物质成分确定方法和装置、电子设备、存储介质与流程

本技术涉及信号采样领域，特别是涉及一种物质成分确定方法和装置、电子设备、存储介质。

背景技术：

1、在高能射线探测的诸多应用中，高能射线、如伽马射线会被闪烁晶体转换为可见光，该可见光进一步被光电转换器件转换为闪烁脉冲信号。

2、测井技术是石油勘探领域一种重要的技术手段，其可通过电学、声学、放射学等多种方式，将电子技术和计算机技术结合在一起获取地层的各项物理参数，进一步通过数据解析获取油气信息。常见的测井技术包括电法测井、声波测井、核测井和核磁测井等。核测井以物质的原子核物理性质为基础，根据岩石及其孔隙流体和井内介质的核物理性质研究钻井地质剖面，寻找煤、石油等矿藏。核测井应用了高能射线探测，使用了自然伽马、密度、中子和地层元素等测井技术及配套的仪器设备。

3、脉冲中子测井法是核测井中的一种，其原理是获取脉冲中子的能量沉积在地层中释放出伽玛射线，来获取相应的能谱信息和时间谱信息。高能射线探测主要手段是使用闪烁晶体耦合光电转换器件，通过闪烁晶体沉积高能射线的能量产生可见光并且由光电转换器件转换为电信号来得到高能射线的能量等信息。当前，通常使用可以在高温情况下工作的光电倍增管作为光电转换器件，以将闪烁晶体产生的可见光转换成相应的闪烁脉冲，并经过数字化及后续信号处理之后得到伽玛射线的能量信息（如能量谱）及时间信息（如时间谱）相应地，可以根据伽马射线的能量信息来确定测井物质的成分，例如碳氧比c/o。

4、传统的闪烁物质成分获取方法有两种。一种是高速adc直接数字化的方法，其需要首先对电脉冲信号进行整形展宽，然后再使用高速adc（如1gsps）进行数字化采样。通常，要获得比较准确的能量信息，工程实践中数字化一个脉冲需要采集多个（如20个）采样点，同时在高温（如175℃）条件下工作。然而，在此高温下adc芯片的采样率性能通常不高，并且成本很高，因此难以完成高速闪烁脉冲信号的数字化，使得高速adc直接数字化方法较难应用于石油测井中。另一种是峰值保持法，可使用峰值保持电路锁定电脉冲信号的幅值，然后使用adc采集幅值，以获取脉冲的能量信息。峰值保持法存在峰值保持锁定建立及峰值保持电路恢复过程，其死时间很长，通常会达到几百微秒级别，这极大限制了数字化的脉冲通过率（单位时间内处理脉冲的数量）。在石油测井中，脉冲事件的数量经常会爆发式的增长。例如，常见的中子石油测井中，脉冲数量会达到100kcps，平均每10μs就会产生一个脉冲。峰值保持法的死时间会使数字化过程丢失很多脉冲信号，从而引起测量结果偏差。

5、近年来，将闪烁脉冲直接数字化，利用软件算法替代传统模拟电路提取信息的方式极具发展潜力。多电压阈值采样（multi-voltage threshold，以下简称mvt）方法被提出作为改进的闪烁脉冲的数字化处理方法。当前，也提出将mvt数字化方法引入到石油探测领域。

6、与传统adc等时间间隔采样的方法相比，mvt数字化采样固定多个阈值电压，对闪烁脉冲穿过阈值电压的时间进行数字化采样，从而有利于在快速的上升沿阶段获取多个采样点。在具体实践中，在得到一系列的时间-电压对信息之后，用脉冲拟合的方法实现粒子能量沉积信息的精确获取。例如，通常可使用列文伯格-马夸尔特（levenberg-marquardt）法作为脉冲拟合最优化算法，其是广泛使用的非线性最小二乘迭代算法，是利用梯度求最大（小）值，介于牛顿法与梯度下降法之间的一种非线性优化方法，同时具有梯度法和牛顿法的优点。

7、然而，受限于芯片算力和拟合方法过于复杂的缘故，mvt 的拟合算法无法在fpga、stm32、dsp等嵌入式芯片及其附件中完成，这限制了基于mvt的拟合算法在现场（on site）、如探测井中实现的可能。由此，经过mvt方法获得的原始采样点需通过以太网、串口、wifi等远程通信方式传输到具有更强大算力的远离现场的计算机设备（也称为上位机）上，通过迭代算法计算能量。在石油测井过程中，闪烁脉冲产生时间呈现周期性爆发的特性，原始采样点的数据量极大，例如将达到10mbps~1gbps。另外，受限于石油探测的使用场景中，井下深度高达上万米、环境温度高的特性，传输方式有限，例如只能采用载波通信的方式传输出来，带宽仅为100kbps左右。当前的方法造成了原始采样点数据量相对较大，而传输带宽相对较小的矛盾，从而导致计数率下降。此外，在上位机上拟合时，因为反复的迭代，导致拟合每个脉冲都需要占用超高的cpu时间，这在使用石油探测中是无法容忍的。

8、另外，当前mvt方法获取闪烁脉冲的能量信息还可能存在若干缺陷，比如，传统的mvt方法适用于已知种类脉冲的采集，阈值的设定根据已知脉冲的能量范围确定。相应地，mvt方法需要选择固定数量和大小的阈值进行采样。由此，传统的mvt方法通常只能针对一定能量范围内的脉冲获取较为准确的能量信息。

9、由于mvt需要进行拟合以计算精确的能量值，因此需要为每个数据点提供精确的时间信息。为此，在采集电路中通常需要采用大量的tdc（时钟数字转换器）以采集时间信息。

10、另外，在fpga、asic等硬件电路上进行脉冲拟合需要首先还原脉冲波形，再通过对拟合好的函数进行积分计算能量信息，进而绘制能谱。然而，复杂的计算过程将占用大量的硬件资源，并增加硬件电路的功耗。对于测井设备等需要适用于高温环境的应用场景而言，过于复杂的脉冲拟合及积分过程所导致的硬件电路功耗过大，会进一步影响硬件电路的耐高温性能。

11、因此，希望提供一种解决方案，能通过快速、准确、稳定地获取基于高能射线探测物质生成的闪烁脉冲信号的相关信息来快速确定物质成分含量，适合在fpga、dsp等硬件电路中的实现，不需要消耗大量的计算资源或使用具有强大算力的计算机设备。

12、背景技术描述的内容仅为了便于了解本领域的相关技术，不视作对现有技术的承认。

技术实现思路

1、本技术实施例所要解决的技术问题在于，提供适合在fpga、dsp等硬件电路中的实现的基于高能射线探测物质生成的闪烁脉冲的物质成分含量确定方案，其能避免传统方法获取脉冲、尤其是闪烁脉冲能量信息所需的复杂拟合计算。

2、为了解决上述问题，本技术公开一种物质成分确定方法和装置、电子设备、存储介质。

3、在第一方面，提供一种物质成分确定方法，包括：

4、提供由高能射线生成的参考闪烁脉冲的幅值-能量映射关系数据；

5、确定待测物质中至少一种成分对应所述高能射线的能量窗；

6、基于所述幅值-能量映射关系数据和所述能量窗确定所述至少一种成分对应的闪烁脉冲幅值范围；

7、根据探测待测物质发出的高能射线生成的多个待测闪烁脉冲的幅值与所述幅值范围的比较，确定待测闪烁脉冲落入所述幅值范围的计数；以及

8、根据所述计数确定所述待测物质的所述至少一种成分的含量。

9、在第二方面，提供一种物质成分确定方法，包括：

10、提供由高能射线生成的参考闪烁脉冲的幅值-能量映射关系数据；

11、设置多个道址，其中所述道址为能量道址或幅值道址，各能量道址具有各自的能量表征值以及根据所述幅值-能量映射关系数据相应确定的幅值表征值，各幅值道址具有各自的幅值表征值；

12、根据多个待测闪烁脉冲的幅值大小和所述多个道址的幅值表征值的比较，确定所述多个待测闪烁脉冲对应的道址，所述多个待测闪烁脉冲由探测待测物质发出的高能射线生成；

13、确定待测物质中至少一种成分对应所述高能射线的能量窗；

14、基于所述幅值-能量映射关系数据和所述能量窗确定所述能量窗对应的道址区间；以及

15、根据各道址内的待测闪烁脉冲计数以及所确定的道址区间，确定所述待测物质的所述至少一种成分的含量。

16、在第三方面，提供一种物质成分确定装置，包括：

17、映射关系数据库，包括由高能射线生成的参考闪烁脉冲的幅值-能量映射关系数据；

18、能量窗确定单元，配置成确定待测物质中至少一种成分对应所述高能射线的能量窗；

19、幅值范围确定单元，配置成基于所述幅值-能量映射关系数据和所述能量窗确定所述至少一种成分对应的闪烁脉冲幅值范围；

20、计数单元，配置成根据探测待测物质发出的高能射线生成的多个待测闪烁脉冲的幅值与所述幅值范围的比较，确定待测闪烁脉冲落入所述幅值范围的计数；以及

21、含量确定单元，配置成根据所述计数确定所述待测物质的所述至少一种成分的含量。

22、在第四方面，提供一种物质成分确定装置，包括：

23、映射关系数据库，包括由高能射线生成的参考闪烁脉冲的幅值-能量映射关系数据；

24、道址设置单元，配置成设置多个道址，其中所述道址为能量道址或幅值道址，各能量道址具有各自的能量表征值以及根据所述幅值-能量映射关系数据相应确定的幅值表征值，各幅值道址具有各自的幅值表征值；

25、道址确定单元，配置成根据多个待测闪烁脉冲的幅值大小和所述多个道址的幅值表征值的比较，确定所述多个待测闪烁脉冲对应的道址，所述多个待测闪烁脉冲由探测待测物质发出的高能射线生成；

26、能量窗确定单元，配置成确定待测物质中至少一种成分对应所述高能射线的能量窗；

27、道址区间确定单元，配置成基于所述幅值-能量映射关系数据和所述能量窗确定所述能量窗对应的道址区间；以及

28、含量确定单元，配置成根据各道址内的待测闪烁脉冲计数以及所确定的道址区间，确定所述待测物质的所述至少一种成分的含量。

29、在第五方面，提供一种电子设备，其包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的可执行程序，所述可执行程序被所述处理器执行时实现根据本技术实施例中任一项所述的方法的步骤。

30、在第六方面，提供一种存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储可执行程序，所述可执行程序被处理器执行时实现根据本技术实施例中任一项所述的方法的步骤。

31、在本技术的其他方面，还提供了脉冲信号的数字化方法、装置、设备以及适合该脉冲数字化的校正方法和装置。

32、本技术实施例的可选特征和其他效果一部分在下文描述，一部分可通过阅读本文而明白。