【毕业学位论文】（Word原稿）基于盲反卷积算法的核能谱获取系统-粒子物理与原子核物理

分类号： 密级：公开 研 究 生 学 位 论 文 论文题目 （中文 ） 基于盲反卷积算法的核能谱获取系统 论文题目 （外文 ） 研 究 生 姓 名 洪鹏飞 学 科 、专 业 物理学 粒子物理与原子核物理 研究方 向 核数据获取与核仪器 学位级 别 硕 士 导师姓名、职 称 李东仓 副 教授 论文工作起止年 月 2012 年 5 月至 2013 年 5 月 论文提交日 期 2013 年 5 月 论文答辩日 期 2013 年 5 月 学位授予日 期 2013 年 6 月 校址：甘肃省兰州市 原 创 性 声 明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 日 期： 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰州大学。 本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的 纸质版 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任 何复制手段保存和汇编本学位论文。 本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 本学位论文研究内容： 可以公开 不易公开，已在学位办公室办理保密申请，解密后适用本授权书。 （请在以上选项内选择其中一项打 “”） 论文作者签名： 导师签名： 日 期： 日 期： I 基于盲反卷积算法 的核能谱获取系统 摘要 核能谱获取系统是核物理实验装置中最主要的部分之一，它的精确度影响了后续的实验进程。本文将盲目反卷积算法引入到核能谱的测量中，并设计了整套的数据获取和处理系统。系统采用基于 入式 主控制器，用高速核信号进行连续采样，并用 口将数据快速传输到 序中，进行在线的处理和显示。结果表明该算法可有效去除核脉冲信号的堆积，并且能恢复基线，从而还原真实的核脉冲信号，整个体统具有传输速度快、在线处理和显示等优点。 第一章绪论部分介 绍本文选题的依据和研究意义，阐述当前的各种核能谱获取的方法及它们的优缺点。第二章系统设计原理部分，介绍基于盲反卷积算法核能谱获取系统的设计思路以及盲反卷积算法的原理。第三章硬件设计部分介绍系统各个硬件的选型，硬件的连接等。第四章软件设计部分介绍系统所需的软件编程程序，包括 代码， 固件和上位机 程序编写。第五章仿真部分验证盲目反卷积算法在核能谱获取系统中的可行性及其效果。第六章实验部分将采集信号发生器产生的信号，验证盲目反卷积算法的效果。第七章总结和展望部分论述本设计的核能谱获取 系统的优缺点，从而得到下一步的改进计划。 关键词： 核脉冲，核能谱， 目反卷积 is of of of In we it of a of as it of a DC to C of of In ， of I ， as as V SB C ， of I, by to of of to of in 录 摘要 . I . 一章 绪论 . 1 题依据及研究意义 . 1 能谱研究的现状 . 1 卷积应用现状 . 3 第二章 系统设计原理 . 4 究内容 . 4 统的算法 . 5 积和反卷积 . 5 规反卷积和盲反卷积 . 6 盲反卷积引入核辐射探测 . 6 反卷积算法的 序代码 . 8 第三章 硬件设计 . 9 片 . 9 其开发板简介 . 11 结构和特点 . 11 发板介绍 . 12 片 . 13 片选择 . 13 绍 . 13 使用 . 15 动程序设计 . 15 统的 动程序解决方案 . 15 于 解决方案 . 16 围显示 . 17 符型 . 17 段 . 17 第四章 系统软件设计 . 19 序开发环境 . 19 I 介绍 . 19 绍 . 21 于 码设计及流程 . 23 建立 I 工程 . 24 建 件 . 24 I 中添加设计 . 27 立 I 程 . 28 位机程序设计 . 33 介绍 . 33 集处理显示系统设计 . 34 第五章 仿真 . 37 核信号的产生 . 37 测器输出核信号的特点 . 37 荷灵敏前置放大器的冲击响应 . 37 声的处理 . 37 反卷积的仿真 . 38 积的影响 . 38 线漂移的影响 . 40 声的影响 . 41 虑 分辨率和采样率对盲反卷积的影响 . 42 第六章 实验结果和数据分析 . 46 验准备 . 46 验数据及分析 . 47 第七章 总结与展望 . 49 文总结 . 49 续展望 . 49 参考文献 . 51 在学期间的研究成果 . 52 致 谢 . 53 兰州大学硕士学位论文 基于盲反卷积算法的核能谱获取系统 1 第一章 绪论 题依据及研究意义 随着人们的认知和科学技术水平的不断提高，核辐 射的测量技术演变成了核探测技术、电子技术、计算机技术等多种技术 相交叉的产物，无论在测量的速度和精度，还是在便捷性方面都有了显著的提高。其作为一种尖端的物质分析手段，不仅应用于核研究，而且在农业、医学、化工和电子等领域有着广泛的应用 1,2。 同时随着高速 种数字化器件、实时操作系统和微处理器的迅速发展，核信号的测量系统也向着数字化测 量系统不断的迈进，数字化在功能和性能等方面比模拟式的硬件产品有着明显的优越性 1,2。 本论文 引入 数字化的思想，将盲反卷积算法运用到核能谱的获取中，使用高速 换芯片 片 数字化器件。与传统的核能谱获取系统相比，系统的费用大大降低，但在性能和便携性上都有着很大的提升。 能谱研究的现状 目前常用的核能谱获取系统主要有 以下几种： 一、 目前核电子学常用的核能谱获取系统，采用的是模拟和数 字相结合的方法，前端的信号用模拟电路进行处理，之后送入数字集成电路和微处理器为基础的数字化多道分析器进行甄别和模数变换，最终在计算机上进行数据获取与处理 , 如图 统的核电 子学的测量系统通常有以下几个部分构成：核辐射探测器、前置放大器、主放大器、多道幅度分析器 等，用于获取核辐射的能量信息 3,4。这套核能谱获取系统比较完整， 技术成熟， 已做成 件的形式，缺点是手动调节部分很多。 核 辐 射 探 测 器前 置 放 大 器主 放 大 器 ：滤 波 成 形线 性 放 大基 线 恢 复堆 积 拒 绝多 道 幅 度 分 析 器 ：幅 度 甄 别模 数 变 换计 算 机 数据 获 取 与处 理 系 统图 电子学常用核能谱获取系统 二、 随着计算机 技术、半导体技术和电子技术的发展，将 术和嵌入式技术引入核能谱的测量中，如将编写好的核能谱获取 作系统嵌入到微处理器核 片机中，兰州大学硕士学位论文 基于盲反卷积算法的核能谱获取系统 2 这里面的单片机取代了传统仪器中的计数器、定时器、运算器等，配上按键键盘和液晶显示器，组成一套完整的平台，系统具有很强便捷性和较高的通信能力 5。如图 核 辐 射 探 测 器线 性 脉 冲 放 大 器甄 别 电 路控 制 电 路A R M 单 片 机A D L C 量 R A 键 盘前 放图 核能谱嵌入式微机获取系统 三、 要方式是将数字化在测量步骤中尽量提前，将以前用模拟电路实现的功能用数字 化的器件来实现，这些数字器件如用 数字信号处理来实现传统的主放大器的功能，像滤波成形、线性放大、基线恢复和堆积拒绝等功能，之后再实现数字化多道幅度分析器的功能 1。如图 探 测 器前 放A D C 采 集 卡基 线 扣 除 、 极 零 识 别极 零 补 偿低 通 滤 波F I R 滤 波 及 幅 度 分 析上 位 机 能 谱 获 取及 处 理 单 元数 字 信 号 处 理 单 元图 数字化核能谱获取系统 兰州大学硕士学位论文 基于盲反卷积算法的核能谱获取系统 3 卷积应用现状 反卷积技术主要用于求解信号复原和系统辨识问题，是信号处理技术中具有理论挑战性的分支，随着计算机技术的发展，学者提出了多种数值反卷积算法，如反演法、递归法、直接求解法、傅立叶变换法、 Z 变换法等。其在光学、光谱 学、能谱学、生物化学、空间物理以及医学等领域得到广泛应用 6。 关于一维反卷积的应用有主要有以下几点： 雷达信号处理：抑制噪声和干扰、抑制多径干扰、改善雷达角分辨率等； 地震信号处理：改善地震图的分辨率以利于解释； 声学和语音信号处理：语音、声道建模和辨识，抑制交混回响，复原老的声学记录； 生物医学信号处理：心电、脑电和肌肉信号分析、建模和综合。 二维信号或图像的反卷积和复原技术的发展经历了约 60 年的历史，从 50 年代的空间探索开始，图像的复原理论和算法在不断的系统和成熟，它的典型应用领域如下： 天文图像 处理：克服大气扰动层对地基观测天文图像的降晰、克服观测成像系统不理想造成的图像降晰、改善空间飞行器获得的摄像和录像质量； 医学图像处理：抑制各种医学成像系统或图像获取系统的噪声、改善医学图像分辨率； 材料科学图像处理：改善光学显微镜的分辨率、改善电子显微镜图像和衍射图像的分辨率、改善工业 X 辨率； 公安、历史、人文图片的复原，监视录像复原，早期电影的复新等等 7。 兰州大学硕士学位论文 基于盲反卷积算法的核能谱获取系统 第二章 系统设计原理 究内容 本文将盲目反卷积 算 法应用于核脉冲信号处理， 提出将核信号的数字处理提前至核辐射探测器 的前置放大器输出端，直接用高速 置放大器的 信号进行连续采集，利用 发板和 片，实现对采集数据的传输，之后在上位机 进行在线的数据处理和显示，将信号采集、传输和处理一体化，组成一套完整的数字化数据获取系统。设计框图如图 探 测 器前 放高 速 A D B 2 . 0盲 反 卷 积 算 法L a b V i e w 在 线 采 集 、数 据 处 理 和 显 示F P G 传 输 平 台图 基于盲反卷积算法的 本设计涉及的工作主要有以下几点： 选型，选择采集速度和精度达到要求且经济的 片的选型及其固件设计和驱动设计，片，使它也适用于其他实验数据传输的需要； 计时采用 嵌入式 思想，期间使用的开发软件有： ； 序的软件编程，涉及到 写 点内的数据，并且能在线的处理和显示这些数据，提供良好的用户 操作 界面； 盲反卷积算法，并且验证算法的可行性。 兰州大学硕士学位论文 基于盲反卷积算法的核能谱获取系统 5 统的算法 积和反卷积 无论在科学研究中还是工程实际中，都要涉及到 卷积 （ 概念。用一个仪器来观测和记录一个物理现象和过程时，观测到的不仅仅反映物理现象和过程，还反映仪器的特性，包括整个的传输系统线路和记录的介质等等 7。仪器系统的非理想性会是得到的观测和记录降质（ 该降质机制在数学上用一个叠加积分表示： ( ) ( , ) ( ) ( )y t S h t x d t (1) 式中， ()x 是原始的物理量， () 通过仪器观测的结果， (, )表示观测仪器在 时刻的脉冲冲击响应， S 表示的是整个观测系统的非线性， ()t 表示噪声。假如不考虑非线性的影响，而且许多实际问题中脉冲冲击响应是时不变的， （ 1）式变成卷积积分 ( ) ( ) ( ) ( )y t h x t d t (2) 定义两个函数 ( ) ( )h t x t、 的卷积为： ( ) ( ) * ( ) ( ) ( )y t h t x t h x t d (3) 对于定义在离散域的函数，若给定 ()序列 ( ) , 0 , 1 , 2 , 1x n n NL； 给定 ()序 列 ( ) , 0 , 1 , 2 , 1h n n ML；则它们的卷积定义为 1100( ) ( ) ( ) ( ) ( ) , 0 , 1 , 2 , 1n h n k x k h k x n k n L L (4) 式中 0 , 1 , 2 , 1L M N L ，是序列 ()长度。 将 (4)式写成线性代数矩阵的形式，记 T ( 0 ) ( 1 ) ( 2 ) ( 1 ) X x x x x NL （ 5） T ( 0 ) ( 1 ) ( 2 ) ( 1 ) H h h h h （ 6） T ( 0 ) ( 1 ) ( 2 ) ( 1 ) Y y y y y LL （ 7） 则 ( , ) ( , )h N x X F H（ 8） 其中 兰州大学硕士学位论文 基于盲反卷积算法的核能谱获取系统 6 0101( , ) 101110000000000 0 09） ( , ) 列，（ M+。 规反卷积和盲反卷积 通过测量的物理量 ()系统的特性 ()到原来不失真的物理量 ()过程称为反卷积（ 反卷积是一种手段或者技术方法，它根据观测的 ()关于噪声统计的知识来估计原来的 ()假如仪器的脉冲冲击响应 ()已知的，或者可以通过测量得到，那么通过 ( ) ( )y t h t、 来求 ()为常规的反卷积问题。此时 只要根据线性代数的方法，即可求得 ()由 (8)式可得当 M=N 时，矩阵( , )( , )，此时 1( , ) F (10) 所以常规反卷积的本质是求得冲击响应的逆矩阵。 如果 ( ), ( )x t h t 都是未知的，只通过 ()个参数来估计 ()这样的反卷积称为盲反卷积（ 或者说预测反卷积。做这一类的反卷积，通常要根据以往的经验和现有的实验数据来预测。经过多年的研究和探索，盲反卷积在理论和 实践上都有了长足的发展。 盲反卷积引入核辐射探测 将反卷积的思想应用到核辐射探测的过程中，核脉冲信号通过测量仪器的过程，即为核脉冲信号与仪器冲击响应的卷积过程可表示成： d ()y t h t x t (11) 将式 (11)的连续信号变成离散序列，即为： *n n n ny x h (12) 式中， *为卷积符号， 输入信号， 系统的特性或冲击响应， 输出信号， n 为零均兰州大学硕士学位论文 基于盲反卷积算法的核能谱获取系统 7 值白噪声 。 对于一维数据处理， 把卷积模型看成一个白噪声序列 过线性系统 反卷积就是输出信号序列 过一个白化滤波器 输出 n 为白噪声，此时， n 就是 一个估计 6，盲目反卷积算法的主要工作就是求 本文采用 自回归 (型，考虑 q 步预测， q1 时，希望找到一组a(i)， i =1, 2, L, M，使 q 步预测值 ()y n q 与实际值 y(n+q)的误差 (式 (4)的均方值 E2(n)最小： 1( ) ( ) ( 1 )n q a i y n i (13) 1( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 1 )y n q y n q y n q a i y n i (14) 根据正交原理，这必须使误差正交于数据，即： ( ) ( ) ( ) ( ) ( 1 ) ( ) 01ME y n q n E y n q a i y n i y n (15) 化简得： 1( ) ( 1 ) ( ) , 0 1i r l i r q l l M (16) 其中， r(i) = i) = Ey(n) y(n+i) = r(i) (17) 为确定 a(i)值，需解 M 个方程，式 (5)写成矩阵形式为： ( 0 ) ( 1 ) ( 1 ) ( 1 ) ( )( 1 ) ( 0 ) ( 2 ) ( 2 ) ( 1 )( 1 ) ( 2 ) ( 0 ) ( ) ( 1 )r r r M a r qr r r M a r r M r a M r q M O M M 8) 式 (18)称为 程，将 a(i)移至左边，得式 (19)，上标 1 为矩阵的逆， 1(1 ) ( 0 ) (1 ) ( 1 ) ( )( 2 ) (1 ) ( 0 ) ( 2 ) ( 1 )( ) ( 1 ) ( 2 ) ( 0 ) ( 1 )a r r r M r qa r r r M r r M r M r r q M M O M 9) 得到 ，由式 (11)计算 r(0) r(q+M1)及逆阵的值，即可算出 a(i)。此时白化滤波器表示为： p(n) =1, 0, , 0, a(1), a(2), , a(M)，式中有 q1 个 0， 滤波器的长度为 (M+q)，则输入序列 估计： (n) = p(n)*y(n) x(n) (20) 兰州大学硕士学位论文 基于盲反卷积算法的核能谱获取系统 8 反卷积算法的 序代码 上节中所说的是盲反卷积的理论算法，但是 需要的是能够在计算机中实现的算 法或者代码。引入傅里叶变换，对 (20)式进行简化，可 得到能 在 点中运行的码。 如图 图 盲目反卷积 码 图 中 y 表示输入的数组，即 收的数据； n 为反卷积滤波器的长度，对于不同信号产生系统， n 的值有所不同，本文中其值为 2； x 就是需要得到的反卷积序列。 兰州大学硕士学位论文 基于盲反卷积算法的核能谱获取系统 第三章 硬件设计 整体的硬件系统以 核心，外围是高速 片和 片，再加上一些显示设备，如字符 型 8 个 7 段 有存储设备 路原理如图 A D 9 2 4 8L C D 1 6 x 2S E G 7 x 8S D R A P 1 3 6 2F P G AN i o s I IP r o c e s s o 路硬件设计原理图 片 计采用的高速 片型号为 芯片是 司推出的 14 位双通道模数转换芯片，采用 3V 供电（ 可），输入电压测量范围 2度最高可达 65MS/s，它拥有两个独立的 个集成在芯片内部的参考电压。 差分流水线结构，提高了 14 位精度的量化输出。双通道的 片不但 有常规 2 个单通道的 动态性能，而且在抗串扰能力上比之有很大的提高 8。 时钟的上升沿采样，经 7 个时钟后完成整个 A/D 转换，之后送到数据总线上，因此一般不考虑前 7 个时钟周期的 采样 。图 示了 结构 框图： 图 结构 框图 兰州大学硕士学位论文 基于盲反卷积算法的核能谱获取系统 10 型的配置电路如图 图 典型配置电路 注意： 一般我们的信号都是单端输出， 因此在使用 ，前端要 增加一个单端转差分芯片。 它的引脚及功能如图 兰州大学硕士学位论文 基于盲反卷积算法的核能谱获取系统 11 图 引脚及功能 其开发板简介 结构和特点 场可编程门阵列）是在 编程逻辑阵列）、 可编程器件的基础上发展起来的。它兼容了 优点，不但能实现高速度下的逻辑功能，而且有着自己配套的软件，在设计较大规模电路时，编程也是相当灵活。与专用集成电路 C)相比，其最具有设计成本低、开发周期短、标准产品无需测试、可实时在线检验可靠性等优点 9。 流采用 艺，如 司的大部分产品， 艺的大的特点是掉电数据会丢失，无法保存，所以它们的系统除了一个 外，外部还需要增加一个配置芯片用于保存编程数据，比如 次上电的时候都需要从这个配置芯片将配置数据流加载到 后才能正常的运行； 当然也有基于 艺的，如 司提供 产品