（核技术及应用专业论文）数字核仪器系统中高斯成形滤波的设计与实现.pdf

y8 4 6 9 8 5 数字核仪器系统中高斯成形滤波的设计与实现 核技术及应用专业 研究生陈世国指导教师李泰华教授 核信息的获取和处理在许多基础科学研究和应用科学研究中有着重要应 用。由标准化模块插件组成的传统模拟核仪器系统，模块插件的功能由生产厂 家定义并固化在硬件上，用户难以根据变化的测量需求进行相应的调整或优化， 促使研究人员探索和开发新型的核仪器系统平台。数字处理技术的发展为新型 核仪器系统平台的开发提供了契机。 在数字核仪器系统中，探测器- 前放输出的信号经过必要的带宽限制和增益 调节之后，立即被高速a d c 数字化，信号处理完全在数字城里进行。同数 字核仪器系统平台，通过设计不同的数字处理算法，就可以完成不同的测量任 务；用户可以根据一些特殊的测量要求对算法进行优化，以得到最佳测量结果。 在数字域里，只要认清了表征信息的信号特征，总可以找到一定的方法从信号 特征中提取我们所需的信息。 辐射信号在辐射事件发生时刻具有突变性，突变点的特征携带了辐射事件 的重要信息。小波分析是一种新颖的信号处理工具，具有表征信号突变特征的 能力。 本文利用小波分析技术对辐射信号进行了系统的分析和处理，实现了辐射 信号的直接高斯成形。由小波分析导出的辐射信号高斯成形滤波器，有一个突 出的优点：能够同时准确提取辐射信号所携带的能量信息和时间信息高斯 成形的最大幅度表征了辐射粒子的能量信息，高斯成形的最大幅度的位置表征 了辐射事件发生的时间信息。 基于小波分析导出的高斯成形滤波器，具有带通特性，通过选择合适的尺 度参数，可以使高斯成形滤波器输出的噪声均方值最小，获得最佳信噪比。 利用噪声转角时间常数和指数衰减时问常数的评估算法，可以为高斯成形 滤波器的参数设计提供帮助。通过小波消噪技术对采样的含噪指数信号进行去 噪处理，有效地提高了指数衰减时间常数的评估精度。 基于高斯成形滤波器导出了能谱测量的数字算法。在脉冲探测算法中，除 传统的阈值( 1 h e s h o l d ) 判别外。最小脉冲宽度( m i n w i d t h ) 和最大有效脉冲宽度 ( m a x w i d t h ) 判别标准的存在，降低了有效脉冲误判和漏判的概率。利用高斯成 形滤波器的线性相位特征，直接在快滤波器探测到的脉冲到达时间点l p c a k 上捕 获慢滤波器的输出，就可以得到脉冲幅度的测量值，简化了幅度捕获过程。基 于高斯成形滤波器的脉冲堆积校正算法，既可改善能谱的能量分辨率，又不至 于降低系统的脉冲通过率。系统的输出脉冲计数率接近于实际的输入脉冲计数 率，近似情况下，测得的能谱不需死时间校正。 描述了高斯成形滤波器的递归近似实现算法。线性相位递归近似算法可以 同时提取幅度和时间信息，能够充分发挥高斯成形滤波器的优异性能：但因其 用到了反因果滤波器，需要较多的存储资源。如果只进行能谱测量，为了降低 对硬件资源的要求，本文也提供了只有前向结构的非线性相位递归近似算法。 基于数字核仪器系统基本结构和高斯成形滤波器的能谱测量算法，构建了 数字能谱测量系统平台。通过在p c 机上对仿真信号和实验采样信号进行能潜 测量，验证了数字能谱测量系统平台是有效的。与优化的模拟能谱测量系统测 量结果对比，数字能谱测量系统的能量分辨率有明显的改善。 关键词：核仪器 高斯成形滤波器小波分析数字信号处理能量分 辨率 i i d e s i g na n dr e a l i z a t i o no f t h eg a u s s i a ns h a p i n g f i l t e r i n gi nd i g i t a ln u c l e a ri n s t r u m e n ts y s t e m m a j o r ：n u c l e a rt e c h n i q u ea n di t sa p p l i c a t i o n n a m e ：c h e ns h i g u o t u t o r ：l it a i h u a i ti so fs i g n i f i c a n ti m p o r t a n c et oe x t r a c ta n dp r o c e s sn u c l e a ri n f o r m a t i o nf o r t h es t u d yo fm a n yb a s i sa n da p p l i c a t i o ns c i e n c e s a na n a l o gn u c l e a ri n s t r u m e n t s y s 1 e mi sf o r m e df r o mt h es t a n d a r d i z a t i o nm o d u l e sw h o s ef u n c t i o n sw e r ed e f i n e d a n ds o l i d i f i e di nh a r d w a r eb yt h em a n u f a c t u r e r s t h e u s e rc a n n o tm o d i f yo r o p t i m i z et h e f u n c t i o n so ft h es t a n d a r d i z a t i o nm o d u l e se v e ni ft h em e a s u r i n g c o n d i t i o n sh a db e e nv a r i e d s os o m ei n v e s t i g a t o r ss t a r tt oe x p l o r ea n dd e v e l o pn e w n u c l e a ri n s t r u m e n ts y s t e m s t h ep r o g r e s so fd i g i t a lp r o c e s s i n g t e c h n i q u e sb r i n g s t h ec h a n c ef o rd e v e l o p i n gn e wn u c l e a ri n s t r u m e n ts y s t e m s i n d i g i t a l n u c l e a ri n s t r u m e n t s y s t e m s ， a f t e rt h e s i g n a l f r o m d e t e c t o r p r e a m p l i f i e ri sn e c e s s a r i l yb a n d - l i m i t e da n dg a i n a d j u s t e d ，i ti sd i g i t i z e d b yh i g hs p e e da d ca to n c e 。a n dt h e na l ls i g n a lp r o c e s s i n g a r ei m p l e m e n t e di n d i g i t a ld o m a i n ad i g i t a ln u c l e a ri n s t r u m e n ts y s t e mc a nc a r r yo u tv a r i o u sn u c l e a r m e a s u r e m e n tt a s k sb yd e s i g n i n gv a r i o u sd i g i t a la l g o r i t h m s 。t h eu s e rc a nm o d i f y t h ed i g i t a la l g o r i t h m sa c c o r d i n gt os o m es p e c i a lm e a s u r e m e n td e m a n d ss ot h a tt h e o p t i m a lr e s u l t s c a nb eo b t a i n e d i nt h ed i g i t a ld o m a i n ，a sl o n ga st h e s i g n a l f e a t u r e st h o s eh i d ei n f o r m a t i o na r er e c o g n i z e d ，o n ec a ne x t r a c tt h ei n f o r m a t i o n f r o mt h es i g n a lf e a t u r e sb yd i g i t a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u e su s i n gc e r t a i nm e t h o d s c o r r e s p o n d i n gt ot h et i m eo fr a d i a t i o ne v e n th a p p e n i n g ，t h er a d i a t i o ns i g n a li s o fs h a r pt r a n s i t i o n 。a n dt h ei n f o r m a t i o no fr a d i a t i o ne v e n t sa r eh i d d e ni nt h e f e a t u r e so ft h ep o i n t so fs h a r pt r a n s i t i o n t h ew a v e l e ta n a l y s i si san o v e lm e t h o d f o rs i g n a lp r o c e s s i n ga n dc a nb eu s e dt oe x h i b i tt h ef e a t u r e so ft h ep o i n t so fs h a r p l i t t r a n s i t i o ni ns i g n a l ， i n t h i sp a p e r ，t h er a d i a t i o ns i g n a lh a v eb e e na n a l y z e da n dp r o c e s s e du s i n g w a v e l e tm e t h o di nd e t a i l ，a n dt h et e c h n i q u e sh a v eb e e nd e v e l o p e df o rt h es y n t h e s i s o ft h eg a u s s i a np u l s es h a p e sb a s e do nt h ew a v e l e ta n a l y s i s t h eg a u s s i a ns h a p i n g f i l t e r ( g s f ) b a s e do nw a v e l e ta n a l y s i sh a s ad i s t i n c tm e r i t ，w h i c hi st h a ti tc a n a c c u r a t e l ye x t r a c te n e r g yi n f o r m a t i o na n dt i m ei n f o r m a t i o nf r o mr a d i a t i o ns i g n a l a tt h es a m et i m e t h ep e a ka m p l i t u d eo ft h eg a u s s i a np u l s er e f l e c t st h ee n e r g y i n f o r m a t i o nf o rr a d i a t i o nr a y ，a n dt h ep e a kp o s i t i o no ft h eg a u s s i a np u l s er e f l e c t s t h et i m ei n f o r m a t i o nf o rr a d i a t i o ne v e n th a p p e n i n g t h eg s fb a s e do nw a v e l e ta n a l y s i si sab a n d - l i m i t e df i l t e r a tt h eo u t p u to f t h eg s f ，t h em i n i m u mm e a ns q u a r en o i s ei so b t a i n e db yc h o o s i n gas u i t e ds c a l e ， a n ds ot h eb e s ts i g n a lt on o i s er a t i o ( s n r ) i sa c h i e v e d ， t h en o i s ec o r n e rc o n s t a n tla n dt h ee x p o n e n td e c a yc o n s t a n t 7 0 h a v eb e e n e v a l u a t e du s i n gd e s c r i b e dm e t h o d s w h i c hh e l pt od e s i g na na p p r o p r i a t eg s fw i f b m o r ea c c u r a t ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sr e l a t e dt oar a d i a t i o nd e t e c t i o ns y s t e m t h ee v a l u a t i n gp r e c i s i o no ft h ee x p o n e n td e c a yc o n s t a n t t 0 h a sb e e ne f f e c t i v e l y i m p r o v e db yd e n o i s i n gt h en o i s ye x p o n e n ts i g n a lw i t hw a v e l e tt r a n s f o r m ， t h ed i g i t a la l g o r i t h m sb a s e do nt h eo s ff o rm e a s u r i n ge n e r g ys p e c t r o s c o p y h a v e b e e nd e s c r i b e d i nt h ea l g o r i t h m sf o rp u l s ed e t e c t i o n ，b e s i d e st r a d i t i o n a l t h r e s h o l d t h em i n i m u mw i d t hm i n w i d t ha n dt h em a x i m u mw i d t hm a x w i d t ha r e u s e da tt h es a m et i m e ，w h i c hr e d u c et h ep r o b a b i l i t yo fm i s t a k i n gf o ro rm i s s i n go u t t h ev a l i dr a d i a t i o np u l s e s m a k i n gu s eo ft h el i n e a rp h a s ec h a r a c t e r i s t i co f t h eg s f am e a s u r e m e n to ft h ep e a ka m p l i t u d eo fap u l s ei ss i m p l yo b t a i n e db yc a p t u r i n gt h e v a l u eo ft h ep u l s ea m p l i t u d ea tt h eo u t p u to fs l o wf i l t e rc h a n n e la tt h ep u l s e s a r r i v a lt i m el p e a w h i c hh a sb e e nm a d es u r ei nf a s tf i l t e rc h a n n e lb a s e do i lt h ep u l s e d e t e c t i o na l g o r i t h m s ，w h i c hs i m p l i f i e st h ep r o c e d u r eo fc a p t u r i n gp e a ka m p l i t u d e o fap u l s e t h ep i l e u pc o r r e c t i o na l g o r i t h m sb a s e do nt h eg s fi m p r o v eb o t ht h e e n e r g yr e s o l u t i o na n dt h ep u l s et h r o u g h p u tf o rar a d i a t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e m b e c a u s et h er a t eo fo u t p u t p u l s e sc l o s e st ot h er a t eo fi n p u tp u l s e s ，i ti sn o t n e c e s s a r y a ta p p r o x i m a t ee a s et oc o r r e c tt h em e a s u r e d e n e r g ys p e c t r o s c o p y a c c o r d i n gt ot h ed e a dt i m ec o r r e c t i o na l g o r i t h m s t h er e c u r s i o na p p r o x i m a t i o na l g o r i t h m sf o rr e a l i z i n gt h eg s fa r ed e s c r i b e d t h el i n e a rp h a s er e c u r s i o na p p r o x i m a t i o na l g o r i t h m sc a ne x t r a c te n e r g ya n dt i m e i n f o r m a t i o na tt h es a m et i m ea n dw e l le x h i b i tt h ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c eo f t h eg s f t h el i n e a r p h a s er e c u r s i o na p p r o x i m a t i o na l g o r i t h m sn e e d am a s so fm e m o r y r e s o u r c e sb e c a u s eo fm a k i n gu s eo fa n t i - c a u s ef i l t e r i n g i fo n l ym e a s u r i n ge n e r g y s p e c t r o s c o p y ，i no r d e rt or e d u c et h ed e m a n d so fh a r d w a r er e s o u r c e s ，t h en o n l i n e a r p h a s er e c u r s i o na p p r o x i m a t i o na l g o r i t h m sa r ep r o v i d e di nt h i sp a p e r ，t o o t h ed i g i t a l s y s t e mp l a t f o r mf o rm e a s u r i n ge n e r g y s p e c t r o s c o p yi sf o r m e d u s i n gb o t ht h ed i g i t a ln u c l e a ri n s t r u m e n ts y s t e ma n dt h ea l g o r i t h m sf o rm e a s u r i n g e n e r g y s p e c t r o s c o p yb a s e d o i lt h eg s f i ti sv a l i d a t e dt h a tt h e d i g i t a ls y s t e m p l a t f o r mf o rm e a s u r i n ge n e r g ys p e c t r o s c o p yi se f f i c a c i o u sb ym e a s u r i n ge n e r g y s p e c t r o s c o p yi np e r s o nc o m p u t e rw i t h t h es i m u l a t i n gs i g n a l sa n dt h e s a m p l i n g s i g n a l s c o n t r a s t w i t ht h er e s u l t sf r o ma n a l o g s y s t e mf o r m e a s u r i n ge n e r g y s p e c t r o s c o p y ，t h ee n e r g yr e s o l u t i o nf r o md i g i t a ls y s t e mf o rm e a s u r i n ge n e r g y s p e c t r o s c o p yi so b v i o u s l yi m p r o v e d k e yw o r d s ：n u c l e a ri n s t r u m e n t s ，g a u s s i a ns h a p i n gf i l t e r ，w a v e l e ta n a l y s i s ， d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，e n e r g yr e s o l u t i o n v 到川大学博_ ：学位论文 第一章引言 1 1 研究意义及选题依据 核信息的获取和处理作为一种常见的研究手段，在许多基础科学研究和应 用科学研究中有着重要的应用。从核辐射中提取的核信息可以用于核性质、核 结构和核衰变等基础科学研究；以提取核辐射信息为基础的核分析技术，以其 灵敏度高、准确度好、微区和微量分析、破坏性低、具备多元素分析能力等， 在材料科学、地球科学、考古学、医学、生物学、环境科学等众多学科中得到 广泛应用【l 。】。国家自然科学基金委员会在“核技术科学发展战略研究报告”中， 把发展核分析方法及其应用列为优先支持方向，国际权威核科学组织国际原子 能机构( i a e a ) 已将核分析技术列为一项重要的研究手段和方法。 核仪器是用于获取和处理核信息的基本设备。传统的模拟核仪器系统由标 准模块化插件组成。根据不同的测量任务。选择不同功能的模块插 牛，插入标 准机箱，就能组成测量所需的核仪器系统。核辐射信号所携带的各种信息，比 如辐射粒子的能量、辐射粒子的种类、辐射事件发生的时刻、辐射粒子与探测 器介质招互作并j 的位置等，都能够找到褶应的核模块插件纽成系统进行提取。 模拟核仪器已经可以满足人们许多应用需求。 不同的应用对提取核信息的要求是不同的，研究人员希望能够根据测量任 务的变化对核仪器系统功能作相应的调整，以适应不同的测量要求；有时需要 同时提取多种核信息，希望核仪器系统能满足多任务测量需求。传统的模拟核 仪器系统，标准的模块化插件功能是由生产厂家定义并固化在硬件上，用户难 以根据实际的测量条件对模块插件的功能进行相应的调整或优化；由标准模块 化插件组成的核系统，往往只具有单一的测量功能，如仅测量粒子的能量，或 仅测量核事件发生的时间等。模拟核仪器系统的这些不足妨碍了核信息提取质 量的进一步提高，促使研究人员探索和开发新型的核仪器系统平台。数字处理 技术的发展为新型核仪器系统平台的开发提供了契机，传统的模拟核仪器系统 开始过渡到数字核仪器系统。 在数字核仪器系统中，探测器前放输出的信号经过必要的带宽限制和增益 调节之后，立即被高速a d c 数字化，信号处理完全在数字域里进行。数字处 塑型查兰坚主兰堡堡塞 理技术在核仪器系统中的应用，具有许多明显的优越性： ( 1 ) 理想性。对于数字处理技术，只要认清了反映信息的信号特征，总能找 到一定的方法理想地从信号特征中提取我们所需的信息。 ( 2 ) 灵活性。一个数字核仪器系统的硬件平台，只要根据不同的测量任务编 写不同的算法，就可以灵活地适应不同的测量任务需求；对每个测量任务，可 以根据不同的实验条件进行优化，获得最佳的实验结果。 ( 3 ) 稳定性。在数字核仪器系统中，数字处理算法实现的信号处理功能不会 随着环境的变化( 如温度等) 或数字器件的老化而改变。 “) 抗干扰性。模拟信号数字化后，在传输和处理过程中，不会函为外界干 扰或数字器件本身物理性能的不完善而引入附加的噪声源。 ( 5 ) 保真性。数字信号可以不失真地保存起来，以便离线作进步的深入处 理；数字信号也能够实现无畸变地远距离传输，结合数字通信和网络技术，可 以实现实验网络化。 可以预见，数字核仪器系统的研究和开发，不仅推动核仪器系统本身的发 展，而且通过它在基础科学研究和应用科学研究中的应用，必将推动这些领域 的研究水平上一个新的台阶。 1 2 数字核仪器系统研究历史及现状 用数字技术处理核信号已有3 0 多年历史】。早在1 9 7 3 年，h ，k o e m a n e 3 1 介绍了对核谱仪中信号脉冲进行采样和数字滤波处理的方法；1 9 7 5 年， t t k o e m a n 【4 4 峙艮道了数字横向滤波器的实现原理及其在x r a y 测量中的应用。 这是核信号数字处理的早期理论。受数字电子技术发展的制约，2 0 世纪7 0 年 代和8 0 年代，数字核仪器系统研究进展缓慢【6 _ 8 】。 2 0 世纪9 0 年代早期，随着快速a d c 技术【9 1 0 l 和可编程逻辑电路技术 1 1 - 1 3 1 的高速发展，核信号数字处理技术的研究活跃起来1 1 4 - 1 9 1 ，并在2 0 世纪9 0 年代 中后期得到快速发展【2 岫”。这一阶段仍存在着成本代价高，技术不成熟的矛盾。 然而，数字核仪器系统的发展前景和潜在的市场需求。吸b l 了国外一些科研机 构和公司将大量资源投入到数字核仪器系统的研发上。意大利p o l i t e c n i c 0 实验 室“1 的研究人员在不同噪声条件下研究了优化成形滤波器的综合算法，哥伦 比亚大学物理系 3 0 - 3 3 ! 的研究人员对脉冲上升时间识别、脉冲形状识剐等算法进 婴型盔兰堡主兰堡丝苎 行了广泛研究；这些研究工作主要集中在如何利用数字处理技术的灵活性改善 测量能谱的质量上：他们建立的数字核仪器系统，数字处理算法是通过d s p 芯 片实现的，研究工作仅限于一些原理性的探索，数字核仪器系统还没有推广到 实际应用中。密歇根大学核工程系3 4 。7 】的研究人员对脉冲成形的实时实现算法 进行了研究，并设计了一个在采样时钟频率达到5 0 m h z 时仍能实现实时处理 的数字梯形滤波器原型( p r o t o t y p e ) 【3 6 】。美国的x i a 公司3 8 - 4 1 】、o r t e c 公司【4 2 4 6 1 、 c a n b e r r a 公司【4 7 郴1 对数字核仪器系统在实际中的应用进行了大量研究，较 多地集中在数字x - r a y 和数字 r - r a y 能谱仪的研究上。1 9 9 7 年，第一批数字核 谱仪商业化产品面市，现在已经有多种高性能的商业化产品口8 4 0 ，4 3 4 朝。 原则上，探测器前放输出信号数字化越早，噪声和其它干扰对信号的影响 就越小。由于前放输出信号含有频带较宽的噪声成分，如果直接数字化，为了 避免混叠影响，必须要求较高的a d c 采样频率；采样频率高，意味着数据量 大，对数字信号处理单元的处理速度和存储资源要求也高。考虑到数字器件的 发展水平，以及作为商业化产品的性价比等因素，数字核谱仪一般采用模数混 合结构，在数字化之前，先用模拟的前端条件线路对信号进行预处理，限制带 宽和调节幅度增益，以降低对后续处理设备如a d c 、d s p 等的性能要求。x i a 公司研制的商业化数字核谱仪产品采用的就是这种配置。 目前的商业化数字核谱仪产品，主要集中在优化能谱的分辨率性能上，而 对核辐射发生的时间和相互作用位置等信息的提取则显得不足。除x i a 公司提 供的4 通道数字核谱仪系统外1 3 8 - 3 9 1 ，现有产品也不能同时处理多路探测任务。 2 0 0 1 年，美国a r g o n n e 国家实验室联合美国多家大学和科研机构，组成了 “核结构物理中的数字电子学”工作组i ”l ，计划设计和建立一套用于核结构物 理研究的通用数字信号处理系统，使其能满足不同的实验要求。这套系统分成 a d c 和d s p 两块板卡。a d c 板包含前端条件线路和波形数字化，板上的f p g a 还可以进行简单的信号处理。d s p 板实现更复杂的算法如信号分解、y - r a y 示 踪计算等。两块板卡的分离增加了系统的灵活性，也减少了信号的畸变。为了 适应不同的探测器，系统中使用两种不同性能的a d c ：1 0 0 m h z ，1 2 b i t 或1 g h z ， 8 b i t 。该工作组目前着手研制的是一套用于多参数测量的4 0 路数字化核测量系 统，已经设计出了一个4 0 道的a d c 板。这套系统能够满足低能核物理的绝大 多数应用，如y - r a y 示踪探测器、半导体探测器、闪烁探测器、快时问探测器r 快 凹川大学博士学位论文 塑料闪烁体、8 球毋) 、电离室等，可以实现能量、时间、粒子鉴别、一维位置、 三维定位和粒子径迹等不同参数的测量。这套系统结构简凑，通用性强，不仅 可以实现各种传统核测量任务，而且具有可扩展性，充分展示了数字信号处理 系统的优越性，体现了当前数字核仪器系统发展的水平和方向。 数字核仪器系统作为核测量系统的发展方向，除了建立系统的通用平台 外，数字处理算法的研究也是重要的内容，脉冲成形算法则是最主要的数字信 号处理算法。x i a 公司在其系列产品中使用了梯形滤波器，o r t e c 公司的系列 产品使用两腰有一定曲率的梯形滤波器，c a n b e r r a 公司使用三角形或梯形 滤波器。梯形和三角形成形是当前数字核谱仪中典型的脉冲成形方法。 传统的高性能模拟核谱仪系统，广泛使用高斯成形技术 5 1 - 5 5 。 e s g o u l d i n g 5 6 1 等指出，高斯脉冲成形是在给定的分辨时问下接近于获得最好能 量分辨率的脉冲成形技术。可是，高斯成形的优异性能在数字核仪器系统中尚 未得到充分地发挥 5 7 4 8 】。 1 3 小波分析在辐射信号处理中的应用 小波分析是2 0 世纪8 0 年代发展起来的分析工具1 5 9 - 6 3 】，在信号处理、图像 处理、数值泛函分析、量子场论、通信等领域获得了广泛的应用。 1 3 i _ 小波变换的特点 小波函数的基本特点就是在时域和频域同时具有局部化性质，因而小波变 换具有在时间、频率上表征信号局部特征的能力。小波变换的这一性质被用于 刻画信号的奇异性特征。图象的边缘往往出现剧烈变化，携带了图象的一些重 要信息；在对系统进行状态检测的过程中，突变信号的奇异点反映了系统的重 要信息；小波变换是提取这类奇异性特征的有力工具，在图像边缘探测【6 4 - 6 5 1 、 机械故障诊断 6 6 - 6 7 1 等方面获得了广泛应用。 利用小波变换的多分辨率分析能力，信号可以分解成不同频率通道的成 分，以便对信号进行频带分析。如果将分解系数处理后进行小波重构，还可以 实现信号消噪【6 蹦9 】。小波变换消噪用于核谱数据处理，能够在去噪的同时保真 有用的峰信号，避免了传统平滑去嗓方法可能出现的弱峰丢失或出现假峰的现 象【7 0 _ 7 2 1 。 四川大学博士学位论文 塑料闪烁体、肋而) 、电离室等，可以实现能量、时间、粒子鉴别、一维位置、 三维定位和粒子径迹等不同参数的测量。这套系统结构简凑，通用性强不仅 可以实现各种传统核测量任务，而且具有可扩展性，充分展示了数字信号处理 系统的优越性，体现了当前数字核仪器系统发展的水平和方向。 数字核仪器系统作为核测量系统的发展方向，除了建立系统的通用平台 外，数字处理算法的研究也是重要的内容，脉冲成形算法则是最主要的数字信 号处理算法。x i a 公司在其系列产品中使用了梯形滤波器，o r t e c 公司的系列 产晶使用两腰有一定曲率的梯形滤波器，c a n b e r r a 公司使用三角形或梯形 滤波器。梯形和三角形成形是当前数字核普仪中典型的脉冲成形方法。 传统的高性能模拟核谱仪系统，广泛使用高斯成形技术 s l - 5 5 。 f s g o u l d l n g 5 6 1 等指出，离斯脉冲成形是在给定的分辨时间下接近于获得最好能 量分辨率的脉冲成形技术。可是，高斯成形的优异性能在数字核仪器系统中尚 未得到充分地发挥 5 7 - 5 9 1 。 1 3 小波分析在辐射信号处理中的应用 小波分析是2 0 世纪8 0 年代发展起来的分析工具 5 9 - 6 3 ，在信号处理、图像 处理、数值泛函分析、量子场论、通信等领域获得了广泛的应用。 1 3 i 小波变换的特点 小波函数的基本特点就是在时域和频域同时具有局部化性质，因而小波变 换具有在时间、频率上表征信号局部特征的能力。小波变换的这一性质被用于 刻画信号的奇异性特征。图象的边缘往往出现剧烈变化，携带了图象的一些重 要信息；在对系统进行状态检测的过程中，突变信号的奇异点反映了系统的重 要信息 小波变换是提取这类奇异性特征的有力工具，在图像边缘探测 6 4 - 6 5 】、 机械故障诊断1 6 6 - 6 7 1 等方面获得了广泛应用。 利用小波变换的多分辨率分析能力，信号可以分解成不同频率通道的成 分，以便对信号进行频带分析。如果将分解系数处理后进行小波重构，还可以 实现信号消噪【6 8 4 。小波变换消噪用于核谱数据处理，能够在去噪的同时保真 有用的峰信号，避免了传统平滑去噪方法可能出现的弱峰丢失或出现假峰的现 有用的峰信号，避免了传统平滑去噪方法可能出现的弱峰丢失或出现假峰的现 象 7 0 - 7 2 1 。 四川i 大学博士学位论文 1 3 2 小波分析在辐射信号处理中的应用 1 3 2 1 小波变换用于表证辐射信号的奇异点特征 阶跃信号和慢指数衰减信号是辐射探测器电荷灵敏前置放大器系统输出 的两类基本信号。对应于辐射事件发生时刻，辐射信号产生阶跃上升沿，具有 突变性。因此辐射信号是奇异信号，奇异点的位置携带了辐射事件发生的时间 信息，奇异点的幅度变化携带了辐射粒子的能量信息。辐射信号的奇异点特征 表征了辐射信号的重要信息。小波变换是刻画奇异信号的奇异点特征的理想工 具，可以用于表征辐射信号的奇异点特征。 1 3 2 2 小波变换消噪在核仪器系统参数识别中的应用 指数衰减信号的衰减时间常数是系统的特征参数，脉冲成形滤波器的设计 要求与系统特征参数匹配，否则，在成形脉冲的尾部可能出现下冲或振荡，影 响后继脉冲的幅度测量精度。 系统特征参数一般可通过采样信号进行识别；状态空问方法是系统特征参 数识别的有效方法 7 3 - 7 4 ：提高采样信号的信噪比，有利于提高状态空间方法对 参数识别的精度。由于核信号通常有较宽的频带，传统的消噪方法对核信号的 消噪效果并不理想。小波变换消噪技术在去除噪声的同时，有效地保真了信号 的高频成分，可以用于核信号的消噪处理【6 8 1 。 1 4 研究内容和章节安排 本文以“数字核仪器系统中高斯成形滤波的设计与实现”为研究课题，根 据辐射信号的特点，结合小波分析方法表征信号的能力，研究了辐射信号的高 斯成形技术，展示了基于小波分析的辐射信号高斯成形的特点，讨论了利用高 斯成形滤波器进行能谱测量的方法，研究了高斯成形滤波器的数字实现算法， 构建了数字能谱测量系统的平台，利用个人计算机对仿真信号和实验采样信号 进行了能谱测量。 具体章节安排如下： 第一章介绍本文研究意义，数字核仪器系统的研究历史及现状，小波分析 特点及其在辐射信号处理中的应用，以及本文的主要研究内容。 第二章介绍辐射探测和测量的基本理论，影响能量分辨率的主要因素，小 塑业查兰丝兰兰垒堡壅 一 波分析的基本理论，小波变换表征突变信号特征的能力。 第三章根据辐射信号的特点，选择合适的小波函数，利用小波分析技术对 辐射信号进行系统的分析和处理，导出辐射信号的高斯成形技术，分析高斯成 形滤波器的噪声抑制性能和获得最大信噪比的条件，最后给出噪声转角时间常 数和指数衰减时间常数的评估方法。 第四章介绍基于高斯成形滤波器的数字能谱测量方法。 第五章研究高斯成形滤波器的线性相位递归近似和非线性相位递归近似 两种实现算法，分析两种不同近似算法的特点。 第六章首先介绍数字核仪器系统的基本结构，结合基于高斯成形滤波器的 数字能谱测量算法，构建数字能谱测量系统平台：最后通过p c 机对仿真信号和 实验采样信号进行能谱测量，验证数字能谱测量系统的可靠性和有效性；与模 拟测量结果比较，体现数字能谱测量系统的优越性。 第七章总结本文研究的主要结论和创新之处，并对进一步的研究工作提出 一些设想。 第二章辐射探测与小波分析的基本理论 辐射探测与测量系统的主要功能。是将探测器内产生的电荷脉冲转换为电 压脉冲，然后进行处理和分析，提取感兴趣的信息。对应于辐射事件的发生时 刻，辐射信号有突变性。小波函数具有时频局部性和带通性，能够在时域和频 域很好地表征瞬变或突变信号的特征。小波分析可以作为核信号分析的有力工 具。 2 1 辐射能谱学中辐射探测与测量的基本问题 2 1 1 脉冲幅度谱与能量分辨率 脉冲幅度信息常用脉冲的幅度分布来表示，也称为脉冲幅度谱。将脉冲成 形系统输出的电压脉冲输入脉冲幅度分析器，得到不同幅度间隔内的脉冲计数， 由脉冲的幅度间隔与相应的脉冲计数就可以构建脉冲幅度谱。如果将脉冲幅度 转换为能量，则脉冲幅度谱变为辐射能谱。 图2 1 显示了能量为疡的单能辐射源产生的能谱，图中给出了能谱的半高 宽f w h m ，定义为能谱中最大计数值一半处的全宽度，是度量谱仪系统能量分 辨的一个指标【强】。能量分辨率定义为能谱的半高宽f w h m 与能谱峰中心值疡 的比值1 7 6 】， r ：f w h m 1 0 0 毛 ( 2 1 ) 能量分辨率是衡量辐射能谱学所用辐射探测和测量系统的主要性能指标，表征 了系统区分输入辐射粒子的不同能量的能力。 袭征谱仪系统能量分辨率的另一个指标，就是脉冲成形系统输出的电压脉 冲幅度涨落的标准偏差唧。如果脉冲幅度谱呈高斯分布，则f w h m盯，之间 存在以下关系 型：2 3 5 5 旦 毛 ( 2 2 ) 是脉冲幅度的平均值。 j _ 。 厂j k 0 2- l 劂 1，。声 0 图2 - 1 脉冲幅度谱( 或雒谱) 与能量分辨率 在能谱测量系统中，影响能量分辨率的因素有四种。其中一种因素来源于 探测器处理过程自身的统计涨落本质；不管系统其它部分如何完善，信号中总 存在这部分统计涨落，它限制了系统所能达到的分辨率的极限；用f w h m d 表 示这种因素单独作用时能谱的半高宽。影响能量分辨率的其它三种因素分别是 噪声、脉冲堆积、弹道亏损，分别用f w h m ，v 、f w h m e 、和f w h m 8 表示每种 因素单独作用时的半高宽。如果四种因素相互之间是统计独立的，每种因素导 致的幅度涨落呈高斯分布，则总的半高宽为 f w h m = 扛磊瑶再而瑶i 丽珥i 丽砺 ( 2 3 ) 2 1 2 辐射能谱学中辐射探测与测量的基本原理 辐射粒子通过与辐射探测器介质相互作用，将其携带的能量沉积在探测器 介质中，并通过电离、激发、光电转换等过程转换为电荷，以电流脉冲的形式 输出。电流脉冲携带了辐射粒子的重要信息，如电流脉冲的积分总电荷表 征了辐射粒子的能量，电流脉冲输出时刻反映了辐射事件发生的时间，电流脉 冲的形状往往携带了辐射粒子与探测器介质相互作用的位置以及辐射粒子的种 类等信息。 后续信号处理系统根据不同测量要求，对探测器输出的电流脉冲作不同的 处理。在能谱测量中，典型的是用电荷灵敏前置放大器作为电荷收集单元，将 探测器输出的电流脉冲转换为前放输出的电压脉冲。 典型的探测器一电荷灵敏前置放大器基本电路如图2 2 所示，探测器信号在 前放输入端的等效电路如图2 3 所示【7 5 】。 图2 - 3 中 图2 - 3 前放输入端探测器信号的等效电路 c j = c ，+ ( 4 + 1 ) c i 矗，= 置( r i ( 一十1 ) 】 其中，g 包括探测器极问电容c b 、前置放大器的输入电容a 和探测器与 9 前置放大器之间的分布电容q