一种高计数率下的随机脉冲多道幅度分析器

摘要

本次公开一种高计数率下的随机脉冲多道幅度分析器，使用FPGA单芯片完成主要功能。在FPGA中对数字化的探测器脉冲信号进行微分，用微分信号产生脉冲起止信号，脉冲起止信号控制脉冲幅度检测。在脉冲起止信号无效时开始估计探测器脉冲信号的基线值，脉冲起止信号有效时检测探测器脉冲信号的最大值，最大值减去当前估计的基线值得到探测器脉冲对应的幅度值。在探测器脉冲信号有效后的一定时间内判断对应微分信号的脉冲个数，脉冲个数大于等于2，认为探测器脉冲信号堆积，此脉冲不计入能谱。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高计数率下的随机脉冲多道幅度分析器，具体涉及一种ɣ射线探测器信号能谱采集的数字多道脉冲幅度分析器。

背景技术

多道脉冲幅度分析器在辐射事件探测中具有重要作用，可以获取射线能谱数据，在不同的应用中，可将分析器范围设定为1024道，2048道，4096道等，各道可以同时测量。辐射探测器的输出信号是随机的，脉冲信号叠加在变化的基线上，当多个辐射事件发生在探测器的分辨时间内，探测器的输出信号会发生堆积，在高计数率下，脉冲的堆积更加严重。随着辐射探测技术的发展，计数率的不断提高，为了保证能谱的能量分辨率，对多道脉冲幅度分析器中随机脉冲幅度分析的精度要求也更高。

目前存在两种随机脉冲幅度分析的方法，一种是传统的模拟多道脉冲幅度分析器，探测器输出的信号要经过微分电路、成形电路和基线恢复电路，产生高斯脉冲，由峰值检测模块判断脉冲峰顶的位置，通知多道脉冲幅度分析器中的ADC进行脉冲幅度采样，多道脉冲幅度分析器在对应脉冲幅度的道址上将能谱数据加1，此方法的多道脉冲幅度分析器集成度低电路复杂，体积和功耗较大，成本也较高，且在高计数率下脉冲的基线恢复电路精度不高，影响脉冲幅度分析的精度，通过率也较低。另一种是将探测器信号数字化的多道脉冲幅度分析器，探测器前放的信号由高速ADC进行采样，产生离散的脉冲信号数据，根据脉冲基线的噪声情况设定信号阈值，由阈值来判断信号的起止。脉冲的堆积判断使用波形参数比较的方法，对探测器输出的脉冲信号进行拟合，得到脉冲的表达式，产生标准脉冲，在探测器实际脉冲来到时与标准脉冲比较，偏差大于一定值则判断脉冲堆积。此方法虽然可以实现高的计数通过率，但是由于探测器脉冲信号的基线随着计数率变化，导致阈值相对于基线在变化，会出现小幅度脉冲丢失和脉冲起止信号抖动的现象，脉冲的基线估计和幅度检测存在很大误差，在判断脉冲堆积时需要知道探测器脉冲信号的表达式，实际表达式拟合时误差也较大。

发明内容

针对前述的现有多道脉冲幅度分析器所存在的技术不足，提出一种高计数率下的随机脉冲多道幅度分析器。

本发明所采用的技术方案是：

选择探测器的脉冲信号的前沿时间为t1，t1的取值范围是80ns~120ns,探测器信号的宽度是t2，t2的取值范围是800ns~1200ns。探测器的脉冲信号经过增益调节和适配滤波器后，使用FPGA控制高速ADC实时采集探测器的随机脉冲信号，采样的离散信号经过平滑滤波后进行微分，判断微分后的脉冲信号，得到脉冲信号的起止信号，由起止信号控制对探测器脉冲信号的基线估计和脉冲幅度的检测，高计数率时，探测器输出的脉冲信号存在堆积的情况，需要对脉冲信号进行堆积判断，在探测器脉冲信号有效后的2.5×t1时间内判断对应微分脉冲信号的脉冲个数，脉冲个数大于等于2个，认为探测器脉冲信号有堆积，将此脉冲信号抑制掉，避免脉冲幅度分析的错误。

所述的数字多道脉冲幅度分析器使用低功耗的FPGA芯片，取代复杂的分立数字器件，单芯片完成探测器输出的脉冲信号的数字滤波、数字微分、脉冲信号基线估计、脉冲堆积判断、脉冲幅度分析、能谱数据存储和接口。

使用FIR滤波器对采样的探测器脉冲信号进行滤波，使滤波后的脉冲信号没有毛刺。根据响应公式,求出滤波器系数，构建一个FIR滤波器，实现信号微分器，探测器的脉冲信号经过微分器，可以得到微分的脉冲信号，由于微分器具有通交流隔直流的作用，微分后信号的基线始终固定在0值，不会随时间和计数率变化。

假设微分脉冲信号中的噪声最大值为Nd，Nd的取值范围是0~4095，触发阈值为Th，Th的取值范围是0~4095，微分脉冲信号的采样值为D_n，n的取值范围是1~120,若微分脉冲信号的当前采样值为D_n，则微分脉冲信号的下一个采样值为D_n+1，设定触发阈值Th的值满足Th>Nd，当微分脉冲信号的采样值Dn>Th时，可以判断微分脉冲信号开始，假设脉冲起止信号为Ts，此时赋值Ts=1代表脉冲信号有效，继续判断微分脉冲信号采样值D_n与阈值Th的关系，当微分脉冲信号采样值满足-Th<D_n<Th时，继续跟踪判断下一个微分脉冲信号采样值是否满足-Th<D_n+1<Th，如果有连续5个微分脉冲信号采样值满足此条件，可以判断微分脉冲信号结束，此时赋值Ts=0代表脉冲信号无效,从而可以用Ts的值来判断探测器脉冲信号的有效和无效。

假设脉冲起止信号为Ts，当脉冲起止信号Ts=0时，即脉冲信号无效时，对脉冲信号基线的值进行求和平均，假设基线值为B，代表脉冲信号第1点到第m点的采样值，其中m是在脉冲起止信号Ts=0到Ts=1时间内的采样点个数，m的取值范围是1~2000，基线值；当脉冲起止信号Ts=1时表示脉冲信号有效，此时判断探测器脉冲信号的采样值X_k，k的取值范围是1~20，若探测器脉冲信号的当前采样值是X_k，则后1个采样值是X_k+1，后2个采样值是当X_k+2，后3个采样值是X_k+3，当满足X_k≥X_k+1>k≥X_k+2，且X_k≥X_k+3时，则判定X_k为脉冲幅度最大值，令Xmax=>k，用Xmax-B可以得到脉冲信号的幅度值。

假设脉冲起止信号为Ts，当脉冲起止信号Ts=1时代表脉冲信号有效，开始计时并判断微分脉冲信号的个数，寻找到第1个脉冲的最大值Dmax1，然后判断寻找最小值Dmin1，以Dmin1为起始点寻找第2个脉冲的最大值Dmax2，以此类推继续寻找最小值和最大值，记录在2.5×t1时间内的最大值的个数N，若N≥2,这个脉冲信号堆积，反之没有堆积。

本发明的有益效果是：

所述的多道幅度分析器所有电路都在一块电路板上实现，主要功能由FPGA芯片完成，集成度高，使用元器件数量少，稳定性高。根据本方法所实现的多道幅度分析器具有以下优点：

体积小，成本低，易于应用；

数字基线估计精度高，可提高分辨率和通过率；

对探测器脉冲信号进行微分，消除了基线波动引起的幅度判断误差，不会出现小幅度脉冲丢失和脉冲起止信号抖动的现象；

在提高计数通过率的情况下，改善基线估计的准确性，提高脉冲起止信号的精度，减小随机脉冲堆积对脉冲幅度分析的影响；

用规定时间内微分信号的脉冲个数判断探测器脉冲的堆积情况，不依赖于探测器脉冲信号的表达式，使脉冲幅度分析的精度大大提高。

附图说明

图1是多道脉冲幅度分析器的原理示意图；

图2是脉冲幅度分析的工作流程图；

图3是高速ADC采样电路原理图；

图4是单个探测器脉冲信号的微分信号示意图。

图中：1 增益调节电路，2 高速ADC，3 滤波器，4 微分器，5 脉冲幅度判断，6 脉冲堆积判断，7 存储器，8 FPGA芯片，9 单片机。

具体实施方式

结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明所述的多道脉冲幅度分析器的工作原理如图1所示，增益调节电路（1）将探测器输出的脉冲信号放大到0V~1V范围，高速ADC（2）为80MHz采样频率的AD9236数模转换器，采样周期为12.5ns，滤波器（3）是FIR数字低通滤波器，对ADC采样的探测器信号进行平滑处理，微分器（4）为FIR实现的近似理想的信号微分器，经过微分器后脉冲信号变窄，脉冲幅度判断（5）连续判断探测器脉冲信号的基线值和脉冲最大值，用最大值减去基线值得到脉冲的幅度，脉冲堆积判断（6）在脉冲持续的2.5倍前沿时间内判断微分脉冲的个数，当个数大于等于2时，脉冲堆积，此脉冲幅度不做分析，存储器（7）存储没有堆积的脉冲的能谱数据，FPGA芯片（8）完成上述的数字信号处理算法、脉冲幅度分析、能谱存储等，单片机（9）用于能谱数据的发送。

本发明的具体脉冲幅度分析的工作过程如图2所示，探测器输出的脉冲信号前沿时间为100ns,此脉冲信号由FPGA芯片（8）控制的高速ADC（2）采样得到离散的采样数据，高速ADC采样电路如图3所示，ADC的输入信号是调理后的差分信号。脉冲采样数据进入FPGA芯片（8）实现的FIR低通滤波器（3），滤除高频噪声。在FPGA芯片（8）中使用FIR滤波器实现一个信号微分器，滤波后的脉冲信号输入到微分器（4）得到变窄的微分信号，如图4所示。微分信号分别用于判断脉冲信号的起止和脉冲堆积判断（6），脉冲起止信号有效表示脉冲来到开始判断探测器脉冲的最大值，起止信号无效表示没有探测器脉冲可以进行基线估计，在探测器脉冲持续的250ns时间内连续判断微分脉冲的个数，微分脉冲有多个表示探测器脉冲信号堆积，否则探测器脉冲信号没有堆积，进行脉冲幅度判断（5），用探测器脉冲幅度的最大值减去当前的基线值得到脉冲的幅度值，将对应幅度的道址上的能谱数据加1并存储到存储器（7）中，存储器（7）是FPGA芯片（8）内部实现的双口RAM。FPGA芯片（8）和单片机（9）使用总线连接，单片机选着C8051F340，具有USB接口和串口，最后由单片机（9）读取能谱数据发送到电脑。