CN118074696A - 一种核信号的极零相消方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种核信号的极零相消方法和装置，通过辐射探测器与阻容反馈型电荷灵敏前放电路获取到高信噪比、长衰减时间的输出信号；高信噪比、长衰减时间的输出信号分别通过CR微分电路和线性调整电路，分别得到短衰减时间、但带下冲的信号和线性衰减信号，然后通过这两个信号相加进行极零相消，得到无下冲、短衰减时间的信号，本方法和装置可保留输入信号的直流信息，解决了传统技术直接接地带来的噪声问题，提高了电路的信噪比。
Description
技术领域
本发明属于核信号处理技术领域，具体涉及一种核信号的极零相消方法和装置。
背景技术
核辐射测量***是开展核科学相关技术研究及应用的重要实验平台，通过对被测样品的辐射测量数据进行实时处理与综合分析，从而确定其组分含量或者放射性核素种类及活度等，现已广泛地应用于高能物理和核物理基础研究、矿产资源勘查、环境监测、核医学、考古鉴定以及国土安全等诸多领域。
早期的核辐射测量***主要采用模拟电路处理核脉冲信号（如基线恢复、极零相消、成形滤波以及脉冲幅度分析等），由于传统模拟电路存在稳定性和灵活性较差、测量方法有限等问题，导致其测量精度并不高、数据处理能力相对较低。微电子技术和计算机技术的快速发展为核辐射测量***的数字化提供了强大技术支持，使得核能谱测量更加准确、高效和可靠。高速ADC（Analog-to-Digital Converter，ADC）芯片、现场可编程硬件逻辑器件FPGA（Field-Programmable Gate Array，FPGA）以及数字信号处理方法在核仪器的研发和生产中得到广泛应用，数字化和智能化已经成为核辐射测量***发展的主要趋势，它带来了更高的灵敏度、精度、灵活性、可扩展性、自动化和智能化水平。
现有的高能量分辨率核辐射测量***中还存在极零相消处理后信号直流信息丢失、信噪比变差等问题。
发明内容
针对现有高能量分辨率核辐射测量***中极零相消处理后信号存在直流信息丢失、信噪比变差的问题，本发明提出了一种核信号的极零相消方法和装置：
辐射探测器信号经过阻容反馈型电荷灵敏前放电路处理后，得到高信噪比、长衰减时间的输出信号；高信噪比、长衰减时间的输出信号分别通过CR微分电路和线性调整电路，分别得到短衰减时间、带下冲的信号和线性衰减信号，然后通过加法器，实现带下冲指数衰减信号和线性衰减信号的加法运算，得到无下冲、短衰减时间的信号。
当阻容反馈型电荷灵敏前放电路与CR微分电路中的电容与电阻改变时，所得到的短衰减时间、带下冲的信号也会发生变化，上位机通过改变线性调整电路的调整系数，来对线性衰减信号进行调整，经过调整的线性衰减信号和短衰减时间、带下冲的信号再次通过加法器，从而重新得到无下冲、短衰减时间的信号。
较优的，辐射探测器输入的信号在电路分析中可等效为一个脉冲电流源，其数值模型为：
，其中Qs为电流脉冲的电荷量，δ(t)为单位冲激函数；
然后建立阻容反馈型电荷灵敏前放电路的基尔霍夫电流等式：
，其中/>表示阻容反馈型电荷灵敏前放电路的输出电压，/>代表阻容反馈型电荷灵敏前放电路的反馈电容，/>代表阻容反馈型电荷灵敏前放电路的反馈电阻；
对上述基尔霍夫电流等式进行拉普拉斯变换：；
再对上式进行拉普拉斯逆变换，
可得阻容反馈型电荷灵敏前放电路输出信号的时域表达式：
，其中/>,称为衰减时间常数，A为阻容反馈型电荷灵敏前放电路输出信号的最大脉冲幅度。
较优的，根据阻容反馈型电荷灵敏前放电路和CR微分电路以及KCL定律，
可列出如下微分方程：；
进而整理得到：；
将上式进行拉普拉斯变换可得：，其中/>，中文含义为CR微分电路的衰减时间常数，/>为CR微分电路输出信号复频域（S域）下的表达式；
对上式进行拉普拉斯逆变换，可得CR微分电路输出信号的时域表达式：；此时输出信号/>为带下冲的指数衰减信号。
较优的，加法器由运算放大器构成。
较优的，线性调整电路的调整系数影响核信号的梯形成形效果，可以改变核信号的波形。
较优的，根据阻容反馈型电荷灵敏前放电路输出信号的时域表达式和CR微分电路输出信号的时域表达式可得到无下冲、短衰减的时间信号的时域表达式：
,/>为无下冲、短衰减的时间信号，G为调整系数，数值为：/>。
较优的，装置由辐射探测器、阻容反馈型电荷灵敏前放电路、CR微分电路、线性调整电路、加法器电路和上位机组成，其中辐射探测器与阻容反馈型电荷灵敏前放电路相连，阻容反馈型电荷灵敏前放电路另一端与线性调整电路和CR微分电路连接，线性调整电路与加法器电路相连， CR微分电路也与加法器电路相连，加法器电路输出的信号通过上位机，经过处理后反馈到线性调整电路。
较优的，阻容反馈型电荷灵敏前放电路结构为：电容Cf一端接于运算放大器A1负端接口，另一端接于三极端正端接口，电阻Rf一端接于运算放大器负端接口，另一端接于三极端正端接口，运算放大器正端接口接地。
较优的，CR微分电路由电容Cd和电阻Rd组成，其中电容Cd一端与运算放大器A1前端接口连接，另一端用于加法器电路连接，电阻Rd一端与电容Cd连接，另一端接地；所述线性调整电路由电阻R1、电阻Ra、电阻Rf、电阻Rfa、运算放大器A2、运算放大器A3组成，结构为：电阻R1一端与阻容反馈型电荷灵敏前放电路相连，另一端与运算放大器A2负端接口相连，运算放大器A2正端接口接地，电阻Rf1一端与运算放大器A2负端接口相连，另一端与运算放大器A2前端接口相连，电阻Ra一端与运算放大器A2前端接口相连，另一端与运算放大器A3负端接口相连，电阻Rfa一端与运算放大器A3负端接口相连，另一端与运算放大器A3前端接口相连，运算放大器A3正端接口接地。
较优的，加法器电路由电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、运算放大器A4组成，电路结构为：电阻R3一端与运算放大器A3前端接口相连，另一端连接于运算放大器A4正端接口，电阻R2一端接于电容Cd，另一端与运算放大器A4正端接口相连，电阻R4一端接地，另一端与电阻R5相连，电阻R5另一端连接于运算放大器A4正端，运算放大器A4负端连接于电阻R4和电阻R5之间；运算放大器A4正端与上位机相连，上位机又连接于线性调整电路。
较优的，根据调整系数G的不同大小，输出信号有三种可能的脉冲形状。
较优的，当调整系数G偏大时，输出信号会出现过补偿情况。这会导致后续梯形成形脉冲形状发生畸变，平顶逐渐上升，梯形尾端被抬高，影响脉冲幅度的有效提取。
较优的，当调整系数G为最佳补偿值时，输出信号被正确补偿，梯形成形脉冲形状理想，不影响后续脉冲幅度的有效提取。
较优的，当调整系数G偏小时，输出信号会出现欠补偿情况，下冲仍存在。这会导致后续梯形成形脉冲形状发生畸变，平顶逐渐下降，梯形尾端出现下冲，影响脉冲幅度的有效提取。
相比现有技术，本发明的技术方案具有如下优点/有益效果：
1.本方法和装置保留了输入信号的直流信息，不会降低辐射测量***的能量分辨率；
2.输入信号与运算放大器负端接口相连，可避免直接接地所带来的噪声影响，提高信噪比；
3.系数G的数值可根据阻容反馈型电荷灵敏前放电路与CR微分电路中的电容与电阻确定，无需多次反馈调节，并且当阻容反馈型电荷灵敏前放电路与CR微分电路的参数发生改变时，可以通过上位机软件直接调节系数G，提升效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明一种核信号的极零相消装置的结构示意图。
图2是核信号极零相消仿真示意图。
图3是调整系数G对核信号梯形成形影响的仿真示意图。
图4是调整系数G对堆积核信号梯形成形影响的仿真示意图。
图5是核信号极零相消装置性能对比图。
图6是辐射探测器信号经过阻容反馈型电荷灵敏前放电路和CR微分电路处理后的输出信号图。
图7是本极零相消装置处理核信号后的输出信号图。
具体实施方式
为使本发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
实施例1：
一种核信号的极零相消方法：辐射探测器信号经过阻容反馈型电荷灵敏前放电路处理后，得到高信噪比、长衰减时间的输出信号；输出信号分别通过CR微分电路和线性调整电路，得到短衰减时间、带下冲的信号和线性衰减信号，然后通过运算放大器构成加法器，实现带下冲指数衰减信号和线性衰减信号的加法运算，得到无下冲、短衰减时间的信号，且当阻容反馈型电荷灵敏前放电路与CR微分电路中电容与电阻改变时，线性调整电路的调整系数G通过上位机软件直接对信号进行调整。
述辐射探测器电路分析中可等效为一个脉冲电流源，其理想化数值模型为，其中Qs为电流脉冲的电荷量，δ(t)为单位冲激函数；
然后建立阻容反馈型电荷灵敏前放电路的基尔霍夫电流等式：，其中/>表示阻容反馈型电荷灵敏前放电路的输出电压；
对上述基尔霍夫电流等式进行拉普拉斯变换：；
再对上式进行拉普拉斯逆变换，
可得阻容反馈型电荷灵敏前放电路输出信号的时域表达式：，其中/>，称为衰减时间常数。
根据阻容反馈型电荷灵敏前放电路和CR微分电路以及KCL定律，可列出如下微分方程：；
进而整理得到：；
将上式进行拉普拉斯变换可得：，其中/>，中文含义为CR微分电路的衰减时间常数，/>为CR微分电路输出信号复频域（S域）下的表达式；
对上式进行拉普拉斯逆变换，可得CR微分电路输出信号的时域表达式：；此时输出信号/>为带下冲的指数衰减信号。
信号分别通过CR微分电路和线性调整电路，得到带下冲指数衰减信号/>和线性衰减信号/>。
通过加法器进行带下冲指数衰减信号和线性衰减信号/>的加法运算，得到无下冲、短衰减时间的信号/>，完成核信号的极零相消。
调整系数G与核信号的梯形成形效果有关，根据阻容反馈型电荷灵敏前放电路输出信号的时域表达式和CR微分电路输出信号的时域表达式可得到输出信号的时域表达式如式：/>同时，输出信号/>为无下冲、短衰减时间信号，则调整系数G的数值为/>。
如图3所示，根据调整系数G的不同大小，输出信号有三种可能的脉冲形状，如图3中的(a)部分、图3中的(c) 部分和图3中的(e) 部分所示。其中图3中的（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f），皆在图3内有所标示。
由图3中的(a) 部分和图3中的(b) 部分可知，当调整系数G偏大时，输出信号会出现过补偿情况。这会导致后续梯形成形脉冲形状发生畸变，平顶逐渐上升，梯形尾端被抬高，影响脉冲幅度的有效提取。
由图3中的(c) 部分和图3中的(d) 部分可知，当调整系数G为最佳补偿值时，输出信号被正确补偿，梯形成形脉冲形状理想，不影响后续脉冲幅度的有效提取。
由图3中的(e) 部分和图3中的(f) 部分可知，当调整系数G偏小时，输出信号会出现欠补偿情况，下冲仍存在。这会导致后续梯形成形脉冲形状发生畸变，平顶逐渐下降，梯形尾端出现下冲，影响脉冲幅度的有效提取。
如图2所示为核信号极零相消过程的仿真模拟结果，其中阻容反馈型电荷灵敏前放电路输出信号幅度A=500mV，阻容反馈型电荷灵敏前放电路的衰减时间常数，CR微分电路的衰减时间常数/>，调整系数G=0.3636。图2中的（a）部分为辐射探测器信号经过阻容反馈型电荷灵敏前放电路处理后的高信噪比、长衰减时间信号/>的仿真，图2中的（b）部分为信号/>通过CR微分电路处理后的带下冲指数衰减信号/>的仿真，图2中的（c）部分为信号/>通过线性调整电路处理后的线性衰减信号/>的仿真，图2中的（d）为核信号极零相消后的无下冲、短衰减时间信号/>的仿真。其中图2中的（a）、（b）、（c）、（d），皆在图2内有所标示。
如图4所示，由图4中的(a) 部分可知，当调整系数G偏大时，输出信号会出现过补偿情况。这会导致堆积核信号的梯形成形被抬高，影响脉冲幅度的有效提取；由图4中的(b) 部分可知，当调整系数G为最佳补偿值时，输出信号被正确补偿，堆积核信号梯形成形脉冲形状理想，不影响后续脉冲幅度的有效提取；由图4中的(c) 部分可知，当调整系数G偏小时，输出信号/>会出现欠补偿情况。这会导致堆积核信号的梯形成形出现下冲，影响脉冲幅度的有效提取。
图4中（a）、（b）、（c）皆在图4内有所标示。
实施例2：如图1所示，一种核信号的极零相消装置由辐射探测器、阻容反馈型电荷灵敏前放电路、CR微分电路、线性调整电路、加法器电路和上位机组成。
阻容反馈型电荷灵敏前放电路结构为：电容Cf一端接于运算放大器A1负端接口，另一端接于三极端正端接口，电阻Rf一端接于运算放大器负端接口，另一端接于三极端正端接口，运算放大器正端接口接地。
CR微分电路由电容Cd和电阻Rd组成，其中电容Cd一端与运算放大器A1前端接口连接，另一端用于加法器电路连接，电阻Rd一端与电容Cd连接，另一端接地；所述线性调整电路由电阻R1、电阻Ra、电阻Rf、电阻Rfa、运算放大器A2、运算放大器A3组成，结构为：电阻R1一端与阻容反馈型电荷灵敏前放电路相连，另一端与运算放大器A2负端接口相连，运算放大器A2正端接口接地，电阻Rf1一端与运算放大器A2负端接口相连，另一端与运算放大器A2前端接口相连，电阻Ra一端与运算放大器A2前端接口相连，另一端与运算放大器A3负端接口相连，电阻Rfa一端与运算放大器A3负端接口相连，另一端与运算放大器A3前端接口相连，运算放大器A3正端接口接地。
加法器电路由电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、运算放大器A4组成，电路结构为：电阻R3一端与运算放大器A3前端接口相连，另一端连接于运算放大器A4正端接口，电阻R2一端接于电容Cd，另一端与运算放大器A4正端接口相连，电阻R4一端接地，另一端与电阻R5相连，电阻R5另一端连接于运算放大器A4正端，运算放大器A4负端连接于电阻R4和电阻R5之间；运算放大器A4正端与上位机相连，上位机又连接于线性调整电路。
辐射探测器发出的信号经过灵敏前放电路后，经过处理变成信号/>，信号经过CR微分电路后经处理成为信号/>，信号/>经过线性调整电路后变成了施加有调整系数的信号/>，信号/>和施加有调整系数的信号/>一同经过加法器运算过后成为了输出信号/>。
如图5所示，图5中的（a）部分为现有的一种模拟极零相消电路、图5中的（b）部分为现在的一种数字PZC技术所使用的电路、图5中的（c）部分为现有的一种在极零相消过程中使用数字电位器技术的电路，图5中的（d）部分为本发明使用的极零相消技术的电路，由此可见，本发明所用装置与现有技术所用的装置存在较大的不同。
图5中（a）、（b）、（c）、（d）皆在图5内有所标示。
如图6所示，是本实施例的辐射探测器信号经过阻容反馈型电荷灵敏前放电路和CR微分电路处理后的输出信号仿真图，由此可见，本装置完成了核信号的极零相消。
如图7所示，是本实施例所用极零相消装置处理完核信号后的输出信号仿真图。
本实施例选用Ametek公司的GEM型HPGe探测器，测量Eu-152放射源，ADC采样频率为20-80MHz，采用本发明装置对探测器信号经过电荷灵敏前放和CR微分电路处理后的输出信号进行极零相消处理，处理前后的实测核信号分别如图6、图7所示。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种核信号的极零相消的方法，其特征在于，辐射探测器信号经过阻容反馈型电荷灵敏前放电路处理后，得到高信噪比、长衰减时间的输出信号；高信噪比、长衰减时间的输出信号分别通过CR微分电路和线性调整电路，分别得到短衰减时间、带下冲的信号和线性衰减信号，然后通过加法器，实现带下冲指数衰减信号和线性衰减信号的加法运算，得到无下冲、短衰减时间的信号，
当阻容反馈型电荷灵敏前放电路与CR微分电路中的电容与电阻改变时，所得到的短衰减时间、带下冲的信号也会发生变化，上位机通过改变线性调整电路的调整系数，来对线性衰减信号进行调整，经过调整的线性衰减信号和短衰减时间、带下冲的信号再次通过加法器，从而重新得到无下冲、短衰减时间的信号。
2.根据权利要求1所述的一种核信号的极零相消的方法，其特征在于，所述辐射探测器输入的信号在电路分析中可等效为一个脉冲电流源，其数值模型为：
，其中Qs为电流脉冲的电荷量，δ(t)为单位冲激函数；
然后建立阻容反馈型电荷灵敏前放电路的基尔霍夫电流等式：
，其中/>表示阻容反馈型电荷灵敏前放电路的输出电压，代表阻容反馈型电荷灵敏前放电路的反馈电容，/>代表阻容反馈型电荷灵敏前放电路的反馈电阻；
对上述基尔霍夫电流等式进行拉普拉斯变换：；
再对上式进行拉普拉斯逆变换，
得到阻容反馈型电荷灵敏前放电路输出信号的时域表达式：
，其中/>称为衰减时间常数，A为阻容反馈型电荷灵敏前放电路输出信号的最大脉冲幅度。
3.根据权利要求2所述的一种核信号的极零相消的方法，其特征在于，根据阻容反馈型电荷灵敏前放电路和CR微分电路以及KCL定律，
可列出如下微分方程：；
进而整理得到：；
将上式进行拉普拉斯变换可得： ，
其中中文含义为CR微分电路的衰减时间常数，/>为CR微分电路输出信号复频域（S域）下的表达式；
对上式进行拉普拉斯逆变换，
可得CR微分电路输出信号的时域表达式：
，/>为输出信号，也是带下冲的指数衰减信号。
4.根据权利要求3所述的一种核信号的极零相消的方法，其特征在于，所述加法器由运算放大器构成。
5.根据权利要求4所述的一种核信号的极零相消的方法，其特征在于，线性调整电路的调整系数影响核信号的梯形成形效果，可以改变核信号的波形。
6.根据权利要求5所述的一种核信号的极零相消的方法，其特征在于，
根据阻容反馈型电荷灵敏前放电路输出信号的时域表达式和CR微分电路输出信号的时域表达式可得到无下冲、短衰减的时间信号的时域表达式：，/>为无下冲、短衰减的时间信号，G为调整系数，数值为： />，其中/>称为衰减时间常数，/>中文含义为CR微分电路的衰减时间常数。
7.一种核信号的极零相消的装置，其特征在于，所述装置由辐射探测器、阻容反馈型电荷灵敏前放电路、CR微分电路、线性调整电路、加法器电路和上位机组成，其中辐射探测器与阻容反馈型电荷灵敏前放电路相连，阻容反馈型电荷灵敏前放电路另一端与线性调整电路和CR微分电路连接，线性调整电路与加法器电路相连， CR微分电路也与加法器电路相连，加法器电路输出的信号通过上位机，经过处理后反馈到线性调整电路。
8.根据权利要求7所述的一种核信号的极零相消的装置，其特征在于，所述阻容反馈型电荷灵敏前放电路结构为：电容Cf一端接于运算放大器A1负端接口，另一端接于三极端正端接口，电阻Rf一端接于运算放大器负端接口，另一端接于三极端正端接口，运算放大器正端接口接地。
9.根据权利要求7所述的一种核信号的极零相消的装置，其特征在于，所述CR微分电路由电容Cd和电阻Rd组成，其中电容Cd一端与运算放大器A1前端接口连接，另一端用于加法器电路连接，电阻Rd一端与电容Cd连接，另一端接地；所述线性调整电路由电阻R1、电阻Ra、电阻Rf、电阻Rfa、运算放大器A2、运算放大器A3组成，结构为：电阻R1一端与阻容反馈型电荷灵敏前放电路相连，另一端与运算放大器A2负端接口相连，运算放大器A2正端接口接地，电阻Rf1一端与运算放大器A2负端接口相连，另一端与运算放大器A2前端接口相连，电阻Ra一端与运算放大器A2前端接口相连，另一端与运算放大器A3负端接口相连，电阻Rfa一端与运算放大器A3负端接口相连，另一端与运算放大器A3前端接口相连，运算放大器A3正端接口接地。
10.根据权利要求7所述的一种核信号的极零相消的装置，其特征在于，所述加法器电路由电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、运算放大器A4组成，电路结构为：电阻R3一端与运算放大器A3前端接口相连，另一端连接于运算放大器A4正端接口，电阻R2一端接于电容Cd，另一端与运算放大器A4正端接口相连，电阻R4一端接地，另一端与电阻R5相连，电阻R5另一端连接于运算放大器A4正端，运算放大器A4负端连接于电阻R4和电阻R5之间；运算放大器A4正端与上位机相连，上位机又连接于线性调整电路。
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| CN202410464926.XA CN118074696A (zh) | 2024-04-18 | 2024-04-18 | 一种核信号的极零相消方法和装置 |
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Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2024
- 2024-04-18 CN CN202410464926.XA patent/CN118074696A/zh active Pending
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