一种高压氙探测器振动噪声补偿方法及装置与流程

本发明属于辐射探测器稳谱领域，特别涉及一种高压氙探测器振动噪声补偿方法及装置。

背景技术

高压氙探测器是一类具有良好能量分辨率的辐射探测器，但当高压氙探测器处在一个外部噪声较大的环境中，高压氙探测器结构中的栅网发生振动，从而导致高压氙探测器的能量分辨率急剧下降，造成高压氙探测器的测量不稳定性，并严重影响辐射探测质量，极大地限制了高压氙探测器的应用环境，对此，现有技术提出了增加栅网支持结构，以及包裹吸声材料的方案，从结构上对高压氙探测器进行加固，并通过吸声材料减少外界噪声对高压氙探测器的影响，从而降低外界噪声对高压氙探测器的影响。

现有技术对于外界噪声比较小的情况下，能够起到稳定高压氙探测器测量质量的能力，但是，当外界噪声过大时，增加支撑结构以及吸声材料的方法仅能将外界噪声减小，但无法完全消除外界噪声对高压氙探测器的影响，高压氙探测器能量分辨率依然随着外部噪声的真假而变差，这种情况下采用现有的技术无法有效地起到噪声干扰的消除作用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高压氙探测器振动噪声补偿方法及装置，用以解决现有技术存在的高压氙探测器因外界噪声增大无法有效起到噪声干扰的消除作用的问题，该方法能够改善噪声环境下高压氙探测器的稳定性问题，提升辐射探测质量。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种高压氙探测器振动噪声补偿方法，具体步骤如下：

(1)采集高压氙探测器信号；

(2)估计采集的高压氙探测器信号中振动噪声变化成分，生成初步补偿振动噪声后的高压氙探测器信号；

(3)对初步补偿振动噪声后的高压氙探测器信号进行尖角滤波成形、基线扣除补偿振动噪声的直流偏移，然后进行幅度提取以及直方图统计；

(4)输出补偿振动噪声后的高压氙探测器的能谱。

进一步的，所述步骤(2)具体过程为：通过数字信号处理方法估计采集的高压氙探测器信号中振动噪声变化成分；利用自调节结构元素的数学形态学腐蚀操作对所述高压氙探测器信号进行实时处理，估计出高压氙探测器信号中由振动噪声引起的基线相对变化趋势，并从高压氙探测器信号中扣除，生成初步补偿振动噪声后的高压氙探测器信号。

进一步的，所述数字信号处理方法均在高速fpga中进行计算，数字信号处理方法主要基于数学形态学运算；所述自调节结构元素的数学形态学腐蚀操作是利用阈值触发的方式，每个脉冲信号到来时，提取信号波动特点，自动生成新的结构元素，利用新的结构元素对信号进行数学形态学腐蚀处理。

进一步的，所述尖角滤波成形是指通过数字尖角滤波器进行滤波成形，生成具有高信噪比的尖角形状；所述的基线扣除是指提取实时地采取尖角形状的最高点，并扣除基线上的多个点的平均值，生成消除直流偏移的信号。

进一步的，所述的直方图统计是指利用双口ram，完成高压氙探测器的能谱统计的同时，也能够实现通信模块与电脑端的实时通信，实时获取振动噪声补偿后的高压氙探测器能谱。

一种高压氙探测器振动噪声补偿装置，包括信号采集模块、数字信号处理模块和数据通信模块，所述信号采集模块、数字信号处理模块和通信模块依次串联。

进一步的，所述信号采集模块用于采集高速adc采集高压氙探测器的脉冲信号；所述信号处理模块通过数字信号处理对信号进行振动噪声补偿以及多到脉冲幅度分析，生成补偿振动噪声后的测量能谱；所述数据通信模块用于输出所述补偿振动噪声后的测量能谱。

进一步的，所述信号采集模块使用模数转换器为差分输入的高速模数转换器，所述的差分输入为单端转差分信号输入；所述的高速指采样速率大于100msps，通信接口采用lvds的方式。

进一步的，所述数字信号处理模块为基于fpga的数字信号处理模块，处理速度与高速模数转换器匹配，将输入高压氙探测器信号进行振动噪声补偿，然后进行能谱输出。

进一步的，所述数据通信模块获取fpga中产生的补偿振动噪声后的测量能谱，通信方式包括wifi通信以及usb通信，通过批量传输的方式将数据输入到电脑端。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

(1)本发明无需增加或固定吸声材料，极大减小了高压氙探测器的质量以及体积，有效减小了高压氙探测器的冗余设计；

(2)本发明采用数字信号处理的方式，能够实时估计振动噪声的成分，实现高压氙探测器振动噪声的实时补偿；

(3)本发明改善了噪声环境下高压氙探测器的稳定性问题，提升辐射探测质量，同时也能够提高探测器的能量分辨率，解决了高压氙探测器无法在如工业或者野外测量等高噪声环境中的应用，拓展了高压氙探测器的应用范围。

附图说明

图1是高压氙探测器振动噪声补偿装置示意图；

图2是基于fpga的数字多道脉冲幅度分析器中的算法流程图；

图3是自调节参数的振动噪声相对变化的估计流程图；

图4是初步补偿振动噪声前的高压氙探测器信号的四个片段；

图5是初步补偿振动噪声后的高压氙探测器信号的四个片段；

图6是基线恢复示意图；

图7是实验装置连接图；

图8是高压氙探测器无噪声环境下能谱；

图9是高压氙探测器90db噪声下现有技术的测量能谱；

图10是高压氙探测器90db噪声下本发明方法的测量能谱。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。

一种高压氙探测器振动噪声补偿方法，具体步骤如下：

(1)采集高压氙探测器信号；

(2)估计采集的高压氙探测器信号中振动噪声变化成分，生成初步补偿振动噪声后的高压氙探测器信号；

(3)对初步补偿振动噪声后的高压氙探测器信号进行尖角滤波成形、基线扣除补偿振动噪声的直流偏移，然后进行幅度提取以及直方图统计；

(4)输出补偿振动噪声后的高压氙探测器的能谱。

步骤(2)具体过程为：通过数字信号处理方法估计采集的高压氙探测器信号中振动噪声变化成分；利用自调节结构元素的数学形态学腐蚀操作对所述高压氙探测器信号进行实时处理，生成高压氙探测器信号中振动噪声的相对变化趋势；通过所述高压氙探测器信号补偿基线变化趋势，生成初步补偿振动噪声后的高压氙探测器信号。数字信号处理方法均在高速fpga中进行计算，数字信号处理方法主要基于数学形态学运算；所述自调节结构元素的数学形态学腐蚀操作是利用阈值触发的方式，每个脉冲信号到来时，提取信号波动特点，自动生成新的结构元素，利用新的结构元素对信号进行数学形态学腐蚀处理。

步骤(3)中尖角滤波成形是指通过数字尖角滤波器进行滤波成形，生成具有高信噪比的尖角形状；基线扣除是指提取实时地采取尖角形状的最高点，并扣除基线上的多个点的平均值，生成消除直流偏移的信号。直方图统计是指利用双口ram，完成高压氙探测器的能谱统计的同时，也能够实现通信模块与电脑端的实时通信，实时获取振动噪声补偿后的高压氙探测器能谱。

如图1所示为高压氙探测器振动噪声补偿装置示意图，该系统包括高速模数转换器，基于fpga的数字多道脉冲幅度分析器，数据通信。

上述基于fpga的数字多道脉冲幅度分析器算法流程如图2所示，经过高速模数转换器采集的高压氙探测器信号进入高逻辑资源的fpga中，fpga中算法主要包括：振动噪声相对变化的估计、振动噪声成分补偿、尖角脉冲成形、幅度提取、基线扣除、堆积判弃、直方图统计以及usb控制。

如上所述，采用的高速模数转换器的采样速率大于100msps，本实施例采用ad9655高速模数转换器，为了保证采样的精准度，采用单端转差分的方式输入高速模数转换器，外围电路设计高速模数转换器的通信方式为具有高速传输能力以及低噪声的lvds接口。

经过高速模数转换器后的高压氙探测器数字信号进入到具有丰富逻辑资源的fpga芯片，芯片逻辑单元达50w以上，本实施例采用的fpga芯片为altera公司生产的cycloneiv系列的ep4ce115，能够满足算法所需的逻辑资源。

如上所述，振动噪声相对变化的估计流程图如图3所示，振动噪声相对变化的估计流程包括阈值触发、特征提取、自调节参数以及对信号的数学形态学腐蚀操作。首先是高压氙探测器信号的阈值触发，高压氙探测器信号f(x)进入fpga中，x为采样点，后面也一样，均是对采样的不同处理。首先对高压氙探测器信号进行求导处理，即通过将f(x)信号延时一个单位得到f(x-1),然后将两个值进行相减，得到信号的求导结果d(x)，处理公式为：

d(x)＝f(x)-f(x-1)

设置触发阈值c(x)，比较d(x)与c(x)的大小，d(x)大于c(x)则判定存在脉冲，记录触发点时间为t(x)。定位到触发脉冲后，需要对信号进行特征提取，来估计探测器信号的振动噪声相对变化成分，特征提取方法为选择t(x)脉冲触发点前的m个点，本实施例的m值采用500个点，并将这m个点依次减去m个点中的第一个点，得到这段信号的相对变化趋势，并将其作为数学形态学腐蚀操作的结构元素g(m)，m为0到m。估计高压氙探测器的振动噪声相对变化的成分b(x)是通过对高压氙探测器信号f(x)进行数学形态学腐蚀操作，其参数结构元素为g(m)，数学形态学腐蚀的计算过程公式为：

其中每个脉冲的到来都会对结构元素进行自动调节，实现结构元素随脉冲信号特点变化而变化，从而保证数学形态学腐蚀结构的准确性，得到准确的振动噪声相对变化成分。

如上所述振动噪声成分补偿主要是将高速模数转换器得到的高压氙探测器信号f(x)与振动噪声相对变化b(x)进行补偿，得到初步补偿振动噪声后的高压氙探测器信号v(x)，公式如下：

v(x)＝f(x)-b(x)

如图4和图5所示，图4为初步补偿振动噪声前的高压氙探测器信号的四个片段，图5为初步补偿振动噪声后的高压氙探测器信号的四个片段，从图中可以看出，初步补偿之前，信号的基线受振动噪声影响不断发生波动，导致脉冲幅度的测量受基线变化的影响，而初步补偿后的高压氙探测器的信号实时地补偿振动噪声，使得信号基线保持稳定，仅存在轻微的直流偏移，可在后面的尖角成形的基线扣除中进行再次补偿。

初步补偿振动噪声后的高压氙探测器信号要进行尖角脉冲成形，得到尖角状的脉冲s(x)，尖角脉冲成形的z变换计算公式如下：

d^k(x)＝v(x)-v(x-k)，

d¹(x)＝v(x)-v(x-1)，

p(x)＝p(x-1)+d^k)x)-kd¹(x-l)，

q(x)＝q(x-1)+m2p(x)，

s(x)＝s(x-1)+q(x)+m1p(x)，

公式中参数包括k，l，m1，m2，经本实施例验证，其中k决定了尖角脉冲成形的长度，为奇数值，l为尖叫脉冲长度的一半，即k值减1后的一半，m1和m2参数的比值q＝m1/m2，决定了尖角脉冲成形的幅度放大倍数，本实施例中选取k＝501，l＝250，m1＝75，m2＝1，由于成形后的形状为尖角状，所以幅度的提取方便准确，同时具有良好的信噪比。

如上所述，幅度提取是提取尖角脉冲成形信号s(x)的最高幅度值，通过设置触发阈值j，当尖角脉冲成形信号s(x)连续n个值都大于j，则判断此时的脉冲有效，需要提取该有效脉冲的幅度值，幅度提取的方法主要是通过比较触发点后e个数据的峰值，本实施例中采用的e值为300，通过比较器不断比较相邻点的大小，求取最大值h(x)作为尖角成形的幅度值，实现方式简单，不易出现误判断，测量准确。

如上所述，基线扣除的过程如图6所示，将尖角脉冲成形的幅度值扣除掉信号的基线值，传统的基线扣除的基线值采用统计的固定值，这里采用不断调整的基线值，信号基线值取尖角脉冲成形前的多个点去平均值的结果，所述的多个点为m个点，与结构元素的长度相等。若发生脉冲堆积，两个脉冲之间的基线值不足m个点，则继续沿用上次的基线值，直到足够采集基线平均值后才替换基线值，从而能够实时地捕捉基线的变化，实时消除振动噪声和探测器信号的直流偏移，达到稳定测量的目的，本实施例中采用的m与数学形态学腐蚀操作的结构元素长度相同，为500个点。

如上所述，直方图统计过程主要是生成高压氙探测器的能谱，这里采用一个双端ram，一端作为高压氙探测器的幅度高度的统计，另一端作为usb的数据通信端口。本实施例中采用的双端ram中高压氙探测器的幅度高度统计一端中，将上述的进行基线扣除后的幅度值作为ram的地址段进行输入，然后将该地址的数据加一，实现对脉冲幅度高度的直方图统计，在usb的控制另一端ram中，则将该ram的地址线与数据线直接接到usb的控制模块中，可以随时提取双端ram里面的数据，实现能谱的统计功能。

usb控制采用的芯片为cypress公司生产的cy7c68013，数据传输方式为bulkloop，设置端口2发送数据端口，端口6为数据接收端口，一次收发数据512*8字节，对数据头进行编码，方便电脑端软件解码并进行能谱绘制，从而实现稳定高效的数据传输过程。

相应地，本发明提供了一种高压氙探测器振动噪声补偿装置用于实现上述的方法。

如图1所示，一种高压氙探测器振动噪声补偿装置，包括信号采集模块、数字信号处理模块和通信模块，信号采集模块、数字信号处理模块和通信模块依次串联。其中振动噪声补偿设备是集成到一块专门设计的数字信号信号处理pcb板。

信号采集模块通过高速adc采集高压氙探测器的脉冲信号，信号采集模块使用模数转换器为差分输入的高速模数转换器，采用的高速模数转换器的采样速率大于100msps，采用ad9655采集模块，为了保证采样的精准度，采用单端转差分的方式输入模数转换器，外围电路设计模数转换器的通信方式为具有高速传输能力以及低噪声的lvds接口，通过高速adc采集模块，能够准确将模拟信号转化为数字信号，避免由于采样率不足而造成的弹道亏损，从而影响探测器的能量分辨率。

数字信号处理模块主要用于对高压氙探测器信号进行信号处理，通过数字信号处理对信号进行振动噪声补偿以及多到脉冲幅度分析，生成补偿振动噪声后的测量能谱，所述信号处理包括：对振动噪声进行补偿，对探测器信号进行幅度统计生成能谱。选用高速fpga进行处理，可以对数据进行并行处理，有效解决探测器信号频率高，处理速度不够的问题。同时基于使用数学形态学腐蚀操作的算法消耗逻辑资源量大，故采用逻辑资源丰富的fpga对于算法的流畅运行具有提升作用。基于fpga的数字信号处理模块处理速度与高速模数转换器匹配，将输入高压氙探测器信号进行振动噪声补偿，然后进行能谱输出。

通信模块，所述数据通信模块用于输出所述补偿振动噪声后的测量能谱，用于将fpga输出的高压氙探测器能谱传递给电脑端。其中，通信模块可选用usb通信或wifi通信，本实施采取的usb通过数据线与电脑端进行数据传递，能够快速将数据批量传输，实时地在电脑端显示测量能谱。

下面通过具体的实验数据对本发明的一种高压氙探测器振动噪声补偿方法进行验证。高压氙探测器采用mirmarsensor，llc公司生产的圆柱形高压氙探测器，外径1.75英寸，气体有效直径1.60英寸，长度19英寸。氙气的浓度为0.4g/cm³.实验中使用的放射源为cs137，活度为1.42μci，将放射源放置在高压氙探测器5cm处，振动噪声通过音响进行引入，测试系统装置连接如图7所示。

如图8所示，在没有振动噪声情况下高压氙探测器对cs137的测量能谱，从图中可以看出该能谱具有良好的能量分辨率。如图9所示，为加入了90db振动噪声后的利用现有技术高压氙探测器对cs137的测量能谱，可以看出现有技术无法消除高压氙探测器的振动噪声的影响，能量分辨率发生严重下降，同时cs137的全能峰峰位发生了畸变，且计数率也发生了严重下降，探测器的辐射测量稳定性较差。如图10所示，是加入90db振动噪声后本发明方法下高压氙探测器的cs137的测量能谱，可以看出此时高压氙探测器的能量分辨率与没有加入噪声时几乎没有差别，探测器的计数也与之前几乎保持一致，说明本发明的高压氙探测器振动噪声补偿方法能够显著提升高压氙探测器的噪声稳定性问题，能够在较大振动噪声的影响下保持一个稳定且能量分辨率良好的测量能谱。

表1是50-95db的外部噪声条件下高压氙探测器，利用现有技术的高压氙探测器以及本发明技术的高压氙探测器的测试能谱的能量分辨率，分别将他们标记为nucl-1，nucl-2，nucl-3，其中nucl-1为振动噪声影响下探测器的能量分辨率变化，nucl-2为现有添加振动吸收材料的技术得到的能量分辨率，nucl-3为本发明提出的技术得到的能量分辨率。

表1

从表1中可以看出，普通的高压氙探测器的在低的外部噪声的条件下，能量分辨率良好，随着外部噪声增加高压氙探测器的能量分辨率迅速变化，而现有技术下的高压氙探测器虽然起到一定的抗外部噪声的影响的功能，但随着外部噪声的增加，探测器的能量分辨率依旧不断变差，能谱测量的稳定性较差，而采用了本发明的方法的高压氙探测器在50-95db的外部噪声变化下能量分辨率几乎没有变化，具有良好的振动噪声稳定性。能够对高压氙探测器在外部噪声环境中振动噪声进行实时补偿，提升辐射探测性能以及稳定性。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。