基于Simulink的核信号获取与处理系统的实现

覃国秀 潘靓亮 关百尧 李凡

摘 要：传统的模拟电路在处理和传输信号时，会受到多方面因素的影响而使信号失真。为了研究核信号的特点及分析方法，文章基于MATLAB/Simulink软件对核信号获取与处理系统的实现进行了研究，设计了一些核信号处理模块，并对这些模块进行测试。结果显示，设计的核信号处理模块基本实现了相应的功能。基于Simulink软件的核信号获取与处理系统的创建为核信息获取和处理提供了一种崭新的思路。

关键词：核信号；数字滤波器；仿真；梯形成形

基金项目：沈阳市科技计划项目；项目名称：无人机航空γ能谱测量技术应用研究；项目编号：20-206-4-03。

0 引言

核技术作为一种前沿技术，在许多领域得到了非常广泛的应用。核信息采集和处理是核技术领域最重要的分析方法之一[1-2]。Matlab/Simulink作为一款流行的建模和科学计算工具在数值计算和模拟仿真领域被广泛应用[3]。传统核仪器系统在处理信号过程中容易受到外界干扰，数字化作为核仪器的一个发展方向越来越受到关注。基于数字信号处理技术，本文提出了基于Simulink的数字化核信号发生器及滤波器的设计思想，设计了一些核信号处理模块，并对这些模块进行测试。

1 核信号发生器的设计

1.1 核信号仿真算法

式中，u（t）為单位阶跃函数，t0和t1分别为双指数信号快时间常数和慢时间常数，A为信号幅度，v（t）为白噪声信号。

根据核信号的波形形状、时间分布、幅度分布的特征和噪声特性，可通过相应的函数表达式对其进行数值建模和仿真。

1.2 核信号仿真模块设计

使用Simulink软件对阻容反馈型和开关复位型前置放大器输出核信号仿真模块分别进行设计，设计的模块见图1。所设计模块具备的功能包括：可以对信号的采样频率、测量时间、射线能量等参数进行设置；可在Simulink环境下进行测试并得到的结果。

2 核信号数字滤波器的设计

2.1 梯形滤波成形算法

其中，ta为梯形斜坡时间，D=tb-ta为梯形平顶宽度，W=tc为成形信号宽度。

2.2 滤波器模块设计

根据梯形滤波成形算法，使用Simulink对梯形滤波器进行设计，该模块可对梯形成形的参数（包括：斜坡时间、平顶宽度、指数信号时间常数、信号的采样周期）进行设置。

3 模块库的建立及其测试

为了方便管理已创建好的模块，将创建的核信号仿真模块和滤波器模块等加入一个模块库组成核仪器系统模块库。将两种核信号仿真模块和核信号滤波器模块导入同一库中，然后即可在该模块库中使用这些模块。

在创建好核仪器系统模块库后，对其进行了测试。测试的时候使用阻容反馈型核信号仿真模块来对核辐射探测器输出的信号进行模拟，然后使用梯形成形滤波器对该信号进行处理，连好线并设置相关参数即可得到如图2所示的模型。对该模型进行测试，得到的结果如图3所示。从图3的输出结果可以看出，核信号仿真模块可根据需要对不同的核辐射探测器输出的核信号进行模拟并叠加相应的噪声，该信号经梯形滤波器处理后可得到一平顶宽度和脉冲宽度均可调的等腰梯形。

4 结语

本文基于数字信号处理技术，在MATLAB/Simulink平台上设计并实现了核信号仿真模块和滤波成形模块，并将这些模块汇总起来创建了一套核仪器系统模块库。该模块库可应用于数字化核仪器系统性能的研究。

通过测试可知，设计的核信号仿真模块可根据需要对不同的核辐射探测器输出的核信号进行模拟；梯形滤波器模块可对核信号进行梯形成形，且成形脉冲的平顶宽度和脉冲宽度可根据系统要求进行调整。创建的核仪器系统模型，与实际情况符合较好，模块库的创建在很大程度上方便了研究人员对新模块的管理和设计，从而为研究核仪器系统提供一种崭新的工具。

[参考文献]

[1]赖万昌，葛良全.新型便携式微机多道能谱仪的研制[J].核电子学与探测技术，2004（1）：37-39.

[2]AAGEA H K，KORSBECHA U，BARGHOLZ K，et al.A new technique for processing airborne gamma ray spectrometry data for mapping low level contaminations[J].Applied Radiation and Isotopes，1999（51）：651- 662.

[3]黄永安，马路，刘慧敏.MATLAB7.0/Simulink6.U建模仿真开发与高级工程应用[M].北京：清华大学出版社，2005.

[4] 王宏波.核信号数字滤波成形算法仿真研究[D].成都：四川大学，2005.

[5] 杨彬，颜拥军，周剑良.核信号数字滤波成形算法仿真研究[J].核技术，2010（1）：113-118.

（编辑 王永超）

Implementation of acquisition and processing system for nuclear signal based on Simulink

Qin Guoxiu， Pan Liangliang， Guan Baiyao， Li Fan

（Shenyang Institute of Engineering， Shenyang 110136， China）

Abstract：Traditional analog circuits are affected by many factors when they process and transmit signals. In order to study the characteristics and analysis methods of nuclear signal， this paper studies the implementation of acquisition and processing system for nuclear signal based on MATLAB/Simulink software， and a series of nuclear signal processing modules were designed and tested. The results show that the designed nuclear signal simulation module and nuclear signal trapezoidal shaping module can realize nuclear signal simulation and filter and pulse shaping.

Key words：nuclear signal； digital filter； simulation； trapezoidal shaping