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伽玛能谱信号处理软件设计物理与光电信息科技学院 电子信息工程专业 梁金梅 【摘 要】伽玛能谱测量是一种重要的核地球物理方法，是解决地球科学、环境科学等有关问题的主要手段之一。针对伽玛能谱(特别是能量分辨率低的NaI(T1) 伽玛谱)分析中，弱峰和重叠峰的分析，目前分辨能力低、精度不高等困难，本文在充分利用全谱信息的基础上，研究了神经网络和全谱最小二乘法伽玛分析方法。分析了传统的解谱方法，对利用全谱信息解谱技术进行研究，并用labview 编写了人工神经网络解谱程序得出比传统解谱法更精确的结果。【关键字】LabVIEW；解谱;人工神经网络18目 录第1章 绪论31.1 选题依据及研究意义31.2 伽玛能谱分析技术的研究状况31.3 本论文的主要研究工作3第二章 LabVIEW编程平台简介42.1 LabVIEW概述42.2 LabVIEW程序的运行机制42.3 图形化的编程环境4第三章 谱分析模块设计53.1 能量刻度53.2 寻峰求分辨率53.3 积分区间计数63.4 谱分析73.5谱平滑93.6 铀钍钾元素含量计算113.6.1伽玛谱传统解谱方法的简介123.6.2 人工神经经网络解谱143.6.3全谱最小二乘法解谱153.7 小结18第1章 绪论1.1 选题依据及研究意义伽玛能谱测量是一种重要的核地球物理方法，是解决地球科学、环境科学等有关问题的主要手段之一。根据所测的伽玛射线能谱，可获得伽玛辐射总量，铀、钍、钾等元素含量以及其他有关元素及岩性信息。根据这些信息，我们不仅可以进行铀矿勘探，而且还可以将其应用于地质填图，油气勘测，寻找各种金属和非金属矿产，进行建材和环境的辐射监测等。总之，伽玛能谱测量与分析技术的应用十分广泛，在核物理、原子能利用、核防护、环境放射性分析等方面都发挥着巨大作用1-2。在地球上，天然放射性是一种普遍的现象，几乎所有的物质或多或少有放射性。由于许多内在的原因，测量天然放射性是一个复杂的课题，特别是在野外情况下测量。与目前应用有关的放射性核素是K和Th与U衰变系列种发射伽玛射线的衰变产物。在所有野外实际应用中，由于和射线的穿透力较弱，并且一般不能逃离基体而到达探测器（有外壳），所以只有伽玛射线是有意义的。通过对伽玛射线的测量来推断Th与U的活度，一般是在假设久平衡的情况下给出的3。1.2 伽玛能谱分析技术的研究状况20世纪中叶，伽玛射线能谱学主要集中在核反应堆和离子加速器产生的中子、质子和诱发核反应中产生的放射性核素所发射的伽玛射线上。发展的闪烁体计数器（如NaI晶体）通过全谱分析复杂的伽玛射线谱。在还没有计算机的情况下，这项耗时费力的工作是由手工完成的。该领域的重要突破几乎是与半导体探测器【如Ge(Li)】和计算机广泛应用同时出现的。锗探测器的高能分辨率能区分单个伽玛射线的光电峰，因此也能区分粒子诱发衰变系列中的微弱数目。这个优点弥补了相对于NaI探测器来说较低的探测效率的缺陷3。通过直接接触或航空测量，已经用许多方法测量野外、海底、井中或地面上天然伽玛射线。探测器类型的选择是在成本与信息流的质量和数量之间来权衡的。直到大约10a前，广泛应用的是闪烁体探测器（如NaI）。这种探测器能提供适宜于多种用途的综合特性：相对低的价格，需要大体积晶体，适度的分辨率和可在环境温度下工作，但是在20世纪90年代初期，研究组面临着建立一个可牵引的高效率的探测系统，进行海底填图的挑战。这种探测器要求对放射性核素敏感，并且其探测效率高得足以能在约10s内获得足够的统计计数。海底常含一些低比活度的砂，其典型的比活度大约为：K为200Bqkg,U为5 Bqkg,Th为5 Bqkg 。这些边界条件导致探测系统必须比现有的系统（如英国地调局的EEL）在灵敏度上高出一个数量级。它们是基于NaI探测器，并且在伽玛能谱中仅仅用光电峰的信息来计算活度值的3。1.3 本论文的主要研究工作 本文利用LabVIEW进行谱模块分析，包括：能量刻度、谱寻峰、积分区间计数、寻峰求分辨率、谱平滑、系数标定、含量计算。 并且分析了传统解谱方法（全能峰面积法、剥谱法、逆矩阵法），研究利用全谱信息解谱技术并编写了人工神经网络和最小二乘法解谱程序，通过解实验测量谱，证明了利用全谱信息解谱结果优于利用谱部分数据解谱。第二章 LabVIEW编程平台简介2.1 LabVIEW概述LabVIEW编程语言与常规的程序语言不同，它是一种定位于非计算机专业人员使用的编程工具，是一种更易使用的图形化程序语言G语言（Graphical programming language）。G语言使用图标代替常规的一条或一组语句，通过各功能图标间的逻辑连接实现程序功能；也就是说，G语言的编程过程不是书写一行一行语句，而是连接一个个代表一定功能的图标，因而更为直观易用，适合缺乏编程基础的初学者快速入门并使用。另外，由于其编程过程是基于可重复使用的功能模块，故非专业人员也可方便地使用由专业人员编制的功能模块，在不具备高深的专业知识的情况下开发出具有专业水平的程序。所以，LabVIEW在世界范围内的众多领域如航空、航天、通信、汽车、半导体、化学和生物医学等得到了广泛的应用4。LabVIEW提供了三个模板（工具模板、控制模板和功能模板）这三个模板可以通过选择Windows菜单下的相应子菜单而打开，并可以使用鼠标随意地拖放到屏幕的任何地方。工具模板提供用于图形操作的各种工具，诸如移动，选取，设置卷标、断点，文字输入等等。控制模板只能在前面板中使用，它提供各种控制对象和显示对象，前面板上的所有对象都要从控制模板上获取。功能模板只能在流程图中使用，它包含一些基本的功能函数和子仪器，建立一个VI所需的全部功能模块和结构都包含在功能模板中。控制模板和功能模板都有预留端，用户可将自己定制的子仪器图标放入其中，并在程序中调用5。2.2 LabVIEW程序的运行机制LabVIEW的运行机制就宏观上讲已经不再是传统上的冯.诺伊曼计算机体系结构的执行方式了。传统的计算机语言(如C)中的顺序执行结构在LabVIEW中被并行机制所代替；从本质上讲，它是一种带有图形控制流结构的数据流模式(Data Flow Mode )，这种方式确保了程序中的函数节点(Function Node)只有在获得它的全部数据后才能够被执行。也就是说，在这种数据流程序的概率中，程序的执行是数据驱动的，它不受操作系统、计算机等因素的影响。LabVIEW的程序是数据流驱动的。数据流程序设计规定，一个目标只有当它的所有输入有效时才能执行；而目标的输出，只有当它的功能完全时才有效的。这样LabVIEW中被连接的方框图之间的数据流控制着程序的执行次序，而不像文本程序受到行顺序执行的约束。从而，可以通过相互连接功能方框图快速简洁地开发应用程序，甚至还可以有多个数据通道同步运行。2.3 图形化的编程环境图形化编程环境8包含前面板、流程图、图标和连接。在软件启动时，系统会建立一个缺省名为Untitled.vi的文件(VI)。该文件包含两个窗口，一个用以编辑前面板，另一个用作编辑流程图。前面板就像是虚拟仪器的用户接口，犹如实际仪器的面板。前面板基本上是控制和显示对象的集合，用以控制模拟仪器输入设备，为虚拟仪器的流程图提供数据，并显示模拟仪器的输出设备及流程图中获得或产生的数据。流程图窗口用以编辑虚拟仪器的图形化源代码，通过连线将输出、接收数据的对象连接起来创建流程图。用LabVIEW编制框图程序时，不受常规程序设计语法细节的限制。首先，从函数面板(Function Palette)中选择需要的函数节点(Function Node)，将之置于框图上适当的位置，然后用连线(Wires)连接各函数节点在框图程序中的端口(Port)，用来在函数节点之间传输数据。函数节点主要包括简单的计算函数、高级的采集和分析VI文件输入输出函数以及网络函数等。当一个虚拟仪器的图标被放置在另一个虚拟仪器的流程图中时，它就是一个子仪器或者说是LabVIEW的一个子程序。子仪器的控制和显示对象从调用它的仪器流程中获得数据，然后将处理后的数据返回给它。第三章 谱分析模块设计谱分析模块分为：能量刻度、谱寻峰、积分区间计数、寻峰求分辨率、谱平滑、含量计算。以下分别予以介绍。3.1 能量刻度多道谱处理和分析，都需要对系统进行刻度，例如：能量刻度、效率刻度和峰形刻度等。这里我们只分析能量刻度。能量刻度是指求解道址和能量的关系，将道址所对应的能量求出来2。由于本设计中二者具有良好的线性关系，所以直接用直线来描述能量刻度曲线。要完成能量刻度，需要已知能量的一个低能峰和一个高能峰。具体操作步骤如下：图3-1 能量刻度窗口 （1）通过单击“刻度”菜单下的“能量刻度”子菜单，弹出“能量刻度”子窗口。如图3-1所示。（2）在“输入道址1”控件、“输入能量1”控件中输入峰位道址及能量，在“输入道址2” 控件、“输入能量2” 中输入峰位道址及能量。则在“能量刻度系数a”和“能量刻度系数b”控件中显示计算结果。（3）单击“保存”按钮，就可将刻度系数保存于能量刻度系数文件中。单击“确定”按钮，可退出“能量刻度”子窗口。 主程序开始运行时，自动读取能量刻度系数文件，将系数a和b读取出来，放于全局变量a和b中，在程序运行过程中一直保持不变，直到重新刻度，并保存刻度系数为止。3.2 寻峰求分辨率能量分辨率是指对于某一给定的能量，探测器能分辨的两个粒子能量之间的最小相对差值的量度6。能量分辨率可定义如下：W1/2=h1/2/h0式中，W1/2表示能量分辩率；h0表示峰位所处的道址；h1/2表示在峰位一半高处，做一水平线，所得的以道址为单位的宽度。当射线能量不同时，求得的能量分辨率是不同的，能量分辨率是入射射线能量的函数。入射粒子能量愈高，产生的光子数将愈多，相对涨落就愈小，能量分辨率就会好些；入射粒子能量低，产生的光子数目少，相对涨落就会大些，能量分辨率就会差些。通常我们多采用Cs放出伽玛做为测定NaI(TI)等闪铄体能量分辨率的标准。当整个内烁计数器工作时，光电倍增过程的涨落等也将影响能量分辨率的好坏，实际工作时应从各方面采取措施才能获得理想的能量分辨率6。在寻峰求分辨率模块所要完成的主要任务就是查找峰位以及计算峰高一半处以道址为单位的宽度。我们使用比较法，从测得Cs的伽玛中，先选定Cs峰位所对应的某个区间，再选出最大计数所在的道址做为h0，最后求得半高处两点的距离h1/2，根据公式即可求的能量分辨率W1/2。寻峰求分辨率对话框如图3-2所示。其操作过程是直接从“谱分析”菜单中选择“寻峰求分辨率”子菜单即可。 图3-2寻峰求分辨率对话框 3.3 积分区间计数为了更方便、更快捷地查看任意选定区间的总计数，我们设置了计算区间计数的功能，要是计算用户输入的两个道址之间的总计数。可通过“谱分析”菜单，选择“积分区间计数”子菜单，出图3-3所示的“积分区间选择”对话框来设置积分区间。积分区间计数源代码如图3-4所示。 图3-3积分区间设置对话框 图3-4 积分区间计数源代码 3.4 谱寻峰虚拟伽玛能谱仪有多种工作方式，数据处理也各不相同，但其中最常用的是寻峰。寻峰是定位能谱中的全部有效峰。在谱数据中精确地计算出各个峰的峰位是能谱分析中的关键问题。只有正确地找到谱中全部峰位，才能决定被测样品中是否含有某种核素7。谱分析对寻峰的基本要求是：（1）较高的重峰分辨率，能确定距离近的峰的位置。（2）识别弱峰，假峰出现的几率要小。（3）仅能计算峰位的整数道址，还能计算峰位的精确值。 常用的寻峰方法有以下几种：简单比较寻峰法、道数寻峰法、协方差法、对称零面积对合法。 简单比较法是在谱数据中某一道数据比其邻近的几道大很多时，则认为该道存在一个峰,即通常说的五点极值法。如果第i道计数满足如下不等式： N i-2 Ni+2式中TRH为找峰阂值，一般可取为1TRHp。类似于逆矩阵法，在每道上建立方程式: (i=1,2，,n)这里用y表示第i道上测到的记数率。a表示单位衰变率的第J种成分在第i道域上所能引起的记数率。x,第i种核素的活度。由于每道上的记数只有统计涨落误差，可假定每道上记数残差: 按照最小而乘法原理，要求残差平方和最小，即小式:为最小。还可考虑每道上统计误差不一样，故需引入权因子W，这样就要求下式:为最小。为使R为最小，要求满足以下极值条件: k=1,2p这就得到如下的方程组:式中的权因子W可这样选取，因一个测量值的权因子反比于该测量值的方差，而记数的方差约等于记数值，所以W可取为相应道记数值y的导数，即写成矩阵形式为:AX=YAWAX= AWYX=(AWA)AWY为了便于各种解谱方法比较，以3X3NaI(TI)探测器和多道分析系统进行测量，设置为2048道。做了如下测量实验:1, 测定Na工(T1)谱仪的能量分辨率及线性。2, 测定Na工(T1)谱仪能量和道数的关系。3、在相同条件下测量标准点源Co,Cs,Mn,Ba 谱，以及未知点源Co,Cs, Ba混合样品和Co,Cs,Mn,Ba混合样品伽玛谱。4、保持以上测量条件测量环境本底。为了提高解谱精度，在解谱前我们对测量谱进行了处理:1、为了减小本底造成的解谱误差，我们把测量的各个谱均与本底谱相减。2、为了减小对NaI(T1)y伽玛谱漂移对解谱结果的影响，对每个谱进行了漂移修正。3、根据 Nal(TI)探测器的测量谱，在低能部分(150道内)环境影响很大，本文把谱前150道清为O。根据上述实验结果，采用以上各种方法解未知的“Co,Cs, Ba”混合样品谱的结果。由以上分析可得出:剥谱法的结果随剥谱次数的增加，误差不断加大，虽然在求高能端的第一种核素活度较准确，但是以后两种核素活度误差增大，尤其是第三种核素误差达到10%，此法不适合解复杂谱。逆矩阵法解谱结果误差比人工神经网络和最小二乘法大，主要是因为逆矩阵法只利用了测量谱的部分数据，而利用全谱信息解谱技术的人工神经网络和全谱最小二乘法利用了测量谱的每道数据，统计误差减少，解谱结果也更准确。从上述关于人工神经网络和全谱最小二乘法的原理叙述中可以看出，两者都是以每道计数Y和未知核素活度X的对应关系:Y=WX (W为对应关系)为基础。而全谱最小二乘法在计算结果时运用最小二乘法。使总体结果精确，但不如人工神经网络计算速度快。3.7 小结 本章分析了传统解谱方法，研究利用全谱信息解谱技术并编写了人工神经网络和最小二乘法解谱程序，通过解实验测量谱，证明了利用全谱信息解谱结果优于利用谱部分数据解谱。致谢这次毕业论文能够得以顺利完成，是一直指导和关心我的何志杰老师，帮助过我的同学，对我的教诲、帮助和鼓励的结果。我要在这里对他们表示衷心的感谢和崇高的敬意。是导师渊博的知识、丰富的经验，启迪了我的思想；是导师严谨的治学态度给我树立了榜样，这些让我受益终身。参考文献1 王辉东. 伽玛谱多通道数据获取软件及伽玛谱全谱信息解谱技术研究.四川大学硕士论文2005.5.202 方方. 野外地面伽玛射线全谱测量研究. 成都理工大学博士学位.2001.53 张书成.天然伽玛射线谱的全谱分析.核工业北京地质研究院.20014 戴敬,王世立等编著.LabVIEW基础教程. 国防工业出版社 2002.95 杨乐平,李海涛,杨磊编著.LabVIEW程序设计与应用（第2版）.电子工业出版社.2005年8月第3次印刷6 贾文懿,许祖润.核地球物理仪器.原子能科学出版社.1998年8月第1版.7 张晓华，虚拟仪器技术在多道分析系统中的应用研究，中国原子能科学研究院硕士论文，2004.68 李鹏宇,刘松秋,雷武虎,韩慧.虚拟技术在核谱仿真与处理系统中的应用，核电子学与探测技术，2004年9月，Vol.24 No.59 庞巨丰主编，能谱数据分析，陕西科学技术出版社，199010 白立新、张一云等，基于MATLAB的Y谱人工神经网络分析方法，核电子学与探测技术2003, 023 (005)， 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