数字核能谱测量系统中滤波与成形技术研究

【摘要】：核能谱测量技术是研究核物理、重离子物理、高能物理及与核技术应用相关领域中重要的信息获取手段之一。它具有精度高、灵敏度高等特点，且其所获得的信息是其他检测手段所不能提供。随着计算机、电子技术的高速发展，对核能谱测量技术的研究也在不断更新之中。同时，对核能谱测量技术相关的关键技术新方法的研究，成为了核技术领域的重要研究内容之一。因此，核能谱测量技术作为核技术领域中的研究热点，一直为国内外所关注。 至20世纪末，核能谱测量技术呈现了数字化发展的新趋势，近年来已成为核信号处理领域最为活跃的研究方向。滤波与成形是核能谱测量技术数字化的关键技术环节，采用数字化方法实现滤波与成形不仅可代替模拟电路，简化硬件电路，还提高系统的能量分辨率、稳定性和自适应性。 国外对数字核能谱测量系统的滤波与成形技术的研究起步较早，发展较快。比较而言，国内在此方面的技术研究相对落后，大多为计算机仿真研究，暂无具备数字滤波功能的核仪器研制成功的报道。 在研究分析了模拟与数字核能谱测量系统的组成原理和结构的基础上，详细讨论比较了两者之间的优劣。对于模拟核能谱测量系统，研究了影响模拟核能谱测量系统性能的4个主要因素：基线恢复、弹道亏损、脉冲堆积、幅度提取等，提出了利用脉冲数字化的方法来减弱这些影响因素的研究思路；对数字核能谱测量系统，研究了脉冲数字化后对系统性能产生的影响，并采用高性能的ADC芯片来减小该影响。 通过对目前用于数字核能谱测量系统中滤波与成形主要算法进行的研究，并比较分析这些算法的各自利弊后，选择了基于sage-husa的卡尔曼滤波算法处理基线恢复问题，以及采用函数卷积法实现脉冲梯形（三角形）成形。 论文研究提出了利用双重遗忘法建立卡尔曼滤波模型。由此实现了脉冲基线恢复，并取得了明显效果。由于经典卡尔曼滤波、现有简化sage-husa及改进sage-husa算法模型进行滤波效果都不佳，因此有必要对现有的算法进行了改进和优化。通过使用双重遗忘法建立的新型基于sage-husa的自适应卡尔曼滤波算法模型，取得了很好的滤波效果，避免了滤波发散和基线收敛缓慢的问题。 论文研究提出了单脉冲函数卷积法。在研究现有的函数卷积法的基础上，提出了单脉冲和连续脉冲的梯形（三角形）脉冲成形方法。利用函数卷积法实现梯形（三角形）脉冲成形，使核能谱测量系统的能量分辨率得到很大改善。脉冲梯形（三角形）成形使用的Z变换方法，因其算法复杂，难于在硬件系统上实现，仅限于软件仿真。利用函数卷积法建立的脉冲梯形（三角形）成形算法模型，可以在时域中写成递推的形式，便于硬件实现。进一步研究和实验测试可知，单脉冲成形法比连续脉冲成形法更能避免累积误差，使系统的能量分辨率再次得到提高。 在实现了上述两种数学模型的基础上，利用Matlab7.0建立了数字核能谱测量系统的滤波与成形软件平台。通过该平台对实际测量数据的测试，证明了设计方案的可行性。 研制了数字核能谱测量系统硬件平台。利用FPGA器件完成的新型数字核能谱测量系统，可以完成核信号脉冲的数据采集、基线恢复、脉冲成形、数据存储和通讯等功能，与传统的模拟系统相比，性能上具有显著改善。 该数字核能谱测量系统设计有三种观测窗口，可以根据探测器输出的脉冲脉宽、上升沿时间等信号特征，实时修改与脉冲成形相关的参数值，使系统能够配合不同的探测器在不同的探测场合工作，从而提高整个系统的探测能力和适应能力。 最后，通过系统测试表明，与现有的核能谱测量系统相比较，所研制的数字核能谱测量系统配合不同的探测器，能量分辨率都有明显的提高。 【关键词】：数字化 卡尔曼 数字成形 滤波
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TL81
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-18
• 1.1 选题依据及研究意义11-12
• 1.2 研究现状12-14
• 1.3 研究方法和技术路线14-16
• 1.4 论文依托16
• 1.5 论文主要工作内容和创新点16-17
• 1.6 论文章节安排17
• 1.7 本章小结17-18
• 第2章 核能谱测量系统组成分析18-32
• 2.1 核能谱探测的原理18-20
• 2.2 模拟核能谱测量系统20-26
• 2.2.1 模拟核能谱测量系统的组成结构21-22
• 2.2.2 影响模拟核能谱测量系统性能的主要因素22-26
• 2.3 数字核能谱测量系统26-30
• 2.3.1 数字核能谱测量系统的组成和结构27-29
• 2.3.2 影响数字核能谱测量系统性能的主要因素29-30
• 2.4 本章小结30-32
• 第3章 核信号处理的原理和方法32-49
• 3.1 核信号处理的原理32-33
• 3.2 核信号的统计规律33-34
• 3.2.1 脉冲计数的统计分布34
• 3.2.2 核探测器输出脉冲幅度统计分布34
• 3.3 滤波与成形34-48
• 3.3.1 理论基础35-37
• 3.3.2 滤波方法的研究37-43
• 3.3.3 成形方法的研究43-48
• 3.4 本章小结48-49
• 第4章 自适应卡尔曼滤波模型的建立和仿真49-69
• 4.1 概述49
• 4.2 卡尔曼滤波原理49-56
• 4.2.1 卡尔曼滤波经典方程50-54
• 4.2.2 卡尔曼滤波初值的选择54-56
• 4.3 卡尔曼滤波的自适应处理56-59
• 4.3.1 简化的 Sage-Husa 算法模型56-58
• 4.3.2 改进的 Sage-Husa 算法模型58-59
• 4.4 卡尔曼滤波的数学模型的建立和优化59-66
• 4.4.1 双重遗忘法的数学模型建立60-64
• 4.4.2 算法模型的问题与优化64-66
• 4.5 数字基线处理66-68
• 4.6 本章小结68-69
• 第5章 数字化脉冲成形模型的建立和仿真69-91
• 5.1 梯形（三角形）成形的优点69
• 5.2 数字脉冲成形的理论69-78
• 5.2.1 核脉冲与梯形（三角形）脉冲的数学描述70-71
• 5.2.2 梯形（三角形）成形的函数卷积法71-78
• 5.3 梯形（三角形）成形的模型建立78-80
• 5.4 梯形（三角形）脉冲成形的仿真80-84
• 5.5 梯形（三角形）成形的问题与改进84-90
• 5.5.1 输入信号与成形时间84-86
• 5.5.2 重叠脉冲的分离86-89
• 5.5.3 单脉冲成形方法的实现89-90
• 5.6 本章小结90-91
• 第6章 数字核能谱测量系统的设计91-105
• 6.1 数字核能谱测量系统的组成91-94
• 6.1.1 数字核能谱测量系统技术91
• 6.1.2 数字核能谱测量系统的结构组成91-94
• 6.2 信号放大电路设计94-97
• 6.2.1 概述94-95
• 6.2.2 线性脉冲放大器设计95-97
• 6.3 高速 ADC 电路设计97-99
• 6.3.1 ADC 的作用97
• 6.3.2 ADC 器件选择97
• 6.3.3 AD9235 外围电路设计97-99
• 6.4 波形数字化的实现99-104
• 6.4.1 FPGA 介绍99-100
• 6.4.2 Altera 系列 FPGA 介绍100-101
• 6.4.3 FPGA 的功能模块设计101-104
• 6.5 本章小结104-105
• 第7章 性能测试105-112
• 7.1 基线扣除的测试与对比108
• 7.2 不同成形脉冲的测试与对比108-110
• 7.3 不同探测器的比较110
• 7.4 与模拟系统的比较110-111
• 7.5 本章小结111-112
• 结论112-114
• 致谢114-115
• 参考文献115-123
• 附录123-127

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