一种数字化核能谱测量系统中的脉冲矩形成形方法技术方案

本发明专利技术公开一种数字化核能谱测量系统中的脉冲矩形成形方法，该方法利用负指数脉冲的尾部信息对其峰值进行修正的基本思想，通过矩形成形方法对负指数脉冲信号的能量进行估计与修正处理，并经过平滑滤波等处理，得到负指数脉冲信号的幅度。本发明专利技术所述数字化核能谱测量系统中的脉冲矩形成形方法，能够自动兼顾无脉冲堆积时的能量分辨率和当脉冲堆积较为严重时的脉冲通过率，相比其他数字化脉冲成形方法，特点明显。

【技术实现步骤摘要】
一种数字化核能谱测量系统中的脉冲矩形成形方法
本专利技术属于核辐射测量领域，可应用于数字化核能谱测量系统，可在保证能量分辨率的情况下实现堆积脉冲分离，特别适用于要求兼顾较高脉冲通过率和较好能量分辨率的能谱测量系统。
技术介绍
在典型的放射性能谱测量系统中，射线能量与核探测器输出的能量是一致的，探测器输出的等效电荷经过前置放大器后变成电压脉冲，针对单个脉冲，理想电荷灵敏前置放大器输出的信号为阶跃信号，但因为受到运算放大器等电子学器件工作电源幅度范围的限制，一般先要将阶跃信号经过微分等处理变换为负指数信号，然后进行放大等处理，处理后的脉冲峰值电压与射线能量成正比。在放射性能谱测量系统中，能量分辨率和脉冲通过率是反映谱仪性能的两个重要指标，如果谱仪的能量分辨率较差，会极大增加谱线解释的难度，甚至可能得到错误的解释结果；如果谱仪的有效脉冲通过率较低，会影响仪器本身的探测效率，严重时甚至会降低谱仪的能量分辨率，进而降低了谱仪的性能。在现有的数字化谱仪中，为了得到较好的能量分辨率，一般需要对放大器输出的脉冲信号先进行AD采样，然后进行数字化滤波成形，确保在提高信噪比的同时，能够更准确地提取脉冲峰值电压。目前国内外学者研究较多的成形方法有：三角成形、梯形成形、高斯成形、CUSP成形、CR/RC成形等，而在实际应的数字化谱仪中，多采用三角成形/梯形成形，该方法能够得到较好的能量分辨率，同时可在一定程度上实现部分重叠脉冲的分离。然而上述成形方法均不能在保证能量分辨率的同时，较好地实现堆积脉冲的分离。当脉冲堆积时，只能丢弃、或仅取第一个脉冲峰值，进而会造成有效脉冲通过率远低于实际输入脉冲数，甚至随着输入信号重叠脉冲程度的增大，脉冲通过率反而会下降，进而影响仪器本身的探测效率，严重时甚至会降低谱仪的能量分辨率。即使有些成形方法(如三角成形/梯形成形)能够把两个堆积不是很严重(即尾部堆积)的脉冲分开，也是以牺牲能量分辨率为代价的。单个射线能量经过核探测器和理想电荷灵敏前置放大器输出的信号为阶跃信号，阶跃信号台阶的高度差与射线能量成正比，但实际情况下，进入AD转换处理的信号为经过微分等处理后的负指数脉冲，负指数脉冲的幅度、能量(即脉冲面积)均与射线能量成正比，但是因为受到AD采样频率等因素的限制，很难确保能够采到脉冲的最高峰值点。因为负指数脉冲信号的峰值与其脉冲能量(即完整的脉冲面积)成正比，只要求出其能量即可得到峰值。本专利技术所述矩形成形方法(矩形可看作短的阶跃信号)即是利用负指数脉冲的尾部信息对其能量进行估计与修正处理，进而求得脉冲峰值幅度，且脉冲尾部越长相对精度越好。迄今为止，尚未见到有关脉冲矩形成形的报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决数字化核能谱测量系统中脉冲通过率较高情况下的能量分辨率和脉冲通过率无法兼顾的问题，而提出一种矩形成形方法。本专利技术的技术方案为：本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。(1)若负指数信号的衰减时间为τ，信号的峰值幅度为A，用函数可表示为利用如下公式将输入负指数脉冲信号转换为矩形信号：其中S表示负指数信号的面积，E表示该负指数信号所拥有的能量，ε表示输入信号的纹波干扰及噪声等的最大幅度值；为了通过负指数脉冲信号的尾部信息对其脉冲幅度进行修正，对输入信号进行连续的AD采样，得到连续的采样序列：D(1)、D(2)、…、D(n-1)、D(n)；利用如下公式可将连续的负指数脉冲采样序列转换为矩形信号：S＝E＝Aτ＝D(1)×Δt+D(2)·τ＝D(1)·Δt+D(2)·Δt+D(3)·Δt+......+D(n-1)·Δt+D(n)·τD(n)≥ε其中Δt表示AD采样周期，令Δt＝”1”，则上式可表示为：S＝E＝D(1)+D(2)+D(3)+......+D(n-1)+D(n)·τD(n)≥ε采用小梯形面积代替小矩形面积，则上式可表示为：S＝E＝D(1)/2+D(2)+D(3)+......+D(n-1)+D(n)/2+D(n)·τD(n)≥ε其中：D(1)/2+D(2)+D(3)+......+D(n-1)+D(n)/2为已放电能量，D(n)·τ为剩余能量；(2)进一步将上述公式变换为递归算法，求得转换后的矩形能量Eladder(n)：Edischg(2)＝Edischg(1)＝D(1)/2Erec(1)＝0Edischg(n)＝Edischg(n-1)+D(n-1)n≥3,D(n-1)≥εErec(n)＝Edischg(n)+D(n)/2+D(n)·τn≥2,D(n)≥ε其中Edischg(n)表示剩余能量，Erec(n)表示转换后的矩形能量；(3)对采样序列进行一阶数值微分，得到：d(n)＝D(n)-D(n-1)在FPGA中开辟N个点的循环缓冲区，用于缓存矩形波数据Erec(n)，1)如果满足条件则该点必为新的负指数脉冲信号的上升沿起点，求得前一个负指数脉冲信号的剩余放电能量为：Epreremain＝Eavr(n-1)-Edischg(n-1)其中Epreremain为前一个负指数脉冲信号的剩余放电能量，Eavr(n-1)为前一个负指数脉冲信号总能量的平均值，Edischg(n-1)为前一个负指数脉冲信号的已放电能量；2)如果满足条件则该点必为负指数脉冲信号的上升沿，则：Esum(n)＝0Erec(n)＝0Edischg(n)＝0其中Esum(n)表示矩形波各个点的能量累加和，Erec(n)表示当前负指数脉冲信号的总能量，即转换为矩形波的幅度、同时为N点循环缓冲区中最新的一个数据，Edischg(n)表示当前负指数脉冲信号的已放电能量；3)如果满足条件则该点必为负指数脉冲信号的上升沿转下降沿的起点，则：Eremain(n)＝D(n)·τEdischg(n)＝D(n-1)/2Erec(n)＝Edischg(n)+D(n)/2+Eremain(n)-EpreremainEsum(n)＝Erec(n)·NEoldest(n)＝Erec(n)Lrec＝1其中Eremain(n)表示当前负指数脉冲信号的剩余放电能量，Eoldest(n)表示N点循环缓冲区中最老的一个数据，Lrec表示矩形平台的长度；4)如果满足条件则该点必为负指数脉冲信号的下降沿，则：Eremain(n)＝D(n)·τEdischg(n)＝Edischg(n-1)+D(n-1)/2Erec(n)＝Edischg(n)+D(n)/2+Eremain(n)-EpreremainLrec＝Lrec+1使用改进的滑动平均值法对矩形波数据进行滤波，在FPGA中开辟N个点的循环缓冲区，用于缓存矩形波数据Erec(n)，Erec(n)表示第n个点的矩形波数据，即最新的一个数据，Erec(n-N-1)表示第n-N-1个点的矩形波数据，即最老的一个数据，当实际输入缓冲区的数据长度Lrec＜N时，维持最老的数据Eoldest(n)为初始化时的数据不变，公式如下：N＝2m，m为自然数Esum(n)＝Esum(n-1)+Erec(n)-Eoldest(n)(4)对步骤(3)求得的矩形波各个点的能量累加和Esum(n)除以N，实现Erec(n)的N点平均，因为N＝2m，可在FPGA中将除法运算变换为向右移位运算，公式如下：Eavr(n)＝Esum(n)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种数字化核能谱测量系统中的脉冲矩形成形方法，其步骤：(1)若负指数信号的衰减时间为τ，信号的峰值幅度为A，用函数可表示为

【技术特征摘要】
1.一种数字化核能谱测量系统中的脉冲矩形成形方法，其步骤：(1)若负指数信号的衰减时间为τ，信号的峰值幅度为A，用函数可表示为利用如下公式将输入负指数脉冲信号转换为短的阶跃信号，即矩形信号：其中S表示负指数信号的面积，E可表示该负指数信号所拥有的能量，ε表示输入信号的纹波干扰及噪声的最大幅度值；可通过负指数脉冲信号的尾部信息对其脉冲幅度进行修正，对输入信号进行连续的AD采样，得到连续的采样序列：D(1)、D(2)、…、D(n-1)、D(n)；利用如下公式可将连续的负指数脉冲采样序列转换为矩形信号：S＝E＝Aτ＝D(1)×Δt+D(2)·τ＝D(1)·Δt+D(2)·Δt+D(3)·Δt+......+D(n-1)·Δt+D(n)·τD(n)≥ε其中Δt表示AD采样周期，令Δt＝”1”，则上式可表示为：S＝E＝D(1)+D(2)+D(3)+......+D(n-1)+D(n)·τD(n)≥ε采用小梯形面积代替小矩形面积，则上式可表示为：S＝E＝D(1)/2+D(2)+D(3)+......+D(n-1)+D(n)/2+D(n)·τD(n)≥ε其中：D(1)/2+D(2)+D(3)+......+D(n-1)+D(n)/2为已放电能量，D(n)·τ为剩余能量；(2)进一步将上述公式变换为递归算法，求得转换后的矩形能量Eladder(n)：Edischg(2)＝Edischg(1)＝D(1)/2Erec(1)＝0Edischg(n)＝Edischg(n-1)+D(n-1)n≥3,D(n-1)≥εErec(n)＝Edischg(n)+D(n)/2+D(n)·τn≥2,D(n)≥ε其中Edischg(n)表示剩余能量，Erec(n)表示转换后的矩形能量；(3)对采样序列进行一阶数值微分，得到：d(n)＝D(n)-D(n-1)在FPGA中开辟N个点的循环缓冲区，用于缓存矩形波数据Erec(n)，1)如果满足条件则该点必为新的负指数脉冲信号的上升沿起点，求得前一个负指数脉冲信号的剩余放电能量为：Epreremain＝Eavr(n-1)-Edischg(n-1)其中Epreremain为前一个负指数脉冲信号的剩余放电能量，Eavr(n-1)为前一个负指数脉冲信号总能量的平均值，Edischg(n-1)为前一个负指数脉冲信号的已放电能量；2)如果满足条件则该点必为负指数脉冲信号的上升沿，则：Esum(n)＝0Erec(n)＝0Edischg(n)＝0其中Esum(n)表示矩形波各个点的能量累加和，Erec(n)表示当前负指数脉冲信号的总能量，即转换为矩形波的幅度、同时为N点循环缓冲区中最新的一个数据，Edischg(n)表示当前负指数脉冲信号的已放电能量；3)如果满足条件则该点必为负指数脉冲信号的上升沿转下降沿的起点，则：Eremain(n)＝D(n)·τEdisc...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海涛，汤彬，王仁波，刘志锋，张雄杰，周书民，陈锐，瞿金辉，
申请(专利权)人：东华理工大学，
类型：发明
国别省市：江西,36