探测器输出信号反卷积处理方法研究与流程

本发明针对半导体探测器输出信号经关复位型电荷灵敏前置放大器后，输出一系列的阶跃信号，采用C-R微分电路将阶跃信号成为负指数信号提出了一种探测器输出信号反卷积处理研究方法。

背景技术：

信号经过某个系统的过程可以通过卷积来描述，为研究原始信号的特性，采用反卷积算法恢复信号的原始状态。在核辐射测量中，入射射线进入探测器后产生与其能量成正比的电荷量，谱仪系统采用具有较大输入阻抗、较小输出阻抗的电荷灵敏前置放大器连接探测器和后续处理电路。一般地，前置放大器紧贴探测器，组成探头。在前置放大器后通常接一阶C-R微分电路，其目的是为了得到具有较短上升时间的负指数信号。对于阻容反馈型电荷灵敏前置放大，由于Rf较大，输出的核信号具有较大的衰减时间常数，信号较宽，通常需要接入极零相消电路。开关复位型电荷灵敏前置放大器的输出则是一系列的阶梯信号，经过C-R微分电路成形负指数信号。由于开关复位型电荷灵敏前置放大器去掉了阻容反馈型电荷灵敏前置放大中的R_f，消除了R_f引入的Johnson噪声，提高了前置放大器的信号比，同时更有利于高计数率条件下测量。

附图说明

图1为探测器输出信号处理流程图；

图2为C-R微分电路图；

图3为前置放大器输出信号数字实现算法；

图4为前置放大电路输出信号；

图5为冲激响应数字实现算法；

图6为入射射线冲激响应；

图7为连续核信号反卷积得到冲激响应信号。

具体实现方式

为使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。

为了研究原始信号的特性，采用反卷积算法恢复信号的原始状态。在核辐射测量中，入射射线进入探测器后产生与其能量成正比的电荷量，谱仪系统采用具有较大输入阻抗、较小输出阻抗的电荷灵敏前置放大器连接探测器和后续处理电路。一般地，前置放大器紧贴探测器，组成探头。

本发明所提供的一种探测器输出信号反卷积处理方法，其特征在于，利用数值微分方法和反卷积方法得到入射射线在探测器中产生的冲激响应信号，在高计数率条件下利用入射射线产生的冲激响应信号近似为探测器探测到的真实计数值，可应用于死时间校正和堆积脉冲探测，具体如下:

A、为了得到较短上升时间的负指数信号，前置放大器后通常接一阶C-R微分电路；

B、对于阻容反馈型电荷灵敏前置放大，由于Rf较大，输出的核信号具有较大的衰减时间常数，信号较宽，通常需要接入极零相消电路；

C、开关复位型电荷灵敏前置放大器的输出则是一系列的阶梯信号，经过C-R微分电路成形负指数信号。由于开关复位型电荷灵敏前置放大器去掉了阻容反馈型电荷灵敏前置放大中的R_f，消除了R_f引入的Johnson噪声，提高了前置放大器的信号比，同时更有利于高计数率条件下测量；

D、利用反卷积算法得到入射射线在探测器中产生的单位冲激响应。

图1所示为探测器输出信号处理流程图，前置放大器紧贴探测器，组成探头。在前置放大器后通常接一阶C-R微分电路，然后经过主放大电路，再经模数转换得到数字信号。

图2所示为C-R微分电路，其目的是为了得到具有较短上升时间的负指数信号。

图3所示为前置放大器输出信号数字实现算法，ADC采样得到的信号经一个时钟延时后与其放大(1+K)倍信号做差，得到的结果与其延时一个时钟的信号再求和，最终得到前置放大器输出信号。

图4为前置放大电路输出信号，该信号由FAST-SDD探测，最后被20MSPS ADC采集得到。探测器中集成了前置放大器，其输出经过了C-R微分电路和线性放大电路，得到核信号的衰减时间常数为1.6μs。由图可以看出，经过C-R微分电路的输出信号恢复得到探测器输出信号，即阶跃信号。

图5为冲激响应数字实现算法，阶跃信号延时一个时钟周期后与其前一个信号做差即可得到单位冲激信号，也就是入射射线在探测器中产生的响应；

图6为入射射线冲激响应，将图4中的阶跃信号按照图5所示过程，得到入射射线在探测器中产生的冲激响应；

图7为连续核信号反卷积得到冲激响应信号，将图4中信号改为连续信号按照图5所示，得到连续核信号反卷积得到冲激响应信号。

本发明具有如下特点：

1、为了得到较短上升时间的负指数信号，前置放大器后通常接一阶C-R微分电路，根据基尔霍夫电流定律，可建立C-R微分电路的电流等式：

在离散时间域中式上式可写为：

V_in[n]＝(1+K)V_out[n]-V_out[n-1]+V_in[n-1]

式中，K＝T_s/(RC)，T_s为ADC的采样频率，RC为核信号的衰减时间常数。这里认为ADC前的放大电路仅是对信号幅度进行放大，不改变信号的形状。V_out为ADC采样得到的离散信号，V_in为前放输出信号，即阶跃信号；

2、对于阻容反馈型电荷灵敏前置放大，由于Rf较大，输出的核信号具有较大的衰减时间常数，信号较宽，通常需要接入极零相消电路；

3、开关复位型电荷灵敏前置放大器的输出则是一系列的阶梯信号，经过C-R微分电路成形负指数信号。由于开关复位型电荷灵敏前置放大器去掉了阻容反馈型电荷灵敏前置放大中的R_f，消除了R_f引入的Johnson噪声，提高了前置放大器的信号比，同时更有利于高计数率条件下测量；

4、利用反卷积算法得到入射射线在探测器中产生的单位冲激响应，阶跃函数的导数为单位冲激函数，即du(t)/dt＝δ(t)。在离散时间域δ[n]可表示为：

其中，Ts为ADC的采样频率。由上式可以看出，阶跃信号延时一个时钟周期后与其前一个信号做差即可得到单位冲激信号，也就是入射射线在探测器中产生的响应。

在上述发明的实施例中，对探测器输出信号反卷积处理方法研究进行了详细说明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。