一种基于高阶统计量分析的源驱动式未知核部件多参数获取方法

摘要

本发明公开了一种基于高阶统计量信号处理分析的源驱动式未知核部件多参数获取方法。主要包括利用高阶统计量模型和信号处理方法针对未知核部件多种参数进行获取。高阶统计量模型及信号处理方法包括三个主要方面：①对常规方法难以去除的高斯噪声本征去除；②原理上较传统方法指数级提升对未知核部件裂变元素浓度敏感性且极大简化识别工序；③对该方法所得高阶统计量进行高阶谱分析，提取异于常规手段的特征参量，对未知核部件的几何特征进行识别。本方法因较强的去噪能力、较高的浓度变化敏感性及前所未有的针对几何特征的识别能力，取得了较好的未知核部件多参数获取效果。

说明书

技术领域

本发明属于数字信号处理及核查技术领域，涉及一种基于高阶统计量分析的 源驱动式未知核部件多参数获取方法。

背景技术

核查技术领域中的核材料/核武器识别系统(Nuclear Material/Weapon  Identified System，NMIS/NWIS)，即核武器/材料核查系统，其宗旨在于测量 核材料/核部件的特征参数，从而推断其使用领域。其重要功能是检测核材料/ 核部件的浓度(核材料的浓度是区分武器级和民用级的重要标志，并可以从中推 断出其拥有国核工业水平)。从获取核材料辐射信号的途径而言，核查技术路线 通常分为被动式和主动式两种。限于铀(U，Uranium)材料自发辐射能量较低， 针对其的核查技术需采取主动式测量，即通过外加激励源注入能量引起核材料的 链式反应，通过探测其裂变产物来取得必须的信息，又称为源驱动式测量方法。

源驱动噪声分析系统核查原理如图1所示。首先，#1通道中的自发裂变源 ²⁵²Cf为驱动中子源，其出射的自发裂变中子入射至待测核部件并诱发链式反应。 链式反应会产生若干中子和γ射线，并被#2和#3通道的探测器所捕获。²⁵²Cf源 平均每次裂变放出4个自发裂变中子和6个γ光子。自发裂变中子进入待测核材 料中诱发链式反应产生一系列诱发裂变中子，即待测核材料“受激”后，携带其 相关信息的中子被探测器探测，得到多通道的脉冲中子信号。

通过源驱动方法获得的脉冲中子信号，经NMIS/NWIS系统协方差运算后，其 功率谱密度频率上的幅度值对待测核材料(²³⁵U)的浓度/反应性敏感，随核材料 浓度的升高而增大。然而传统上用于NWIS/NMIS信号分析的二阶统计量——自协 方差、互协方差、自功率谱密度、互功率谱密度函数等会受到探测器探测效率、 探测角度、中子统计涨落、本底噪声、核材料形状等因素的影响，在较理想状态 信号当中都常常会发生浓度差别不大(如93.15％与90.15％)的两组信号相互交叠 而难以区分的情况，如图2所示。特别是针对这一特性的识别方法，国内外只 见报道了一种相关函数积分值与浓度关系曲线法，而且效果并不理想，在电子学 系统存在较大噪声时更是如此。此外，就核军控核查的准确性、可靠性而言，仅 有浓度/反应性等参数远远不够，待测核部件的几何特征同样重要。而这一点是 传统的NMIS/NWIS所欠缺的。

因此，设计一种能够更有效地利用源驱动噪声分析方法所得到的脉冲中子信 息，获得较好的去噪性能，达到较高浓度变化敏感度且具备几何特征识别能力的 未知核材料多参数获取方法，就成为了本发明所关注的问题。

发明内容

本发明需要解决的是如何去除NWIS/NMIS源-探测器互协方差函数中的高斯 噪声、如何提高对未知核材料浓度变化的敏感性、以及如何取得未知核材料几何 特征的问题，从而克服现有方法受噪声影响大、识别精度不高且特征参数单一的 缺点。考虑到NWIS/NMIS和中子脉冲信号的特点和性质，本发明的目的是提供一 种基于高阶统计量信号处理分析的源驱动式未知核部件多参数获取方法，通过对 传统NMIS/NWIS取得的协方差信号做相应的高阶统计量分析，去除噪声、提升监 测方法对未知核材料微小浓度变化敏感性、识别未知核材料浓度和几何特征。该 方法对信息利用充分，抗干扰性能优越，识别灵敏度高且能获取未知核材料的几 何特征，使基于脉冲中子信号的源驱动噪声分析和信号处理方法达到了更高的精 度且扩展了其应用范围。

为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案，包括噪声去除、浓度/反应 性敏感度提升及几何特征识别(流程图见图3)：

(1)高斯噪声去除：通过双谱分析去除源-探测器互协方差函数中的高斯噪声

①通过对基于源驱动式噪声分析方法的核武器核查系统获取的核材料的脉 冲中子信号计算其源-探测器互协方差函数；将原始数据分为k块，而i为某一 块数据中时间轴上某一时间点，采用的脉冲中子源-探测器互协方差函数某一点 的无偏估计的计算公式为：

${\mathrm{Cov}}_k\left(\tau \right)=\frac{1}{M}\underset{i}{\Sigma }{x}_k^{*}\left(i\right)y_k(i+\tau )$

因而整个互协方差信号的无偏估计为：

$\mathrm{Cov}\left(\tau \right)=\frac{1}{K}\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{\mathrm{Cov}}_k\left(\tau \right)$

其中代表某一路信号x_k的复共轭，y_k则是另一路探测器信号；M为 数据块长度，以离散点数表示，由于采样间隔为1ns，则点间距为1ns；τ为时 延；而K是数据块的总个数；

②将Cov(τ)写作Cov(t)，将其看作是有效信号m(t)和高斯噪声信号 n(t)的组合，即

Cov(t)＝m(t)+n(t)

对其进行高阶谱(双谱)分析可得Cov(t)的双谱S_xy(ω₁+ω₂)；因为 Cov(t)由有效信号m(t)和噪声信号n(t)组成，其双谱可以表示为：

B_xy(s₁+s₂)＝B_m(s₁+S₂)+B_n(s₁+s₂)

其中B_m(s₁+s₂)表示有效信号m(t)的双谱，而B_n(s₁+s₂)则是噪声 信号n(t)的双谱；

③根据双谱的定义，高斯信号的双谱为零，即：

B_xy(s₁+s₂)＝B_m(s₁+s₂)

(2)浓度/反应性敏感度提升及浓度判断：通过双谱分析提升传统方法针对核 材料浓度变化的敏感度

①基于原子核物理实验方法，从源裂变事件出发，通过裂变事件条件概率、 裂变链相关条件概率等概率事件，推测出探测器间互功率谱密度函数在低频部分 的表达式为：

$S_{\mathrm{xy}}\left(s\right)=={ϵ}_x{ϵ}_y\frac{\overline{v_0}·\overline{v(v-1)}}{\bar{v}}\frac{F_0}{{\left|\rho \right|}^3},$s＜＜α

其中F₀是源的平均裂变率，v₀是注入系统的源中子数目，而ε_x、ε_y表 示探测器x和y的效率，ρ则是未知核材料的反应性，与其浓度直接相关， 因为S_xy(S)中除ρ外的其他参数均为常数，源-探测器互功率谱密度与未知核 材料的反应性的三次方成反比；

②基于源驱动式噪声分析方法的核武器核查系统获取的核材料的脉冲中子 信号计算其源-探测器互协方差函数是一个有限能量信号，因此其高阶谱(双谱) 可由如下公式给出：

B_x(s₁，s₂)＝S_xy(s₁)S_xy(s₂)S_xy^*(s₁+s₂) 其中S_xy^*(s₁+s₂)是源-探测器互功率谱密度的共轭，因此其在低频部分 的渐进关系为：

$B_x(s_1,s_2)={ϵ}_x^3{ϵ}_y^3\frac{{(\overline{v_0}·\overline{v(v-1)})}^3}{{\left(\bar{v}\right)}^3}\frac{F_0^3}{{\left|\rho \right|}^9},$s₁＜＜α，s₂＜＜α；

③通过源驱动式噪声分析系统针对标准核材料获取不同浓度下产生的脉冲 中子信号，对其进行功率谱和高阶谱(双谱)分析，产生一系列标定数据，作为 获取浓度及反应性的参照标准，并作为标定数据库的一部分；

④利用去噪后的互协方差函数计算其功率谱，进而计算得到双谱，将其与 标定实验获得的数据比对，进行未知核材料浓度、反应性区分；

(3)几何特征识别：通过双谱谱型差别提取位置核材料几何特征

①通过Geant构建系列核材料不同形状的模型，通过仿真手段获取其基于 源驱动式噪声分析系统产生的脉冲中子信号；搭建实验模型，实验获得脉冲中子 信号；将同等条件下的仿真信号与实验信号比对，验证Geant仿真的正确性；

②针对不同形状核材料脉冲中子信号进行高阶谱(双谱)分析，得出其在 谱型上的明显区别，根据谱型特征进行分类，作为标定数据库的一部分；

③提取实测信号的双谱特征，将其与标定数据对比，从而得到未知核材料 的几何特征。

所述信号采集频率可以为1GHz，当然也可以为500MHz或者其他频率。

所述数据块的长度为1024个字节，当然，也可以取256、512、2048等其他 长度。

本发明的有益效果是：

①广泛存在于各种有用信号中的噪声信号多为高斯分布，而在对高斯信号 进行阶数大于等于三阶的高阶谱计算时，其高阶谱恒为0。因此本发明率先采用 的这种计算方法在数学上去除了在全频率段上均匀分布的、用常规信号处理方法 难以去除的高斯噪声，为提高系统辨识度打下坚实的基础；

②由于对与反应性相关的互协方差函数进行高阶谱计算，使其敏感度高于 传统方法两个数量级，且无需针对曲线积分判断浓度的变化，而是直接对高阶谱 峰值进行判断，简化了模式识别算法，降低了相近浓度/反应性间区分的难度， 提高了未知核材料浓度判断的准确度；

③通过高阶统计量分析，较传统方法提取了更多未知核材料的参数信息。 本发明除了取得浓度/反应性等参数外，额外取得了未知核材料的几何特征，从 而为得到更准确、全面的核查结果提供有益信息。

附图说明

图1为源驱动噪声分析与信号处理系统示意图；

图2为理想状态下探测器间互功率谱密度函数频域示意图；

图3为本发明实施例高阶谱测量、信号分析处理及特征提取步骤流程图；

图4为本发明实施例中子脉冲数据预处理流程图；

图5为本发明实施例实测状态下探测器间互功率谱密度函数频域图；

图6为本发明实施例三种不同浓度²³⁵U环形铸件核部件双谱图对比；

图7为本发明实施例浓度为93.15％的²³⁵U球形铸件双谱图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，并不因此将本发明限制在所述的 实施例范围之中。

如图3所示，一种基于高阶统计量信号处理分析的源驱动式未知核部件多 参数获取方法，包括以下步骤：(1)对中子脉冲数据进行采集，得到中子源以 及被中子源激发的未知核材料产生的中子探测计数的时间分布，所述时间分布的 形式是由“0”和“1”组成的中子脉冲序列。随后将采集到的中子脉冲序列进行 协方差运算；对得到的协方差函数进行FFT变换得到功率谱密度函数；(2)对 得到的协方差函数进行高阶统计量分析计算，得到基于协方差函数的高阶统计 量，首先去除了互协方差函数中的高斯噪声，进而得到浓度/反应性差异；本实 施例中采用双谱作为典型高阶统计量示例；(3)基于双谱在特定位置谱型的差 异，提取未知核部件的几何特征；将浓度/反应性特征与几何特征信息融合，获 取全面体现未知核部件性质的多参数特征向量。

本实施例浓度示例方面采用²³⁵U环形铸件作为未知核部件，其浓度分别为 85.15％、90.15％以及93.15％。步骤(1)提到的流程如图4所示。将中子源与中 子探测器获取的脉冲中子信号进行互协方差及互功率谱运算，进而得到可以体现 未知核材料浓度/反应性等特征的互协方差函数/互功率谱密度函数图像，如图5 所示。

所述步骤(2)按如下步骤进行：a.对图5示出的三种不同浓度未知核部 件的源-探测器互协方差函数进行双谱估计分析，计算过程中去除高斯噪声；b. 计算完成得到双谱图像，将其进行寻峰(最大值)分析，并与标定参数比对，得 出浓度识别结果。图5中不同浓度核部件的源-探测器互协方差函数经双谱估计 后的图像如图6所示。此后根据步骤(3)所示的原理进行高阶谱特定位置谱型 差异分析，与标定数据比对，获取未知核部件几何特征。图7中所示的是浓度 为93.15％²³⁵U球体双谱谱型。

上述计算完毕后，将步骤(2)中获得的浓度/反应性特征信息与步骤(3) 中获得的几何特征信息融合，获取全面体现未知核部件性质的多参数特征向量。