核脉冲能量测量方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种核脉冲能量测量方法及系统，其中，核脉冲能量测量方法包括：将被测核脉冲信号与N个直流电平阈值同时进行比较，计算得到第一综合时间量，N＞1；预先建立一查找表，该查找表表示实际测量的核脉冲信号的综合时间量和能量值之间的关系，该综合时间量采用实际测量需要的N个直流电平阈值获得；以及依据被测核脉冲信号的第一综合时间量和查找表，确定待测核脉冲信号的能量值。本发明专利技术的核脉冲能量测量方法和系统能够实现高精度时间和能量测量，具有抗噪声能力强、测量精度高、集成度高的综合性能。

Measurement Method and System of Nuclear Pulse Energy

The invention discloses a nuclear pulse energy measurement method and system, in which the nuclear pulse energy measurement method includes: comparing the measured nuclear pulse signal with N DC level thresholds at the same time, calculating the first comprehensive time amount, N>1; establishing a look-up table in advance, which represents the relationship between the comprehensive time amount and the energy value of the actual measured nuclear pulse signal. The synthetic time is obtained by using N DC level thresholds needed for actual measurement, and the energy value of the nuclear pulse signal to be measured is determined according to the first synthetic time and look-up table of the nuclear pulse signal to be measured. The nuclear pulse energy measurement method and system of the invention can realize high precision time and energy measurement, and has comprehensive performance of strong noise resistance, high measurement accuracy and high integration.

【技术实现步骤摘要】
核脉冲能量测量方法及系统
本公开属于核信号测量领域，涉及一种核脉冲能量测量方法及系统。
技术介绍
核探测器接收到入射的核或者粒子，其输出脉冲信号一般包含入射粒子的能量信息、时间信息和位置信息。其中能量和时间是最基本的信息，测量核脉冲的能量在核信号处理和核技术应用中具有重要地位。核探测器输出的核脉冲信号一般为电流脉冲信号，该信号时间上的积分(即核脉冲电荷量)就是核脉冲事例的能量信息。传统上，能量的测量是将电流信号积分，产生积分电压信号，用模拟数字变换器(ADC)采样信号波形，采样点的最大值就是核脉冲的能量值。随着核探测器技术的发展，一个探测器所含的通道数越来越多，每一个通道都用一个高速ADC采样波形的能量测量方法，会使得测量电子学规模越来越大。然而现有的测量能量的方法，具有较低的测量精度，更进一步，不能实现时间和能量信息的精确测量，如何在一定面积或者一定规模的电路或硬件的基础上实现能量和时间信息的高精度测量，成为亟需解决的技术问题。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本公开提供了一种核脉冲能量测量方法及系统，以至少部分解决以上所提出的技术问题。(二)技术方案根据本公开的一个方面，提供了一种核脉冲能量测量方法，包括：将被测核脉冲信号与N个直流电平阈值同时进行比较，获得该待测核脉冲信号超过每一个直流电平阈值的第一时间宽度，并将N个直流电平阈值对应作为每一个第一时间宽度的权重，计算得到第一综合时间量，N＞1；预先建立一查找表，基于实际测量的核脉冲信号库，建立该核脉冲信号库中所有核脉冲信号的综合时间量与能量值的函数关系，该综合时间量基于N个直流电平阈值获得；以及依据被测核脉冲信号的第一综合时间量和查找表，确定待测核脉冲信号的能量值。在本公开的一些实施例中，预先建立一查找表的步骤包括：核脉冲信号波形的采集，采集多个核探测器实际测量输出的核脉冲信号波形作为核脉冲信号库；归一化处理，将核脉冲信号库中所有核脉冲信号波形的幅度归一化，并将所有核脉冲信号波形在同一时刻的采样值求平均，获得所有核脉冲信号的归一化平均波形；数值仿真，由获得的归一化平均波形仿真得到不同幅度的仿真信号波形，将每个仿真信号波形与N个直流电平阈值同时进行比较；对于每个仿真信号波形，获得超过每一个直流电平阈值的第二时间宽度，并将N个直流电平阈值作为对应每一个第二时间宽度的权重，计算得到每个仿真信号波形的综合时间量；以及计算每个仿真信号波形下的面积，得到核脉冲信号的能量值，并对应建立每个核脉冲信号的综合时间量和能量值之间的对应关系表，得到查找表。在本公开的一些实施例中，归一化处理和数值仿真的步骤采用Matlab软件实现。在本公开的一些实施例中，N个直流电平阈值按照从小到大的顺序排列后，最大的电平阈值的值小于其余N-1个电平阈值的和。在本公开的一些实施例中，N个直流电平阈值与被测核脉冲信号的上升沿相交的N个时间戳T1、T2、…Ti…、TN，1≤i≤N，可用于表征该被测核脉冲信号的到来时间。根据本公开的另一个方面，提供了一种核脉冲能量测量系统，包括：N个比较器，用于将输入的核脉冲信号分别与N个直流电平阈值同时进行比较，N＞1；时间戳时间数字变换器(TDC)，与N个比较器相连，对应输入信号的上升沿或下降沿，该TDC均会记录一个时间戳，该TDC记录下每个比较器在上升沿和下降沿两个翻转时刻的时间戳；数字信号处理模块，接收时间戳时间数字变换器记录的时间戳，并计算每个比较器两个时间戳的差，得到输入的核脉冲信号超过对应直流电平阈值的时间宽度，并且将N个直流电平阈值对应作为每一个时间宽度的权重，计算得到综合时间量；以及预先建立的查找表，该查找表基于实际测量的核脉冲信号库，建立该核脉冲信号库中所有核脉冲信号的综合时间量与能量值的函数关系，该综合时间量基于N个直流电平阈值获得。在本公开的一些实施例中，数字信号处理模块可直接输出N个直流电平阈值与被测核脉冲信号的上升沿相交的N个时间戳T1、T2、…Ti…、TN，1≤i≤N，用于表征该被测核脉冲信号的到来时间；和/或，N个直流电平阈值按照从小到大的顺序排列后，最大的电平阈值的值小于其余N-1个电平阈值的和。在本公开的一些实施例中，该核脉冲能量测量系统还包括：放大器，输入的核脉冲信号是经过放大器放大之后输入到N个比较器中。在本公开的一些实施例中，N个直流电平阈值由一可编程电压信号源(DAC)和一电阻链分压提供，各个直流电平阈值通过改变DAC的输出电压值或电阻链的电阻值而调整。在本公开的一些实施例中，N个比较器、时间戳时间数字变换器、数字信号处理模块和查找表集成于一现场可编程门阵列中。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开提供的核脉冲能量测量方法及系统，具有以下有益效果：(1)通过将核脉冲信号与多个直流电平阈值同时比较，得到多个超过直流电平阈值的时间宽度(可简称过阈时间宽度或时间宽度)，并基于多个时间宽度，将每个直流电平阈值作为对应时间宽度的权重，计算加权平均数，得到综合时间量，由该综合时间量来表征核脉冲信号的能量值，具有高的抗噪声能力；(2)测量电子学的主体由一片现场可编程门阵列(FPGA)完成，N个比较器、时间戳时间数字变换器、数字信号处理模块和查找表集成于一FPGA中，测量电路集成度高；(3)该测量方法不仅可以测量能量信息，还可以通过直接输出N个直流电平阈值与被测核脉冲信号的上升沿相交的N个时间戳T1、T2、…Ti…、TN，1≤i≤N，这些时间戳中的一个或者几个的组合可用于表征该被测核脉冲信号的到来时间，一套测量电路同时获得高精度的时间信息和能量信息，在需要同时获取高精度时间和能量信息测量的场合具有重要应用价值。附图说明图1为根据本公开一实施例所示的核脉冲能量测量方法流程图。图2为根据本公开一实施例所示的核脉冲能量测量方法原理示意图。图3为根据本公开一实施例所示的核脉冲能量测量系统示意图。图4为根据本公开一实施例所示的基于SiPM+LYSO探测器信号的归一化平均波形。图5为根据本公开一实施例所示的基于SiPM+LYSO探测器的综合时间量与能量之间的对应关系。图6为根据本公开一实施例所示的基于SiPM+LYSO探测器所测到的22Na和137Cs放射源能谱。具体实施方式为了提高能量测量电路的集成度，将能量信息转化为时间信息来测量，是近年来核信号处理技术的重要发展方向，其中一个重要方法是过阈时间宽度方法(即TOT方法：Time-over-threshold)。TOT方法将探测器输出信号和一个预先设定的直流阈值进行比较，测量核脉冲信号超过该阈值的时间宽度得到核信号的能量。由于时间测量电路的集成度高，TOT方法相对简单，可以显著提高电路集成度，然而，单阈值TOT方法测量精度低，很多场合不能满足应用需求。本公开基于上述情况，提出了一种核脉冲能量测量方法及系统，特别是一种基于时间读出驱动的核脉冲能量测量方法及系统，能够实现高精度时间和能量测量，具有抗噪声能力强、测量精度高、集成度高的综合性能。为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种核脉冲能量测量方法。图1为根据本公开一实施例所示的核脉冲能量测量方法流程图。参照图1所示，本公本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种核脉冲能量测量方法，其特征在于，包括：将被测核脉冲信号与N个直流电平阈值同时进行比较，获得该待测核脉冲信号超过每一个直流电平阈值的第一时间宽度，并将N个直流电平阈值对应作为每一个所述第一时间宽度的权重，计算得到第一综合时间量，N＞1：预先建立一查找表，基于实际测量的核脉冲信号库，建立该核脉冲信号库中所有核脉冲信号的综合时间量与能量值的函数关系，该综合时间量基于所述N个直流电平阈值获得；以及依据被测核脉冲信号的第一综合时间量和查找表，确定待测核脉冲信号的能量值。

【技术特征摘要】
1.一种核脉冲能量测量方法，其特征在于，包括：将被测核脉冲信号与N个直流电平阈值同时进行比较，获得该待测核脉冲信号超过每一个直流电平阈值的第一时间宽度，并将N个直流电平阈值对应作为每一个所述第一时间宽度的权重，计算得到第一综合时间量，N＞1：预先建立一查找表，基于实际测量的核脉冲信号库，建立该核脉冲信号库中所有核脉冲信号的综合时间量与能量值的函数关系，该综合时间量基于所述N个直流电平阈值获得；以及依据被测核脉冲信号的第一综合时间量和查找表，确定待测核脉冲信号的能量值。2.根据权利要求1所述的核脉冲能量测量方法，其中，所述预先建立一查找表的步骤包括：核脉冲信号波形的采集，采集多个核探测器实际测量输出的核脉冲信号波形作为核脉冲信号库；归一化处理，将所述核脉冲信号库中所有核脉冲信号波形的幅度归一化，并将所有核脉冲信号波形在同一时刻的采样值求平均，获得所有核脉冲信号的归一化平均波形；数值仿真，由获得的归一化平均波形仿真得到不同幅度的仿真信号波形，将每个仿真信号波形与所述N个直流电平阈值同时进行比较；对于每个仿真信号波形，获得超过每一个所述直流电平阈值的第二时间宽度，并将N个直流电平阈值作为对应每一个所述第二时间宽度的权重，计算得到每个仿真信号波形的综合时间量；以及计算每个仿真信号波形下的面积，得到核脉冲信号的能量值，并对应建立每个核脉冲信号的综合时间量和能量值之间的对应关系表，得到查找表。3.根据权利要求2所述的核脉冲能量测量方法，其中，所述归一化处理和数值仿真的步骤采用Matlab软件实现。4.根据权利要求1所述的核脉冲能量测量方法，其中，所述N个直流电平阈值按照从小到大的顺序排列后，最大的电平阈值的值小于其余N-1个电平阈值的和。5.根据权利要求1至4中任一项所述的核脉冲能量测量方法，其中，所述N个直流电平阈值与被测核脉冲信号的上升沿相交的N个时间戳T1、T2、…Ti…...

【专利技术属性】
技术研发人员：王永纲，吴波，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34