způsob nalezení užitečného signálu v šumu dle předkládaného řešení jsou na poli spektrometrických metod, například v Móssbauerově spektroskopií, zařízeních pro detekci charakteristického rentgenového záření nebo v dozimetrii. Také je možné tento způsob aplikovat například ve spektrometrických

systémech, jednoúčelových detekčních systémech, částicových detektorech, detektorech elementárních částic, systémech pro analýzu prvkového složení, elektronových mikroskopech a dalších zařízeních s detekcí událostí s náhodným charakterem.

Seznam vztahových značek

- Sledovaná oblast

- Minimální hodnota amplitudy

3 - Maximální hodnota amplitudy

- Mezní úroveň amplitudy

- Naměřená hodnota délky pulsu

- Detektor

- Komparátor

8 - Programovatelné hradlové pole

- Mikroprocesor

- Analogově digitální převodník

- Čítač

12-Počítač

Claims (9)

1. Způsob nalezení užitečného signálu v šumu pomocí tvarové analýzy náhodných detekovaných signálů ve spektroskopických metodách vyznačující se tím, že zahrnuje kroky:

nastavení minimální hodnoty (2) amplitudy a nastavení maximální hodnoty (3) amplitudy platného pulsu, přičemž tím je stanoven rozsah amplitudy platného pulsu; a dále nastavení minimální hodnoty délky platného pulsu;

přijetí analogového signálu z detektoru (6); vzorkování analogového signálu;

porovnání naměřené hodnoty amplitudy signálu s nastaveným rozsahem amplitudy platného pulsu;

porovnání naměřené hodnoty (5) délky příchozího pulsu s minimální délkou platného pulsu;

vyhodnocení platnosti příchozího pulsu na základě porovnání naměřené hodnoty amplitudy a naměřené hodnoty délky (5) příchozího pulsu s nastaveným rozsahem amplitudy platného pulsu a nastavenou minimální hodnotou délky platného pulsu, přičemž platný puls je ten, jehož amplituda je větší než minimální hodnota (2) amplitudy platného pulsu a menší než maximální hodnota (3) amplitudy a zároveň je jeho délka větší než nastavená minimální hodnota délky platného pulsu.

2. Způsob nalezení užitečného signálu v šumu dle nároku 1, vyznačující se tím, že dále zahrnuje krok nastavení maximální hodnoty délky platného pulsu, přičemž tím je nastaven rozsah délky pulsu.

3. Způsob nalezení užitečného signálu v šumu dle nároku 2, vyznačující se tím, že dále zahrnuje krok nastavení alespoň druhého rozsahu amplitudy a šířky pulsu, přičemž počet nastavených rozsahů odpovídá počtu sledovaných oblastí (1) signálu.

4. Způsob nalezení užitečného signálu v šumu dle kteréhokoliv z předcházejících • · · · ♦* ♦ · · ·· • « · * ·· • · · ·· • · · · · · · nároků, vyznačující se tím, že vyhodnocení platnosti pulsu zahrnuje krok porovnání nastaveného rozsahu parametru platného pulsu vybraného z množiny parametrů zahrnující úhel náběžné nebo sestupné hrany nebo velikost plochy pod křivkou pulsus odpovídajícím parametrem příchozího pulsu.

5. Způsob nalezení užitečného signálu v šumu dle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že zkoumaný signál je vzorkován s frekvencí alespoň 10 MHz.

6. Způsob nalezení užitečného signálu v šumu dle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že délka příchozího pulsu je měřena pomocí mezní úrovně (4) amplitudy tak, že při dosažení hodnoty této mezní úrovně (4) amplitudy začíná, respektive končí měření délky vyhodnocovaného pulsu, přičemž toto měření probíhá v čase od nárůstu amplitudy na nastavenou mezní úroveň (4) amplitudy až do poklesu její hodnoty po nastavenou mezní úroveň (4) amplitudy.

7. Způsob nalezení užitečného signálu v šumu dle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že dále zahrnuje krok čítání počtu platných pulsů a vyhodnocení množství příchozích pulsů nebo krok přiřazení časové informace k vyhodnocenému platnému pulsu.

8. Zařízení pro provádění způsobu podle kteréhokoliv z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že zahrnuje analogově digitální převodník (10) připojený na detektor (6) a počítač (12).

9. Zařízení pro provádění způsobu podle kteréhokoliv z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že zahrnuje komparátor (7) připojený k detektoru (6), hradlové pole (8), mikroprocesor (9), čítač (11) a počítač (12).