本發(fā)明涉及信號處理領(lǐng)域，尤其涉及一種采用尖頂成形算法的數(shù)字脈沖幅度分析器。

背景技術(shù)：

濾波成形是核能譜測量系統(tǒng)中核信號處理的重要方法，對核信號進行適當(dāng)?shù)臑V波成形，可以減小電子學(xué)噪聲、脈沖堆積和彈道虧損等對能量分辨率的影響。

尖頂合成是一種用于核脈沖信號濾波成形的重要方法。核脈沖信號的最優(yōu)濾波成形理論可知，理想的無限寬尖頂脈沖具有最佳的信噪比，但其需要對無限長時間寬度的信號進行運算，因此硬件無法實現(xiàn)。針對這種情況，有限寬度的數(shù)字尖頂成形則能夠獲得接近理想的成型濾波效果，且能夠硬件實現(xiàn)，其相對于數(shù)字梯形成形算法，具有更優(yōu)異的濾波降噪效果。只需要較低規(guī)模的硬件邏輯單元，可有效代替復(fù)雜的模擬濾波成形電路和傳統(tǒng)的數(shù)字梯形(三角形)成形算法，改善系統(tǒng)的脈沖通過率和能量分辨率。

脈沖幅度分析器是能譜分析儀測量的關(guān)鍵部件。核輻射探測器輸出的脈沖幅度與核輻射單個射線能量成正比，脈沖幅度分析器通過測量不同脈沖幅度的計數(shù)得到脈沖幅度譜(即能譜)。

信號波形的數(shù)字化，是指利用ADC將時間連續(xù)、幅度連續(xù)的模擬信號進行時間采樣和幅度量化，得到時間離散、幅度離散的數(shù)字信號。

目前國內(nèi)暫無該的相關(guān)產(chǎn)品及實現(xiàn)技術(shù)，國外有相關(guān)文獻通過卷積的方式實現(xiàn)有限的尖頂成形，此方法需要大量的乘法運算，占用過多的數(shù)據(jù)存儲單元。

目前，模擬電路濾波成形系統(tǒng)的缺點：

傳統(tǒng)的模擬電路成形主要通過有源濾波器等模擬電路進行濾波成形，然后再通過峰值保持電路捕獲脈沖電壓的最大值，如圖1所示，得到的峰值電平由低速高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進行數(shù)字化后得到對應(yīng)的能譜道址。此處理過程死時間較大，不利于系統(tǒng)能量分辨率的提高。模擬濾波成形電路在工作穩(wěn)定性、測量一致性和后期維護等方面存在諸多問題。并且模擬多道的線性度差，調(diào)節(jié)參數(shù)需要更改電路參數(shù)，受溫度影響道址會出現(xiàn)漂移現(xiàn)象。傳統(tǒng)的模擬成形實現(xiàn)方法：

傳統(tǒng)數(shù)字成形系統(tǒng)的缺點：

例如數(shù)字高斯、數(shù)字梯形(三角形)等濾波成形算法，不具有最優(yōu)的濾波效果，提高脈沖信噪比能力有限。

采用卷積方式實現(xiàn)的尖頂成形的缺點：

需要大量的乘法運算，和數(shù)據(jù)存儲單元，不利于算法的實時實現(xiàn)。

上述三種情況使現(xiàn)有的脈沖幅度分析器所獲得的能譜無法達到優(yōu)異效果，則需要設(shè)計能量分辨率更高，穩(wěn)定性更好的數(shù)字脈沖幅度分析器。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種采用尖頂成形算法的數(shù)字脈沖幅度分析器，該數(shù)字脈沖幅度分析器能量分辨率更高，穩(wěn)定性更好，使獲得的能譜達到優(yōu)異效果。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：

一種采用尖頂成形算法的數(shù)字脈沖幅度分析器，包括依次連接的探測器、前置放大器、ADC、FPGA數(shù)字成形器以及微處理器；

所述探測器，用于輸出核脈沖信號到前置放大器；

所述前置放大器，用于對探測器輸出的核脈沖信號進行放大和調(diào)理，并將放大和調(diào)理后的信號輸出到ADC；

所述ADC，用于對放大信號進行高速采樣，輸出數(shù)字脈沖序列信號到FPGA數(shù)字成形器；

所述FPGA數(shù)字成形器，采用遞推差分方程形式的尖頂成形算法,用于對數(shù)字脈沖序列信號進行并行處理，實時輸出濾波成形信號到微處理器；

所述微處理器，用于對FPGA輸出的濾波成形信號進行處理。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的FPGA數(shù)字成形器采用尖頂成形算法，提高了脈沖幅度分析器的穩(wěn)定性、運算速度和能譜分辨率，降低了硬件成本，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性；同時，采用ADC將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，利用數(shù)字化的能譜測量方法，其濾波成形部分全部由數(shù)學(xué)算法實現(xiàn)，這種數(shù)字化的處理方式，降低了電路噪聲的影響，相比于傳統(tǒng)的模擬成形，具有分辨率高、成形線性度好、受溫度影響小和調(diào)節(jié)參數(shù)方便的優(yōu)點。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進：

進一步，所述FPGA數(shù)字成形器包括依次連接的反褶積器、延時器、反轉(zhuǎn)器、加法器和積分器。

進一步，所述尖頂成形算法實現(xiàn)步驟為：

(1)將核脈沖信號通過離散化的反褶積去掉拖尾，得到電流沖激脈沖信號；

(2)對電流沖激脈沖信號進行延時、反轉(zhuǎn)以及加法運算得到脈沖序列；

(3)對脈沖序列進行積分得到一個對稱T形信號序列；

(4)對所述對稱T信號序列進行積分得到雙極性鋸齒信號序列；

(5)對雙極性鋸齒信號序列進行積分得到尖頂信號序列。

采用上述進一步方案的有益效果是：本發(fā)明采用遞推差分方法形式的尖頂成形算法，只需要簡單的加減法運算以及少量的乘法運算，就可以實時運算得出結(jié)果，有利于減少乘法運算和數(shù)據(jù)存儲量，顯著提高運算速度及濾波效果。

進一步，所述尖頂成形算法包括有限尖頂成形算法，所述有限尖頂成形算法是將尖頂?shù)膯吸c展寬為多點。

采用上述進一步方案的有益效果是：尖頂成形算法通過引入平頂，使得只有一個幅值最大點變?yōu)槎鄠€相等的點，使平頂?shù)膶挾却笥谧畲箅姾墒占瘯r間，能有效的克服彈道虧損帶來的幅度損失，從而更加準確地計算得到原始脈沖的幅度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的數(shù)字脈沖幅度分析器原理框圖；

圖2為本發(fā)明的尖頂成形卷積方式實現(xiàn)原理；

圖3為本發(fā)明的尖頂成形差分方程迭代原理；

圖4為本發(fā)明的實測脈沖信號的尖頂成形濾波效果。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。

如圖1所示，一種采用尖頂成形算法的數(shù)字脈沖幅度分析器，包括依次連接的探測器、前置放大器、ADC、FPGA數(shù)字成形器以及微處理器；探測器輸出核脈沖信號到前置放大器；前置放大器對探測器輸出的核脈沖信號進行放大和調(diào)理，并將放大和調(diào)理后的信號輸出到ADC；ADC對放大信號進行高速采樣，輸出數(shù)字脈沖序列信號到FPGA數(shù)字成形器；FPGA數(shù)字成形器采用尖頂成形算法對數(shù)字脈沖序列信號進行并行處理，實時輸出濾波成形信號到微處理器；微處理器對FPGA輸出的濾波成形信號進行處理。

其中，F(xiàn)PGA數(shù)字成形器包括依次連接的反褶積器、延時器、反轉(zhuǎn)器、加法器和積分器，F(xiàn)PGA數(shù)字成形器采用遞推差分方程形式的尖頂成形算法,其實現(xiàn)步驟為：

(1)將核脈沖信號通過離散化的反褶積去掉拖尾，得到電流沖激脈沖信號；

(2)對電流沖激脈沖信號進行延時、反轉(zhuǎn)以及加法運算得到脈沖序列；

(3)對脈沖序列進行積分得到一個對稱T形信號序列；

(4)對所述對稱T信號序列進行積分得到雙極性鋸齒信號序列；

(5)對雙極性鋸齒信號序列進行積分得到尖頂信號序列。

本發(fā)明采用FPGA數(shù)字成形器，提高了核脈沖幅度分析器的運算速度和能譜分辨率，降低了硬件成本，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性；同時，采用ADC將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，利用數(shù)字化的能譜測量方法，其濾波成形部分全部由數(shù)學(xué)算法實現(xiàn)，這種數(shù)字化的處理方式，降低了電路噪聲的影響，相比于傳統(tǒng)的模擬成形，具有分辨率高、成形線性度好、受溫度影響小和調(diào)節(jié)參數(shù)方便的優(yōu)點，數(shù)字積分還可以降低對ADC分辨率、微分非線性和積分非線性等要求。

如圖2所示，在FPGA數(shù)字成形器中，國外有相關(guān)文獻通過卷積的方式實現(xiàn)有限的尖頂成形，實現(xiàn)方式如下所示:

首先將采集到的核脈沖信號通過與系統(tǒng)脈沖響應(yīng)函數(shù)進行卷積得到成形波形，系統(tǒng)尖頂成形卷積方式的離散化公式為

其中，y[n]為尖頂成形脈沖信號序列；

s[n]為AD采樣得到的核信號序列；

h[n]為尖頂成形算法的傳遞函數(shù)；

a_k為濾波器的系數(shù)；

N為系數(shù)的個數(shù)；

k為自然數(shù)1到N；

此方法需要大量的乘法運算，占用過多的數(shù)據(jù)存儲單元。

本發(fā)明采用的尖頂成形算法是利用時域遞推的差分方程形式，只需要簡單的加減法運算以及少量的乘法運算，就可以實時運算得出結(jié)果，有利于減少乘法運算和數(shù)據(jù)存儲量，提高了運算速度。

如圖3所示，遞推差分方程形式的尖頂成形算法，先將核脈沖信號通過離散化的反褶積去掉拖尾，得到電流沖激脈沖信號，然后對電流沖激脈沖信號進行延時和反轉(zhuǎn)以及加法運算得到脈沖序列，對脈沖序列進行積分得到一個對稱T形信號序列，對此信號序列進行積分得到雙極性鋸齒信號序列，然后對雙極性鋸齒信號序列進行積分得到尖頂信號序列。

本發(fā)明設(shè)計有限平頂?shù)募忭敵尚嗡惴ǎㄟ^引入平頂，使平頂?shù)膶挾却笥谧畲箅姾墒占瘯r間，就能有效的克服彈道虧損帶來的幅度損失，從而準確計算得到原始脈沖的幅度。

尖頂和平頂尖頂成形遞推差分在如下方程式中描述：

δ[n]＝s[n]-d·s[n-1]

p[n]＝(δ[n]-δ[n-A]+δ[n-A-B-1]-δ[n-A-A-B-1])

-A·(δ[n-A]-δ[n-A-1]+δ[n-A-B]-δ[n-A-B-1])

q[n]＝q[n-1]+p[n]

r[n]＝r[n-1]+q[n]

y[n]＝y(tǒng)[n-1]+r[n]

T_s為采樣周期；

其中，A＝尖頂成形的斜邊寬度；

B＝梯形的平頂寬度；

δ[n]為電流沖激脈沖信號；

p[n]為脈沖序列信號；

q[n]為對稱T形信號序列；

r[n]為雙極性鋸齒信號序列；

y[n]為尖頂信號序列；

y[n]為尖頂信號序列。

當(dāng)B不為零時即為平頂?shù)募忭敵尚?。?dāng)原始核脈沖信號的上升沿不夠快，核脈沖信號出現(xiàn)幅度虧損，采用單一的尖頂成形則無法降低彈道虧損。如圖4所述，本發(fā)明設(shè)計的帶有平頂?shù)募忭敵尚嗡惴▌t能夠降低彈道虧損，在該實現(xiàn)方式中平頂?shù)母叨入S電荷收集逐漸上升，直到電荷收集完全達到最大值并保持，消除了彈道虧損的影響。但是選取的平頂寬度過寬會增加堆積脈沖的概率，所以要綜合考慮彈道虧損和堆積脈沖的影響來選取合適的平頂寬度。本發(fā)明采用的數(shù)字尖頂成形方法就可以通過軟件調(diào)節(jié)平頂寬度等參數(shù)。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。