CZ307559B6 - 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 pulzu, přičemž tím je stanoven rozsah amplitudy platného pulzu; a dále nastavení minimální hodnoty délky platného pulzu;- přijetí analogového signálu z detektoru (6);- vzorkování analogového signálu;- porovnání naměřené hodnoty amplitudy signálu s nastaveným rozsahem amplitudy platného pulzu;- porovnání naměřené hodnoty (5) délky příchozího pulzu s minimální délkou platného pulzu;- vyhodnocení platnosti příchozího pulzu na základě porovnání naměřené hodnoty amplitudy a naměřené hodnoty délky (5) příchozího pulzu s nastaveným rozsahem amplitudy platného pulzu a nastavenou minimální hodnotou délky platného pulzu, přičemž platný pulz je ten, jehož amplituda je větší než minimální hodnota (2) amplitudy platného pulzu a menší než maximální hodnota (3) amplitudy a zároveň je jeho délka větší než nastavená minimální hodnota délky platného pulzu.

Description

Způsob nalezení užitečného signálu v šumu

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 pulzy 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 pulzů, které reprezentují dopady fotonů, ionizujícího záření nebo elementárních částic. Pro analýzu těchto pulzů se v současnosti využívá pouze amplitudová analýza napěťových pulzů, 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, moderaění, scintilační a polovodičové detektory. Nejběžněji používanými jsou scintilační detektory. Při analýze sledovaného ionizujícího záření dopadajícího do scintilaěního detektoru je nejprve toto záření převedeno na spršku viditelných fotonů ve scintilátoru. Vyzářená sprška fotonů je následně zachycena fotonásobiěem, který tento signál zesílí a převede na napěťový pulz. Amplituda a tvar tohoto pulz nesou informaci o energii dopadajícího záření do detektoru. Vystupující napěťové pulzy ze scintilaěního 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 CN 204028371 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 pulzů.

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

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

V patentovém dokumentu CN 104391182 je použito diferenciálního zapojení pro preciznější detekci. I toto řešení je založené na amplitudové analýze, při použití diferenciálního zapojení.

V patentovém dokumentu US 2015204722 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 US 8901503 je popsána metoda pro rozlišení záření alfa, beta a gama na základě sledování délky pulzu a doby jeho příletu. Tento dokument se zaměřuje na detekci předem známého signálu a nespecifikuje využití délkové analýzy.

- 1 CZ 307559 B6

V patentovém dokumentu US 7807973 je popsána metoda rozlišení dvou po sobě jedoucích pulzů. Na základě doby trvání jsou pulzy podrobené další analýze a jsou dále filtrovány a rozlišeny.

Nevýhoda při použití stávajících řešení spočívá v zaměření pouze na analýzu amplitud sledovaných napěťových pulzů. V případě, kdy jsou amplitudy sledovaných pulzů 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 podle 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 podle 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 pulzy 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 pulzu, přičemž je sledována a měřena amplituda a délka příchozích pulzů. Měření délky pulzu je umožněno vhodným vzorkováním signálu přijatého z detektoru. Příchozí pulzy jsou analyzovány a následně vyhodnoceny na základě porovnání naměřených hodnot amplitudy a délky příchozího pulzu s nastaveným rozsahem amplitudy (minimální a maximální hodnoty) platného pulzu a nastavenou minimální hodnotou délky platného pulzu. Platný pulz je pak takový příchozí pulz, jehož amplituda je větší než minimální hodnota amplitudy platného pulzu a menší než maximální hodnota amplitudy a zároveň je jeho délka větší než nastavená minimální hodnota délky platného pulzu.

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

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

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

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

Příchozí pulzy je možné vyhodnotit i na základě dalších parametrů, jako jsou úhel náběžné nebo sestupné hrany pulzu nebo velikost plochy pulzu pod křivkou. Při sledování těchto parametrů je nastaven rozsah hodnot platných pulzů obdobně, jako je tomu při sledování délky. Platný pulz je

-2CZ 307559 B6 pak takový příchozí pulz, jehož hodnota amplitudy je větší než minimální hodnota amplitudy platného pulzu a menší než maximální hodnota amplitudy platného pulzu a zároveň je jeho hodnota dalšího parametru větší než minimální hodnota daného parametru platného pulzu a menší než maximální hodnota dalšího parametru platného pulzu.

Všechny příchozí pulzy, 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 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 amplitudy a délky

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

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

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

Příklady uskutečnění 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 pulzy z okolí detektoru 6 spektrometrického měřicího systému, případně napěťové pulzy emitované samotným detektorem 6. Šumem může být také jiný napěťový pulz.

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 pulzu, nebo plochu pod křivkou příchozího pulzu.

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 pulzů a následně je čítačem prováděno čítání platných pulzů.

Výběr sledované oblasti 1 je realizován nastavením minimální hodnoty 2 amplitudy a maximální hodnoty 3 amplitudy platných pulzů, přičemž minimální hodnota 2 amplitudy a maximální hodnota 3 amplitudy platných pulzů tvoří rozsah amplitudy platných pulzů a dále je také realizován nastavením minimální hodnoty délky platných pulzů, přičemž je možné nastavit také

-3CZ 307559 B6 maximální hodnotu délky platných pulzů, která s nastavenou minimální hodnotou platných pulzů tvoří rozsah délky platných pulzů.

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

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

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 podle předkládaného řešení je nastavení mezní úrovně 4 amplitudy pro měření hodnoty 5 délky příchozího pulzu, jak je vyobrazeno například na obrázku 3. Mezní úroveň 4 amplitudy pro měření hodnoty 5 délky pulzu je taková hodnota amplitudy, při jejímž dosažení začíná, respektive končí měření délky příchozího pulzu. Toto měření probíhá v čase od nárůstu amplitudy příchozího pulzu 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 pulzu nad mezní úroveň 4 amplitudy až do poklesu její hodnoty pod mezní úroveň 4 amplitudy.

Příchozí pulzy jsou díky nastavené mezní úrovní 4 amplitudy délkově analyzovány aje určena hodnota 5 délky pulzu. Hodnoty tohoto měření jsou následně porovnány s nastavenými hodnotami délkového rozsahu platných pulzů.

Dalším krokem způsobu rozlišení užitečného signálu od šumu podle předkládaného řešení je vyhodnocení platnosti pulzu na základě naměřených hodnot amplitudy a délky 5 příchozích pulzů. Za platný pulz je považován ten, jehož hodnota amplitudy se nachází v nastaveném rozsahu amplitudy platných pulzů a jehož hodnota 5 délky pulzu se nachází v nastaveném rozsahu délky platných pulzů. Neplatný pulz je poté takový pulz, jehož hodnota amplitudy se nenachází v nastaveném rozsahu amplitudy platných pulzů a jehož hodnota 5 délky pulzu se nenachází v nastaveném rozsahu délky platných pulzů. Platné pulzy jsou dále čítány, přičemž tento součet platných pulzů je důležitou informací o množství užitečného signálu. Jednou z variant dalšího vyhodnocení po identifikaci platného pulzu je okamžité vygenerování logického plusu (například TTL) pro další zpracování ve spektrometrických systémech. Díky tomu je možné zaznamenat časovou informaci o platných pulzech. 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 pulzů. Nastavení rozsahů amplitudy a délky platných pulzů je v tomto příkladném provedení realizováno prostřednictvím počítače 12. Komparátor 7 v tomto příkladném provedení slouží k vyhodnocení naměřených hodnot amplitud příchozích pulzů. Komparátor 7 porovnává naměřené hodnoty příchozích pulzů s nastaveným rozsahem amplitudy platných pulzů. Programovatelné hradlové pole 8 (FPGA) slouží k vyhodnocení naměřených hodnot 5 délek příchozích pulzů. Pulzy jsou vyhodnocovány na základě porovnání naměřených hodnot

-4CZ 307559 B6 příchozích pulzů s nastaveným rozsahem délky platných pulzů. Vyhodnocené pulzy 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 pulzů s nastaveným rozsahem amplitud a délek platných pulzů, přičemž příchozí pulzy, jejichž hodnoty amplitudy a délky leží v nastaveném rozsahu amplitudy a délky platných pulzů jsou následně zaznamenávány a čítány.

Průmyslová využitelnost

Způsob nalezení užitečného signálu podle 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 podle předkládaného řešení jsou na poli spektrometrických metod, například v Mossbauerově spektroskopii, 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.

Claims (9)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   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 pulzu, přičemž tím je stanoven rozsah amplitudy platného pulzu; a dále nastavení minimální hodnoty délky platného pulzu;

   přijetí analogového signálu z detektoru (6);

   vzorkování analogového signálu;

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

   porovnání naměřené hodnoty (5) délky příchozího pulzu s minimální délkou platného pulzu; vyhodnocení platnosti příchozího pulzu na základě porovnání naměřené hodnoty amplitudy a naměřené hodnoty délky (5) příchozího pulzu s nastaveným rozsahem amplitudy platného pulzu a nastavenou minimální hodnotou délky platného pulzu, přičemž platný pulz je ten, jehož amplituda je větší než minimální hodnota (2) amplitudy platného pulzu a menší než maximální hodnota (3) amplitudy a zároveň je jeho délka větší než nastavená minimální hodnota délky platného pulzu.
2. 2. Způsob nalezení užitečného signálu v šumu podle nároku 1, vyznačující se tím, že dále zahrnuje krok nastavení maximální hodnoty délky platného pulzu, přičemž tím je nastaven rozsah délky pulzu.

   -5 CZ 307559 B6
3. 3. Způsob nalezení užitečného signálu v šumu podle nároku 2, vyznačující se tím, že dále zahrnuje krok nastavení alespoň druhého rozsahu amplitudy a šířky pulzu, přičemž počet nastavených rozsahů odpovídá počtu sledovaných oblastí (1) signálu.
4. 4. Způsob nalezení užitečného signálu v šumu podle kteréhokoliv z předcházejících nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že vyhodnocení platnosti pulzu zahrnuje krok porovnání nastaveného rozsahu parametru platného pulzu vybraného z množiny parametrů zahrnující úhel náběžné nebo sestupné hrany nebo velikost plochy pod křivkou pulzu s odpovídajícím parametrem příchozího pulzu.
5. 5. Způsob nalezení užitečného signálu v šumu podle kteréhokoliv z předcházejících nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že zkoumaný signál je vzorkován s frekvencí alespoň 10 MHz.
6. 6. Způsob nalezení užitečného signálu v šumu podle kteréhokoliv z předcházejících nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že délka příchozího pulzuje měřena pomocí mezní úrovně (4) amplitudy tak, že při dosažení hodnoty této mezní úrovně (4) amplitudy začíná, respektive končí měření délky vyhodnocovaného pulzu, 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. 7. Způsob nalezení užitečného signálu v šumu podle kteréhokoliv z předcházejících nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že dále zahrnuje krok čítání počtu platných pulzů a vyhodnocení množství příchozích pulzů nebo krok přiřazení časové informace k vyhodnocenému platnému pulzu.
8. 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).

   -6CZ 307559 B6
9. 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).