一种核信号的脉冲成形方法和系统与流程

1.本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种核信号的脉冲成形方法和系统。


背景技术：

2.放射性测量仪器中探测器和前置电路输出的脉冲信号是一个基于时间常数的指数衰减信号。通常需要在探测器和前置电路输出后增加脉冲成形电路，将基于时间常数的指数衰减信号进行脉冲成形，再进行多道脉冲幅度分析，以提高分析仪器的综合性能指标。
3.现有技术中，通常通过cr-rcm数字滤波器将指数脉冲信号转换为类高斯信号，然后对类高斯信号进行分析处理。
4.现有技术存在以下技术问题:
5.1.当增加m时，cr-rcm数字滤波器的算法变得复杂并且脉冲信号宽度变宽，从而增加了堆积事件。
6.2.现有滤波器对高斯白噪声没有较好的抗噪效果。


技术实现要素：

7.针对现有技术中存在的脉冲信号宽度变宽，从而增加了堆积事件，以及对高斯白噪声没有较好的抗噪效果的问题，本发明提出了一种核信号的脉冲成形方法和系统，其目的为：使得到的脉冲成形信号的具有较好的信噪比，方便获取幅度。
8.为实现上述目的本发明所采用的技术方案是：提供一种核信号的脉冲成形方法，包括：
9.s1：获取探测器的输出信号，将输出信号构造成数字函数信号；
10.s2：将所述数字函数信号离散后作z变换，得到输出z变换信号；
11.s3：定义输入信号为指数信号，对所述指数信号作z变换，得到输入z变换信号；
12.s4：根据所述输入z变换信号和所述输出z变换信号，得到输入信号脉冲成形的传递函数；
13.s5：对所述传递函数作逆z变换，得到输入信号的脉冲成形信号，及其时域表达式。
14.较优的，本发明s1具体为：
15.将所述输出信号构建为同幅度的类正弦信号，其公式如式(1)所示：
16.其中：
17.其中，tc表示类正弦信号的成形时间，a为类正弦信号的幅度；
18.s2具体为：对类正弦信号离散后作z变换，得到类正弦z变换信号，其公式如式 (2)所示：
[0019][0020]
其中，nc＝tc/ts，ts为adc采样时间间隔。
[0021]
较优的，本发明s1具体为：
[0022]
先将所述输出信号构建为同幅度的类正弦信号，其公式如式(1)所示，然后对类正弦信号进行积分得到类余弦信号，其公式如式(3)所示：
[0023]
其中：
[0024][0025]
整理得到公式(4)：
[0026][0027]
s2具体为：对类余弦信号离散后作z变换，得到类余弦z变换信号，其公式如式 (5)所示：
[0028][0029]
较优的，本发明s3中，所述指数信号为单指数信号，其公式如式(6)所示：
[0030]
vi(t)＝v
max
·
e-t/τ
·
u(t)，t≥0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0031]
其中，v
max
为单指数信号的幅度，τ表示单指数信号的衰减时间常数，
[0032]
对单指数信号作z变换得到单指数z变换信号，其公式如式(7)所示：
[0033][0034]
其中，
[0035]
较优的，本发明s3中，所述指数信号为双指数信号，其公式如式(8)所示：
[0036][0037]
其中，v
max
表示输入脉冲的幅度，τ1和τ2分别为脉冲下降沿的衰减时间常数和上升沿的衰减时间常数；
[0038]
对双指数信号作z变换得到双指数z变换信号，其公式如式(9)所示：
[0039][0040]
其中，
[0041]
较优的，本发明s4中，根据类正弦z变换信号和单指数z变换信号，得到输入信号脉冲成形的传递函数，其公式如式(10)所示：
[0042][0043]
整理得到公式(11)：
[0044][0045]
s5：对所述传递函数作逆z变换，得到单指数信号的脉冲成形信号，及时域表达式，其公式如式(12)所示：
[0046][0047]
较优的，本发明s4中，根据类余弦z变换信号和单指数z变换信号，得到输入信号脉冲成形的传递函数，其公式如式(13)所示：
[0048][0049]
较优的，本发明s4中，根据类正弦z变换信号和双指数z变换信号，得到输入信号脉冲成形的传递函数，其公式如式(14)所示：
[0050][0051]
整理得到式(15)：
[0052][0053]
s5：对所述传递函数作逆z变换，得到单指数信号的脉冲成形信号，及时域表达式，其公式如式(16)所示：
[0054]
[0055]
其中，vi[n]表示离散的双指数信号。
[0056]
本发明还提成了一种核信号的脉冲成形系统，包括：
[0057]
探测器：用于获取输出信号，将输出信号构造成数字函数信号；
[0058]
前置放大器：用于获取输入信号；
[0059]
z变换模块：将所述数字函数信号离散后作z变换，得到输出z变换信号；定义输入信号为指数信号，对所述指数信号作z变换，得到输入z变换信号；
[0060]
脉冲成形模块：根据所述输入z变换信号和所述输出z变换信号，得到输入信号脉冲成形的传递函数；对所述传递函数作逆z变换，得到输入信号的脉冲成形信号，及其时域表达式。
[0061]
相比现有技术，本发明的技术方案具有如下优点/有益效果：
[0062]
1.本发明得到的脉冲成形信号解决了信号堆积，具有较好的信噪比，抗噪效果明显，方便获取幅度。
[0063]
2.本发明的脉冲成形信号的频谱特性相对于现有技术得到了显著的提升和改善，且具有恒定面积不变的特点，以及双极成型的特点，可以有效抑制基线漂移。
附图说明
[0064]
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0065]
图1是本发明实施例1的类正弦信号形态示意图。
[0066]
图2是本发明实施例1的单指数信号的类正弦脉冲成形信号示意图。
[0067]
图3是本发明实施例1的叠加噪声单指数信号的类正弦脉冲成形信号示意图。
[0068]
图4是本发明实施例2的叠加噪声双指数信号的类正弦脉冲成形信号示意图。
[0069]
图5是本发明实施例2的类正弦脉冲成形信号的频谱特性示意图。
[0070]
图6是本发明实施例3的单指数信号的类余弦脉冲成形信号示意图。
[0071]
图7是本发明实施例3的类余弦脉冲成形信号与高斯信号对比示意图。
[0072]
图8是本发明实施例3的类余弦脉冲成形信号与高斯信号的相识性分析示意图。
[0073]
图9是本发明实施例3的类余弦脉冲成形信号和类正弦脉冲成形信号的频谱特性对比示意图。
具体实施方式
[0074]
为使本发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
[0075]
实施例1：
[0076]
本发明提出了一种核信号的脉冲成形方法，包括：
[0077]
s1：获取探测器的输出信号，将输出信号构造成数字函数信号；s1具体为：
[0078]
将所述输出信号构建为同幅度的类正弦信号，如图1所示，其公式如式(1)所示：
[0079]
其中：
[0080]
其中，tc表示类正弦信号的成形时间，a为类正弦信号的幅度；
[0081]
s2：将所述数字函数信号离散后作z变换，得到输出z变换信号；
[0082]
s2具体为：对类正弦信号离散后作z变换，得到类正弦z变换信号，其公式如式 (2)所示：
[0083][0084]
其中，nc＝tc/ts，ts为adc采样时间间隔。
[0085]
s3：定义输入信号为指数信号，对所述指数信号作z变换，得到输入z变换信号； s3中，所述指数信号为单指数信号，其公式如式(6)所示：
[0086]
vi(t)＝v
max
·
e-t/τ
·
u(t)，t≥0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0087]
其中，v
max
为单指数信号的幅度，τ表示单指数信号的衰减时间常数，
[0088]
对单指数信号作z变换得到单指数z变换信号，其公式如式(7)所示：
[0089][0090]
其中，
[0091]
s4：根据类正弦z变换信号和单指数z变换信号，得到输入信号脉冲成形的传递函数，其公式如式(10)所示：
[0092][0093]
整理得到公式(11)：
[0094][0095]
s5：对所述传递函数作逆z变换，得到单指数信号的脉冲成形信号，及时域表达式，其公式如式(12)所示：
[0096][0097]
本实施例1还提成了一种核信号的脉冲成形系统，包括：
[0098]
探测器：用于获取输出信号，将输出信号构造成数字函数信号；
[0099]
前置放大器：用于获取输入信号；
[0100]
z变换模块：将所述数字函数信号离散后作z变换，得到输出z变换信号；定义输入
信号为指数信号，对所述指数信号作z变换，得到输入z变换信号；
[0101]
脉冲成形模块：根据所述输入z变换信号和所述输出z变换信号，得到输入信号脉冲成形的传递函数；对所述传递函数作逆z变换，得到输入信号的脉冲成形信号，及其时域表达式。
[0102]
利用matlab模拟单指数信号(不叠加噪声)，其中最大脉冲幅度v
max
＝2000，衰减时间常数τ＝100ts，采样时间间隔ts＝50ns，取nc＝300ts，采用式(12)对该单指数衰减信号进行类正弦脉冲成形，结果如图2所示。
[0103]
同理，利用matlab模拟叠加高斯白噪声的单指数信号，其中最大脉冲幅度 v
max
＝2000，衰减时间常数τ＝100ts，采样时间间隔ts＝50ns，s/n＝10db，取 nc＝300ts，采用式(12)对叠加噪声单指数信号进行类正弦脉冲成形，结果如图3所示。由图3可见，类正弦脉冲成形抗噪效果明显。
[0104]
实施例2：
[0105]
本发明提出了一种核信号的脉冲成形方法，包括：
[0106]
s1：获取探测器的输出信号，将输出信号构造成数字函数信号；s1具体为：
[0107]
将所述输出信号构建为同幅度的类正弦信号，如图1所示，其公式如式(1)所示：
[0108]
其中：
[0109]
其中，tc表示类正弦信号的成形时间，a为类正弦信号的幅度；
[0110]
s2：将所述数字函数信号离散后作z变换，得到输出z变换信号；
[0111]
s2具体为：对类正弦信号离散后作z变换，得到类正弦z变换信号，其公式如式 (2)所示：
[0112][0113]
其中，nc＝tc/ts，ts为adc采样时间间隔。
[0114]
s3：定义输入信号为指数信号，对所述指数信号作z变换，得到输入z变换信号；在实际测量中，由于前置放大器反馈电容与电阻等电子元器件存在，在收集电荷的过程中会损失电荷，使得adc采集到的核脉冲信号通常具有双指数特点，即具有较快的上升沿和较慢的下降沿，因此s3中，所述指数信号为双指数信号，其公式如式(8) 所示：
[0115][0116]
其中，v
max
表示输入脉冲的幅度，τ1和τ2分别为脉冲下降沿的衰减时间常数和上升沿的衰减时间常数；
[0117]
对双指数信号作z变换得到双指数z变换信号，其公式如式(9)所示：
[0118][0119]
其中，
[0120]
s4：根据类正弦z变换信号和双指数z变换信号，得到输入信号脉冲成形的传递函数，其公式如式(14)所示：
[0121][0122]
整理得到式(15)：
[0123][0124]
s5：对所述传递函数作逆z变换，得到单指数信号的脉冲成形信号，及时域表达式，其公式如式(16)所示：
[0125][0126]
其中，vi[n]表示离散的双指数信号。
[0127]
本实施例2还提成了一种核信号的脉冲成形系统，包括：
[0128]
探测器：用于获取输出信号，将输出信号构造成数字函数信号；
[0129]
前置放大器：用于获取输入信号；
[0130]
z变换模块：将所述数字函数信号离散后作z变换，得到输出z变换信号；定义输入信号为指数信号，对所述指数信号作z变换，得到输入z变换信号；
[0131]
脉冲成形模块：根据所述输入z变换信号和所述输出z变换信号，得到输入信号脉冲成形的传递函数；对所述传递函数作逆z变换，得到输入信号的脉冲成形信号，及其时域表达式。
[0132]
利用matlab模拟叠加高斯白噪声的双指数信号，其中最大脉冲幅度v
max
＝2000，衰减时间常数τ1＝100ts，τ2＝10ts，采样时间间隔ts＝50ns，s/n＝10db，形成的双指数脉冲信号如图4的叠加噪声双指数信号，取nc＝300ts，采用式(16)对双指数信号进行类正弦脉冲成形，结果如图4所示的类正弦脉冲成形信号。由图4可见，类正弦脉冲成形信号抗噪效果明显，且脉冲最大幅度为2000，准确解算出了输入信号的幅度。类正弦数字成型系统的频率特性见图5。
[0133]
实施例3：
[0134]
本发明提出了一种核信号的脉冲成形方法，包括：
[0135]
s1：获取探测器的输出信号，将输出信号构造成数字函数信号；s1具体为：
[0136]
先将所述输出信号构建为同幅度的类正弦信号，其公式如式(1)所示，然后对类正弦信号进行积分得到类余弦信号，其公式如式(3)所示：
[0137]
其中：
[0138][0139]
整理得到公式(4)：
[0140][0141]
s2：对类余弦信号离散后作z变换，得到类余弦z变换信号，其公式如式(5)所示：
[0142][0143]
s3：定义输入信号为指数信号，对所述指数信号作z变换，得到输入z变换信号； s3中，所述指数信号为单指数信号，其公式如式(6)所示：
[0144]
vi(t)＝v
max
·
e-t/τ
·
u(t)，t≥0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0145]
其中，v
max
为单指数信号的幅度，τ表示单指数信号的衰减时间常数，
[0146]
对单指数信号作z变换得到单指数z变换信号，其公式如式(7)所示：
[0147][0148]
其中，
[0149]
s4：根据类余弦z变换信号和单指数z变换信号，得到输入信号脉冲成形的传递函数，其公式如式(13)所示：
[0150][0151]
类余弦脉冲成形信号的模拟如图6所示，类余弦脉冲成形信号与高斯信号的对比见图7，图7中蓝色为类余弦脉冲成形信号，橙色为高斯信号，图7中的数据的相似性分析见图8，线性相关系数r2达到了0.9957。类余弦脉冲成形信号的频谱特性与类正弦脉冲成形信号的频谱特性对比见9，类余弦脉冲成形信号的频谱特性得到明显改善，改进的类余弦脉冲成形具有恒定面积不变的特点，以及双极性成型的特点，可以有效抑制基线漂移。
[0152]
本实施例3还提成了一种核信号的脉冲成形系统，包括：
[0153]
探测器：用于获取输出信号，将输出信号构造成数字函数信号；
[0154]
前置放大器：用于获取输入信号；
[0155]
z变换模块：将所述数字函数信号离散后作z变换，得到输出z变换信号；定义输入信号为指数信号，对所述指数信号作z变换，得到输入z变换信号；
[0156]
脉冲成形模块：根据所述输入z变换信号和所述输出z变换信号，得到输入信号脉冲成形的传递函数；对所述传递函数作逆z变换，得到输入信号的脉冲成形信号，及其时域表达式。
[0157]
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。