行人放射性快速識(shí)別儀的研制

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1（西南民族大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院　成都 610041）2（防化研究院 第二研究所　北京 102205）

行人放射性快速識(shí)別儀的研制

胡穎睿1李小強(qiáng)2

1（西南民族大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院成都 610041）2（防化研究院 第二研究所北京 102205）

為保護(hù)重要場(chǎng)所區(qū)域安全，提升防止攜帶特殊核材料或臟彈等引起的核恐怖威脅的能力，研制了行人放射性快速識(shí)別儀。該識(shí)別儀由NaI探測(cè)器和單片嵌入式現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programmable Gate Array, FPGA）組成，采用數(shù)字梯形濾波成形技術(shù)和幅度譜數(shù)據(jù)處理優(yōu)化實(shí)現(xiàn)方法，能夠在1 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)γ輻射探測(cè)、同位素識(shí)別及自動(dòng)分類。在662 keV處能量分辨率為7.44%，在距離探測(cè)器中心點(diǎn)1 m處，置信度99%條件下，最低可探測(cè)活度41.9 kBq，對(duì)5類137Cs放射源能實(shí)現(xiàn)可靠報(bào)警，性能達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品水平。

NaI探測(cè)器，嵌入式FPGA，同位素識(shí)別，最低可探測(cè)活度

行人放射性監(jiān)測(cè)儀廣泛安裝于敏感行政機(jī)構(gòu)、核電站、海關(guān)、港口等重要設(shè)施或場(chǎng)所的出入口，用于檢查人員是否攜帶放射性物質(zhì)。當(dāng)探測(cè)到放射性物質(zhì)超標(biāo)時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警，防止核威脅或者污染物擴(kuò)散。此類監(jiān)測(cè)儀通常使用塑料閃爍體探測(cè)器，通過(guò)計(jì)數(shù)率來(lái)判別威脅，但無(wú)法獲知放射性物質(zhì)的種類和威脅等級(jí)。

法國(guó)MGP儀器公司近期推出了一款高端SPIR-IDENT （Site Protection Against Intrusion of Radioactive Material）行人放射性核素識(shí)別儀，可探測(cè)γ輻射并快速實(shí)現(xiàn)同位素識(shí)別，并對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)核素分類（天然核素、醫(yī)用核素、工業(yè)用核素和特殊核材料），同時(shí)對(duì)報(bào)警進(jìn)行快速分類（由天然核素和醫(yī)用核素引發(fā)的綠色報(bào)警，和由工業(yè)用核素和特殊核材料或臟彈引發(fā)的紅色報(bào)警），對(duì)保護(hù)區(qū)域場(chǎng)所安全、防止攜帶特殊核材料或臟彈等引起的核恐怖威脅有積極作用。該識(shí)別儀售價(jià)每臺(tái)高達(dá)800000元（RMB）。

國(guó)內(nèi)近幾年掌握了核信號(hào)數(shù)字化處理技術(shù)，陸續(xù)推出了數(shù)字化核素識(shí)別儀、數(shù)字多道等產(chǎn)品［1-5］。便攜式數(shù)字化核素識(shí)別儀通常搭載直徑5-7.5 cm NaI探測(cè)器或者LaBr3（Ce）探測(cè)器，且多使用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programmable Gate Array, FPGA） +ARM （Advanced RISC Machines）處理器架構(gòu)，通常需要測(cè)量10 s以上才能獲取幅度譜，再經(jīng)過(guò)3-5 s的譜數(shù)據(jù)處理才能給出核素識(shí)別結(jié)果，無(wú)法在行人通過(guò)瞬間實(shí)現(xiàn)同位素快速識(shí)別。類似于SPIR-IDENT的高端產(chǎn)品國(guó)內(nèi)未見(jiàn)報(bào)道。本文介紹了一種采用單片嵌入式FPGA實(shí)現(xiàn)行人放射性快速識(shí)別儀的方法，能夠在1 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)γ輻射探測(cè)、同位素識(shí)別及自動(dòng)分類，性能達(dá)到MGP公司的高端SPIR-IDENT產(chǎn)品水平。

1　系統(tǒng)概述

行人放射性快速識(shí)別儀要求在1 s內(nèi)完成數(shù)字梯形濾波成形、數(shù)字基線恢復(fù)等數(shù)字脈沖處理，及幅度譜合成、數(shù)字峰值提取、數(shù)字穩(wěn)譜、同位素識(shí)別等數(shù)據(jù)處理，對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性提出了很高的要求。

1.1探測(cè)器

系統(tǒng)需要探測(cè)到足夠的脈沖信號(hào)，才能在1 s內(nèi)完成上述脈沖信號(hào)的數(shù)字化處理及合成幅度譜，并完成幅度譜數(shù)據(jù)處理。考慮成本及工藝因素，行人放射性快速識(shí)別儀選擇體積較大的NaI探測(cè)器。美國(guó)SAINT- GOBAIN公司S600-6007型NaI探測(cè)器體積2 L，本底計(jì)數(shù)不少于3000 count·s-1，可滿足系統(tǒng)要求。

1.2處理器

在1 s內(nèi)完成上述處理功能，須依靠大量硬件電路才能實(shí)現(xiàn)。選擇大規(guī)模高速FPGA作為處理器。在單片F(xiàn)PGA內(nèi)嵌入CPU軟核，脈沖成形和數(shù)據(jù)處理結(jié)果在片內(nèi)通過(guò)高速總線傳輸，相比FPGA+ ARM處理器架構(gòu)可以節(jié)約大量數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。本設(shè)計(jì)選用美國(guó)Altera公司Stratix IV系列FPGA EP4SE230F29I3N，主頻3 ns，LE單元22.8× 104門，M9K存儲(chǔ)器單元1235個(gè)，18 bit×18 bit乘法器大于1288個(gè)，可滿足系統(tǒng)對(duì)資源和速度的需求。

1.3操作系統(tǒng)

同位素識(shí)別及自動(dòng)分類功能需要數(shù)據(jù)庫(kù)才能實(shí)現(xiàn)。此外，行人放射性快速識(shí)別儀需要提供豐富的數(shù)據(jù)接口與監(jiān)控中心互聯(lián)，如控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network, CAN）總線、網(wǎng)絡(luò)接口等。因此，F(xiàn)PGA中需要嵌入操作系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)選用32位μC/OS-II搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，其內(nèi)核小、系統(tǒng)精簡(jiǎn)，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良、可擴(kuò)展性強(qiáng)和超過(guò)200DMIP的性能等特點(diǎn)，適合嵌入在FPGA中。

2　系統(tǒng)硬件

行人放射性快速識(shí)別儀電子學(xué)系統(tǒng)由大體積NaI探測(cè)器、模擬電路模塊、嵌入式FPGA模塊、電源模塊和顯示模塊組成，其框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)組成框圖Fig.1　System block diagram.

核脈沖的數(shù)字信號(hào)處理要求ADC （Analog-todigital Converter）前置，直接對(duì)前放輸出的信號(hào)波形量化。ADC前端輸入信號(hào)應(yīng)盡可能地保留原信號(hào)的所有信息。模擬電路模塊由電荷靈敏前放、極零相消、線性增益、抗混疊濾波和高速ADC組成。

為適應(yīng)ADC的動(dòng)態(tài)范圍，必須進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。根據(jù)NaI探測(cè)器輸出信號(hào)特征，對(duì)調(diào)理電路的要求與模擬多道分析技術(shù)有較大差異，表現(xiàn)為：1） 較大的帶寬，否則將導(dǎo)致信號(hào)上升沿減緩，分辨率降低；2） 低噪聲模擬電路，以保證ADC的有效位數(shù)［6］。因此，調(diào)理電路的緩沖級(jí)，采用低噪聲精密運(yùn)放OPA211，其噪聲密度僅為失調(diào)電壓僅125 μV。極零相消電路采用精密多圈可調(diào)電阻，其輸出指數(shù)脈沖信號(hào)脈寬小于2 μs。線性增益級(jí)采用電流反饋型運(yùn)放AD8011，其帶寬300 MHz，壓擺率2000 V·μs-1，增益和帶寬相對(duì)獨(dú)立，可滿足較高增益下的帶寬需求。根據(jù)系統(tǒng)最大能量響應(yīng)3MeV和變換增益1024道，調(diào)整線性增益，使137Cs的γ射線指數(shù)脈沖在ADC前端幅度達(dá)到440 mV。抗混疊濾波電路采用一階有源低通濾波電路，-3 dB帶寬為3 MHz。濾波電路會(huì)引入一個(gè)極點(diǎn)，但其常數(shù)τ為ns級(jí)，與極零相消后引入的μs級(jí)極點(diǎn)相比基本可忽略。高速ADC采用美國(guó)ADI公司12位低功耗、流水線型ADC AD9235，采樣時(shí)鐘40 MHz，由FPGA提供。為抑制噪聲，提高信噪比，降低數(shù)字電路對(duì)模擬電路的干擾，在ADC與FPGA數(shù)據(jù)總線間采用74LVTH162374鎖存作為接口，可以起到法拉第屏蔽作用。

3　FPGA架構(gòu)

行人放射性快速識(shí)別儀嵌入式FPGA架構(gòu)由核脈沖信號(hào)處理和嵌入式系統(tǒng)兩部分組成，如圖2所示。其中，核脈沖信號(hào)處理包括數(shù)字脈沖處理（Digital Pulse Processing, DPP）和幅度譜數(shù)據(jù)處理（Spectroscopy Data Processing, SDP）兩個(gè)模塊；嵌入式系統(tǒng)包括NIOSII軟核、底層驅(qū)動(dòng)、μC/OS-II操作系統(tǒng)以及數(shù)字穩(wěn)譜、核素識(shí)別、劑量率計(jì)算、電源管理等應(yīng)用程序。

圖2　FPGA架構(gòu)Fig.2　FPGA structure.

3.1數(shù)字脈沖處理

數(shù)字脈沖處理模塊用于對(duì)核脈沖進(jìn)行數(shù)字梯形成形處理。來(lái)自ADC的數(shù)字脈沖信號(hào)經(jīng)高速緩存后，分為三路分別進(jìn)行數(shù)字梯形濾波成形、數(shù)字基線估計(jì)和快成形，然后進(jìn)行幅度提取。快成形用于識(shí)別脈沖到達(dá)時(shí)刻、剔除堆積，一方面給幅度提取單元提供脈沖定位信號(hào)，另一方面產(chǎn)生死時(shí)間信號(hào)提供死時(shí)間記錄［7］。

3.2幅度譜數(shù)據(jù)處理

幅度譜數(shù)據(jù)處理包括幅度譜合成、譜數(shù)據(jù)平滑和尋峰三個(gè)部分。通常，幅度譜數(shù)據(jù)處理由應(yīng)用層軟件完成，耗時(shí)3-5 s。而行人放射性快速識(shí)別儀要求在1 s內(nèi)完成所有數(shù)字脈沖處理和譜數(shù)據(jù)處理，傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法不能滿足系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的需求。本設(shè)計(jì)中，幅度譜數(shù)據(jù)處理部分采用VHDL語(yǔ)言編程，使用硬件加法器、硬件乘法器和硬件除法器電路，完成譜數(shù)據(jù)處理的算法，可以極大地提高數(shù)據(jù)處理速度，滿足系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的需求。

為減少譜數(shù)據(jù)中的統(tǒng)計(jì)漲落，需要進(jìn)行平滑處理。譜數(shù)據(jù)平滑的本質(zhì)是對(duì)譜曲線進(jìn)行低通濾波，去掉高頻成分，保留有用的低頻信息。行人放射性快速識(shí)別儀采用最小二乘移動(dòng)平滑法，平滑窗口5點(diǎn)，其基本公式為：

式中：ym為原始數(shù)據(jù)；為平滑后的譜數(shù)據(jù)。

在FPGA資源足夠的條件下，可以將譜數(shù)據(jù)等分為前后兩段或者多段，并行進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑處理，提高數(shù)據(jù)處理速度。

在譜數(shù)據(jù)中精確地計(jì)算出各個(gè)峰的峰位是能譜分析中的關(guān)鍵的問(wèn)題。行人放射性快速識(shí)別儀采用匹配濾波器法進(jìn)行尋峰處理，其沖擊函數(shù)Cj滿足下列關(guān)系式［8］：

式中：σ為高斯峰函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差；2K+1為變換窗口。

沖擊函數(shù)中存在指數(shù)運(yùn)算和除法運(yùn)算，變換增益越大，計(jì)算量越大。在FPGA中采用CORDIC算法實(shí)現(xiàn)指數(shù)函數(shù)計(jì)算，以Digit Recurrence算法為核心，實(shí)現(xiàn)32位單精度浮點(diǎn)數(shù)除法運(yùn)算［9］。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，指數(shù)函數(shù)運(yùn)算和除法運(yùn)算最高工作頻率可達(dá)70MHz以上，極大地提高了尋峰處理的運(yùn)算速度。尋峰處理結(jié)果通過(guò)AVALON總線傳給NIOSII軟核，由應(yīng)用層軟件進(jìn)行同位素識(shí)別。

3.3嵌入式應(yīng)用層軟件

嵌入式應(yīng)用層軟件根據(jù)能量刻度因子和效率刻度因子，將尋峰結(jié)果及峰面積轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的能量信息，再使用庫(kù)導(dǎo)向放射性同位素識(shí)別法，給出核素識(shí)別結(jié)果和置信度，通過(guò)CAN總線將測(cè)量結(jié)果傳送給監(jiān)控中心。

行人放射性快速識(shí)別儀內(nèi)置一個(gè)137Cs刻度源，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字穩(wěn)譜。數(shù)字穩(wěn)譜采用H.Deward峰位穩(wěn)定方法，根據(jù)137Cs刻度源的662 keV特征峰位置變化情況對(duì)幅度進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。每次重新上電時(shí)，行人放射性快速識(shí)別儀自動(dòng)刻度，檢測(cè)當(dāng)前環(huán)境下的刻度源特征峰，提供初始譜合成因子。在能譜測(cè)量過(guò)程中不斷檢測(cè)刻度源特征峰峰位并進(jìn)行穩(wěn)譜處理，以確保在環(huán)境溫度等影響因素變換的情況下的譜穩(wěn)定。

4　試驗(yàn)

2015年年底行人放射性快速識(shí)別儀在中國(guó)計(jì)量院完成了核素識(shí)別能力和最低可探測(cè)活度等試驗(yàn)，樣機(jī)如圖3所示。

圖3　實(shí)物樣機(jī)Fig.3　Prototype instrument.

4.1數(shù)字脈沖處理波形

使用Quartus軟件抓取的數(shù)字脈沖處理模塊輸出的梯形濾波成形波形如圖4所示。

圖4　梯形濾波成形波形Fig.4　DPP waveform.

4.2核素識(shí)別能力試驗(yàn)

在本底輻射水平不大于0.1 μGy·h-1環(huán)境下，放射源以不大于5 km·h-1的速度經(jīng)過(guò)系統(tǒng)探測(cè)區(qū)域，行人放射性快速識(shí)別儀在1 s內(nèi)可識(shí)別核素包括241Am、60Co、137Cs、40K等10余種常見(jiàn)放射源。將在241Am、137Cs和60Co混合輻射場(chǎng)中測(cè)量1 s所獲得的幅度譜離線使用Canberra公司Inspector2000數(shù)字化多道工作站譜分析軟件Genie2k分析結(jié)果，如圖5所示。

從分析結(jié)果可以看出，實(shí)測(cè)幅度譜241Am、137Cs和60Co特征峰明顯，易于識(shí)別。譜中康普頓平臺(tái)較高，是因?yàn)镹aI探測(cè)器體積較大，散射較多所致。在662 keV處的能量分辨率為［10］：

式中：FWHM為半高寬，E為能量。

圖5　幅度譜分析Fig.5　Spectrum analysis.

4.3最低可探測(cè)活度

將行人放射性快速識(shí)別儀置于本底輻射水平不大于0.1 μGy·h-1環(huán)境下，記錄1 s本底計(jì)數(shù)率平均值N為3278；將活度為377.4 kBq的137Cs放射源置于距離NaI探測(cè)器幾何中心點(diǎn)1 m處，記錄1 s放射源計(jì)數(shù)率平均值Nb為4984。使用式（4）可計(jì)算出放射源的探測(cè)效率η［10］。

式中：A為放射源活度。

在置信度為99%時(shí)使用式（5）可得最小可探測(cè)活度MDA［10］。

式中：N為本底計(jì)數(shù)率平均值；η為放射源探測(cè)效率。

按照置信度為99%設(shè)置報(bào)警閾值，將377.4 kBq的137Cs放射源以不大于5 km·h-1的速度經(jīng)過(guò)探測(cè)器幾何中心1 m處，經(jīng)過(guò)10次試驗(yàn)，系統(tǒng)均給出了報(bào)警。測(cè)試結(jié)果表明，行人放射性快速識(shí)別儀可探測(cè)到距離其1 m處的5類137Cs放射源。

5　結(jié)語(yǔ)

本文采用單片嵌入式FPGA研制的行人放射性快速識(shí)別儀，使用數(shù)字梯形成形技術(shù)，優(yōu)化了幅度譜數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)方法，能在1 s內(nèi)完成γ輻射探測(cè)、同位素識(shí)別及自動(dòng)分類，能量分辨率為7.44%@662keV，最低可探測(cè)活度41.9 kBq，在置信度99%條件下能探測(cè)到距離其1 m處的5類137Cs放射源。該快速識(shí)別儀的研制成功對(duì)提升防范核恐怖威脅的能力有積極意義。

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Design and implementation of radioactivity identifying pedestrian portal

HU Yingrui1LI Xiaoqiang2

1（College of Electrical & Information Engineering, Southwest University for Nationalities, Chengdu 610041, China）

2（The Second Research Institute of Chemical Defense, Beijing 102205, China）

Background: The SPIR-IDENT （Site Protection Against Intrusion of Radioactive Material） advance spectroscopic pedestrian portal released by MGP company in recent years could detect and identify actual radiological threats in real time, but no similar domestic product with independent property rights exists in China at present. Purpose: This study aims to develop a radioactivity identifying pedestrian portal with independent property rights to enhance the ability of protection against radiological threats, such as intrusion of special nuclear materials or radiological dispersion devices into critical infrastructure. Methods: A 2-L NaI detector is employed to connect with a large scale Field Programmable Gate Array （FPGA） based digital processing system. Digital trapezoidal filter, spectroscopy processing block including spectroscopy composition, smoothing and peak-seeking were implemented in a single FPGA, and a μC/OS-II soft-core was imported to perform digital spectroscopy stabilization, nuclide identification and classification in this FPGA. The spectra processing method was optimized by using hardware multiplier and hardware divider to improve the algorithm speed to satisfy the system requirement. Results: Experimental test shows that the radioactivity identifying pedestrian portal can detect and discriminate radioactive at the distance of less than 1 m from the center point of detector within 1 s. The energy resolution is 7.44% @662 keV and the minimum detectable activity is 41.9 kBq. Conclusion: With the large scale embedded FPGA technology and the nuclear pulse digitized processing and shaping technology, a bulk volume NaI detector can be used to implement an effective radioactivity identifying pedestrian portal.

NaI detector, Embedded FPGA, Isotope identification, Minimum detectable activity

HU Yingrui, male, born in1975, graduated fromUniversity of Electronic Science and Technology of China with a doctor’s degree in 2009, focusing on radar signal and nuclear pulse processing

TL817

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.090403

西南民族大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（No.2015NZYQN11）資助

胡穎睿，男，1975年出生，2009年于電子科技大學(xué)獲博士學(xué)位，雷達(dá)信號(hào)、核信號(hào)處理研究及應(yīng)用

Supported by Fundamental Research Funds for the Central Universities, Southwest University for Nationalities （No.2015NZYQN11）

2016-04-29，

2016-06-10