基于小波分析的脈沖探測與幅度捕獲方法

劉萬松，陳世國，宋澤運(yùn)，陳　璇

(貴州師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院， 貴州 貴陽　550001)

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基于小波分析的脈沖探測與幅度捕獲方法

劉萬松，陳世國，宋澤運(yùn)，陳璇

(貴州師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院， 貴州 貴陽550001)

摘要：基于高斯脈沖成形，討論了輻射探測信號的幅度測量方法。在脈沖探測算法中，除傳統(tǒng)的閾值(Threshold)判別外，最小脈沖寬度(MinWidth)和最大有效脈沖寬度(MaxWidth)判別標(biāo)準(zhǔn)的存在，降低了有效脈沖誤判和漏判的概率。利用高斯成形濾波器的線性相位特征，直接在快濾波器探測到的脈沖到達(dá)時(shí)間點(diǎn)tpeak上捕獲慢濾波器的輸出，就可以得到脈沖幅度的測量值，簡化了幅度捕獲過程。

關(guān)鍵詞：小波分析；高斯脈沖成形；脈沖探測；幅度捕獲

能譜測量系統(tǒng)的基本任務(wù)是從輸入的信號中探測對應(yīng)于輻射事件的有效脈沖，然后捕獲輻射事件脈沖的幅度，根據(jù)捕獲到的脈沖幅度構(gòu)建脈沖幅度譜[1-9]；如果將脈沖幅度轉(zhuǎn)換成能量，可以得到對應(yīng)的能譜。陳世國[10 11]等人已經(jīng)實(shí)現(xiàn)輻射探測信號的高斯脈沖成形，研究了其遞歸實(shí)現(xiàn)算法。本文將研究基于高斯脈沖成形的脈沖探測和幅度捕獲方法。

1脈沖探測和幅度捕獲對脈沖成形的基本要求

基于小波分析導(dǎo)出的輻射信號高斯成形濾波[10]，理論上可以同時(shí)提取輻射事件脈沖的幅度和到達(dá)時(shí)間信息。然而，脈沖探測和幅度捕獲對脈沖成形有著不同的要求。脈沖成形系統(tǒng)輸出脈沖的時(shí)域?qū)挾仍秸?，脈沖對分辨能力越好，脈沖探測能力越強(qiáng)，然而脈沖幅度受噪聲影響越大；通過增加脈沖成形系統(tǒng)輸出脈沖的時(shí)域?qū)挾?，可以降低噪聲對脈沖幅度的影響，可是脈沖對的分辨能力也隨之變差，脈沖探測的能力被削弱。為了降低噪聲對脈沖幅度的影響，同時(shí)保持較好的脈沖探測能力，我們采用傳統(tǒng)的快、慢濾波器兩通道處理方式[12]，快濾波器通道用于脈沖探測，慢濾波器通道用于脈沖幅度捕獲。

2快高斯成形濾波器通道的脈沖探測方法

快濾波器通道的主要功能是從輸入的數(shù)據(jù)流中探測到對應(yīng)于輻射事件的有效脈沖，并提取出脈沖的到達(dá)時(shí)間。脈沖探測需要解決兩個(gè)問題：如何區(qū)分有輻射的脈沖數(shù)據(jù)和無輻射的噪聲數(shù)據(jù)？怎樣避免將彼此靠得很近的兩個(gè)或兩個(gè)以上的脈沖誤判為單個(gè)脈沖？

在快濾波器通道，如果脈沖之間峰部彼此沒有重疊，我們說這些脈沖是彼此獨(dú)立的，獨(dú)立的脈沖將作為有效脈沖，繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)處理；如果快濾波器脈沖之間峰部彼此重疊，則作為無效脈沖予以舍去。用t0.01(降到峰值1%時(shí)的寬度)表示脈沖的峰寬；高斯脈沖波形左右是對稱的，當(dāng)兩個(gè)相鄰脈沖的峰位間隔大于或等于t0.01時(shí)，相互之間是彼此獨(dú)立的，如圖1(a)和(b)所示，若兩個(gè)相鄰脈沖的峰位間隔小于t0.01時(shí)，則彼此不是獨(dú)立脈沖，如圖1(c)所示。

(a)兩脈沖獨(dú)立　(b) 兩脈沖獨(dú)立　(c) 兩脈沖不獨(dú)立圖1　脈沖峰位間隔不同的脈沖之間的獨(dú)立性識別(tb表示兩脈沖的峰位間隔)Fig.1　Distinguishing the independence between the pulses of different pulse peak place (tb is the distance of two pulse peak place)

在快濾波器通道，每個(gè)脈沖之后的t0.01間隔內(nèi)來的任何脈沖，不被作為獨(dú)立脈沖進(jìn)行處理，因此，快濾波器通道的死時(shí)間為

τdf=t0.01

(1)

快濾波器通道的死時(shí)間τdf(也就是t0.01)的大小與系統(tǒng)的脈沖計(jì)數(shù)率性能指標(biāo)有關(guān)。假定設(shè)計(jì)的系統(tǒng)最大脈沖輸出計(jì)數(shù)率為OCRmax，則可導(dǎo)出τdf為

(2)

由式(1)可得

(3)

(4)

當(dāng)最大脈沖輸出計(jì)數(shù)率OCRmax是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)率性能指標(biāo)時(shí)，快高斯成形濾波器的尺度參數(shù)由式(4)確定，而輸出脈沖的寬度滿足式(3)。

在尺度參數(shù)為sfast時(shí)，求出快濾波器在無輻射脈沖情況下輸出噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差σFN，

t0.01是快濾波器輸出輻射脈沖的寬度，對應(yīng)于快濾波器通道的濾波時(shí)間，Nf[i]表示快濾波器在無輻射脈沖情況下的輸出噪聲。定義閾值為

Threshold=σFN

(5)

快濾波器的輸出是否超過閾值Threshold，作為判別是否脈沖數(shù)據(jù)的條件之一。

(6)

對于峰部沒有重疊的獨(dú)立脈沖，超過閾值的連續(xù)數(shù)據(jù)的寬度應(yīng)該小于t0.01；如果出現(xiàn)兩個(gè)脈沖峰部重疊，可能導(dǎo)致前一脈沖還沒有下降到閾值以下，后一個(gè)脈沖數(shù)據(jù)已經(jīng)出現(xiàn)，使得記錄到的超過閾值的連續(xù)數(shù)據(jù)的寬度大于t0.01。設(shè)定一個(gè)最大有效脈沖寬度MaxWidth，當(dāng)超過閾值的連續(xù)數(shù)據(jù)的寬度小于或等于MaxWidth時(shí)，認(rèn)為是一個(gè)獨(dú)立的有效脈沖，繼續(xù)后續(xù)處理，如圖2中的脈沖1、2和3；反之作為無效脈沖予以舍去，如圖2中的脈沖4和5。實(shí)驗(yàn)中取

(7)

圖2　脈沖堆積識別Fig.2　Pileup distinguishing

圖3顯示了脈沖探測的方法。在快濾波器通道，快濾波器的每個(gè)輸出值與閾值Threshold進(jìn)行比較，一旦閾值被超過，則對超過閾值的連續(xù)輸出進(jìn)行計(jì)數(shù)cn=cn+1，直到快濾波器的輸出值低于閾值Threshold。最后的計(jì)數(shù)cn對應(yīng)于數(shù)字域里的時(shí)間間隔，即超過閾值的連續(xù)數(shù)據(jù)的寬度；如果cn超過最小寬度MinWidth，則認(rèn)為探測到一個(gè)真脈沖而不是噪聲波動；如果cn小于最大有效寬度MaxWidth，則認(rèn)為是一個(gè)獨(dú)立的有效脈沖。確認(rèn)一個(gè)獨(dú)立有效脈沖到達(dá)之后，找出這個(gè)脈沖的最大幅度的位置tpeak，并將tpeak作為脈沖真正的到達(dá)時(shí)間。

圖3　輻射信號脈沖探測和幅度測量方法Fig.3　The methods of pulse detection and amplitude measurement for the radiation signal

3慢高斯成形濾波器通道的幅度捕獲方法

高斯成形濾波器輸出脈沖的最大幅度的位置與尺度參數(shù)s無關(guān)，快濾波器和慢濾波器輸出高斯信號的最大幅值的位置完全相同，如圖3所示。在快濾波器通道，經(jīng)過脈沖探測，確定了輻射信號的到達(dá)時(shí)間tpeak；在tpeak這個(gè)時(shí)間點(diǎn)上捕獲慢濾波器的輸出值，被捕獲的這個(gè)值就是所探測脈沖幅度的測量值Vm，即

Vm=vslow(tpeak) (8)

vslow(t)表示慢濾波器輸出信號在t時(shí)刻的幅度。

4結(jié)語

數(shù)字測量系統(tǒng)中，脈沖探測通過快濾波器通道的閾值(Threshold)和最小脈沖寬度(MinWidth)以及最大有效脈沖寬度(MaxWidth)一起確定。最小脈沖寬度(MinWidth)和最大有效脈沖寬度(MaxWidth)判別標(biāo)準(zhǔn)的存在，降低了有效脈沖誤判和漏判的概率。利用高斯成形濾波器的時(shí)間定位性能，在快濾波器探測到的脈沖到達(dá)時(shí)間點(diǎn)tpeak上，直接捕獲慢濾波器的輸出得到脈沖幅度的測量值，簡化了脈沖幅度的捕獲過程。

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文章編號：1004—5570(2016)03-0075-04

收稿日期：2016-04-20

基金項(xiàng)目：貴州省科學(xué)技術(shù)基金“小波分析在X-Ray熒光分析儀數(shù)字化改造中的應(yīng)用”(黔科合J字LKS[2009]15號);貴州省科學(xué)技術(shù)基金“輻射探測信號的數(shù)字處理算法研究”( 黔科合J字[2010]2145號)

作者簡介：劉萬松(1968-)，男，副教授，研究方向：核電子學(xué)，E-mail:1603969880@qq.com.

中圖分類號：O46

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Pulse detecting and amplitude capturing method based on wavelet analysis

LIU Wansong,CHEN Shiguo,SONG Zeyun,CHEN Xuan

(School of Physics and Electronics, Guizhou Normal University, Guiyang, Guizhou 550001, China)

Abstract:The digital algorithms based on the GSF for measuring energy spectroscopy have been described. In the algorithms for pulse detection, besides traditional threshold, the minimum width MinWidth and the maximum width MaxWidth are used at the same time, which reduce the probability of mistaking for or missing out the valid radiation pulses. Making use of the linear phase characteristic of the GSF, a measurement of the peak amplitude of a pulse is simply obtained by capturing the value of the pulse amplitude at the output of slow filter channel at the pulse’s arrival time tpeakwhich has been made sure in fast filter channel based on the pulse detection algorithms, which simplifies the procedure of capturing peak amplitude of a pulse.

Key words:wavelet analysis；gaussian pulse shaping；pulse detecting；pulse amplitude capturing