核脉冲能量测量方法及系统与流程

本公开属于核信号测量领域，涉及一种核脉冲能量测量方法及系统。

背景技术：

核探测器接收到入射的核或者粒子，其输出脉冲信号一般包含入射粒子的能量信息、时间信息和位置信息。其中能量和时间是最基本的信息，测量核脉冲的能量在核信号处理和核技术应用中具有重要地位。

核探测器输出的核脉冲信号一般为电流脉冲信号，该信号时间上的积分(即核脉冲电荷量)就是核脉冲事例的能量信息。传统上，能量的测量是将电流信号积分，产生积分电压信号，用模拟数字变换器(adc)采样信号波形，采样点的最大值就是核脉冲的能量值。随着核探测器技术的发展，一个探测器所含的通道数越来越多，每一个通道都用一个高速adc采样波形的能量测量方法，会使得测量电子学规模越来越大。

然而现有的测量能量的方法，具有较低的测量精度，更进一步，不能实现时间和能量信息的精确测量，如何在一定面积或者一定规模的电路或硬件的基础上实现能量和时间信息的高精度测量，成为亟需解决的技术问题。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种核脉冲能量测量方法及系统，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种核脉冲能量测量方法，包括：将被测核脉冲信号与n个直流电平阈值同时进行比较，获得该待测核脉冲信号超过每一个直流电平阈值的第一时间宽度，并将n个直流电平阈值对应作为每一个第一时间宽度的权重，计算得到第一综合时间量，n＞1；预先建立一查找表，基于实际测量的核脉冲信号库，建立该核脉冲信号库中所有核脉冲信号的综合时间量与能量值的函数关系，该综合时间量基于n个直流电平阈值获得；以及依据被测核脉冲信号的第一综合时间量和查找表，确定待测核脉冲信号的能量值。

在本公开的一些实施例中，预先建立一查找表的步骤包括：核脉冲信号波形的采集，采集多个核探测器实际测量输出的核脉冲信号波形作为核脉冲信号库；归一化处理，将核脉冲信号库中所有核脉冲信号波形的幅度归一化，并将所有核脉冲信号波形在同一时刻的采样值求平均，获得所有核脉冲信号的归一化平均波形；数值仿真，由获得的归一化平均波形仿真得到不同幅度的仿真信号波形，将每个仿真信号波形与n个直流电平阈值同时进行比较；对于每个仿真信号波形，获得超过每一个直流电平阈值的第二时间宽度，并将n个直流电平阈值作为对应每一个第二时间宽度的权重，计算得到每个仿真信号波形的综合时间量；以及计算每个仿真信号波形下的面积，得到核脉冲信号的能量值，并对应建立每个核脉冲信号的综合时间量和能量值之间的对应关系表，得到查找表。

在本公开的一些实施例中，归一化处理和数值仿真的步骤采用matlab软件实现。

在本公开的一些实施例中，n个直流电平阈值按照从小到大的顺序排列后，最大的电平阈值的值小于其余n-1个电平阈值的和。

在本公开的一些实施例中，n个直流电平阈值与被测核脉冲信号的上升沿相交的n个时间戳t1、t2、…ti…、tn，1≤i≤n，可用于表征该被测核脉冲信号的到来时间。

根据本公开的另一个方面，提供了一种核脉冲能量测量系统，包括：n个比较器，用于将输入的核脉冲信号分别与n个直流电平阈值同时进行比较，n＞1；时间戳时间数字变换器(tdc)，与n个比较器相连，对应输入信号的上升沿或下降沿，该tdc均会记录一个时间戳，该tdc记录下每个比较器在上升沿和下降沿两个翻转时刻的时间戳；数字信号处理模块，接收时间戳时间数字变换器记录的时间戳，并计算每个比较器两个时间戳的差，得到输入的核脉冲信号超过对应直流电平阈值的时间宽度，并且将n个直流电平阈值对应作为每一个时间宽度的权重，计算得到综合时间量；以及预先建立的查找表，该查找表基于实际测量的核脉冲信号库，建立该核脉冲信号库中所有核脉冲信号的综合时间量与能量值的函数关系，该综合时间量基于n个直流电平阈值获得。

在本公开的一些实施例中，数字信号处理模块可直接输出n个直流电平阈值与被测核脉冲信号的上升沿相交的n个时间戳t1、t2、…ti…、tn，1≤i≤n，用于表征该被测核脉冲信号的到来时间；和/或，n个直流电平阈值按照从小到大的顺序排列后，最大的电平阈值的值小于其余n-1个电平阈值的和。

在本公开的一些实施例中，该核脉冲能量测量系统还包括：放大器，输入的核脉冲信号是经过放大器放大之后输入到n个比较器中。

在本公开的一些实施例中，n个直流电平阈值由一可编程电压信号源(dac)和一电阻链分压提供，各个直流电平阈值通过改变dac的输出电压值或电阻链的电阻值而调整。

在本公开的一些实施例中，n个比较器、时间戳时间数字变换器、数字信号处理模块和查找表集成于一现场可编程门阵列中。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的核脉冲能量测量方法及系统，具有以下有益效果：

(1)通过将核脉冲信号与多个直流电平阈值同时比较，得到多个超过直流电平阈值的时间宽度(可简称过阈时间宽度或时间宽度)，并基于多个时间宽度，将每个直流电平阈值作为对应时间宽度的权重，计算加权平均数，得到综合时间量，由该综合时间量来表征核脉冲信号的能量值，具有高的抗噪声能力；

(2)测量电子学的主体由一片现场可编程门阵列(fpga)完成，n个比较器、时间戳时间数字变换器、数字信号处理模块和查找表集成于一fpga中，测量电路集成度高；

(3)该测量方法不仅可以测量能量信息，还可以通过直接输出n个直流电平阈值与被测核脉冲信号的上升沿相交的n个时间戳t1、t2、…ti…、tn，1≤i≤n，这些时间戳中的一个或者几个的组合可用于表征该被测核脉冲信号的到来时间，一套测量电路同时获得高精度的时间信息和能量信息，在需要同时获取高精度时间和能量信息测量的场合具有重要应用价值。

附图说明

图1为根据本公开一实施例所示的核脉冲能量测量方法流程图。

图2为根据本公开一实施例所示的核脉冲能量测量方法原理示意图。

图3为根据本公开一实施例所示的核脉冲能量测量系统示意图。

图4为根据本公开一实施例所示的基于sipm+lyso探测器信号的归一化平均波形。

图5为根据本公开一实施例所示的基于sipm+lyso探测器的综合时间量与能量之间的对应关系。

图6为根据本公开一实施例所示的基于sipm+lyso探测器所测到的22na和137cs放射源能谱。

具体实施方式

为了提高能量测量电路的集成度，将能量信息转化为时间信息来测量，是近年来核信号处理技术的重要发展方向，其中一个重要方法是过阈时间宽度方法(即tot方法：time-over-threshold)。tot方法将探测器输出信号和一个预先设定的直流阈值进行比较，测量核脉冲信号超过该阈值的时间宽度得到核信号的能量。由于时间测量电路的集成度高，tot方法相对简单，可以显著提高电路集成度，然而，单阈值tot方法测量精度低，很多场合不能满足应用需求。

本公开基于上述情况，提出了一种核脉冲能量测量方法及系统，特别是一种基于时间读出驱动的核脉冲能量测量方法及系统，能够实现高精度时间和能量测量，具有抗噪声能力强、测量精度高、集成度高的综合性能。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种核脉冲能量测量方法。

图1为根据本公开一实施例所示的核脉冲能量测量方法流程图。

参照图1所示，本公开的核脉冲能量测量方法，包括：

步骤s11：将被测核脉冲信号与n个直流电平阈值同时进行比较，获得该待测核脉冲信号超过每一个直流电平阈值的第一时间宽度，并将n个直流电平阈值对应作为每一个第一时间宽度的权重，计算得到第一综合时间量，n＞1；

图2为根据本公开一实施例所示的核脉冲能量测量方法原理示意图。

图3为根据本公开一实施例所示的核脉冲能量测量系统示意图。

参照图3所示，以飞行时间-正电子断层扫描装置(tof-pet)探测器探测511kev伽玛射线输出信号的测量为例。tof-pet探测器由sipm光电转换器耦合lyso闪烁晶体构成。入射的伽玛射线与lyso晶体相互作用，在晶体内部沉积能量产生闪烁光，再由sipm器件将该闪烁光转换为电流信号输出。一个伽玛射线入射就产生一个电流脉冲，其中电流脉冲的前沿表征该事例的到达时间信息，电流脉冲的面积，也即电荷量就是入射事例的能量值。

本实施例中，采用n＝4个比较器，用于将输入的核脉冲信号分别与4个直流电平阈值同时进行比较；时间戳时间数字变换器(tdc)，与n＝4个比较器相连，对应输入信号的上升沿或下降沿，该tdc均会记录一个时间戳，该tdc记录下每个比较器在上升沿和下降沿两个翻转时刻的时间戳，由数字信号处理(dsp)模块接收到这些时间戳，并计算每个比较器两个时间戳的差，得到输入的核脉冲信号超过对应直流电平阈值的时间宽度，并且将n个直流电平阈值对应作为每一个时间宽度的权重，计算得到综合时间量。

继续参照图3所示，探测器的输出信号经过互阻放大器(amp)放大后，直接送给四个比较器(comp)进行比较。四个比较直流电平阈值th1、th2、th3和th4由一可编程电压信号源(dac)和一电阻链(r1、r2、r3和r4)分压提供，各比较直流电平阈值可以通过改变dac输出电压值或电阻链的电阻值而灵活改变。各比较器的输出分别接一个时间戳时间数字变换器(tdc1、tdc2、tdc3、tdc4，统称tdc)，该tdc对输入信号的上升和下降变化沿都敏感，每次信号变化沿tdc都会记录一个时间戳。tdc的两次时间戳的差就是输入核脉冲信号超过对应阈值的时间宽度。

本实施例中，以n＝4进行示例说明，如图2所示，将被测核脉冲信号与4个直流电平阈值同时进行比较，超过直流电平阈值thi的第一时间宽度表示为：

wi＝ti-ti+4，(i＝1，2，3，4)(1)

将4个直流电平阈值对应作为每一个第一时间宽度的权重，计算得到第一综合时间量w，表达式如下：

本公开中，采用n(n＞1)个直流电平阈值与被测核脉冲信号进行比较来获取综合时间量w，来建立综合时间量与能量的关系，用于表征核脉冲信号的能量值，比任何一个wi具有更高的抗噪声能力，也就是相对于现有的tot方法具有更高的抗噪声能力。

本公开提出的核脉冲能量测量方法具有更高的抗噪声能力的证明过程如下：

闪烁探测器输出的电流脉冲，理论上一般可用一指数衰减函数表示：

v＝ae^-kt(3)

其中，v表示输出电压，a表示信号幅度，k是与闪烁体有关的一个常数，t表示时间。

由于脉冲信号的上升沿很快，实际信号中的噪声成分引起上升沿的测量晃动很小，主要影响下降沿的测量精度。假设波形中混有幅度为u的噪声信号，它所引起的各个过阈时间宽度的变化为：

其中变化量最小的是最高阈值th4对应的时间宽度，最高阈值th4对应的时间宽度的变化量表达式如下：

不失一般性，可以假设噪声信号为白噪声，按上面公式(4)和(5)计算得到的综合时间量w的测量不确定度为：

在一些实施例中，n个直流电平阈值按照从小到大的顺序排列后，最大的电平阈值的值小于其余n-1个电平阈值的和，本实施例中，各个直流电平阈值之间满足如下条件：

th1+th2+th3+th4＞2th4(7)

对应得到综合时间量w的测量不确定度和采用tot方法测得的最小不确定度之间的关系如下：

δw＜δw4(8)

由上述推导过程可知，使用综合时间量w来表征核脉冲的能量值具有高的抗噪声能力。

步骤s12：预先建立一查找表，基于实际测量的核脉冲信号库，建立该核脉冲信号库中所有核脉冲信号的综合时间量与能量值的函数关系，该综合时间量基于n个直流电平阈值获得；

本实施例中，预先建立一查找表lut的步骤包括：

(a)核脉冲信号波形的采集，采集多个核探测器实际测量输出的核脉冲信号波形作为核脉冲信号库；其中，多个核脉冲信号波形中，核脉冲信号波形具有不同的能量，对应不同的幅度值，但所有核脉冲信号波形的上升时间和下降时间都相同；

(b)归一化处理，将核脉冲信号库中所有核脉冲信号波形的幅度归一化，并将所有核脉冲信号波形在同一时刻的采样值求平均，获得所有核脉冲信号的归一化平均波形(如图4所示)；

(c)数值仿真，由获得的归一化平均波形仿真得到不同幅度的仿真信号波形，将每个仿真信号波形与n个直流电平阈值同时进行比较；对于每个仿真信号波形，获得超过每一个直流电平阈值的第二时间宽度，并将n个直流电平阈值作为对应每一个第二时间宽度的权重，计算得到每个仿真信号波形的综合时间量；以及

(d)计算每个仿真信号波形下的面积，得到核脉冲信号的能量值，并对应建立每个核脉冲信号的综合时间量和能量值之间的对应关系表，得到查找表。

在一实例中，核脉冲信号波形的采集通过使用高速示波器(tekdp07254)采集3000个信号波形，传输到计算机。其中，各个波形的信号幅度不同，但所有波形的上升时间和下降时间都相同。

在一实例中，归一化处理和数值仿真的步骤采用matlab软件实现。在计算机的matlab软件中很容易实现各采样波形的幅度归一化，再将这些归一化后的波形对应时刻的采样点求平均，得到平均信号波形；以及利用matlab软件进行数值仿真，设定四个在实际使用中将要采用的四个直流阈值，将它们与不同信号幅度的仿真波形相比较。和实际测量过程类似，首先会得到各个比较器翻转时刻的时间戳，计算出各个阈值的过阈时间宽度，再计算出综合时间量w，以及与之对应的信号数字积分值，建立二者之间的对应关系。将获得的对应关系装入如图3所示的lut模块，在线实现由时间宽度值到核信号能量值的转换。

图4为根据本公开一实施例所示的基于sipm+lyso探测器信号的归一化平均波形。如图4所示，平均信号波形基本上没有噪声成分了。

图5为根据本公开一实施例所示的基于sipm+lyso探测器的综合时间量与能量之间的对应关系。根据上述建立lut的过程，本实施例建立的综合时间量w与所对应的积分面积值(能量值)的对应关系如图5所示。

更进一步的，n个直流电平阈值与被测核脉冲信号的上升沿相交的n个时间戳t1、t2、…ti…、tn，1≤i≤n，可用于表征该被测核脉冲信号的到来时间。

本实施例中，还可以通过fpga中的数字信号处理模块(dsp模块)直接输出n个直流电平阈值与被测核脉冲信号的上升沿相交的n个时间戳t1、t2、…ti…、tn，1≤i≤n，用于表征该被测核脉冲信号的到来时间，从而在一定面积或者一定规模的电路或硬件的基础上同时实现能量和时间信息的高精度测量。

步骤s13：依据被测核脉冲信号的第一综合时间量和查找表，确定待测核脉冲信号的能量值；

本步骤s13中，依据被测核脉冲信号的第一综合时间量，和查找表中的综合时间量和能量值的函数关系，从查找表中对应找到与第一综合时间量对应的能量值，从而确定待测核脉冲信号的能量值。

在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种核脉冲能量测量系统。

参照图3所示，本公开的核脉冲能量测量系统，包括：

n个比较器，用于将输入的核脉冲信号分别与n个直流电平阈值同时进行比较，n＞1；

时间戳时间数字变换器(tdc)，与n个比较器相连，对应输入信号的上升沿或下降沿，该tdc均会记录一个时间戳，该tdc记录下每个比较器在上升沿和下降沿两个翻转时刻的时间戳；

数字信号处理模块，接收时间戳时间数字变换器记录的时间戳，并计算每个比较器两个时间戳的差，得到输入的核脉冲信号超过对应直流电平阈值的时间宽度，并且将n个直流电平阈值对应作为每一个时间宽度的权重，计算得到综合时间量；以及

预先建立的查找表，该查找表基于实际测量的核脉冲信号库，建立该核脉冲信号库中所有核脉冲信号的综合时间量与能量值的函数关系，该综合时间量基于n个直流电平阈值获得。

本实施例中，n个比较器、时间戳时间数字变换器、数字信号处理模块和查找表集成于一现场可编程门阵列(fpga)中。

优选的，该核脉冲能量测量系统还包括：放大器，输入的核脉冲信号是经过放大器放大之后输入到n个比较器中。

本实施例中，n个直流电平阈值由一可编程电压信号源(dac)和一电阻链分压提供，各个直流电平阈值通过改变dac的输出电压值或电阻链的电阻值而调整。

本公开所示的核脉冲能量测量系统，不仅可以通过查找表输出待测核脉冲信号的能量值，还可以通过dsp模块直接输出n个直流电平阈值与被测核脉冲信号的上升沿相交的n个时间戳t1、t2、…ti…、tn，1≤i≤n，用于表征该被测核脉冲信号的到来时间，从而在一定面积或者一定规模的电路或硬件的基础上同时实现能量和时间信息的高精度测量。

为了评估本公开所示的核脉冲能量测量方法及系统的实际测量效果，按照图3建立了一套实际测量评估系统。探测器由一块lyso晶体和hamamatsu公司的sipm光电转换器件(s13361)构成，测量电子学的主体由一片fpga完成，包括使用fpga的lvds接收器实现四个电压比较器，还在fpga内部分别实现四个时间戳tdc，dsp模块和lut模块。其中tdc模块可以实现3.9ps(皮秒)精度的时间戳测量。

图6是根据本公开一实施例所示的基于sipm+lyso探测器所测到的22na和137cs放射源能谱。本实例中，基于sipm+lyso探测器，分别用22na放射源和137cs放射源进行核脉冲信号测量。因为两个能谱的主峰值已知，分别为511kev和662kev，能量轴得以标定。标定后511kev的能量分辨率为14.18％。决定该能量分辨率主要有两个方面：一方面是探测器的固有分辨率，另一方面是测量方法和实现的电子学(硬件或系统)引入的测量误差。我们使用示波器直接记录探测器的信号波形，根据数值积分得到511kev的能量分辨率为12.8％。该值为探测器的固有能量分辨率，据此可以计算本公开所提出的测量方法以及测量系统带入的额外能量分辨率为5.9％。这一结果证明了本公开所示的核脉冲能量测量方法及系统具有测量精度高的优点。

综上所述，本公开提供了一种核脉冲能量测量方法及系统，通过将核脉冲信号与多个直流电平阈值同时比较，得到多个超过直流电平阈值的时间宽度，并基于多个时间宽度得到综合时间量，由该综合时间量来表征核脉冲信号的能量值，具有高的抗噪声能力；测量电子学的主体由一片fpga完成，n个比较器、时间戳时间数字变换器、数字信号处理模块和查找表集成于一fpga中，测量电路集成度高；更进一步，该测量方法不仅可以测量能量信息，还可以直接输出n个直流电平阈值与被测核脉冲信号的上升沿相交的n个时间戳t1、t2、…ti…、tn，1≤i≤n，利用这些时间戳中的一个或者几个的组合可表征该被测核脉冲信号的到来时间，一套测量电路同时获得高精度的时间信息和能量信息，在需要同时获取高精度时间和能量信息测量的场合具有重要应用价值。

再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本公开可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。本公开的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(dsp)来实现根据本公开实施例的相关设备中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本公开还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本公开的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。