一种多模式快速核素检测系统的制作方法

本发明涉及放射性核素检测领域，具体地，涉及一种多模式快速核素检测系统。

背景技术：

目前，放射性核素广泛应用在核电厂、医学检测、生物科学等众多领域。其在提供便利的同时，也不可避免的带来核辐射污染。核辐射污染不仅会对环境造成不可逆的污染，也会对人类造成巨大的伤害，尤其是在2011年日本福岛核辐射危机之后，各国加强了对核安全监控。随着大规模的集成电路的出现，核素探测装置也在朝着便携式、小型化发展。与此同时对核素检测的快速性、准确性提出了更高的要求。

目前，对核信号的处理，一般是采用数字滤波法对核信号进行处理，尽管能够实现对核信号的处理，但却存在由于基线容易偏移，单个信号的误差造成后续信号的连续出现错误，峰值误差较大等问题。针对这些问题，本专利提出了一种连续多模式下的核素信号采集系统。

技术实现要素：

本发明提供了一种多模式快速核素检测系统，解决了现有对核信号的处理却存在由于基线容易偏移，单个信号的误差造成后续信号的连续出现错误，峰值误差较大的问题，实现了检测系统设计合理，检测准确的技术效果。

为实现上述发明目的，本申请提供了一种多模式快速核素检测系统，所述系统包括：

探测器模块：用于采集在放射性核素的激励下输出的核脉冲信号；

信号采集模块：用于对探测器采集到的连续模拟信号进行模数转换，转换成离散的数字信号；并且用于消除由于物理器件造成的基线偏移；

数字处理模块：用于对信号采集模块采集到的信号进行滤波处理，并且对由于数字处理模块中的算法带来的基线偏移数据进行消除处理；

幅值提取模块：用于对数字处理模块滤波处理后的梯形脉冲的幅值进行提取，并对幅值进行修正；

数据存储模块：用于存储数据；

数据传输模块：用于通过网口将数据存储模块中的数据传送到上位机，或将上位机的命令传输到中央控制模块中；

中央控制模块中存储着四种不同的命令，分别对应着不同模式下的数据处理。

其中，本系统的原理为：首先将核辐射探测器放到可能存在放射性核素的地方，进行信号采集；采集到的信号经过前置运放电路送入到高速、高分辨率的adc(模数转换器)中，将连续的模拟信号转换成为离散的数字信号；经离散后的信号在中央控制的控制下有多种模式可以输出，第一种是将高速adc采集到的离散信号送入到数据存储器中，第二种是将滤波后的信号送入到存储器中，第三种是将采集到的道值个数存入到存储器中，第四种是将整个系统的工作参数存储到存储器中。最后，存储器中的数据通过数据传输模块送入到pc机上，上位机软件是由matlab编写的数据读取程序，将数据信号整形成为波形方便人员观察。

进一步的，信号采集模块采用在信号采集模块中的模拟滤波器的两端加载一个外部电压方式消除基线偏移。

进一步的，数字处理模块：用于对信号采集模块采集到的信号进行滤波处理具体包括：

当数字处理模块中的核信号判别器判断有核信号出现之后，将核信号存储到核脉冲采集信号存储单元中，当单个信号全部采集点输入到核脉冲采集信号存储单元之后，滤波器开始工作，对核信号进行梯形滤波，将滤波后的数据连续输出到峰值提取模块中。

进一步的，数字处理模块还用于对核信号进行第一级堆积判别操作，判别方法是根据核信号的存在时间进行判别，当检测到核信号存在的时间超过正常的时间之后，数字处理模块自动识别为堆积信号，将识别出的堆积信号丢弃。

进一步的，数字处理模块采用第一种方式来对由于数字处理模块中算法带来的基线偏移数据进行消除处理：

首先在数字处理模块中的算法处理前，设置两个核脉冲采集信号存储单元分别用于存储单个脉冲信号，数字处理模块中的滤波模块的总共处理时间小于单个脉冲的成形时间；当一个核脉冲采集信号存储单元中的处理完成之时，数字处理模块中的算法已经处于复位状态。

进一步的，数字处理模块采用第二种方式来对由于数字处理模块中算法带来的基线偏移数据进行消除处理：

对采样点进行平和化处理，处理方式为：

其中，δa为当前采集数据值与之前n个点的平均值的误差，修正后的采集点值为x′(n)；x(n)是在adc采集到的离线核信号点，n为核信号的个数，δa为当前核信号采集点与前面几个点的差值，取绝对值；x′(n)为修正后的当前采样点的核信号采样点。

进一步的，幅值提取模块在峰值的提取时有两种提取方式：第一种为采用零面积法提取峰值，通过对前后两个面积的差值，进行峰值的提取；第二种为采样时间延迟，再提取峰值信号；将两种方式提取到的峰值进行求平均值，将平均值作为最终的峰值数据。

进一步的，数据存储模块是将芯片内部4k的存储模块分为两个2k的存储单元，在这两块存储单元中分别存放不同的数据；在初始状态时存储的数据分别是峰值数据的个数以及滤波后的脉冲信号；这两种数据通过以太网实时传输到上位机；在后续的测试过程中，可根据需要通过中央控制模块输出需要的数据。

进一步的，经离散后的信号在中央控制模块的控制下有多种模式输出：第一种是将信号采集模块采集到的离散信号送入到数据存储模块中，第二种是将滤波后的信号送入到数据存储模块中，第三种是将采集到的道值个数存入到数据存储模块中，第四种是将整个系统的工作参数存储到数据存储模块中。

进一步的，数据处理模块、中央控制模块、数据存储模块均集成在同一块sopc芯片。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1、本系统中采用流水线的方式对数据进行处理，减少对数据处理的时间。

2、本系统中通过中央控制器控制存储器，可以存储不同模式下的信号数据，能够有效地监控系统的工作情况。

3、采用优化后的梯形滤波算法，并利用模块化的设计，增加了算法的灵活性，提高了系统的移植能力。

4、本系统中以嵌入式软硬协同设计，实现核素检测装置的sopc单芯片解决方案。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是本申请中多模式快速核素检测系统的组成示意图；

图2是本申请中高速adc采集信号示意图；

图3是本申请中道值个数输出示意图；

图4是本申请中滤波输出示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

请参考图1-图4，本申请提供了一种多模式快速核素检测系统，所述系统包括：

探测器模块：这一模块的主要作用就是采集在放射性核素的激励下输出的核脉冲信号。

信号采集模块：本模块主要有两个作用，第一个是对探测器采集到的连续模拟信号，进行模数转换，转换成离散的数字信号；第二个作用是消除由于物理器件造成的基线偏移。方式为：在模拟滤波器的两端加载一个外部电压(这一电压的作用是用于判断滤波器的电压变换情况)，当有信号来临的时候，滤波器中的电容电压高于外部加载的电压，这时滤波器放电，从而产生一个负向衰减脉冲，当滤波器的电容电压小于外部电压时，滤波器会被外部电压充电。这时基线恢复到原始情况。

数据处理模块：在这个模块中对数据的处理采用两种方式消除由于算法带来的基线偏移，第一种方式为；在传统的核信号处理中，一般是采用连续的方式进行处理，当有一个信号出现出错，这种错误将一直延续到下去，得不到修正。本发明提出采用对单个脉冲信号进行处理，可有效地避免连续处理带来的误差。首先在算法的前面设置两个核脉冲采集信号存储单元分别用于存储单个脉冲信号，滤波模块的总共处理时间小于单个脉冲的成形时间。当一个核脉冲采集信号存储单元中的处理完成之时，算法已经处于复位状态，这样可以有效的避免由于算法的连续性，带来的基线偏移。

数字处理模块：主要作用是对adc采集到的信号进行滤波操作，滤波的过程为：首先当核信号判别器(判别器的功能就是检测有无核信号的出现)判断有核信号出现之后，直接将核信号存储到存储单元中去，当单个信号全部输入到存储单元之后，滤波器开始工作，对核信号进行梯形滤波，最后将滤波后的数据连续输出到峰值提取模块中去。并且在数字处理模块中，还实现了对核信号的堆积进行第一级判别操作，注意判别方法主要是根据核信号的存在时间进行判别。当检测到核信号存在的时间超过正常的时间之后，系统会自动识别为堆积信号，这一部分的信号将会被直接丢弃，不在进行后续操作。

核脉冲采集信号存储单元：主要的作用是，存储adc采集到的核脉冲信号。

滤波模块是数据处理模块的子集，即滤波模块是包含在数据处理模块中的，滤波模块主要是对核信号进行滤波，滤波器是有限的iir滤波器，其抽头系数由操作人员给出。

第二种方式为：噪声是伴随着信号的，为防止由于噪声带来的误差，对采样点进行平和化处理，还可以降低基线的偏移度。处理方式如下所示：

其中，δa为当前采集数据值与之前n个点的平均值的误差(n一般取5)，修正后的采集点值为x′(n)。x(n)是在adc采集到的离线核信号点，n为核信号的个数，一般是固定的，固定为5，δa为当前核信号采集点与前面几个点的误差，取绝对值。x′(n)为修正后的当前采样点的核信号采样点。

通过这样的处理，1、不仅可以降低由算法带来的基线偏移，2、还可以提高算法的精度，3、降低系统的死时间，4、能够直接提取到脉冲幅值。

幅值提取模块：本模块主要作用是完成对梯形脉冲的幅值进行提取，并对幅值进行修正。此模块的与滤波模块是分别独立的，这样可以有效地减少由于滤波器带来的误差，并且在峰值的提取时有两种提取方式，第一种是，采用零面积法提取峰值，即通过对前后两个面积的差值，进行峰值的提取。第二种是，采样时间延迟，再提取峰值信号。最后将两种方式提取到的峰值进行求平均值，将这一平均值作为最终的峰值数据。优势在于：提高幅值的准确性。

数据存储模块：本模块的原理是，将芯片内部4k的存储模块分为两个2k的存储单元，在这两块存储单元中分别存放不同的数据。在初始状态时存储的数据分别是峰值数据的个数以及滤波后的脉冲信号。这两种数据通过以太网实时传输到上位机。在后续的测试过程中，可根据需要通过中央控制器输出需要的数据。其优势在于：1、可实时监控系统的工作状态；2、增加系统的灵活性；3、提高系统的稳定性。

数据传输模块：这一模块主要的器件是网口，通过网口将存储器中的数据传送到上位机，或将上位机的命令传输到中央控制模块中。优势在于：1、以太网传输数据，能有效地提高数据的连续性；2、可根据需要调整传输的速率；3、接口的适用高。

中央控制模块：这一模块中存储着四种不同的命令，这些命令对应着不同模式下的数据处理。

数据处理模块、中央控制模块、数据存储模块时放在同一块sopc芯片里面，既有效地降低了开发的成本，也有助于降低实验的难度。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。