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数字核谱仪系统中关键技术的研究

张怀强  
【摘要】:核能谱是核物理研究、射线探测和核技术应用领域中获取的重要信息,核能谱测量技术的改进一直是重要的热点问题。其中多道脉冲幅度分析技术是核谱仪的核心技术。随着ADC和数字信号处理技术的迅猛发展,以高速、高分辨率的ADC对输入核信号进行采集,应用高速数字信号处理器(DSP,FPGA,CPLD等)对脉冲幅度进行有效分析和提取为特点的数字核谱仪的实现已经成为现实,核信号采集与处理的数字化是核谱仪发展与应用的主流方向。 尽管国内外的相关科研机构对数字核谱仪系统中的关键技术进行了研究,国外的数字核谱仪已经商业化,但国内仍处于研究与应用的初级阶段,对波形数字化、数字滤波成形、数字基线恢复、数字堆积识别、计数率校正以及脉冲幅度的数字提取等关键技术缺少深入的研究,也没有搭建一套有效的数字核谱仪系统中关键技术测试平台。 针对上述技术问题,论文主要对数字核谱仪系统中以下几个关键技术问题进行了研究: (1)调研国内外数字核谱仪系统的组成,分析了影响数字核谱仪性能指标的主要因素,对核脉冲信号波形的数字化过程进行研究,并对数字核谱仪系统中ADC芯片的选型需要考虑的主要因素进行分析。 (2)分析与比较了数字核谱仪系统中幅度提取的三种方法:直接比较法、曲线拟合法与滤波成形法,并对适合于数字核谱仪系统的幅度提取方法展开研究,采用合成成形法对数字核信号进行成形处理。 (3)对核脉冲信号基线漂移的原因以及基线漂移对幅度提取的影响进行了分析,同时比较与研究了数字核谱仪系统中基线恢复的三种方法:零面积滤波法、分段滤波法与插值逼近法,并对数字核谱仪系统中简单、快速、有效的基线最优化估计方法展开研究,提出的插值逼近法可从理论上实现基线的最优化估计。 (4)对数字核谱仪系统中脉冲堆积的原因、识别方法以及脉冲堆积对幅度提取的影响进行分析与研究,通过比较脉冲间隔时间与成形参数大小关系,对脉冲的堆积识别进行了深入的研究。 (5)对数字核谱仪系统中最优化成形方案与最佳成形参数进行研究,并从梯形成形、三角成形以及高斯成形方案对系统的弹道亏损补偿、噪声抑制以及幅度提取等性能的影响出发,对成形方案与成形参数的选择进行了深入的分析。 (6)对测试平台中的关键技术进行研究,特别对滤波成形、基线恢复、堆积识别、计数率校正、幅度提取等功能模块的设计与实现展开了深入的分析与研究。 通过对数字核谱仪系统中的关键技术的研究,得出如下创新性研究成果: (1)通过对数字核谱仪系统中几种幅度提取方法的比较与分析,提出了基于滤波成形法的合成成形方法对数字核信号进行成形处理,该方法可以实现任何噪声下的数字滤波成形,而且只需通过简单地改变成形参数,即可实现不同形状的成形输出。 (2)通过对数字核谱仪系统中几种基线恢复方法的比较与分析,提出的插值逼近基线恢复法,可从理论上实现基线的最优化估计。 (3)搭建了一套数字核谱仪系统中关键技术测试平台。该平台具有USB通讯功能,可实现数字核信号的高速传输,同时该平台具有滤波成形、基线恢复、堆积识别、计数率校正以及幅度提取等功能,对理论得出的最优化数字核信号处理方案与最佳成形参数的可行性与合理性进行验证。通过测试,对同一批数据,当设定不同的梯形成形时间(18μs到50μs)时,能量分辨率从210eV提升到165eV(55Fe),而脉冲计数率从8102下降到7623。同时测试平台可采用不同的数字核信号处理方法来搭建一个多套算法的数字核信号处理系统。 (4)研制了一套基于Si-PIN探测器的数字核谱仪系统,该系统采用FPGA与DSP相结合的方案来实现数字滤波成形、数字基线恢复、数字堆积识别、幅度提取以及计数率校正等关键技术,在实际实验中取得了良好的效果。


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