专利名称：：一种射线能谱仪的快速稳谱方法和装置的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种射线能谱仪的快速稳谱方法和装置，主要应用于核探测技术与核电子学等领域。
背景技术：
：在核探测技术和核电子学等领域中经常采用X射线能谱仪和Y射线能谱仪等来检测地层中天然存在的放射性元素，然后利用检测到的射线的强度和传播时间等参数来计算地质信息。在实际操作过程中，由于受到温度湿度等环境参数的不稳定性、地质条件呈现复杂性、以及探测设备和探测方法本身存在缺陷等诸多因素的干扰，计算得到的能量谱通常会出现谱漂，从而影响后续计算结果的精确性，因此稳谱是探测技术中非常重要的一个环节。目前，广泛采用的稳谱方法主要包括寻峰和校正两个步骤。在稳谱方法中通过寻峰步骤来寻找射线能量谱特征峰的峰道址。目前通常采用的方法是先对于特征峰包络曲线进行滤波处理，然后通过多次迭代进行试探以寻找峰道址。不管是滤波处理还是迭代处理，计算量都非常大。因此，对于主要利用单片机系统进行谱数据处理以达到实时稳谱目的的能谱仪来说，现有寻峰算法的运算开销太大，不易实现实时寻峰。此外，在稳谱方法中还通过校正步骤来对谱数据进行误差校准。目前通常采用的方案是通过分时间段记录能谱，计算各时间段能量谱的同一特征峰的峰道址，得到各能谱相对于某一基准谱而言的特征峰峰道址发生的谱漂移量，再依据谱漂移量反馈控制放大器的增益或探测器的驱动电源高压而补偿已发生的谱漂，从而达到稳谱目的。但是，谱漂移量对应于增益调节或高压调节的数值改变量不易通过实验精确求出其函数关系，即使是运用同一硬件电路设计方案，不同的元器件组成的两台能谱仪，通过实验确定的函数关系也很难保持恒定，使得利用实验方法精确求出函数关系并进行调节以实现稳谱的方案效果不佳。
发明内容针对现有技术的不足，本发明的目的是要提供一种射线能谱仪的快速稳谱方法和装置，可以降低计算量，提高计算速度和精度。为了实现上述目的，本发明提供了一种射线能谱仪的快速稳谱方法，包括以下步骤采用二次曲线拟合射线能量谱特征峰的包络曲线；求包络曲线的对称轴，以计算所述射线能量谱特征峰的峰道址Cp;自适应补偿峰道址Cp相对于基准谱峰道址的谱漂移量以校正所述峰道址Cp，从而实现稳谱。本方法的有益效果是，其中的寻峰步骤利用二次曲线拟合进行谱线特征峰包络曲线滤波，利用二次曲线的左右对称性和只有唯一极值点的特点来求得谱线特征峰的峰道址，将谱线滤波和峰道址计算结合在一起，可以克服现有技术中求峰道址的迭代计算，极大地降低了计算量。校正步骤采用自适应调节算法来逐次改变增益或高压的参数以达到消除谱漂的目的，具有更新速度快、计算精度高的优点。与此对应地，本发明还提供了一种射线能谱仪的快速稳谱装置，包括曲线拟合模块，其采用二次曲线拟合射线能量谱特征峰的包络曲线；寻峰模块，其用于求包络曲线的对称轴，以计算射线能量谱特征峰的峰道址Cp;以及校正模块，其用于自适应补偿峰道址Cp相对于基准谱峰道址的谱漂移量以校正峰道址CP，从而实现稳谱。本装置的有益效果是，在该快速稳谱装置中采用并行计算的数字逻辑结构设计，极大地提高计算速度，从而提高了整个稳谱过程的计算速度，能够达到快速稳谱的目的。图1是根据本发明实施例的射线能谱仪的快速稳谱方法的流程图；图2是根据本发明实施例的射线能谱仪的快速稳谱方法中射线能量谱特征峰理想包络曲线示意图；图3是根据本发明实施例的射线能谱仪的快速稳谱方法中二次曲线拟合计算特征峰谱漂移量的原理示意图；图4是根据本发明实施例的射线能谱仪的快速稳谱装置的结构原理图；以及图5是根据本发明实施例的射线能谱仪的快速稳谱装置中实现寻峰算法的并行计算数字逻辑单元的结构示意图。具体实施例方式下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。图1示出了根据本发明实施例的射线能谱仪的快速稳谱方法的大致流程，该快速稳谱方法，包括以下步骤首先采用二次曲线拟合射线能量谱特征峰的包络曲线；然后求包络曲线的对称轴，以计算所述射线能量谱特征峰的峰道址CP;接下来自适应补偿峰道址CP相对于基准谱峰道址的谱漂移量以校正所述峰道址Cp，从而实现稳谱。各步骤具体描述为步骤S101:采用二次曲线拟合射线能量谱特征峰的包络曲线。在步骤S101中，可以采用最小二乘法来计算二次曲线的系数。射线能量谱特征峰的理想包络曲线方程为《=2—,义，>cP-rr(2x,-2Cp+r)2(72(1)/f"2(7，x,.<cP-r其中Fi为Xi道的计数值；H为峰高度；Cp为峰道址；，層o为高斯宽度，令"*2.355FWHM为半高宽；T为拖尾系数，即峰道址与拖尾起始道址之差。上式曲线方程经过计算机仿真作图后如图2所示，其中拖尾系数值T与探测器类型和射线类型有关，图2中(A)峰的拖尾系数为0.3倍半高宽，(B)峰的拖尾系数为0.7倍5半高宽。由式(1)可知，道址范围在[Cp-T，CP+T]之间的特征峰包络理想曲线为高斯曲线，对该高斯方程进行泰勒公式展开，式(1)可由下式近似表达Fi=aXj+bXi+c(2)其中XiG[Cp-T，CP+T]，a，b，c为待定系数。步骤S102:求包络曲线的对称轴，以计算射线能量谱特征峰的峰道址Cp。在步骤S102中，利用拟合出的二次曲线的对称性和只有唯一极值的特点求对称轴，从而可以确定该谱线特征峰的峰道址。图3示出的是根据本发明实施例的射线能谱仪的快速稳谱方法中二次曲线拟合计算特征峰谱漂移量的原理，其中谱1、谱2分别是两个等间隔时间段内记录下来的谱线。由图3(a)可看出，谱2相对于谱1向右有一定量的谱漂移。选取道址449至道址519之间的谱数据放大显示在图3(b)上，假设以谱1作为基准谱，其特征峰道址为480。选取道址范围472至488，即道址480左右各8个点及道址480本身共17道的谱1、谱2数据按照式(2)进行二次曲线拟合，拟合后的曲线与原始谱线在图3(b)中大致重合。经过曲线拟合之后，谱1的二次拟合曲线的峰道址位置仍为480，并且其曲线关于峰道址左右对称；谱2相对于谱1向右存在一定量的谱漂移，其二次拟合曲线的峰道址位置也会向右偏移，其曲线左右也不会对称。从图3(b)中可以看出谱2相对于谱1向右的谱漂移量为谱2的峰2道址与谱l的峰l道址之差。式(2)的二次曲线拟合求峰道址的算法推导如下选取道址范围XiG[Cp-T，Cp+T]的特征峰包络点，为了计算方便，&可以归一化为1，2，...，k，k+l，...，n，对应1至n点的道址计数值为yi，y2，...，yk，yk+1，...，yn。对之进行式(2)的曲线拟合，则<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>则待定系数a，b计算如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>则如式(3)的曲线的峰道址可由下式计算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>在本发明实施例的描述中以4升Nal(Tl)探测器的1024道谱数据为示例，经实验对比分析以描述特征峰位置，利用17个道的谱数据即可满足计算精度的需要，并且计算量比较小，因此，选取4°K或232Th的特征峰包络点个数为17个点，即17个道的谱数据，式(11)至(15)代入到式(16)中并简化为:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>步骤S103:自适应补偿峰道址CP相对于基准谱峰道址的谱漂移量以校正峰道址Cp，从而实现稳谱。由于图3(b)中谱2相对于作为基准谱的谱1存在向右的谱漂移量，即谱2的峰2道址与谱1的峰1道址之间存在一定量的差值，因此需要在步骤S103中对谱漂移量进行补偿，补偿谱漂移量的方法可以包括自适应地调节增益或调节高压。其中，自适应调节增益包括根据前一次的谱漂移量调节效果反馈，自适应地寻找增益调节的最佳数值改变量，再对放大器的增益进行调节补偿当前谱漂移量。自适应调节高压包括根据前一次的谱漂移量调节效果反馈，自适应地寻找高压调节的最佳数值改变量，再通过对探测器的驱动电源高压进行调节补偿当前谱漂移量。表1为根据本发明实施例的自适应调节增益或高压以达到收敛的调节过程的大致原理。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>按照表1中给出的示例性参考数据，校正步骤中首先通过简单的实验或者查询谱漂移量与增益或高压调节的改变量的粗略函数关系对照表格得到改变量的初始值，然后根据前一次调节的反馈结果采用自适应算法以进一步调整数值改变量，从而可以使调节的结果达到最佳。其中，改变量初始值设置如下当谱漂移量大于等于-5道时，此处采用负号表示向左漂移，用正号表示向右漂移，增益或高压调节的改变量通过粗略实验可初步求得为45，则下一阶段的增益或高压调节数字量设置为当前阶段的增益或高压调节数字量减去45;当谱漂移量等于_4道时，增益或高压调节的改变量通过粗略实验可初步求得为35，则下一阶段的增益或高压调节数字量设置为当前阶段的增益或高压调节数字量减去35;当谱漂移量大于等于5道时，增益或高压调节的改变量通过粗略实验可初步求得为45，则下一阶段的增益或高压调节数字量设置为当前阶段的增益或高压调节数字量加上45;以此类推，重复进行上述步骤。增益或高压调节对应于谱漂移量的改变量初始值是通过粗略实验或查询表格初步估计的，然后可以通过自适应算法逐步调节达到最佳。其自适应调节算法可简单地概括如下假设当前阶段的谱漂移量为向左漂移了IAChk|道，对应的增益或高压调节的改变量应为ADi，若下一阶段不再存在谱漂移量，说明改变量ADi的值是合适的，则ADi不作调节；若下一阶段的谱漂移量仍向左漂移了IACh^l，说明改变量ADi的值偏小，则AD,自加l;若下一阶段的谱漂移量又向右漂移了IAChk，，说明改变量ADi的值偏大，则AD,自减l。在实际计算过程中，通常只需要调节增益和高压二者中的一种就能够达到稳谱的目的。当然，本领域技术人员可以理解的是，增益调节和高压调节的改变量数值完全可以根据实际环境的变化和计算量的要求而改变，并且两种调节可以采用不同的调节参数，表l中示出的调节参数只是起到示例作用而不是限定作用。图4示出的是根据本发明实施例的射线频谱仪的快速稳谱装置的结构，该装置主要包括曲线拟合模块100、寻峰模块200和校正模块300。其中，曲线拟合模块100采用二次曲线拟合射线能量谱特征峰的包络曲线，优选地采用最小二乘法来进行曲线拟合。寻峰模块200主要利用二次曲线的对称性和只有唯一极值的特点来计算二次曲线的对称轴，从而计算射线能量谱特征峰的峰道址Cp。校正模块300主要进行自适应调节增益或者高压，以补偿谱漂移量，从而最终实现稳谱的目的。图5示出的是根据本发明实施例的射线频谱仪的快速稳谱装置中的寻峰模块200的逻辑结构。寻峰模块200由加法器201、减法器202、乘法器203、除法器204和累加器205连接而成，构成的逻辑器件结构满足式(17)。在图5所示的累加器205中，"clr"端用于输入清零信号，"clk"端用于输入时钟信号，"d"端用于输入道址记数值，"q"端输出累加结果。当"clr"端为高电平时，累加器"q"端清零，当"clk"端输入一次上升沿时，"d"端数据则累加至"q"端一次。基于图5所示的并行计算数字逻辑结构设计，编写单片机程序，可以完全保证在iio个指令周期以内完成式(17)的运算过程，能够达到快速计算后一个时间段相对于前一个时间段的谱漂移量的目的。完成该操作可以采用如下的C语言程序来进行inti，y[17]，CP;〃定义变量。i:道址号，取值范围117;y:道址号为i的道址计数值；〃CP:峰道址PortClr=1;〃"累加器清零"端置l，清零累加器10PortClr=0;〃"累加器清零"端置O，解除累加器清零状态for(i=1;i<=17;i++){Portl=i;〃"道址号"端置为iPortYi=y;〃"道址计数值"端置为yPortClk=0;〃"时钟"端置0PortClk=1;〃"时钟"端置1，目的在于产生上升沿}CP=PortCpeak;〃从"峰道址"端读取峰道址号赋值给变量CP校正模块300采用自适应调节算法，用于根据前一次的谱漂移量调节效果反馈，自适应地寻找最佳增益调节或高压调节的数值改变量，再通过增益调节或高压调节补偿当前频漂，达到校正峰道址CP的目的。校正模块300还能够根据实际情况地需要而灵活选择采用增益调节还是采用高压调节，以选择最合适最快速的调节方式来达到稳谱的目的。以上所披露的仅为本发明的优选实施例，当然不能以此来限定本发明的权利保护范围。可以理解，依据本发明所附权利要求中限定的实质和范围所作的等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。权利要求一种射线能谱仪的快速稳谱方法，其特征在于，包括以下步骤采用二次曲线拟合射线能量谱特征峰的包络曲线；求所述包络曲线的对称轴，以计算所述射线能量谱特征峰的峰道址CP；自适应补偿所述峰道址CP相对于基准谱峰道址的谱漂移量以校正所述峰道址CP，从而实现稳谱。2.根据权利要求1所述的快速稳谱方法，其特征在于，所述二次曲线拟合包括采用最小二乘法计算二次曲线的系数。3.根据权利要求1所述的快速稳谱方法，其特征在于，所述计算射线能量谱特征峰的峰道址Cp包括通过二次曲线的对称性和唯一极值求所述对称轴。4.根据权利要求3所述的快速稳谱方法，其特征在于，所述计算射线能量谱特征峰的峰道址Cp采用如下公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>其中，yi为道址i对应的道址计数值。5.根据权利要求1所述的快速稳谱方法，其特征在于，所述自适应补偿所述峰道址Cp相对于基准谱的峰道址的谱漂移量包括根据前一次的谱漂移量调节效果反馈，自适应地调整增益调节的数值改变量，再通过增益调节补偿当前谱漂移量。6.根据权利要求1所述的快速稳谱方法，其特征在于，所述自适应补偿所述峰道址CP相对于基准谱的峰道址的谱漂移量包括根据前一次的谱漂移量调节效果反馈，自适应地调整高压调节的数值改变量，再通过高压调节补偿当前谱漂移量。7.—种射线能谱仪的快速稳谱装置，其特征在于，包括曲线拟合模块，其采用二次曲线拟合射线能量谱特征峰的包络曲线；寻峰模块，其用于求所述包络曲线的对称轴，以计算所述射线能量谱特征峰的峰道址Cp;以及校正模块，其用于自适应补偿所述峰道址CP相对于基准谱峰道址的谱漂移量以校正所述峰道址CP，从而实现稳谱。8.根据权利要求7所述的快速稳谱装置，其特征在于，所述寻峰模块包括由加法器、减法器、乘法器、除法器和累加器，构成的逻辑结构满足以下公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>其中，CP为峰道址，yi为道址i对应的道址计数值。9.根据权利要求7所述的快速稳谱装置，其特征在于，所述校正模块用于根据前一次的谱漂移量调节效果反馈，自适应地调整增益调节的数值改变量，再通过增益调节补偿当前谱漂移量。10.根据权利要求7所述的快速稳谱方法，其特征在于，所述校正模块用于根据前一次的谱漂移量调节效果反馈，自适应地调整高压调节的数值改变量，再通过高压调节补偿当前谱漂移量。全文摘要本发明公开了一种射线能谱仪的快速稳谱方法，包括以下步骤采用二次曲线拟合射线能量谱特征峰的包络曲线；求包络曲线的对称轴，以计算射线能量谱特征峰的峰道址CP；自适应补偿峰道址CP相对于基准谱峰道址的谱漂移量以校正所述峰道址CP，从而实现稳谱。其中的寻峰步骤利用二次曲线的左右对称性和只有唯一极值点的特点来寻找峰道址CP，极大地降低了计算量。校正步骤采用自适应调节算法来逐次改变增益或高压的参数以达到消除谱漂的目的，具有更新速度快、计算精度高的优点。本发明还公开了一种与之对应的快速稳谱装置，包括曲线拟合模块、寻峰模块和校正模块，采用并行计算的数字逻辑结构设计，极大地提高计算速度。文档编号G01T1/40GK101713829SQ20091024368公开日2010年5月26日申请日期2009年12月22日优先权日2009年12月22日发明者吴其反,程建平,覃章健申请人:清华大学