基于實時數(shù)字脈沖處理技術(shù)的核譜儀研究

周建斌，胡云川，2，＊，洪 旭，陳鐵光，陳 寶，岳愛忠，何緒新

（1.成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動化工程學(xué)院，四川成都 610000；2.山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點實驗室，山東青島 266001；3.成都中核高通同位素股份有限公司，四川成都 610041；4.中國石油集團測井有限公司，陜西西安 710032）

基于實時數(shù)字脈沖處理技術(shù)的核譜儀研究

周建斌1，胡云川1，2，＊，洪 旭1，陳鐵光3，陳 寶4，岳愛忠4，何緒新4

（1.成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動化工程學(xué)院，四川成都 610000；2.山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點實驗室，山東青島 266001；3.成都中核高通同位素股份有限公司，四川成都 610041；4.中國石油集團測井有限公司，陜西西安 710032）

本文提出一種基于80 MHz ADC的數(shù)字化γ能譜系統(tǒng)。系統(tǒng)由探測器、前端電路、ADC和數(shù)字處理單元組成。數(shù)字處理在FPGA中完成，主要包括FIR數(shù)字濾波、脈沖梯形成形、幅度甄別、數(shù)據(jù)通訊。為減小高速ADC在采集過程中引入的噪聲信號，在數(shù)字處理單元實現(xiàn)FIR數(shù)字濾波，對數(shù)字脈沖信號先進行濾波處理，再進行脈沖梯形成形，得到高分辨率的能譜數(shù)據(jù)。測量系統(tǒng)中模擬信號全部采用直流耦合，數(shù)字脈沖寬度為1.6μs，對137Cs的能量分辨率達6.88%。

核脈沖信號；FIR數(shù)字濾波；脈沖梯形成形；80 MHz采樣率

核測量技術(shù)的研究一直是核輻射探測領(lǐng)域的重要研究課題，并廣泛應(yīng)用于核物理、高能物理、核醫(yī)學(xué)成像和核技術(shù)應(yīng)用等領(lǐng)域［1］。核測量系統(tǒng)將能量、時間、位置等核信息轉(zhuǎn)換成電壓等便于觀測的物理量，通過分析這些物理量獲得相應(yīng)的核信息。隨著科技的發(fā)展，信號的速度越來越快，對數(shù)據(jù)采集的要求也越來越高：高能加速器的微脈沖信號，時間精度在幾百ps；高能物理中的飛行計數(shù)器要做到100 ps的時間分辨。針對速度如此快的信號，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣率非常高才能滿足將數(shù)據(jù)信息完整地采集并傳輸?shù)胶蠹壧幚韱卧?/p>

隨著高速模數(shù)數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）與現(xiàn)場可編程邏輯門陣列器件（FPGA）技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字脈沖處理技術(shù)［2－4］使強輻射環(huán)境下的能譜分析技術(shù)成為可能，這要求測量系統(tǒng)在保證高分辨率的前提下有更高的脈沖通過率。在高計數(shù)率下采用能譜測量技術(shù)需采用高速ADC以及高速數(shù)字處理技術(shù)來實現(xiàn)數(shù)字成形能譜測量。目前，基于NaI探測器的數(shù)字能譜測量系統(tǒng)［5］一般采用20～40 MHz的ADC，數(shù)字脈沖寬度為2～20μs。隨著新型探測器（如LaBr3探測器）的出現(xiàn)，使探測器輸出脈沖寬度可達150 ns～1μs，故需提高ADC的轉(zhuǎn)換速度實現(xiàn)數(shù)字能譜測量。但高速的AD轉(zhuǎn)換會引入相對大的噪聲，針對這一問題，本文改進數(shù)字測量系統(tǒng)，采用并行的FIR數(shù)字濾波器提高輸入信號信噪比，同時利用快速脈沖梯形成形算法來實現(xiàn)輸入信號數(shù)字成形。

1 系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)字化譜儀結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。探測器采用3″×3″NaI（Tl）探測器；高壓采用高精度500～1 000 V可調(diào)高壓模塊［6－7］；低壓電源采用DC－DC實現(xiàn)＋5 V、＋12 V、－12 V 3路供電；前置放大器采用一級跟隨器，輸出采用直流耦合，探測器輸出的脈沖寬度約為2μs；主放大器采用三級線性放大設(shè)計，第一級反向放大，第二級數(shù)字偏置設(shè)置反向輸出，第三級反向程控放大，如圖2所示；ADC選用的是AD公司的80 MHz 10位高速流水線型ADC AD9215［8］，實現(xiàn)放大器輸出信號快速數(shù)字采樣；FPGA選用的是Xilinx的XC3S500E，實現(xiàn)系統(tǒng)中的FIR數(shù)字濾波、脈沖梯形成形、數(shù)據(jù)存儲與傳輸?shù)裙δ?；微控制器（MCU）選用內(nèi)嵌USB協(xié)議處理單元的32位ARM處理器STM32F103；FPGA的時鐘由外部48 MHz有源晶振提供，同時經(jīng)FPGA中的PLL分頻輸出80 MHz作為ADC的采樣時鐘以及8 MHz作為MCU的系統(tǒng)時鐘；FPGA與MCU之間采用9 MHz的SPI通訊方式，在FPGA中設(shè)計了SPI軟核；MCU通過SPI接口控制數(shù)字偏置以及程控增益放大器；測量系統(tǒng)與計算機之間采用USB2.0通訊接口，可實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的高速實時傳輸。為減少高頻數(shù)字噪聲，整個測量系統(tǒng)設(shè)計在1塊6層電路板上，上、下兩層為器件，中間4層是兩層為電源、兩層為數(shù)字地與模擬地，數(shù)字系統(tǒng)與模擬系統(tǒng)嚴(yán)格分開，獨立供電，最后通過1個點接地。

圖1 數(shù)字化譜儀結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of digital spectrometer

圖2 線性放大結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of linear amplification circuit

2 最小二乘法FIR濾波器設(shè)計

2.1 FIR數(shù)學(xué)模型

FIR濾波器具有有限長的單位沖擊響應(yīng)h（n）（0≤n≤N－1）及嚴(yán)格的線性相位特性，它的z變換在z平面收斂，因此FIR數(shù)字濾波器是穩(wěn)定的數(shù)字濾波器。這些特點使FIR數(shù)字濾波器越來越得到廣泛的應(yīng)用。從信號與系統(tǒng)的角度分析，長度為N的FIR濾波器對任意輸入序列x［k］均有一與之對應(yīng)的輸出脈沖響應(yīng)h［k］，該脈沖響應(yīng)定義為線性卷積和［9］：

基于z域的濾波器系統(tǒng)傳遞函數(shù)表達式為：

其中，沖擊響應(yīng)h（n）（n＝0，1，…，N－1）也稱濾波器的系數(shù)，系數(shù)的個數(shù)及取值不同決定了濾波器的不同。

2.2 FIR濾波器的設(shè)計

最小二乘法常用于解決最優(yōu)化問題，該方法能使每個方程得到的解最優(yōu)，即產(chǎn)生誤差的平方和最小，即式（3）中σ最小。最小二乘法的重要應(yīng)用之一是數(shù)據(jù)擬合，同時也包括決定何種FIR濾波器最接近目標(biāo)頻率響應(yīng)，利用這一經(jīng)典的數(shù)學(xué)處理工具可設(shè)計符合要求的FIR濾波器［9］。

針對數(shù)字化核脈沖信號，從頻域分析可知，前端信號經(jīng)成形后其有用信息集中在低頻區(qū)域，而噪聲主要分布在高頻區(qū)域，所以采用低通FIR數(shù)字濾波器濾除高頻部分的噪聲，使低頻有用信號得以保留，提高信躁比（SNR），減少噪聲在后續(xù)電路帶來的影響，從而提高系統(tǒng)測量精度。

Matlab軟件在數(shù)字信號濾波方面不僅提供大量數(shù)字濾波函數(shù)，還開發(fā)圖形界面工具FDATool工具箱，為用戶使用提供方便。FDATool是MATLAB信號處理工具箱專用的濾波器設(shè)計分析工具，其操作簡單、靈活，功能強大，提供了多種方法設(shè)計FIR濾波器，包括窗函數(shù)法、等同紋波法和最小均方設(shè)計法等［1012］。根據(jù)實際要求，設(shè)計的FIR數(shù)字濾波器的采樣頻率為80 MHz，截止頻率為12 MHz，濾波器的長度為5，采用最小二乘法設(shè)計，通過以上設(shè)定的濾波器的指標(biāo)，在FDATool的圖形界面設(shè)計出的FIR濾波器系數(shù)向量為0.152 52、0.246 49、0.282 99、0.246 49、0.152 52，通過量化后可直接導(dǎo)入Xilinx ISE軟件。運用80 MHz ADC采集的137Cs的實時脈沖（圖3a）經(jīng)以上設(shè)計的FIR數(shù)字濾波器后得到光滑的脈沖信號如圖3b所示，可觀察到噪聲信號明顯受抑制。

3 系統(tǒng)測試

探測器接入20 MHz采樣的數(shù)字成形能譜系統(tǒng)，獲得圖4所示的實時脈沖。在20 MHz采樣時，1μs左右的脈沖信號采樣僅20個點，由于此時系統(tǒng)的噪聲不大，獲取的脈沖信號信噪比較高，將得到的數(shù)據(jù)直接進行64點高速脈沖梯形成形（3.2μs數(shù)字脈沖寬度），再進行幅度甑別得到圖5所示的γ射線能譜，實際測試137Cs的FWHM達6.80%。

在新系統(tǒng)中將ADC的采樣頻率設(shè)置為80 MHz，得到圖3a所示的采樣脈沖，1μs脈沖信號采樣約有80個點，此時可明顯觀察到噪聲信號疊加在脈沖信號上，ADC采樣后進行以上設(shè)計的FIR數(shù)字濾波，處理后得到圖6所示的實時脈沖，這時噪聲明顯受抑制，SNR得到明顯提高。將濾波處理過的信號進行128點的高速脈沖梯形成形處理得到圖7所示的脈沖輸出（1.6μs數(shù)字脈沖寬度），再進行幅度甑別得到圖8所示的γ射線能譜，實際測試的137Cs的FWHM達6.88%。

圖3 80 MHz采樣的脈沖（a）和采用最小二乘FIR濾波器離線處理脈沖（b）Fig.3 Pulse signal sampled by ADC at 80 MHz（a）and off－line pulse processed by least－square FIR filter（b）

圖4 20 MHz采樣的實時脈沖Fig.4 Waveform sampled by ADC at 20 MHz

圖5 20 MHz采樣的137Cs數(shù)字能譜Fig.5 Digital energy spectrum of137Cs at 20 MHz

圖6 采用FIR數(shù)字濾波后的80 MHz ADC實時脈沖Fig.6 80 MHz ADC real－time pulse using FIR digital filter

圖7 實時數(shù)字梯形成形脈沖Fig.7 Real－time digital trapezoidal shaping pulse

圖8 80 MHz采樣的137Cs數(shù)字能譜Fig.8 Digital energy spectrum of137Cs at 80 MHz

4 結(jié)論

本文采用80 MHz的高速ADC采樣，運用FIR數(shù)字濾波對采樣脈沖數(shù)據(jù)實時處理，提高了信號的信噪比；運用梯形成形算法減少了信號的堆積及彈道虧損。在保證能量分辨率的前提下，提高了系統(tǒng)的脈沖通過率，可應(yīng)用于高劑量的測量環(huán)境。

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［4］周建斌，王敏，周偉，等.實時核信號數(shù)字化脈沖成形關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.原子能科學(xué)技術(shù)，2014，48（2）：352－356.ZHOU Jianbin，WANG Min，ZHOU Wei，et al.Key technology research of nuclear signal digitized pulse shaping in real time［J］.Atomic Energy Science and Technology，2014，48（2）：352－356（in Chinese）.

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Study of Nuclear Spectrometer Based on Real－time Digital Pulse Process Technique

ZHOU Jian－bin1，HU Yun－chuan1，2，＊，HONG Xu1，CHEN Tie－guang3，CHEN Bao4，YUE Ai－zhong4，HE Xu－xin4
（1.College of Nuclear Technology and Automation Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China；2.Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Environment Monitoring Technology，Institute of Oceanographic Instrumentation，Shandong Academy of Sciences，Qingdao 266001，China；3.Chengdu Gaotong Isotope Co.，Ltd.，Chengdu 610041，China；4.China National Petroleum Corporation Logging，Xi’an 710032，China）

A digital gamma ray spectrometer based on 80 MHz ADC was presented.The system consists of NaI（Tl）detector，front－end circuitry，80 MHz ADC and digital pulse process（DPP）unit.The FIR digital filtering，pulse trapezoidal shaping，pulse height discrimination and data communication were implemented in DPP.The pulse trapezoidal shaping algorithm was applied to obtain good energy resolution and throughout.In order to reduce the influence of noise introducing from the high－speed ADC，the FIR digital filter was employed.The digital signal coming from ADC was smoothed by FIRfilter firstly，and then shaped as trapezoidal pulse for further processing.The analog signal was coupled by DC，and the digital pulse width is 1.6μs.The results show that the resolution for137Cs can reach 6.88%.

nuclear pulse signal；FIR digital filter；pulse trapezoidal shaping；80 MHz sampling rate

TL822.6

：A

：1000－6931（2015）12－2272－05

10.7538／yzk.2015.49.12.2272

2014－10－09；

：2015－01－09

863計劃資助項目（2012AA061804）；國家國際科技合作專項資助（2013DFR90220）；山東省科技發(fā)展計劃項目資助（2015GSF115001）

周建斌（1971—），男，湖南桃源人，教授，博士，從事核儀器及核方法研究

＊通信作者：胡云川，E－mail：hyc1014ok＠163.com