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核信号数字滤波处理技术的分析.pdf

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成都理工大学硕士学位论文studies of Digital FiIter Pmcess Techniques for NucIear SignaIAbstractDigital signal processing tecllIliques are profoundly deVeloped in nuclear physicfield with the deVelopment of high-speed ADC,pro铲all瑚able logic deVicesFPGAand CLPD,real-time叩erating system a11d micr叩rocessor.In nuclear detection,t11eincident particles firstly are conve毗d to elec仃ic si印als by the detectI呱锄d then thesignals are锄plified byⅡle pre一锄plifier a11d the main锄plifier before the ADC.hlthis process,the noise could be i11仃oduced.Thus,the backgroulld of tlle enviromentand t11e noise contribute a lot t0 the statistical nuctuations of the s锄pled pulse data.The e虢cts of the noise can afrect both the ene略y resolution and measurementprecision.On the otherh锄d,d磷tal signal processiIlg techniques are widely discussedin digital nuclear instmme吐aIld digital filter is one of the key techlliques in digitalsignal processing.7111is paper aims to studyingⅡ1e apIplications of digital filterS insignal processing.111 t11e study of dig油l filter,nuclear pulse signal is simulated.The signal isalways supe印osed by noise and the amplitude of signal follows a normal di矧bution.,nle intervaltime of t11e sigllalis distributed exponentially while the sigIlal itself isregarded as decay exponential distribution.Both t|le ideal nuclear sigllals and thesignals with noise are simulated as the original signals for dighl filter.FIR filter a11dS-K 6lter are studied based me simulated signals.The principles of tIle p踟etersSelection are also inVolVed by some experiments.By comparing the‰ctions of FIRfilter and SK filter for nuclear pulse signal,the adVantages of me S-K 6lter areproposed.The experiIIlent results show that the S-K filter is better thall FIR filter aIldthe S-K filter can improVe ene略y resolution more e伍cient th锄the FⅡ【fllter.HoweVer,under the condition of high counting rate,the total counts of the spectmmobtaining by SK filter is smallef than that of spectmm obtaining by FIR filter becausethe pulse width is expanded by S-K filter.111 the real hardware platfornl,FⅡt filter is injected in the system to guarantee theeneFgy resolution.m the experimentS of highly-radioactiVe source,the F圈R filter canincrease the throughput and improVe me energy resolution at the s锄e time.Keywordsnuclear pulse signal dig油l filter SNR ene嗡7 resolutionII目 录目 录摘要.IAbstract一II第1章引 言..11.1选题依据..11.2国内外现状一21.3主要研究内容..4第2章核信号的数字模拟一62.1核探测器输出信号特征一62.2负指数信号的模拟一72.2.1负指数公式法72.2.2阶跃信号微分法82.3双指数信号的模拟..92.3.1单个双指数信号的模拟..102.3.2连续双指数信号的模拟一1 02.4带噪声的核信号模拟112.4.1带噪声负指数信号的模拟..122.4.2带噪声双指数信号的模拟..13第3章核信号数字滤波分析163.1 F瓜滤波器的设计.1 63.1.1 F瓜滤波器数学模型1 73.1-2最小二乘法FR滤波器的设计.183.2 S.K滤波器介绍.22第4章核信号模拟测试264.1核脉冲信号的模拟264.2模拟幅度谱264.3 F瓜处理过后的脉冲及成谱图.294.4 S.K处理过后的脉冲及成谱图.314.5实际采样信号测试对比34结论..39致{射一40参考文献..4l攻读学位期间取得学术成果一43III第l章引 言1.1选题依据第1章引 言放射性核素的衰变在时间上是随机产生的,使得衰变产生的射线在能量上也具有随机性。由于有这样的随机性存在,伴随射线与物质相互作用时,所产生的电离、激发,以及射线通过光电倍增管进行光电转换及电子倍增等过程也都具有随机性【H】。正是由于这种微观过程的随机性特点,使得核辐射探测器的输出信号具有统计涨落的特点,即表现在输出信号在脉冲幅度上大小不一致,波形上不完全一样,产生的时间间隔疏密不匀,对单一能量的核辐射所对应的输出信号,具体表现为,在幅度上基本符合高斯分布规律,而在时间间隔上则符合指数分布规律11。人们生活的周围充满了各种信息,信息常常被以信号作为传播的载体的方式来表达。在信号的产生、传递以及接收过程中,都会不可避免地引入一些另外的信号成分【12】,即噪声,这将对原始信号造成一定程度的干扰。为了减小外界对信号的干扰,在进行信号接收处理前,就需要对所接收到的信号进行滤波处理,以减小噪声,从而得到有效的信号成分。在当今的生活中,对信号的滤波及处理等在工程技术领域的应用越来越受到关注,尤其对测量领域所涉及到的各种信号在工程技术领域的应用的研究更是重中之重。如何在较强的噪声环境下有效提炼出真正的有用信号并将其真正运用到实际的工程中,这正是信号滤波处理要解决的实际问题。上世纪60年代,数字信号处理在理论层上发展迅猛,其体系和框架逐渐成熟。如今,数字信号处理已经成为一门完整的学科,涉及到许多学科而又广泛应用于许多领域。20世纪60年代以来,随着计算机和信息技术的飞速发展,数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展【l 21。数字信号处理以数字序列以离散的方式表示信号【13】,通过使用数学技巧对信号进行转换或提取,从而实现信号滤波以及处理的数字化处理目的。数字滤波处理技术在数字信号处理学科中占据很重要的地位。数字滤波器是一个离散时间系统,主要过程为,按照预定的算法,将离散时间信号进行算法处理,并按要求输出相应的离散时间信号。在使用数字滤波器进行信号滤波时,首先须对输入的信号进行限带、抽样和模数转换。数字滤波器要求输入信号的抽样率应该大于被处理信号带宽的两倍,其频率响应具有以抽样频率为间隔的周期重复特性,且以折叠频率,即l/2抽样频率点呈镜像对称性【14,15】。为得到模拟信号,数字滤波器处理的输出数字信号须经数模转换、滤波处理。数字滤波器具有高精度、高可靠性、可程控改变放大倍数、复用、便于集成都理工大学硕士学位论文成等优点。目前,数字滤波器在如通信系统、系统控制、生物医学工程、机械振动、遥感遥测、地质勘探、故障检测、电力系统、航空航天、自动化仪器等应用领域都得到了广泛应用【16】。数字滤波器的好坏对相关的众多工程技术领域影响很大,一个好的数字滤波器会有效的推动众多的工程技术领域改造和学科发展。所以对数字滤波器的工作原理,硬件结构和实现方法进行研究具有一定的意义。因此,数字信号处理与模拟信号处理相比具有如下优点1稳定性在模拟信号系统中,模拟信号的参数容易被电路中的电阻、电容和运算放大器或者容易受到温度变化的器件所影响。而数字信号系统中大大减少了受温度变化的或者长时间使用的影响的元器件,所以与模拟信号系统比较起来,数字信号系统要稳定许多。这也使得数字信号系统能够有较强的稳定性和较长时间使用的特性。2可预见性在模拟信号系统中,由于模拟信号容易受到温度的变化而产生不可预期的结果,而在数字信号系统设计完成后,数字信号可以通过仿真的形式进行测试,而且这与实际的工程应用中出现的情况是一致的;同时,数字信号处理算法能够应用在不同的数字信号系统中,具有较强的移植性。3特殊功能数字信号处理还具有许多模拟信号不能达到的作用,例如幅频特性曲线、线性相位响应,还有些模拟信号不能胜任的问题如无损压缩、纠错编码等。同时,数字信号处理的设计也相对简单,并且可以根据不同的应用设计出合适的算法。4成本低廉数字信号处理器是由大规模集成电路实现的,相对使用大量的模拟元器件来实现完成同一任务,数字信号处理器的成本是很低的。1.2国内外现状数字核谱仪测量系统己持续有40多年的发展历史,已经成为核能谱仪测量系统的发展方向11卜删。在数字核谱仪测量系统中,数字处理算法的研究是重要的内容,脉冲滤波成形算法则是最主要的数字信号处理算法。在20世纪70年代,荷兰菲利普实验室的H.Koeman等人采用数字化方法对核谱仪测量系统中的数字化脉冲信号进行采样和滤波处理,他们也提出了利用数字化结构滤波器来实现核脉冲信号的处理,但是由于当时计算机技术和大规模集成电路集成度及电子学技术等条件的限制,做出来的系统结构非常复杂,增大了测量系统的死时间,成本第1章引 言变得更加昂贵,这些都使得数字化核谱仪的发展受到了极大的阻碍,即使这样,这也依然验证了数字核谱仪测量方法的可行性,也为数字化的发展指引了方向。直到20世纪90年代中后期,随着计算机技术和大规模和超大规模的集成电路技术及电子学技术的快速发展,数字化的元器件如雨后春笋般涌现例如高速高精度ADC及FPGA芯片,使得数字核谱仪系统进入了高速发展的时期。美国的Valentine.T.Jordanov利用20MHz,12位的ADC讲放大器输出的模拟信号数字化,然后利用计算机进行数字信号处理,实现了能谱测量分析系统12¨。2000年,意大利Politecnico实验室把核脉冲信号通过硬件成形方式转化为准高斯波形,然后将脉冲信号数字离散化,由FPGA进行处理实现了数字滤波的功能并显示出了谱线【22彩】。目前,国外众多知名核仪器生产厂家都在各自的系列产品中采用数字滤波功能。例如,X认X.ray Ins仃umentationAssociates公司在其系列产品中使用了梯形滤波器;OI淝C公司的系列产品使用两腰有一定曲率的梯形滤波器11 5J【l引;C砧惦EⅪ乙~公司使用三角形或梯形滤波器。梯形和三角形成形是当前数字核谱仪系统中典型的脉冲成形方法。从2000年以来,美国X认公司推出了一系列的数字化X射线、低能Y射线谱仪。同期,OI淝C公司和CAM临EⅪ认公司也研制出性能相当的数字化谱仪产品。2001年,美国A唱。衄e国家实验室联合美国多所大学和科研机构,组成了“核结构中的数字电子学”工作组,计划设计和建立一套用于核结构物理研究的通用数字信号处理系统,使其能满足不同的实验要求。在国内,众多知名大学和科研机构的研究人员正在从事核信号数字处理方面的研究工作。例如,清华大学的肖无云、魏义祥等【9‘1 o】对基于数字信号处理技术对数字化谱仪、离散化核脉冲信号滤波及成形以及基线估计和多道脉冲幅度分析器技术等方面做了较深的研究;四川大学的陈世国、张软玉、罗小兵等在数字化核能谱系统中的数字滤波、参数最优化等方面有相关研究报告;成都理工大学的方方、周建斌、周伟等在数字化核谱仪的设计、核脉冲信号数字处理以及网络化设计等方面取得了一定的研究成果【30】;南华大学的杨彬、颜拥军、周剑良等利用Matlab软件实现了核信号数字高斯滤波、匹配滤波以及梯形滤波的仿真;贵州师范大学的陈世国、吉世印等【31】设计了一套核辐射信号的数字仿真发生器防化研究院第二研究所的肖无云、梁卫平、邵建辉等应用FPGA技术完成了数字多道脉冲幅度分析器的设计130。32J。随着高速高分辨率ADC和数字信号处理技术、实时操作系统和微处理器技术的迅猛发展,使得新一代数字化核能谱仪测量系统的诞生打下了坚实的基础。多道脉冲幅度分析技术开始逐步朝着数字化方向发展,对前置放大器输出脉冲直接采样、由数字信号处理进行多道脉冲幅度提取和分析为特点的全数字化核谱仪的实现己成为可能【24.281。相较于模拟核谱仪,数字核谱仪测量系统有以下明显的优越性。成都理工大学硕士学位论文1滤波能力强。ADC采集到的带有一定噪声的核脉冲信号,通过合适的数字信号处理方法,针对实际噪声特点能够合成最佳数字滤波器,可以提取我们所需要的核信息。2灵活性。一套数字核谱仪的硬件系统,可以根据不同的核辐射探测器编写不同的软件算法,方便灵活地适应各种不同的测量任务需求,并且,可以根据不同的实验条件下进行参数选择,获得最佳的测试结果。3抗干扰能力强。模拟信号测量系统会随着元器件的使用情况温度的变化,器件的老化而产生不可避免的噪声,而在数字核谱仪系统中,其抗干扰能力不会随着环境如温度等的变化或器件的老化而改变。4保真性。数字核能谱仪测量系统输出脉冲信号数字化以后,可以不失真地保存起来,以便离线处理和数据传输。因为数字化核能谱仪系统中的信号离散化后,使得噪声、堆积等因素对信号的影响更小。而且输出脉冲信号数字化和存储过程完全可以达到实时要求,若存储器容量足够大,一次可以存储满足分析需要的足够多个脉冲的采样点数据。数字核谱仪免去了模拟核谱仪中的峰值采样保持过程,因此,只要保证数字化和存储脉冲实时,则不存在脉冲处理的死时间。这点是模拟核谱仪无法比拟的。5处理速度快。与传统的模拟核谱仪系统相比,数字核能谱仪由于高速ADC和计算机技术及微控制器技术的结合,处理数字化脉冲更加快捷。因此,对数字核能谱仪测量系统的研究和开发,不仅仅推动了核能谱仪测量系统本身的发展,而且还会使得它在其他基础科学研究和工程应用研究中得到更大的发挥,也会推动相关领域的研究水平更上一层。随着计算机技术和仪器仪表技术的高速发展,数字核谱仪已经成为大势发展的趋势【241。因此,本论文在数字化核能谱仪测量系统中对数字信号处理技术中的滤波进行研究,具有一定的现实意义。随着电子技术的快速发展,模拟核仪器系统逐渐被数字核仪器系统所取代,低成本,高效率的数字核仪器被广泛应用到各种测量分析领域,数字化技术也从单纯的数字化采集过渡到数字化算法研究。采用核信号数字化算法处理核信号不仅能提高数字化核仪器系统的效率,同时也能推动核测量方法在各个研究领域的应用。论文结合数字化能谱系统中的核信号数字滤波技术进行研究,对国内外数字化核仪器及数字处理技术进行了详细的调研。在数字处理技术方面,结合数字化处理技术研究热点以及国内外学者对数字滤波算法的研究成果,选择F瓜滤波器第l章引 言和S.K滤波器作为主要研究内容,开展研究工作。1.从核信号数字模拟出发,对常见的核信号形式,如单指数信号、双指数信号、阶跃信号、不同信噪比的核信号等进行了模拟,分析了核信号的特征,为后续数字滤波算法的研究提供原始数据。2.在此基础上,对FIR滤波器及S.K滤波的原理进行了介绍,并对滤波参数的选择进行了实验,初步确定参数选择原则。3.通过模拟大量核脉冲信号并生成谱图研究两种方法对谱线能量分辨率和计数率的影响。4.通过搭建实际硬件测试平台,F瓜滤波器与S.K滤波器进行对比测试。成都理工大学硕士学位论文第2章核信号的数字模拟Matlab一一款高性能数值计算和数据分析软件,由美国Mathworks公司研制的高性能数值计算和数据分析软件。它已经成为工程和科学研究的工业标准,具有独特的用户界面,复杂的数值计算、强大的数据分析、快速计算、方便扩展等特点。Matlab的基本功能有矩阵运算、矩阵分解、矩阵特征值与特征向量计算、信号卷积、谱估计、复杂运算、FFT运算、滤波器设计及滤波、曲线拟合、样条拟合、线性方程组求解和微分方程等等。Matlab包括工具箱有数字信号处理工具箱、控制系统设计工具箱、系统辨识工具箱和字扩展工具箱等。Matlab包括绘图函数有直方图、散点图、曲线图、三维网格图、X.Y绘图及图像显示。论文的仿真数据及结果分析都是在Matlab软件中进行的。本章主要对单指数信号和双指数信号进行了介绍,并用matlab软件模拟了理想的单指数信号和双指数信号等常见信号。同时,也模拟了实际的,即有噪声情况下的单指数信号和双指数信号。并且分析了两种不同衰减常数的指数信号。2.1核探测器输出信号特征利用能谱曲线来研究核辐射特性例如可以测量活度、元素种类、粒子能量等,是核物理实验中较为常用的方法。如何获得核能谱信息是核电子学科中的重要研究内容。数字核能谱测量系统则是实现能谱曲线的重要装置,该装置通常是由核辐射探测器和数字信号处理系统组成。前者是将入射射线通过与物质的相互作用发生光电效应、康普顿效应及形成电子对效应来产生电信号,而数字信号处理系统则是将核辐射探测器输出的信号进行放大、滤波、成形、处理和记录,从而获得可以反映与入射粒子相关信息。通过核辐射探测技术,可以实现记录粒子的数目,确定入射粒子的种类以及测定射线的能量等功能。核辐射探测器输出的脉冲信号是一系列疏密程度不均匀、幅度不相等、前后波形不一致的随机信号13孓361。脉冲信号的特征主要由输入粒子的能量的大小和探测器的响应共同决定的。一般探测器都可以大致等效为一个电流源It,其等效电路如图2.1所示。第2章核信号的数字模拟图2.1核辐射探测器输出等效电路It等于流过电阻R和电容C的电流之和,用公式表示为 ,忙迎c型2.1R dt初始条件仁0时,I0O,V0O带入2-1中可以求得yt}土·净f,酊痂 2.2c 乞尽管不同的核探测器输出的脉冲信号不尽相同,但脉冲信号的基本形状呈负指数的。2.2负指数信号的模拟2.2.1负指数公式法在核信号处理中,我们通常将负指数信号当作是核探测器输出的前端信号来处理,其公式为,O f0厂≠一{』 2-3KP2 ,≥U其中00时,通常把l/。称为指数信号的时间常数,记作t,代表信号衰减速度,具有时间的量纲。结合Matlab仿真软件,产生单个负指数的模拟产生幅值2000mv,衰减时间400ns,2“s宽度的一个理想负指数信号,如图2.2所示。成都理工大学硕士学位论文图2.2理想负指数信号的模拟运用Matlab提供的random函数产生平均值2000,标准差为200服从正态分布的幅值,如图2-3所示,模拟产生衰减时间400ns,脉冲宽度2胪的连续理想负指数信号。2.2.2阶跃信号微分法图2.3连续负指数信号的模拟微分成形电路还用于有载波信号时的核探测器信号的提取,因此模拟阶跃信号经过微分成形可以得到负指数信号,如图2.4所示模拟的阶跃信号经过不同成形参数时输出的负指数信号有着不同的衰减时间。
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