用于中子活化分析仪的数字能谱仪关键算法

张伟 李存磊 孙义 郑效阳 赵洪涛

摘 要：数字能谱仪能够对探测器脉冲进行信号数字处理，可以满足中子活化分析仪对高计数通过率和高分辨率的要求。从极零补偿、梯形成形、堆叠判别及校正三方面，对数字能谱仪的关键算法进行研究：一是将长尾部的双指数衰减信号成形为短尾部的单指数衰减信号，并构造极零补偿的无限脉冲响应（IIR）滤波器，降低脉冲堆叠率;二是将指数衰减信号成形为同等幅度的等腰梯形形状，提高对脉冲幅度的分析精度。经仿真验证表明：算法具有较强灵活性，可以根据信号的特点确定相关定制算法，在不改动硬件情况下可以实现对不同信号的处理。

关键词：数字能谱仪;中子活化分析仪;无限脉冲响应滤波器;梯形成形;堆叠判别;信号数字处理

随着核技术的发展，传统模拟能谱仪在中子活化分析仪中的应用局限性扩大。与此同时，数字能谱仪应运而生。以往的数字能谱仪在分析核脉冲信号时，直接对探测器脉冲进行分析，并对堆叠的脉冲进行抑制;虽然易于实现，但无法完全满足中子活化分析仪对高计数通过率和高分辨率的要求。此外，模拟能谱仪还受电路硬件参数和温度的影响，稳定性和可靠性受到限制。因此，研制出适用于中子活化分析仪的数字能谱仪，尤其是研究核脉冲信号数字处理关键算法并付诸实现，具有现实意义。

1 数字能谱仪应用优势

近几年，伴随着国内高速、高分辨率ADC器件、各种数字化器件、实时操作系统及微处理器的进一步发展，数字化系统更新速度也得到明显提升，已实现了多道脉冲幅度提取与分析的数字化处理。在系统应用中，起到决定性作用的当属数字化核能谱仪，相较于传统的模拟核能谱仪，数字化核能谱仪应用优势异常突出，主要表现在以下几个方面：

1.1 灵活性能和适应性能

在传统模拟核能谱仪系统中，对于不同功能信号的处理需由不同硬件负责，而在数字核能谱仪系统中，就减少了多个硬件的麻烦，可利用最少硬件的科学配置达到多种复杂信号同步处理目的，这也是该系统能够获得较大应用市场的主要原因。

1.2 性能良好

在数字核能谱仪系统中，各类数据计算分析有不同探测器完成，而不同探测器所接收/发送的信息不同，因此，呈现出的算法存在较大差异，为实现计算准确性，就要求对各类探测器进行适当调整，确保核能信号处理达到最佳状态。

1.3 稳定性强

在信号处理方面，数字核能谱仪系统所采用的方法是采用数字信号进行处理，这一操作方法最大优点就是其稳定性较强，不会受到外界环境变化而改变，更不会因器件老化而改变。

1.4 抗干扰性强

抗干扰性强是数字核能谱仪的又一显著应用优势，数字核能谱仪系统在核能信号传输与处理过程中，受外界干扰因素的影响较小，另外，所有器件性能也不会因外界干扰而发生改变。

1.5 不失真性

无论何种系统，主要应用要求就是数据传输真实性，相较于传统的模拟核能谱仪，数字核能谱仪在传输数据时，脉冲信号会被数字化，处理后的信号就会很完整，并不失真地进行保存，以便于离线处理和数据完整传输。

2 数字化多道能谱仪系统的工作原理

数字化多道能谱幅度分析器是数字化多道能谱仪系统的核心装置，之所以该系统能获得较大应用范围，皆因为数字化多道能谱幅度分析器具备较强的实际应用功能，具体表现如下：

（1）实时接收核辐射探测器输出的核能脉冲信号;

（2）对各个单一核能脉冲信号进行快速的模数转换;

（3）对所采集到的数据进行相关算法处理，然后得到核脉冲幅值，在被相关算法处理后，形成能谱图，以方便现场实际应用;

（4）传输数据。

数字化多道能谱分析器的技术核心是对脉冲信号峰值进行提取和量化，该系统具体工作原理如图1所示。

对于数字化多道能谱仪分析器系统的工作原理，可结合图1概括如下：

（1）将被量化的幅度范围平均分成两个幅度区间，即道数;

（2）利用ADC芯片将脉冲信号转换为与脉冲信号幅度对应的数字量，即道址;

（3）在存储器内设置两个计数器，每个计数器对应一个道址，当信号处理器接收到各个单一道址值后，运用计数器进行加计，经一定时间的积累，就可获得输入脉冲幅度数据信息的分布情况，即核能能谱数据[1]。

3 数字化多道能谱仪系统的关键技术

为了能够在研究数字化多道能谱仪系统关键技术的同时，获得系统理论验证的最佳设计方案，系统采用能谱仪系统关键技术测试平台设计，这一设计方式能够实现数字化多道能谱仪系统中的滤波形成、峰值提取、保持以及数字化信号处理与显示等，除此之外，该设计方式一方面能够准确处理采样脉冲信号，另一方面还可以对所得数据进行仿真处理[2]。

3.1 脉冲信号的峰值保持技术

经前端处理模块对核探测器所输出核脉冲信号的放大整形后，对峰值检测电路电压进行保持，以便于后续ADC采樣分析，而作为该系统的关键技术——峰值检测保持电路主要由软件、硬件相互结合来实现。对于峰值保持的主要优势就在于其速度较快、对ADC要求较低及同等条件下的多道能谱仪性能更好。

峰值检测电路一般分为两种形式，一种是微分式峰值检测电路，另一种则是比较式峰值检测电路。从脉冲真正峰值产生时刻方面而言，微分式峰值检测电路晚于前端处理模块输入时刻，换言之就是无源微分检测电路所检测出的脉冲峰值位置会出现延迟现象;另外，该检测电路灵敏度较低，所以只适用于低速脉冲峰值检测与保持;比较式峰值检测电路是直接从保持电容上提取电压，并与输入电压进行对比，发现检测电压滞后于输入电压，但在性能方面，要比微分式峰值检测电路稳定得多[3]。

3.2 脉冲信号峰值提取技术

数字多道能谱仪系统的关键技术之一就是核辐射脉冲信号的幅度提取，而在测量系统中，能谱信息和信号脉冲幅度的最大值是相对应的，故其幅度提取成效将对量测结果及后续的分析产生直接影响。

4 用于中子活化分析仪的数字能谱仪关键算法

4.1 极零补偿

4.1.1 算法研究

中子活化分析仪使用闪烁体探测器，闪烁体探测器使用电阻反馈式前置放大器将电流脉冲转换成电压脉冲。电阻反馈式前置放大器的核探测器输出的信号是一个有很快上升沿和较长尾部的双指数衰减信号，如图2所示。

在实际应用中，中子活化分析仪的全谱计数率可达200kcps，由于双指数衰减信号尾部较长，因此信号常常叠加在一起，且在高计数率时尤甚。为了减少探测器输出信号的叠加，从而降低脉冲堆叠率以便于信号基线估计，本文考虑将长尾部的双指数衰减信号成形为短尾部的单指数衰减信号[5-6]。

双指数衰减信号可表示为：

4.1.2 仿真验证

实际应用时采用S-M方法[3]，计算出极零补偿的IIR滤波器系统函数的分子系数。极零补偿在Matlab中的仿真结果，其中粗线条是输入的长尾双指数衰减信号，细线条是极零补偿后的单指数衰减信号。

4.2 梯形成形

4.2.1 算法研究

极零补偿后的探测器脉冲顶部比较尖，导致对脉冲幅度进行分析的精度较低。梯形成形算法应用原理是将探测器脉冲转变为顶部平坦的梯形脉冲，而梯形成形则是数字能谱采集系统中常用的成形算法，已得到广泛的应用，其核心就是将输入的指数衰减信号成形为相同幅度的等腰梯形，梯形图如图3所示。因梯形成形滤波算法具备内建滑尺功能，因此，可对ADC微分非线性起到改善作用。当梯形平顶时间多于探测器电荷收集时间时，该算法便具备对弹道亏损免疫特性。架设成形后的梯形脉冲上升沿时间为t1，平顶时间为t2-t1，下降沿时间为t3-t2，幅度为U。

4.2.2 仿真验证

在Matlab中对梯形成形算法进行仿真验证。输入信号为叠加白噪声的单指数衰减信号，时间常数τ=3.2μs，信号幅度=2000mV，叠加的白噪声标准差为80mV。梯形成形脉冲的上升沿时间为1.8μs，平顶时间为0.6μs，采样周期为0.025μs。梯形成形算法仿真波形如图4所示。从图3中可以看出，梯形成形算法对噪声具有抑制作用。将以上输入信号中的单指数衰减信号幅度设为0，使输入信号变为白噪声，在Matlab中进行仿真，计算得到输入噪声标准差为78.1999mV，输出信号的噪声标准差为12.184mV，噪声滤除仿真结果。

结语

本文结合中子活化分析仪探测器脉冲特点，对数字能谱仪信号处理关键算法进行了推导和仿真，验证了将关键算法付诸应用的可行性。与模拟能谱仪相比，数字能谱仪采用的算法具有更大的灵活性，可以根据信号的特点定制算法，在不改动硬件的情况下实现对不同信号的处理。数字化的信号处理算法不会像模拟能谱仪那样受电路硬件参数和温度的影响，稳定性和可靠性大大提高;同时取代模拟能谱仪中相应功能的电路，更大程度地减小电路规模，实现仪器的小型化、精密化。在后续实际应用中，还要针对硬件的采集速度和噪声对计算精度的影响等方面，开展更深入的研究。

参考文献：

[1]李岩峰.基于数字多道技术的中子活化分析仪器稳谱设计[J].工业技术创新，2021，8（2）：84-86，110.

[2]陳亚勇.MATLAB信号处理详解[M].北京：人民邮电出版社，2001.

[3]敖奇，魏义祥，屈建石.数字滤波器对FlashADC性能改善的研究[J].核电子学与探测技术，2009，29（3）：593-596.

基金项目：辽宁省“兴辽英才计划”项目（XLYC180 7168）;辽宁省中央引导地方科技发展专项资金项目（2021 JH6/10500191）

作者简介：张伟（1980— ），男，汉族，黑龙江密山人，本科，高级工程师，主要从事仪器仪表研发工作。