基于实时数字脉冲处理技术的核谱仪研究

本文提出一种基于80 MHz ADC的数字化γ能谱系统。系统由探测器、前端电路、ADC和数字处理单元组成。数字处理在FPGA中完成,主要包括FIR数字滤波、脉冲梯形成形、幅度甄别、数据通讯。为减小高速ADC在采集过程中引入的噪声信号,在数字处理单元实现FIR数字滤波,对数字脉冲信号先进行滤波处理,再进行脉冲梯形成形,得到高分辨率的能谱数据。测量系统中模拟信号全部采用直流耦合,数字脉冲宽度为1.6μs,对137 Cs的能量分辨率达6.88%。     

基于采样定理的核信号数字高斯滤波成形研究

核能谱分析仪中,常采用模拟滤波成形电路处理探测器的输出信号,以满足后级电路对信号波形的需要并滤除噪声。由模拟电路实现的高斯成形系统,改变成形参数必须对硬件进行调整,灵活性及稳定性均不理想。为实现数字滤波成形,根据模拟Sallen-Key高斯滤波成形电路,推导出模拟高斯成形系统的冲激响应;再根据采样定理推导出了数字高斯成形系统的冲激响应。用该数字高斯成形系统对实测核脉冲信号进行处理的结果显示,数字核脉冲信号被滤波成形为准高斯信号,为核脉冲信号数字滤波成形的实现提供了一种新的实现方法。     

核信号的FIR数字滤波模拟计算

通过对模拟核脉冲信号进行离散傅里叶变换,根据得到的频率响应特性,构建最小二乘FIR数字滤波器。运用80MHz高速流水型ADC实时采样的核脉冲信号经过构建FIR滤波器后,噪声得到明显的抑制,输出信号更加平滑,信噪比(SNR)明显提高。采用不同方法对137Cs采样的实时脉冲信号进行滤波处理,其最小二乘FIR滤波器效果最佳。     

基于ARM和FPGA的数字多道分析器研制

多道分析器作为γ能谱测量中不可或缺的组件,其性能直接影响能谱仪分辨率及测量精度,传统的多道分析器多采用模拟电路方法或使用数字采集卡实现。模拟多道对于影响能谱仪性能的成形时间、脉冲通过率及死区时间修正等问题上具有一定的局限性,而这会直接影响能谱分析结果;数字采集卡是实现数字采集的计算机扩展卡,成本较高,不利于市场化推广。数字多道分析器对脉冲信号进行全数字采样,将其转化为数字量,利用数字信号处理方法,通过软件实现,完成整个信号分析处理过程,可极大提高系统稳定性与可靠性,相比于前两种方案,优势明显。设计了一款数字多道分析器,采用ARM处理器+高速ADC+FPGA的硬件方案,主要包括AD采样模块、FPGA数据处理模块和以STM32F4为核心的控制和通信模块。使用数字信号处理方法,编写硬件描述代码实现了脉冲信号滤波成型、幅值提取和基线修正等核脉冲处理的关键算法,最后给出探测器核信号经本文设计的数字多道处理后的γ能谱图。根据国内外研究成果及理论基础,经过深入系统理论分析,方法仿真验证,以及实际调试过程,最终研制出一款可商业化实用、完整且高精度的数字多道分析器,并将其应用在低本底γ能谱仪上,其能量分...     

基于LabVIEW的数字梯形成形算法仿真研究

成形滤波技术是核能谱测量的关键技术,数字梯形滤波是实现核能谱仪数字化的关键环节。论文基于数字多道系统中核信号处理要求,对梯形成形滤波技术进行了理论研究。利用LabVIEW软件平台实现了梯形滤波器仿真,讨论了滤波器参数对系统性能或输出的影响。仿真结果表明,数字梯形滤波成形器能够根据实际信号特性灵活进行参数优化和配置,以有效地适应后续测量。     

基于FPGA的数字核信号处理系统的研究

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,对其测量技术的改进一直为热点研究问题。论文基于FPGA设计一套数字核信号处理系统,对高速ADC采样后的数字核信号通过FPGA控制的高速USB接口电路,直接传送给计算机的测试平台以实现核信号的离线处理,同时该数字核信号在FPGA中实现其滤波成形、堆积识别,基线恢复等功能,得到的能谱通过USB接口传送给计算机。通过测试,系统既能实现原始核信号的传输与保存,又能实现数字核信号的在线处理。     

数字核谱仪系统中脉冲幅度提取方法研究

数字核谱仪系统中脉冲幅度提取的准确性与实时性直接影响到系统的能量分辨率与脉冲通过率。本文对高速ADC采样后的数字核信号脉冲幅度提取方法进行研究,将幅度提取方法按直接比较法、曲线拟合法与滤波成形法的工作原理展开讨论。采用上述三种方法对实际采样的数字核信号进行脉冲幅度提取,在40 MHz的采样频率下,分别采用曲线拟合法与滤波成形法对脉冲幅度进行提取,得到各自的能谱。通过理论分析,实验比较与测试,综合能量分辨率与脉冲计数率的性能,得到最佳的脉冲幅度提取方法为滤波成形法。     

基于MATLAB的数字核信号滤波成形处理方法的研究

在数字核信号的处理中,为获取更好的能量分辨率等性能指标,需要对核信号数字滤波成形处理方法进行研究。基于数值递推方法分别建立了高斯成形和梯形(三角形)成形模型,然后搭建一套基于MATLAB的数字核信号滤波成形处理平台,实现仿真核信号与实际采样核信号的滤波成形处理,分析各滤波成形方案的特点以及不同成形参数对滤波效果的影响,为最优化数字滤波成形方案的选择、最佳滤波成形参数的选取提供设计指导与技术支持。     

基于ⅡR滤波器的核信号数字高斯成形方法

为适应数字化核仪器发展的趋势,研究了一种数字高斯滤波成形的方法。根据模拟高斯成形电路的频率响应,确定数字高斯成形滤波器的指标,设计了皿数字高斯成形滤波器。对实测核脉冲信号进行处理的结果显示,在滤除噪声的同时,可以将数字核脉冲信号成形为准高斯信号。该方法不仅可代替复杂的模拟滤波成形电路,而且能提高系统稳定性和抗干扰性。     

基于LabVIEW的数字核信号滤波成形方法的设计与实现

数字核信号的滤波成形对核谱仪系统的能量分辨率和计数率具有重要意义。本文基于LabVIEW平台将高速ADC采样后的数字核信号通过传递函数法与合成成形法实现其滤波成形。其中合成成形法将数字核信号成形为具有一定曲率的凹成形器与凸成形器,只需简单地修改成形参数,通过叠加合成可实现各种滤波成形输出(梯形、三角与高斯)。最后,系统在LabVIEW平台上修改成形参数,调用MATLAB成形程序,分别实现数字核信号的传递函数法与合成成形法的滤波成形,以验证滤波成形方法的可行性与实用性,同时为数字核信号的滤波成形方案与参数的选择提供技术支持。     

环境辐射监测数字伽玛谱仪设计

本文介绍了一种环境辐射监测数字伽玛谱仪设计方案。本设计采用Na I(Tl)探测器对伽玛射线进行探测,由FPGA控制可编程增益放大器对核脉冲信号进行调节,以适合后续模数转换输入要求。由FPGA控制高速模数转换器AD9235对核脉冲信号进行模数转换,然后采用海明窗低通FIR数字滤波器对数字核脉冲信号进行滤波,滤除高频噪声。本设计采用TMS320C6713对数字核脉冲信号进行梯形成形,改善弹道亏损和脉冲堆积,最后对其进行幅值判断形成能谱。谱仪经刻度后,不仅可以获得现场辐射计数总量还可以获取现场能谱对核素进行初步判别,这对于工业环境辐射监测非常有意义。本设计具有体积小、设计灵活、可扩展性好等特点,非常适合现场环境辐射监测。     

参数最优化数字核能谱获取系统研究

为建立最优能量分辨的数字化核能谱装置,探讨了一种参数最优化数字核能谱获取系统的设计原理及软件实现,通过对核信号预采样和自学习,给出最优化滤波方案和前端条件线路最佳参数。与相同条件下模拟多道系统获取的能谱相比,该数字化能谱获取系统优于模拟系统。     

基于冲激响应不变法的核信号数字滤波成形算法研究

核能谱测量仪器中,常将探测器的输出信号成形为需要的波形,以滤除噪声并将信号成形为方便后续分析的波形。提出了一种数字滤波成形算法。根据模拟CR-RC成形电路,推导出模拟成形系统的单位冲激响应;再用冲激响应不变法实现从模拟域到数字域的转换,得到数字高斯成形系统的冲激响应;将数字核脉冲信号与该单位冲激响应进行卷积和运算实现数字成形。仿真信号及实测采样信号的结果验证了算法是有效的,有效的滤除噪声的同时核脉冲信号被成形为准高斯信号。     

基于冲激响应不变法的核信号数字滤波成形算法研究

核能谱测量仪器中,常将探测器的输出信号成形为需要的波形,以滤除噪声并将信号成形为方便后续分析的波形。提出一种数字滤波成形算法。根据模拟CR-RC成形电路,推导出模拟成形系统的单位冲激响应;再用冲激响应不变法实现从模拟域到数字域的转换,得到数字高斯成形系统的冲激响应;将数字核脉冲信号与该单位冲激响应进行卷积和运算实现数字成形。仿真信号及实测采样信号的结果验证了算法是有效的,有效的滤除噪声的同时核脉冲信号被成形为准高斯信号。     

基于MATLAB的核脉冲信号数字成形实现与性能分析

数字核谱仪系统中数字成形方法与成形参数的选取影响着脉冲信号的噪声抑制、堆积识别、幅度提取,进而直接影响系统的能量分辨率与最大脉冲计数率等主要性能指标。研发一套基于MATLAB的数字核信号处理平台,可分别实现仿真核信号,采样核信号在不同数字成形方法、不同成形参数下的高斯成形、梯形成形与三角成形输出的同时,可构建具有多套数字成形算法验证平台。通过对137Cs(NaI探测器)的γ能谱与Fe源(Si-PIN探测器)的X荧光能谱测试可得:数字高斯成形表现出更好的能量分辨率特性;三角成形表现出更好的最大脉冲计数率特性;梯形成形表现出更好的综合特性。采用梯形成形对137Cs能谱和高斯成形对Fe的特征X射线能谱测试可知:随着成形参数的增加,能量分辨率越好,最大脉冲计数率越低。     

基于FPGA+DSP的核信号数字时间谱仪设计

针对核电子学中核脉冲信号的高速实时数字化处理,设计了基于FPGA+DSP的两通道核信号数字时间谱仪。该实验平台基于数字恒比定时(dCFD)原理,采用高速运放和ADC进行模拟信号成型采样,数字信号送入FPGA完成波形判选、数据缓冲、FIR滤波和基线恢复,利用DSP实时信号重构和函数定时,通过USB2.0接口与上位机通信。该系统的主要特点是具有模数电路的高度集成、数字信号的实时运算,接近模拟定时的精度。     

核脉冲信号滤波成形电路的数字化研究

核脉冲信号的滤波成形电路用于改变脉冲形状、提高核谱仪器系统的信噪比,从而获取更佳的性能指标。从极零相消电路与Sallen-Key电路的工作原理出发,推导了基于数字极零相消、数字Sallen-Key在时域中的成形递推函数,分别获取其在Z域中的传输函数,在频域中对其滤波性能、幅频响应特性进行了分析。对仿真核信号,采用数字极零相消、数字高斯成形递推函数模型,实现不同参数下的极零相消与高斯成形处理。对SiPIN探测器测量~(55)Fe和NaI探测器测量~(137)Cs的核脉冲信号,实现了数字极零相消、不同参数下的数字高斯成形处理,从时域与频域两个方面对结果进行了分析,研究成果可应用于核脉冲信号极零相消、滤波成形参数的最优化选取。     

基于余弦函数的核脉冲信号数字成形方法研究

核脉冲信号的数字余弦函数(cos)成形，因成形简单、可操作性强和灵活性高等优势被用于核脉冲信号的数字成形处理中。本文从单指数衰减脉冲信号和cos脉冲信号的数学模型出发，推导了对称cos成形、零面积cos成形与对称零面积cos成形三种成形方法在Z域中的传递函数和级联公式，分析了成形参数对数字cos成形结果的影响。针对仿真核信号和实际采样核信号，分别实现了三种数字cos成形；基于现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)系统，实现了核信号的数字cos成形、幅度提取、能谱构建等功能。通过对¹³⁷Cs(NaI(Tl)探测器)γ能谱的测试，结果表明三种数字cos成形方法在能量分辨率和计数方面均表现良好，且对称零面积cos成形性能指标更为优异，具有较大的应用前景。     

基于FPGA的核信号高速采集系统的设计

对核信号高速采集系统的研究可实现数字核信号处理方法的改进与算法的验证,以及对数字化核能谱测量系统性能指标的提升具有重要意义。研发一套核信号高速采集系统,通过高速ADC将信号调理电路输出核脉冲信号进行采样,同时在FPGA系统中实现FIFO、USB接口传输功能,将采样后的数据经过FIFO缓存,再通过USB接口传送给后续计算机系统进行保存、显示与进一步处理。在搭建的核信号采集系统上进行测试,通过对5、10、20与33.3 MHz采样率下得到的核信号进行分析与讨论,表明该系统可有效地实现核信号的高速采集。     

基于脉冲面积分析法改善能谱分辨率研究

尽可能减小噪声对γ谱分辨率的影响是γ能谱数据获取与处理的关键,传统的脉冲高度分析方法对于已有的脉冲信号噪声的抑制具有局限性。基于高速波形采样技术,提出采用脉冲面积分析方法获取γ谱,利用脉冲面积求和的方法,相当于对噪声信号进行多次采样求和平均,可以有效抑制噪声的影响。通过仿真模拟和实验测量,说明该方法对提高γ能谱分辨率具有显著的效果,可以成为一种有效的分析方法。