基于FPGA的核脉冲信号数字化处理过程关键技术研究
发布时间：2021-07-18 09:11
数字多道脉冲幅度分析技术是核脉冲信号进行数字化处理过程的关键技术,具有稳定、分辨率高、信号处理速度快等优点,随着计算机技术和半导体技术的不断发展,数字多道脉冲幅度分析技术因其优点逐渐成为核能谱测量系统数字化研究的热门内容,备受领域内科研人员的关注。基于此,本文基于现场可编程逻辑门阵列（FPGA,Field Programmable Gate Array）对核脉冲信号数字化处理过程中的关键技术展开研究,主要工作如下:首先研究核能谱数字化系统的原理与组成结构,并介绍了其中各个模块的作用与工作原理;其次,对核脉冲信号数字化处理方法做了简单描述,从中分析出核脉冲信号在数字化处理过程中产生对核能谱数字系统能量分辨率造成影响的两个因素为幅度亏损和量化误差,并提出了改变高速模/数转换器（ADC,Analog to Digital Converter）的采样频率与精度的思路来减小这两个因素所造成的影响。在研究核脉冲信号成形算法方面,主要研究基于Sallen-Key滤波电路的高斯成形算法与基于Z变换的梯形成形算法。通过将两种算法仿真结果对比,得出梯形成形算法性能优于高斯成形算法的结论。最终采用滤波器级联...
【文章来源】：西南科技大学四川省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
核能谱测量数字系统结构框图
西南科技大学硕士学位论文82核脉冲信号数字化处理方法2.1核脉冲信号探测的基本原理在核辐射信号探测领域，科学家在进行实验时通常会采用能谱曲线来研究放射性粒子特性。那么怎样获取准确的放射性粒子的能谱信息则是核电子学的重要研究内容，而为了能够实现对放射性粒子的测量，需要对放射性粒子进行收集、数字化处理两个过程：（1）放射性粒子收集的过程通常是利用核辐射探测器来完成，其工作流程是入射粒子的能量射线与探测器中的相关介质相互作用，转换成微弱的电荷信号并以电流或电压的形式输出；（2）将核辐射探测器输出的电流脉冲输入后续的数字信号处理单元进行信号调理放大、脉冲成形、幅度提取等处理。最终获得入射粒子的种类、数量以及能量等所需要的相关信息[12]。由于不同的放射性粒子具备不同的能量、波形、幅度，因此每一类放射性粒子都有与之相匹配的核辐射探测器并且输出的核脉冲信号在时间、概率上都是处于随机分布状态。在实际的核物理实验中，核能谱测量系统的数字信号处理单元会根据不同的测量任务选择不同的测量方法。目前市面上的核辐射探测器主要分为两种：基于半导体的核辐射探测器与基于闪烁体的核辐射探测器。本论文主要对基于半导体的核辐射探测器输出的核脉冲信号进行处理。图2-1为经典的基于半导体的核辐射探测器电路图[10]。图2-1经典的基于半导体的核辐射探测器电路
核脉冲信号数字化处理方法9若将基于半导体的核辐射探测器看成一个电流源作为前置放大器的输入端，则该探测器等效电路图如图2-2所示。图2-2基于半导体的核辐射探测器--前置放大器电路图2-2中I(t)为核辐射探测器输出电流，R为核辐射探测器输出电阻，C为核辐射探测器的极间电容，假设核辐射脉冲幅度值在T时刻达到最大值，t0是探测器在收集核辐射脉冲电荷所用的时间，那么该脉冲电荷的总量就为Q，即()+=00tTtQdttI(2-1)核辐射脉冲电荷总量Q往往能反映该核辐射粒子的能量大校公式2-1中的I(t)可表示为：()()()dttdVCRtVtI+=(2-2)当我们假设t=0，I(0)=0，V(0)=0时，该核辐射粒子的电压脉冲可表示为：()()=tRCtRCtedtetICtV01(2-3)若输入不同的放射性粒子是，则获取的核脉冲信号在脉冲间距、脉冲频率、脉冲幅度也不相同，但他们的波形形状也都类似，核辐射探测器分别采集60Co和137Cs放射源之后，输出的信号脉冲波形如图2-3、图2-4所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]FPGA芯片设计及其应用[J]. 赵志强. 电子技术与软件工程. 2018(21)
[2]基于FPGA的数字多道梯形成形算法研究[J]. 汤建文,王仁波,王海涛. 测试技术学报. 2018(05)
[3]核信号高斯与梯形数字成形方法仿真及其评价[J]. 任印权,何剑锋,周世融,叶志翔,阳深. 核电子学与探测技术. 2018(01)
[4]基于MATLAB的核信号仿真与成形研究[J]. 覃骏,周伟,杜洋,李扬红,徐晓娜. 电子质量. 2017(01)
[5]数字高斯脉冲成形算法仿真研究[J]. 洪旭,倪师军,周建斌,马英杰,刘易,周伟. 核技术. 2016(11)
[6]基于MATLAB的数字核信号滤波成形处理方法的研究[J]. 宁洪涛,张怀强,刘军. 核电子学与探测技术. 2016(02)
[7]Optimal choice of trapezoidal shaping parameters in digital nuclear spectrometer system[J]. ZHANG Huaiqiang,GE Liangquan,TANG Bin,LIU Tingli. Nuclear Science and Techniques. 2013(06)
[8]核脉冲信号数字高斯成形模型的建立与仿真[J]. 周伟,周建斌,方方,朱星,刘易,李扬红. 物探与化探. 2012(02)
[9]核辐射脉冲幅度分析的基线自适应Kalman滤波估计[J]. 张同锋,方方,王敏,曹建宇. 核电子学与探测技术. 2012(02)
[10]LMS自适应滤波数字峰值估计方法研究[J]. 周忠辉,王永纲,黄大骏. 核电子学与探测技术. 2010(03)
博士论文
[1]数字核能谱测量系统中滤波与成形技术研究[D]. 王敏.成都理工大学 2011
[2]基于在线数字滤波技术的数字化核能谱仪研究[D]. 谢树欣.中国科学技术大学 2009
硕士论文
[1]基于FPGA的数字化多道脉冲幅度分析器设计[D]. 孙超.东北师范大学 2018
[2]基于FPGA的数字多道脉冲幅度分析器[D]. 孙尚清.东华理工大学 2017
[3]数字核谱仪中核脉冲信号滤波与成形技术研究[D]. 李培培.西南科技大学 2017
[4]小口径数字化X射线荧光测井仪电路设计[D]. 郎军.成都理工大学 2017
[5]数字多道能谱测量中基线自动恢复技术研究[D]. 赵祥.成都理工大学 2017
[6]基于FPGA的数字化多道脉冲幅度分析器研究与数字γ谱仪初步开发[D]. 刘华.东华理工大学 2016
[7]核信号数字化处理过程关键技术研究[D]. 王旭.成都理工大学 2016
[8]面向多旋翼飞行器的γ谱仪关键技术研究[D]. 霍建文.西南科技大学 2015
[9]核信号数字滤波处理技术的研究[D]. 胡云川.成都理工大学 2015
[10]基于FPGA的数字化多道脉冲幅度分析器的设计与实现[D]. 窦道威.中国地质大学(北京) 2015
本文编号：3289281
【文章来源】：西南科技大学四川省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
核能谱测量数字系统结构框图
西南科技大学硕士学位论文82核脉冲信号数字化处理方法2.1核脉冲信号探测的基本原理在核辐射信号探测领域，科学家在进行实验时通常会采用能谱曲线来研究放射性粒子特性。那么怎样获取准确的放射性粒子的能谱信息则是核电子学的重要研究内容，而为了能够实现对放射性粒子的测量，需要对放射性粒子进行收集、数字化处理两个过程：（1）放射性粒子收集的过程通常是利用核辐射探测器来完成，其工作流程是入射粒子的能量射线与探测器中的相关介质相互作用，转换成微弱的电荷信号并以电流或电压的形式输出；（2）将核辐射探测器输出的电流脉冲输入后续的数字信号处理单元进行信号调理放大、脉冲成形、幅度提取等处理。最终获得入射粒子的种类、数量以及能量等所需要的相关信息[12]。由于不同的放射性粒子具备不同的能量、波形、幅度，因此每一类放射性粒子都有与之相匹配的核辐射探测器并且输出的核脉冲信号在时间、概率上都是处于随机分布状态。在实际的核物理实验中，核能谱测量系统的数字信号处理单元会根据不同的测量任务选择不同的测量方法。目前市面上的核辐射探测器主要分为两种：基于半导体的核辐射探测器与基于闪烁体的核辐射探测器。本论文主要对基于半导体的核辐射探测器输出的核脉冲信号进行处理。图2-1为经典的基于半导体的核辐射探测器电路图[10]。图2-1经典的基于半导体的核辐射探测器电路
核脉冲信号数字化处理方法9若将基于半导体的核辐射探测器看成一个电流源作为前置放大器的输入端，则该探测器等效电路图如图2-2所示。图2-2基于半导体的核辐射探测器--前置放大器电路图2-2中I(t)为核辐射探测器输出电流，R为核辐射探测器输出电阻，C为核辐射探测器的极间电容，假设核辐射脉冲幅度值在T时刻达到最大值，t0是探测器在收集核辐射脉冲电荷所用的时间，那么该脉冲电荷的总量就为Q，即()+=00tTtQdttI(2-1)核辐射脉冲电荷总量Q往往能反映该核辐射粒子的能量大校公式2-1中的I(t)可表示为：()()()dttdVCRtVtI+=(2-2)当我们假设t=0，I(0)=0，V(0)=0时，该核辐射粒子的电压脉冲可表示为：()()=tRCtRCtedtetICtV01(2-3)若输入不同的放射性粒子是，则获取的核脉冲信号在脉冲间距、脉冲频率、脉冲幅度也不相同，但他们的波形形状也都类似，核辐射探测器分别采集60Co和137Cs放射源之后，输出的信号脉冲波形如图2-3、图2-4所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]FPGA芯片设计及其应用[J]. 赵志强. 电子技术与软件工程. 2018(21)
[2]基于FPGA的数字多道梯形成形算法研究[J]. 汤建文,王仁波,王海涛. 测试技术学报. 2018(05)
[3]核信号高斯与梯形数字成形方法仿真及其评价[J]. 任印权,何剑锋,周世融,叶志翔,阳深. 核电子学与探测技术. 2018(01)
[4]基于MATLAB的核信号仿真与成形研究[J]. 覃骏,周伟,杜洋,李扬红,徐晓娜. 电子质量. 2017(01)
[5]数字高斯脉冲成形算法仿真研究[J]. 洪旭,倪师军,周建斌,马英杰,刘易,周伟. 核技术. 2016(11)
[6]基于MATLAB的数字核信号滤波成形处理方法的研究[J]. 宁洪涛,张怀强,刘军. 核电子学与探测技术. 2016(02)
[7]Optimal choice of trapezoidal shaping parameters in digital nuclear spectrometer system[J]. ZHANG Huaiqiang,GE Liangquan,TANG Bin,LIU Tingli. Nuclear Science and Techniques. 2013(06)
[8]核脉冲信号数字高斯成形模型的建立与仿真[J]. 周伟,周建斌,方方,朱星,刘易,李扬红. 物探与化探. 2012(02)
[9]核辐射脉冲幅度分析的基线自适应Kalman滤波估计[J]. 张同锋,方方,王敏,曹建宇. 核电子学与探测技术. 2012(02)
[10]LMS自适应滤波数字峰值估计方法研究[J]. 周忠辉,王永纲,黄大骏. 核电子学与探测技术. 2010(03)
博士论文
[1]数字核能谱测量系统中滤波与成形技术研究[D]. 王敏.成都理工大学 2011
[2]基于在线数字滤波技术的数字化核能谱仪研究[D]. 谢树欣.中国科学技术大学 2009
硕士论文
[1]基于FPGA的数字化多道脉冲幅度分析器设计[D]. 孙超.东北师范大学 2018
[2]基于FPGA的数字多道脉冲幅度分析器[D]. 孙尚清.东华理工大学 2017
[3]数字核谱仪中核脉冲信号滤波与成形技术研究[D]. 李培培.西南科技大学 2017
[4]小口径数字化X射线荧光测井仪电路设计[D]. 郎军.成都理工大学 2017
[5]数字多道能谱测量中基线自动恢复技术研究[D]. 赵祥.成都理工大学 2017
[6]基于FPGA的数字化多道脉冲幅度分析器研究与数字γ谱仪初步开发[D]. 刘华.东华理工大学 2016
[7]核信号数字化处理过程关键技术研究[D]. 王旭.成都理工大学 2016
[8]面向多旋翼飞行器的γ谱仪关键技术研究[D]. 霍建文.西南科技大学 2015
[9]核信号数字滤波处理技术的研究[D]. 胡云川.成都理工大学 2015
[10]基于FPGA的数字化多道脉冲幅度分析器的设计与实现[D]. 窦道威.中国地质大学(北京) 2015
本文编号：3289281
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