合成成形法在数字核脉冲信号处理中的应用研究_张怀强.pdf

第 卷 第 期 年 月东 华 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）（）.收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（，）作者简介：张怀强（），男，博士，教授，博士生导师，主要从事核探测技术与核电子学研究。：合成成形法在数字核脉冲信号处理中的应用研究张怀强，陈 壑，钱云琛，魏 勇（东华理工大学 核技术应用教育部工程研究中心，江西 南昌；东华理工大学 核科学与工程学院，江西 南昌）摘 要：数字核谱仪系统中核脉冲信号的处理通常采用数字成形法，传统的核信号数字成形常采用传递函数法来实现核脉冲信号的梯形、三角形与高斯成形。为解决不同数字成形方法需要改变相应的传递函数与实现过程的问题，引入了数字核信号合成成形处理方法，该方法采用统一的传递函数，通过简单地改变成形参数，可将数字核信号成形为具有一定曲率的凹成形与凸成形输出，然后通过叠加合成实现三种数字成形。具体推导了 域中合成成形的传递函数，以梯形合成成形为例分析了成形参数对脉冲堆积的影响，通过 获取成形数据，研究结果表明该方法可简单有效实现核脉冲信号的三种数字成形。选用（）探测器测量，对产生的核脉冲信号采用合成成形处理，通过对获取的能谱分析可知，合成成形法比传统成形法具有更好的能量分辨率与计数率性能。关键词：核脉冲信号；合成成形；传递函数；数字成形中图分类号：文献标志码：文章编号：（）张怀强，陈壑，钱云琛，等，合成成形法在数字核脉冲信号处理中的应用研究 东华理工大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：在数字核谱仪系统中，数字成形方法直接影响核脉冲信号处理中噪声抑制、脉冲堆积识别与幅度提取的结果，进而影响系统的能量分辨率、最大脉冲通过率等主要性能指标，因而核脉冲信号的数字成形方法与技术的改进一直是一个热点研究问题（，；张怀强等，；李卓岱等，）。等（）、等（）、等（）、周建斌等（）针对于不同探测器系统的输出核脉冲信号，对其数字梯形成形的传递函数、成形过程以及参数的优化选取做了相应的研究；钱云琛等（）推导了尖顶成形的数字递推函数模型并探讨了衰减系数、成形宽度的优化选取；刘寅 宇 等（）、等（）、等（）基于 实现了核脉冲信号的数字高斯成形；洪旭等（）、等（）、张怀强等（）基于数字 推导了高斯成形的传递函数，并对其成形过程、滤波性能以及幅频响应特性进行了研究。上述文献表明不同数字成形方法的适用条件不一致，且需要不同的传递函数或是不同的实现过程。因此，为了满足不同的应用需求，研究一种适用条件更广泛的数字成形方法是十分有必要的。本次研究一种通用的核脉冲信号数字成形方法，该方法采用统一的成形函数，只需改变成形参数即可实现具有一定曲率的凹成形与凸成形输出，最后通过叠加合成可实现核脉冲信号中不同的数字成形输出。合成成形原理该数字合成成形方法的输出具有凹曲率成形与凸曲率成形两种形式，构建的凹曲率成形与凸曲率成形表达式分别如式（）、式（）所示（，）。（）g（）k（）gk（k）k k（）g（k ）（k ）k k（）k|（）（）g（k）k（）gk（k）k k（）g（k）（k ）（k ）k k（）k|（）式中，（）为凹曲率成形函数，（）为凸曲率成形函数，k与 k分别为凹曲率成形与凸曲率成形的上升沿参数，和 分别为凹曲率成形与凸曲率成形的平顶参数，g和g分别为凹曲率成形与凸曲率成形的幅值调整参数，为采样点，。凹曲率成形与凸曲率成形分为上升区间、平顶区间以及下降区间三个部分，上升区间的成形函数分别为（）与（），平顶区间的成形函数分别为（）与（），下降区间的成形函数分别为（）与（），其中下降沿参数与上升沿参数相同。两个成形输出的上升沿与下降沿对称，上升沿与下降沿宽度分别由 k与 k表示，平顶分别由 与 表示，延迟参数分别由 与 表示。当 kk，时，凹曲率与凸曲率梯形成形如图 所示，图 与图 叠加合成可得到梯形成形输出。图 凹曲率与凸曲率梯形成形 合成成形过程探测器系统输出的信号，经由信号调理电路处理后，具有快速的上升沿与相对缓慢的下降沿，可表征为单指数模型的信号。单指数核脉冲信号的离散函数表达式为：k （）式中，k ，为模拟数字转换器（）采样周期（），为核脉冲信号衰减时间常数（），为阶跃函数。对式（）进一步分析可知，负指数衰减函数相邻数据的比值为常数 k，即：k （）对式（）所示离散的核信号进行反褶积变换，可获取其冲激脉冲函数 的递推表达式：第 期张怀强等：合成成形法在数字核脉冲信号处理中的应用研究 k （）将式（）所示的函数分别与式（）、式（）所示的数字成形函数进行卷积运算，可获取凹曲率与凸曲率的成形输出。由于三角成形为梯形成形中平顶等于 时的特殊情况，当 k k，时，两个图形合成可得到三角成形，凹曲率与凸曲率三角成形输出如图所示；当 k，k 时，两个图形合成可得到高斯成形，凹曲率与凸曲率高斯成形输出如图 所示。图 凹曲率与凸曲率三角成形 图 凹曲率与凸曲率高斯成形 合成成形方法实现 基于 变换的合成成形方法实现对式（）与式（）分别进行 变换，凹曲率成形和凸曲率成形在 域中的传输函数分别如式（）和式（）所示。（）g（）（）kg（k）k（）（）kg（k）k（）（）kg（）|（）东 华 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年（）gk（k）（）（）kg（）（）kg（）（）kg（k）k（）|（）通过式（）和式（）可得凹曲率成形与凸曲率成形传输函数（张怀强，）：（）（）g（k）（k）kk（）（）（）（）（）gk（k）（）（k）（k）（）则合成成形传输函数为（）（）（）（）（）当 ，k k，g g 时，梯形合成成形结果如图 所示。选取不同的 k（k k）与（），可实现不同上升沿与平顶宽度的梯形成形。当kk，时，三角合成成形结果如图 所示。图 梯形合成成形 当 ，k，k，g g 时，高斯合成成形结果如图 所示。图 三角合成成形 图 高斯合成成形 对于幅度为，时间常数为 的核脉冲信号，其 域中的函数表达式为：（）（k），传统梯形成形、高斯成形，以及合成成形方法的传输函数分别如式（）、式（）和式（）：梯形成形的传输函数为（，）：（）（k）（）（）（）（）式中，k ，其中 为梯形成形上升沿时间，为梯形成形上升沿时间 平顶时间。高斯成形（，）的函数模型，推导可得其传输函数为：（）（）（）（）第 期张怀强等：合成成形法在数字核脉冲信号处理中的应用研究式中，。通过对式（）进一步推导，可得基于合成成形的三角成形、梯形成形和高斯成形传递函数。以三角合成成形为例，当 ，kk，g g 时，其传输函数为：（）（）()（）以梯形合成成形为例，当 ，kk，g g 时，其传输函数为：（）（）（）（）（）（）以高斯合成成形为例，当 ，k，k，g g 时，其传输函数为：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）合成成形法针对不同的成形输出，采取式（）所示的统一传递函数，取不同成形参数，可分别得到式（）、式（）与式（）所示的传递函数，进而实现三角成形、梯形成形与高斯成形。成形参数对脉冲堆积对比分析以梯形合成成形后的脉冲堆积识别为例，针对同一脉冲间隔的核信号，选取不同的成形参数进行对比分析。两个核信号脉冲时间间隔为 个采样点，相邻采样点的间隔时间为 （图）。对于梯形合成成形，不同成形参数下的脉冲堆积情况和图，所示。图 不同梯形成形参数对堆积识别的影响 当梯形合成成形参数k k，g g 时，其k，通过时间比较脉冲识别方法可知（张怀强等，），此时属于完全堆积（图）；当梯形合成成形参数 k k，g g 时，其 k 且k，此时前一个脉冲的下降沿与后一个脉冲的上升沿发生堆积，但两个脉冲的平顶部分未发生堆积，脉冲可以实现区分（图）；当梯形合成成形参数k k，g g 时，其k ，不存在堆积情况（图）。三角合成成形与高斯合成成形具有类似的堆积识别情况。性能测试基于现场可编辑逻辑门阵列（）系统来实现合成成形算法，芯片采用 公司 系列的 芯片，通过 对信号进行采样（采样频率 ），采用 获取合成成形模块的输入信号、凹曲率成形东 华 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年输出信号、凸曲率成形输出信号以及合成成形输出信号，结果如图 所示。图 时序验证图 梯形合成成形（k k，g g）；三角合成成形（k k，g g）；c 高斯合成成形（k k，g g）。图 中 为经高速 采样后输出的数字核脉冲信号，为凹曲率成形输出信号，为凸曲率成形输出信号，为合成成形信号。通过图 可以看出，合成成形的成形结果良好。将实际采样信号（图）与 算法验证结果进行比较（图、图 和图），可以看出通过 设计的合成成形滤波器的输出结果与 算法验证结果一致。采用 公司的 型（）探测器，搭配 公司的 型光电倍增管，在高压、采样频率 时，基于传统梯形成形、梯形合成成形、三角合成成形、高斯合成成形对核脉冲进行数字成形处理后，得到的 能谱如图 所示。几种成形方法下获取的能量分辨率与计数率结果如表 所示，梯形合成成形的能量分辨率（）优于三角合成成形（）、高斯合成成形（）与传统梯形成形（）。三角合成成 形 的 计 数 率（）优 于 梯 形 合 成 成 形（）、高斯合成成形（）与传统梯形成形（）。表 不同成形方法下的能量分辨率与计数率 成形方法能量分辨率 计数率 传统梯形成形 梯形合成成形 三角合成成形 高斯合成成形 第 期张怀强等：合成成形法在数字核脉冲信号处理中的应用研究图 不同成形方法下的 能谱图 结论合成成形法将数字核信号分别以凹曲率成形与凸曲率成形输出，只需改变成形函数的上升沿与下降沿参数 k和 k，设定不同的平顶参数 和、延迟参数 和 与幅度调整参数 g和 g，可实现常见的梯形成形、三角成形以及高斯成形。该方法可克服传递函数法在改变不同的成形输出时需要改变相应传递函数与实现过程的局限性。通过测试表明合成成形法成形效果良好，并且对的能谱分析可知，合成成形法比传统成形法具有更好的能量分辨率与计数率。参 考 文 献洪旭，倪师军，周建斌，等，数字高斯脉冲成形算法仿真研究 核技术，（）：李卓岱，张怀强，刘进洋，等，数字核脉冲信号高斯成形方法实现与对比分析 核技术，（）：刘寅宇，张京隆，周荣，等，滤波器数字化研究核技术，（）：钱云琛，张怀强，卢奋华，等，尖顶成形方法的参数优化选取与堆积识别 核技术，（）：张怀强，数字核谱仪系统中关键技术的研究 成都：成都理工大学张怀强，吴和喜，汤彬，等，数字核谱仪系统中脉冲堆积识别方法的研究 东华理工大学学报（自然科学版），（）：张怀强，颜苗苗，刘进洋，核脉冲信号滤波成形电路的数字化研究 核技术，（）：周建斌，王敏，周伟，等，实时核信号数字化脉冲成形关键技术研究 原子能科学技术，（）：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（），；，）：东 华 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年 ，（），：；（上接第 页），（，；，）：，：；第 期张怀强等：合成成形法在数字核脉冲信号处理中的应用研究