一种高计数率下的随机脉冲多道幅度分析器的制作方法

本发明涉及一种高计数率下的随机脉冲多道幅度分析器，具体涉及一种ɣ射线探测器信号能谱采集的数字多道脉冲幅度分析器。

背景技术：

多道脉冲幅度分析器在辐射事件探测中具有重要作用，可以获取射线能谱数据，在不同的应用中，可将分析器范围设定为1024道，2048道，4096道等，各道可以同时测量。辐射探测器的输出信号是随机的，脉冲信号叠加在变化的基线上，当多个辐射事件发生在探测器的分辨时间内，探测器的输出信号会发生堆积，在高计数率下，脉冲的堆积更加严重。随着辐射探测技术的发展，计数率的不断提高，为了保证能谱的能量分辨率，对多道脉冲幅度分析器中随机脉冲幅度分析的精度要求也更高。

目前存在两种随机脉冲幅度分析的方法，一种是传统的模拟多道脉冲幅度分析器，探测器输出的信号要经过微分电路、成形电路和基线恢复电路，产生高斯脉冲，由峰值检测模块判断脉冲峰顶的位置，通知多道脉冲幅度分析器中的adc进行脉冲幅度采样，多道脉冲幅度分析器在对应脉冲幅度的道址上将能谱数据加1，此方法的多道脉冲幅度分析器集成度低电路复杂，体积和功耗较大，成本也较高，且在高计数率下脉冲的基线恢复电路精度不高，影响脉冲幅度分析的精度，通过率也较低。另一种是将探测器信号数字化的多道脉冲幅度分析器，探测器前放的信号由高速adc进行采样，产生离散的脉冲信号数据，根据脉冲基线的噪声情况设定信号阈值，由阈值来判断信号的起止。脉冲的堆积判断使用波形参数比较的方法，对探测器输出的脉冲信号进行拟合，得到脉冲的表达式，产生标准脉冲，在探测器实际脉冲来到时与标准脉冲比较，偏差大于一定值则判断脉冲堆积。此方法虽然可以实现高的计数通过率，但是由于探测器脉冲信号的基线随着计数率变化，导致阈值相对于基线在变化，会出现小幅度脉冲丢失和脉冲起止信号抖动的现象，脉冲的基线估计和幅度检测存在很大误差，在判断脉冲堆积时需要知道探测器脉冲信号的表达式，实际表达式拟合时误差也较大。

技术实现要素：

针对前述的现有多道脉冲幅度分析器所存在的技术不足，提出一种高计数率下的随机脉冲多道幅度分析器。

本发明所采用的技术方案是：

选择探测器的脉冲信号的前沿时间为t1，t1的取值范围是80ns~120ns,探测器信号的宽度是t2，t2的取值范围是800ns~1200ns。探测器的脉冲信号经过增益调节和适配滤波器后，使用fpga控制高速adc实时采集探测器的随机脉冲信号，采样的离散信号经过平滑滤波后进行微分，判断微分后的脉冲信号，得到脉冲信号的起止信号，由起止信号控制对探测器脉冲信号的基线估计和脉冲幅度的检测，高计数率时，探测器输出的脉冲信号存在堆积的情况，需要对脉冲信号进行堆积判断，在探测器脉冲信号有效后的2.5×t1时间内判断对应微分脉冲信号的脉冲个数，脉冲个数大于等于2个，认为探测器脉冲信号有堆积，将此脉冲信号抑制掉，避免脉冲幅度分析的错误。

所述的数字多道脉冲幅度分析器使用低功耗的fpga芯片，取代复杂的分立数字器件，单芯片完成探测器输出的脉冲信号的数字滤波、数字微分、脉冲信号基线估计、脉冲堆积判断、脉冲幅度分析、能谱数据存储和接口。

使用fir滤波器对采样的探测器脉冲信号进行滤波，使滤波后的脉冲信号没有毛刺。根据响应公式,求出滤波器系数，构建一个fir滤波器，实现信号微分器，探测器的脉冲信号经过微分器，可以得到微分的脉冲信号，由于微分器具有通交流隔直流的作用，微分后信号的基线始终固定在0值，不会随时间和计数率变化。

假设微分脉冲信号中的噪声最大值为nd，nd的取值范围是0~4095，触发阈值为th，th的取值范围是0~4095，微分脉冲信号的采样值为dn，n的取值范围是1~120,若微分脉冲信号的当前采样值为dn，则微分脉冲信号的下一个采样值为dn+1，设定触发阈值th的值满足th>nd，当微分脉冲信号的采样值dn>th时，可以判断微分脉冲信号开始，假设脉冲起止信号为ts，此时赋值ts=1代表脉冲信号有效，继续判断微分脉冲信号采样值dn与阈值th的关系，当微分脉冲信号采样值满足-th<dn<th时，继续跟踪判断下一个微分脉冲信号采样值是否满足-th<dn+1<th，如果有连续5个微分脉冲信号采样值满足此条件，可以判断微分脉冲信号结束，此时赋值ts=0代表脉冲信号无效,从而可以用ts的值来判断探测器脉冲信号的有效和无效。

假设脉冲起止信号为ts，当脉冲起止信号ts=0时，即脉冲信号无效时，对脉冲信号基线的值进行求和平均，假设基线值为b，代表脉冲信号第1点到第m点的采样值，其中m是在脉冲起止信号ts=0到ts=1时间内的采样点个数，m的取值范围是1~2000，基线值；当脉冲起止信号ts=1时表示脉冲信号有效，此时判断探测器脉冲信号的采样值xk，k的取值范围是1~20，若探测器脉冲信号的当前采样值是xk，则后1个采样值是xk+1，后2个采样值是当xk+2，后3个采样值是xk+3，当满足xk≥xk+1，且xk≥xk+2，且xk≥xk+3时，则判定xk为脉冲幅度最大值，令xmax=xk，用xmax-b可以得到脉冲信号的幅度值。

假设脉冲起止信号为ts，当脉冲起止信号ts=1时代表脉冲信号有效，开始计时并判断微分脉冲信号的个数，寻找到第1个脉冲的最大值dmax1，然后判断寻找最小值dmin1，以dmin1为起始点寻找第2个脉冲的最大值dmax2，以此类推继续寻找最小值和最大值，记录在2.5×t1时间内的最大值的个数n，若n≥2,这个脉冲信号堆积，反之没有堆积。

本发明的有益效果是：

所述的多道幅度分析器所有电路都在一块电路板上实现，主要功能由fpga芯片完成，集成度高，使用元器件数量少，稳定性高。根据本方法所实现的多道幅度分析器具有以下优点：

体积小，成本低，易于应用；

数字基线估计精度高，可提高分辨率和通过率；

对探测器脉冲信号进行微分，消除了基线波动引起的幅度判断误差，不会出现小幅度脉冲丢失和脉冲起止信号抖动的现象；

在提高计数通过率的情况下，改善基线估计的准确性，提高脉冲起止信号的精度，减小随机脉冲堆积对脉冲幅度分析的影响；

用规定时间内微分信号的脉冲个数判断探测器脉冲的堆积情况，不依赖于探测器脉冲信号的表达式，使脉冲幅度分析的精度大大提高。

附图说明

图1是多道脉冲幅度分析器的原理示意图；

图2是脉冲幅度分析的工作流程图；

图3是高速adc采样电路原理图；

图4是单个探测器脉冲信号的微分信号示意图。

图中：1增益调节电路，2高速adc，3滤波器，4微分器，5脉冲幅度判断，6脉冲堆积判断，7存储器，8fpga芯片，9单片机。

具体实施方式

结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明所述的多道脉冲幅度分析器的工作原理如图1所示，增益调节电路（1）将探测器输出的脉冲信号放大到0v~1v范围，高速adc（2）为80mhz采样频率的ad9236数模转换器，采样周期为12.5ns，滤波器（3）是fir数字低通滤波器，对adc采样的探测器信号进行平滑处理，微分器（4）为fir实现的近似理想的信号微分器，经过微分器后脉冲信号变窄，脉冲幅度判断（5）连续判断探测器脉冲信号的基线值和脉冲最大值，用最大值减去基线值得到脉冲的幅度，脉冲堆积判断（6）在脉冲持续的2.5倍前沿时间内判断微分脉冲的个数，当个数大于等于2时，脉冲堆积，此脉冲幅度不做分析，存储器（7）存储没有堆积的脉冲的能谱数据，fpga芯片（8）完成上述的数字信号处理算法、脉冲幅度分析、能谱存储等，单片机（9）用于能谱数据的发送。

本发明的具体脉冲幅度分析的工作过程如图2所示，探测器输出的脉冲信号前沿时间为100ns,此脉冲信号由fpga芯片（8）控制的高速adc（2）采样得到离散的采样数据，高速adc采样电路如图3所示，adc的输入信号是调理后的差分信号。脉冲采样数据进入fpga芯片（8）实现的fir低通滤波器（3），滤除高频噪声。在fpga芯片（8）中使用fir滤波器实现一个信号微分器，滤波后的脉冲信号输入到微分器（4）得到变窄的微分信号，如图4所示。微分信号分别用于判断脉冲信号的起止和脉冲堆积判断（6），脉冲起止信号有效表示脉冲来到开始判断探测器脉冲的最大值，起止信号无效表示没有探测器脉冲可以进行基线估计，在探测器脉冲持续的250ns时间内连续判断微分脉冲的个数，微分脉冲有多个表示探测器脉冲信号堆积，否则探测器脉冲信号没有堆积，进行脉冲幅度判断（5），用探测器脉冲幅度的最大值减去当前的基线值得到脉冲的幅度值，将对应幅度的道址上的能谱数据加1并存储到存储器（7）中，存储器（7）是fpga芯片（8）内部实现的双口ram。fpga芯片（8）和单片机（9）使用总线连接，单片机选着c8051f340，具有usb接口和串口，最后由单片机（9）读取能谱数据发送到电脑。