本發(fā)明涉及一種高計數(shù)率下的隨機脈沖多道幅度分析器,具體涉及一種?射線探測器信號能譜采集的數(shù)字多道脈沖幅度分析器。
背景技術(shù):
多道脈沖幅度分析器在輻射事件探測中具有重要作用,可以獲取射線能譜數(shù)據(jù),在不同的應(yīng)用中,可將分析器范圍設(shè)定為1024道,2048道,4096道等,各道可以同時測量。輻射探測器的輸出信號是隨機的,脈沖信號疊加在變化的基線上,當(dāng)多個輻射事件發(fā)生在探測器的分辨時間內(nèi),探測器的輸出信號會發(fā)生堆積,在高計數(shù)率下,脈沖的堆積更加嚴(yán)重。隨著輻射探測技術(shù)的發(fā)展,計數(shù)率的不斷提高,為了保證能譜的能量分辨率,對多道脈沖幅度分析器中隨機脈沖幅度分析的精度要求也更高。
目前存在兩種隨機脈沖幅度分析的方法,一種是傳統(tǒng)的模擬多道脈沖幅度分析器,探測器輸出的信號要經(jīng)過微分電路、成形電路和基線恢復(fù)電路,產(chǎn)生高斯脈沖,由峰值檢測模塊判斷脈沖峰頂?shù)奈恢?,通知多道脈沖幅度分析器中的adc進行脈沖幅度采樣,多道脈沖幅度分析器在對應(yīng)脈沖幅度的道址上將能譜數(shù)據(jù)加1,此方法的多道脈沖幅度分析器集成度低電路復(fù)雜,體積和功耗較大,成本也較高,且在高計數(shù)率下脈沖的基線恢復(fù)電路精度不高,影響脈沖幅度分析的精度,通過率也較低。另一種是將探測器信號數(shù)字化的多道脈沖幅度分析器,探測器前放的信號由高速adc進行采樣,產(chǎn)生離散的脈沖信號數(shù)據(jù),根據(jù)脈沖基線的噪聲情況設(shè)定信號閾值,由閾值來判斷信號的起止。脈沖的堆積判斷使用波形參數(shù)比較的方法,對探測器輸出的脈沖信號進行擬合,得到脈沖的表達式,產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)脈沖,在探測器實際脈沖來到時與標(biāo)準(zhǔn)脈沖比較,偏差大于一定值則判斷脈沖堆積。此方法雖然可以實現(xiàn)高的計數(shù)通過率,但是由于探測器脈沖信號的基線隨著計數(shù)率變化,導(dǎo)致閾值相對于基線在變化,會出現(xiàn)小幅度脈沖丟失和脈沖起止信號抖動的現(xiàn)象,脈沖的基線估計和幅度檢測存在很大誤差,在判斷脈沖堆積時需要知道探測器脈沖信號的表達式,實際表達式擬合時誤差也較大。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
針對前述的現(xiàn)有多道脈沖幅度分析器所存在的技術(shù)不足,提出一種高計數(shù)率下的隨機脈沖多道幅度分析器。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
選擇探測器的脈沖信號的前沿時間為t1,t1的取值范圍是80ns~120ns,探測器信號的寬度是t2,t2的取值范圍是800ns~1200ns。探測器的脈沖信號經(jīng)過增益調(diào)節(jié)和適配濾波器后,使用fpga控制高速adc實時采集探測器的隨機脈沖信號,采樣的離散信號經(jīng)過平滑濾波后進行微分,判斷微分后的脈沖信號,得到脈沖信號的起止信號,由起止信號控制對探測器脈沖信號的基線估計和脈沖幅度的檢測,高計數(shù)率時,探測器輸出的脈沖信號存在堆積的情況,需要對脈沖信號進行堆積判斷,在探測器脈沖信號有效后的2.5×t1時間內(nèi)判斷對應(yīng)微分脈沖信號的脈沖個數(shù),脈沖個數(shù)大于等于2個,認為探測器脈沖信號有堆積,將此脈沖信號抑制掉,避免脈沖幅度分析的錯誤。
所述的數(shù)字多道脈沖幅度分析器使用低功耗的fpga芯片,取代復(fù)雜的分立數(shù)字器件,單芯片完成探測器輸出的脈沖信號的數(shù)字濾波、數(shù)字微分、脈沖信號基線估計、脈沖堆積判斷、脈沖幅度分析、能譜數(shù)據(jù)存儲和接口。
使用fir濾波器對采樣的探測器脈沖信號進行濾波,使濾波后的脈沖信號沒有毛刺。根據(jù)響應(yīng)公式
假設(shè)微分脈沖信號中的噪聲最大值為nd,nd的取值范圍是0~4095,觸發(fā)閾值為th,th的取值范圍是0~4095,微分脈沖信號的采樣值為dn,n的取值范圍是1~120,若微分脈沖信號的當(dāng)前采樣值為dn,則微分脈沖信號的下一個采樣值為dn+1,設(shè)定觸發(fā)閾值th的值滿足th>nd,當(dāng)微分脈沖信號的采樣值dn>th時,可以判斷微分脈沖信號開始,假設(shè)脈沖起止信號為ts,此時賦值ts=1代表脈沖信號有效,繼續(xù)判斷微分脈沖信號采樣值dn與閾值th的關(guān)系,當(dāng)微分脈沖信號采樣值滿足-th<dn<th時,繼續(xù)跟蹤判斷下一個微分脈沖信號采樣值是否滿足-th<dn+1<th,如果有連續(xù)5個微分脈沖信號采樣值滿足此條件,可以判斷微分脈沖信號結(jié)束,此時賦值ts=0代表脈沖信號無效,從而可以用ts的值來判斷探測器脈沖信號的有效和無效。
假設(shè)脈沖起止信號為ts,當(dāng)脈沖起止信號ts=0時,即脈沖信號無效時,對脈沖信號基線的值進行求和平均,假設(shè)基線值為b,
假設(shè)脈沖起止信號為ts,當(dāng)脈沖起止信號ts=1時代表脈沖信號有效,開始計時并判斷微分脈沖信號的個數(shù),尋找到第1個脈沖的最大值dmax1,然后判斷尋找最小值dmin1,以dmin1為起始點尋找第2個脈沖的最大值dmax2,以此類推繼續(xù)尋找最小值和最大值,記錄在2.5×t1時間內(nèi)的最大值的個數(shù)n,若n≥2,這個脈沖信號堆積,反之沒有堆積。
本發(fā)明的有益效果是:
所述的多道幅度分析器所有電路都在一塊電路板上實現(xiàn),主要功能由fpga芯片完成,集成度高,使用元器件數(shù)量少,穩(wěn)定性高。根據(jù)本方法所實現(xiàn)的多道幅度分析器具有以下優(yōu)點:
體積小,成本低,易于應(yīng)用;
數(shù)字基線估計精度高,可提高分辨率和通過率;
對探測器脈沖信號進行微分,消除了基線波動引起的幅度判斷誤差,不會出現(xiàn)小幅度脈沖丟失和脈沖起止信號抖動的現(xiàn)象;
在提高計數(shù)通過率的情況下,改善基線估計的準(zhǔn)確性,提高脈沖起止信號的精度,減小隨機脈沖堆積對脈沖幅度分析的影響;
用規(guī)定時間內(nèi)微分信號的脈沖個數(shù)判斷探測器脈沖的堆積情況,不依賴于探測器脈沖信號的表達式,使脈沖幅度分析的精度大大提高。
附圖說明
圖1是多道脈沖幅度分析器的原理示意圖;
圖2是脈沖幅度分析的工作流程圖;
圖3是高速adc采樣電路原理圖;
圖4是單個探測器脈沖信號的微分信號示意圖。
圖中:1增益調(diào)節(jié)電路,2高速adc,3濾波器,4微分器,5脈沖幅度判斷,6脈沖堆積判斷,7存儲器,8fpga芯片,9單片機。
具體實施方式
結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明的具體實施方式。
本發(fā)明所述的多道脈沖幅度分析器的工作原理如圖1所示,增益調(diào)節(jié)電路(1)將探測器輸出的脈沖信號放大到0v~1v范圍,高速adc(2)為80mhz采樣頻率的ad9236數(shù)模轉(zhuǎn)換器,采樣周期為12.5ns,濾波器(3)是fir數(shù)字低通濾波器,對adc采樣的探測器信號進行平滑處理,微分器(4)為fir實現(xiàn)的近似理想的信號微分器,經(jīng)過微分器后脈沖信號變窄,脈沖幅度判斷(5)連續(xù)判斷探測器脈沖信號的基線值和脈沖最大值,用最大值減去基線值得到脈沖的幅度,脈沖堆積判斷(6)在脈沖持續(xù)的2.5倍前沿時間內(nèi)判斷微分脈沖的個數(shù),當(dāng)個數(shù)大于等于2時,脈沖堆積,此脈沖幅度不做分析,存儲器(7)存儲沒有堆積的脈沖的能譜數(shù)據(jù),fpga芯片(8)完成上述的數(shù)字信號處理算法、脈沖幅度分析、能譜存儲等,單片機(9)用于能譜數(shù)據(jù)的發(fā)送。
本發(fā)明的具體脈沖幅度分析的工作過程如圖2所示,探測器輸出的脈沖信號前沿時間為100ns,此脈沖信號由fpga芯片(8)控制的高速adc(2)采樣得到離散的采樣數(shù)據(jù),高速adc采樣電路如圖3所示,adc的輸入信號是調(diào)理后的差分信號。脈沖采樣數(shù)據(jù)進入fpga芯片(8)實現(xiàn)的fir低通濾波器(3),濾除高頻噪聲。在fpga芯片(8)中使用fir濾波器實現(xiàn)一個信號微分器,濾波后的脈沖信號輸入到微分器(4)得到變窄的微分信號,如圖4所示。微分信號分別用于判斷脈沖信號的起止和脈沖堆積判斷(6),脈沖起止信號有效表示脈沖來到開始判斷探測器脈沖的最大值,起止信號無效表示沒有探測器脈沖可以進行基線估計,在探測器脈沖持續(xù)的250ns時間內(nèi)連續(xù)判斷微分脈沖的個數(shù),微分脈沖有多個表示探測器脈沖信號堆積,否則探測器脈沖信號沒有堆積,進行脈沖幅度判斷(5),用探測器脈沖幅度的最大值減去當(dāng)前的基線值得到脈沖的幅度值,將對應(yīng)幅度的道址上的能譜數(shù)據(jù)加1并存儲到存儲器(7)中,存儲器(7)是fpga芯片(8)內(nèi)部實現(xiàn)的雙口ram。fpga芯片(8)和單片機(9)使用總線連接,單片機選著c8051f340,具有usb接口和串口,最后由單片機(9)讀取能譜數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦。