用于中子活化分析儀的數(shù)字能譜儀關(guān)鍵算法

張偉 李存磊 孫義 鄭效陽 趙洪濤

摘 要：數(shù)字能譜儀能夠?qū)μ綔y(cè)器脈沖進(jìn)行信號(hào)數(shù)字處理，可以滿足中子活化分析儀對(duì)高計(jì)數(shù)通過率和高分辨率的要求。從極零補(bǔ)償、梯形成形、堆疊判別及校正三方面，對(duì)數(shù)字能譜儀的關(guān)鍵算法進(jìn)行研究：一是將長(zhǎng)尾部的雙指數(shù)衰減信號(hào)成形為短尾部的單指數(shù)衰減信號(hào)，并構(gòu)造極零補(bǔ)償?shù)臒o限脈沖響應(yīng)（IIR）濾波器，降低脈沖堆疊率;二是將指數(shù)衰減信號(hào)成形為同等幅度的等腰梯形形狀，提高對(duì)脈沖幅度的分析精度。經(jīng)仿真驗(yàn)證表明：算法具有較強(qiáng)靈活性，可以根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)確定相關(guān)定制算法，在不改動(dòng)硬件情況下可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同信號(hào)的處理。

關(guān)鍵詞：數(shù)字能譜儀;中子活化分析儀;無限脈沖響應(yīng)濾波器;梯形成形;堆疊判別;信號(hào)數(shù)字處理

隨著核技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)模擬能譜儀在中子活化分析儀中的應(yīng)用局限性擴(kuò)大。與此同時(shí)，數(shù)字能譜儀應(yīng)運(yùn)而生。以往的數(shù)字能譜儀在分析核脈沖信號(hào)時(shí)，直接對(duì)探測(cè)器脈沖進(jìn)行分析，并對(duì)堆疊的脈沖進(jìn)行抑制;雖然易于實(shí)現(xiàn)，但無法完全滿足中子活化分析儀對(duì)高計(jì)數(shù)通過率和高分辨率的要求。此外，模擬能譜儀還受電路硬件參數(shù)和溫度的影響，穩(wěn)定性和可靠性受到限制。因此，研制出適用于中子活化分析儀的數(shù)字能譜儀，尤其是研究核脈沖信號(hào)數(shù)字處理關(guān)鍵算法并付諸實(shí)現(xiàn)，具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 數(shù)字能譜儀應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

近幾年，伴隨著國(guó)內(nèi)高速、高分辨率ADC器件、各種數(shù)字化器件、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及微處理器的進(jìn)一步發(fā)展，數(shù)字化系統(tǒng)更新速度也得到明顯提升，已實(shí)現(xiàn)了多道脈沖幅度提取與分析的數(shù)字化處理。在系統(tǒng)應(yīng)用中，起到?jīng)Q定性作用的當(dāng)屬數(shù)字化核能譜儀，相較于傳統(tǒng)的模擬核能譜儀，數(shù)字化核能譜儀應(yīng)用優(yōu)勢(shì)異常突出，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.1 靈活性能和適應(yīng)性能

在傳統(tǒng)模擬核能譜儀系統(tǒng)中，對(duì)于不同功能信號(hào)的處理需由不同硬件負(fù)責(zé)，而在數(shù)字核能譜儀系統(tǒng)中，就減少了多個(gè)硬件的麻煩，可利用最少硬件的科學(xué)配置達(dá)到多種復(fù)雜信號(hào)同步處理目的，這也是該系統(tǒng)能夠獲得較大應(yīng)用市場(chǎng)的主要原因。

1.2 性能良好

在數(shù)字核能譜儀系統(tǒng)中，各類數(shù)據(jù)計(jì)算分析有不同探測(cè)器完成，而不同探測(cè)器所接收/發(fā)送的信息不同，因此，呈現(xiàn)出的算法存在較大差異，為實(shí)現(xiàn)計(jì)算準(zhǔn)確性，就要求對(duì)各類探測(cè)器進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，確保核能信號(hào)處理達(dá)到最佳狀態(tài)。

1.3 穩(wěn)定性強(qiáng)

在信號(hào)處理方面，數(shù)字核能譜儀系統(tǒng)所采用的方法是采用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，這一操作方法最大優(yōu)點(diǎn)就是其穩(wěn)定性較強(qiáng)，不會(huì)受到外界環(huán)境變化而改變，更不會(huì)因器件老化而改變。

1.4 抗干擾性強(qiáng)

抗干擾性強(qiáng)是數(shù)字核能譜儀的又一顯著應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，數(shù)字核能譜儀系統(tǒng)在核能信號(hào)傳輸與處理過程中，受外界干擾因素的影響較小，另外，所有器件性能也不會(huì)因外界干擾而發(fā)生改變。

1.5 不失真性

無論何種系統(tǒng)，主要應(yīng)用要求就是數(shù)據(jù)傳輸真實(shí)性，相較于傳統(tǒng)的模擬核能譜儀，數(shù)字核能譜儀在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，脈沖信號(hào)會(huì)被數(shù)字化，處理后的信號(hào)就會(huì)很完整，并不失真地進(jìn)行保存，以便于離線處理和數(shù)據(jù)完整傳輸。

2 數(shù)字化多道能譜儀系統(tǒng)的工作原理

數(shù)字化多道能譜幅度分析器是數(shù)字化多道能譜儀系統(tǒng)的核心裝置，之所以該系統(tǒng)能獲得較大應(yīng)用范圍，皆因?yàn)閿?shù)字化多道能譜幅度分析器具備較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用功能，具體表現(xiàn)如下：

（1）實(shí)時(shí)接收核輻射探測(cè)器輸出的核能脈沖信號(hào);

（2）對(duì)各個(gè)單一核能脈沖信號(hào)進(jìn)行快速的模數(shù)轉(zhuǎn)換;

（3）對(duì)所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)算法處理，然后得到核脈沖幅值，在被相關(guān)算法處理后，形成能譜圖，以方便現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用;

（4）傳輸數(shù)據(jù)。

數(shù)字化多道能譜分析器的技術(shù)核心是對(duì)脈沖信號(hào)峰值進(jìn)行提取和量化，該系統(tǒng)具體工作原理如圖1所示。

對(duì)于數(shù)字化多道能譜儀分析器系統(tǒng)的工作原理，可結(jié)合圖1概括如下：

（1）將被量化的幅度范圍平均分成兩個(gè)幅度區(qū)間，即道數(shù);

（2）利用ADC芯片將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為與脈沖信號(hào)幅度對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，即道址;

（3）在存儲(chǔ)器內(nèi)設(shè)置兩個(gè)計(jì)數(shù)器，每個(gè)計(jì)數(shù)器對(duì)應(yīng)一個(gè)道址，當(dāng)信號(hào)處理器接收到各個(gè)單一道址值后，運(yùn)用計(jì)數(shù)器進(jìn)行加計(jì)，經(jīng)一定時(shí)間的積累，就可獲得輸入脈沖幅度數(shù)據(jù)信息的分布情況，即核能能譜數(shù)據(jù)[1]。

3 數(shù)字化多道能譜儀系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

為了能夠在研究數(shù)字化多道能譜儀系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的同時(shí)，獲得系統(tǒng)理論驗(yàn)證的最佳設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)采用能譜儀系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)，這一設(shè)計(jì)方式能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化多道能譜儀系統(tǒng)中的濾波形成、峰值提取、保持以及數(shù)字化信號(hào)處理與顯示等，除此之外，該設(shè)計(jì)方式一方面能夠準(zhǔn)確處理采樣脈沖信號(hào)，另一方面還可以對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真處理[2]。

3.1 脈沖信號(hào)的峰值保持技術(shù)

經(jīng)前端處理模塊對(duì)核探測(cè)器所輸出核脈沖信號(hào)的放大整形后，對(duì)峰值檢測(cè)電路電壓進(jìn)行保持，以便于后續(xù)ADC采樣分析，而作為該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)——峰值檢測(cè)保持電路主要由軟件、硬件相互結(jié)合來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于峰值保持的主要優(yōu)勢(shì)就在于其速度較快、對(duì)ADC要求較低及同等條件下的多道能譜儀性能更好。

峰值檢測(cè)電路一般分為兩種形式，一種是微分式峰值檢測(cè)電路，另一種則是比較式峰值檢測(cè)電路。從脈沖真正峰值產(chǎn)生時(shí)刻方面而言，微分式峰值檢測(cè)電路晚于前端處理模塊輸入時(shí)刻，換言之就是無源微分檢測(cè)電路所檢測(cè)出的脈沖峰值位置會(huì)出現(xiàn)延遲現(xiàn)象;另外，該檢測(cè)電路靈敏度較低，所以只適用于低速脈沖峰值檢測(cè)與保持;比較式峰值檢測(cè)電路是直接從保持電容上提取電壓，并與輸入電壓進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)檢測(cè)電壓滯后于輸入電壓，但在性能方面，要比微分式峰值檢測(cè)電路穩(wěn)定得多[3]。

3.2 脈沖信號(hào)峰值提取技術(shù)

數(shù)字多道能譜儀系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一就是核輻射脈沖信號(hào)的幅度提取，而在測(cè)量系統(tǒng)中，能譜信息和信號(hào)脈沖幅度的最大值是相對(duì)應(yīng)的，故其幅度提取成效將對(duì)量測(cè)結(jié)果及后續(xù)的分析產(chǎn)生直接影響。

4 用于中子活化分析儀的數(shù)字能譜儀關(guān)鍵算法

4.1 極零補(bǔ)償

4.1.1 算法研究

中子活化分析儀使用閃爍體探測(cè)器，閃爍體探測(cè)器使用電阻反饋式前置放大器將電流脈沖轉(zhuǎn)換成電壓脈沖。電阻反饋式前置放大器的核探測(cè)器輸出的信號(hào)是一個(gè)有很快上升沿和較長(zhǎng)尾部的雙指數(shù)衰減信號(hào)，如圖2所示。

在實(shí)際應(yīng)用中，中子活化分析儀的全譜計(jì)數(shù)率可達(dá)200kcps，由于雙指數(shù)衰減信號(hào)尾部較長(zhǎng)，因此信號(hào)常常疊加在一起，且在高計(jì)數(shù)率時(shí)尤甚。為了減少探測(cè)器輸出信號(hào)的疊加，從而降低脈沖堆疊率以便于信號(hào)基線估計(jì)，本文考慮將長(zhǎng)尾部的雙指數(shù)衰減信號(hào)成形為短尾部的單指數(shù)衰減信號(hào)[5-6]。

雙指數(shù)衰減信號(hào)可表示為：

4.1.2 仿真驗(yàn)證

實(shí)際應(yīng)用時(shí)采用S-M方法[3]，計(jì)算出極零補(bǔ)償?shù)腎IR濾波器系統(tǒng)函數(shù)的分子系數(shù)。極零補(bǔ)償在Matlab中的仿真結(jié)果，其中粗線條是輸入的長(zhǎng)尾雙指數(shù)衰減信號(hào)，細(xì)線條是極零補(bǔ)償后的單指數(shù)衰減信號(hào)。

4.2 梯形成形

4.2.1 算法研究

極零補(bǔ)償后的探測(cè)器脈沖頂部比較尖，導(dǎo)致對(duì)脈沖幅度進(jìn)行分析的精度較低。梯形成形算法應(yīng)用原理是將探測(cè)器脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)轫敳科教沟奶菪蚊}沖，而梯形成形則是數(shù)字能譜采集系統(tǒng)中常用的成形算法，已得到廣泛的應(yīng)用，其核心就是將輸入的指數(shù)衰減信號(hào)成形為相同幅度的等腰梯形，梯形圖如圖3所示。因梯形成形濾波算法具備內(nèi)建滑尺功能，因此，可對(duì)ADC微分非線性起到改善作用。當(dāng)梯形平頂時(shí)間多于探測(cè)器電荷收集時(shí)間時(shí)，該算法便具備對(duì)彈道虧損免疫特性。架設(shè)成形后的梯形脈沖上升沿時(shí)間為t1，平頂時(shí)間為t2-t1，下降沿時(shí)間為t3-t2，幅度為U。

4.2.2 仿真驗(yàn)證

在Matlab中對(duì)梯形成形算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。輸入信號(hào)為疊加白噪聲的單指數(shù)衰減信號(hào)，時(shí)間常數(shù)τ=3.2μs，信號(hào)幅度=2000mV，疊加的白噪聲標(biāo)準(zhǔn)差為80mV。梯形成形脈沖的上升沿時(shí)間為1.8μs，平頂時(shí)間為0.6μs，采樣周期為0.025μs。梯形成形算法仿真波形如圖4所示。從圖3中可以看出，梯形成形算法對(duì)噪聲具有抑制作用。將以上輸入信號(hào)中的單指數(shù)衰減信號(hào)幅度設(shè)為0，使輸入信號(hào)變?yōu)榘自肼暎贛atlab中進(jìn)行仿真，計(jì)算得到輸入噪聲標(biāo)準(zhǔn)差為78.1999mV，輸出信號(hào)的噪聲標(biāo)準(zhǔn)差為12.184mV，噪聲濾除仿真結(jié)果。

結(jié)語

本文結(jié)合中子活化分析儀探測(cè)器脈沖特點(diǎn)，對(duì)數(shù)字能譜儀信號(hào)處理關(guān)鍵算法進(jìn)行了推導(dǎo)和仿真，驗(yàn)證了將關(guān)鍵算法付諸應(yīng)用的可行性。與模擬能譜儀相比，數(shù)字能譜儀采用的算法具有更大的靈活性，可以根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)定制算法，在不改動(dòng)硬件的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)不同信號(hào)的處理。數(shù)字化的信號(hào)處理算法不會(huì)像模擬能譜儀那樣受電路硬件參數(shù)和溫度的影響，穩(wěn)定性和可靠性大大提高;同時(shí)取代模擬能譜儀中相應(yīng)功能的電路，更大程度地減小電路規(guī)模，實(shí)現(xiàn)儀器的小型化、精密化。在后續(xù)實(shí)際應(yīng)用中，還要針對(duì)硬件的采集速度和噪聲對(duì)計(jì)算精度的影響等方面，開展更深入的研究。

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作者簡(jiǎn)介：張偉（1980— ），男，漢族，黑龍江密山人，本科，高級(jí)工程師，主要從事儀器儀表研發(fā)工作。