[發(fā)明專利]一種數(shù)字化核能譜測量系統(tǒng)中的脈沖矩形成形方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711002962.0
• 申請日: 2017-10-24
• 公開（公告）號: CN107783173B
• 公開（公告）日: 2019-06-11
• 發(fā)明（設計）人: 王海濤;湯彬;王仁波;劉志鋒;張雄杰;周書民;陳銳;瞿金輝
• 申請（專利權）人: 東華理工大學
• 主分類號: G01T1/36
• 分類號: G01T1/36
• 代理公司: 江西省專利事務所 36100
• 代理人: 胡里程

1.一種數(shù)字化核能譜測量系統(tǒng)中的脈沖矩形成形方法，其步驟：

(1)若負指數(shù)信號的衰減時間為τ，信號的峰值幅度為A，用函數(shù)可表示為利用如下公式將輸入負指數(shù)脈沖信號轉換為短的階躍信號，即矩形信號：

其中S表示負指數(shù)信號的面積，E可表示該負指數(shù)信號所擁有的能量，ε表示輸入信號的紋波干擾及噪聲等的最大幅度值；

可通過負指數(shù)脈沖信號的尾部信息對其脈沖幅度進行修正，對輸入信號進行連續(xù)的AD采樣，得到連續(xù)的采樣序列：D(1)、D(2)、…、D(n-1)、D(n)；

利用如下公式可將連續(xù)的負指數(shù)脈沖采樣序列轉換為矩形信號：

S＝E＝Aτ

＝D(1)×Δt+D(2)·τ

＝D(1)·Δt+D(2)·Δt+D(3)·Δt+......+D(n-1)·Δt+D(n)·τ D(n)≥ε

其中Δt表示AD采樣周期，令Δt＝”1”，則上式可表示為：

S＝E＝D(1)+D(2)+D(3)+......+D(n-1)+D(n)·τ D(n)≥ε

采用小梯形面積代替小矩形面積，則上式可表示為：

S＝E＝D(1)/2+D(2)+D(3)+......+D(n-1)+D(n)/2+D(n)·τ D(n)≥ε

其中：D(1)/2+D(2)+D(3)+......+D(n-1)+D(n)/2為已放電能量，D(n)·τ為剩余能量；

(2)進一步將上述公式變換為遞歸算法，求得轉換后的矩形能量E_rec(n)：

E_dischg(2)＝E_dischg(1)＝D(1)/2

E_rec(1)＝0

E_dischg(n)＝E_dischg(n-1)+D(n-1) n≥3,D(n-1)≥ε

E_rec(n)＝E_dischg(n)+D(n)/2+D(n)·τ n≥2,D(n)≥ε

其中E_dischg(n)表示已放電能量，E_rec(n)表示轉換后的矩形能量；

(3)對采樣序列進行一階數(shù)值微分，得到：

d(n)＝D(n)-D(n-1)

在FPGA中開辟N個點的循環(huán)緩沖區(qū)，用于緩存矩形波數(shù)據(jù)E_rec(n)，

1)如果滿足條件則該點必為新的負指數(shù)脈沖信號的上升沿起點，求得前一個負指數(shù)脈沖信號的剩余放電能量為：

Epre_remain＝E_avr(n-1)-E_dischg(n-1)

其中Epre_remain為前一個負指數(shù)脈沖信號的剩余放電能量，E_avr(n-1)為前一個負指數(shù)脈沖信號總能量的平均值，E_dischg(n-1)為前一個負指數(shù)脈沖信號的已放電能量；

2)如果滿足條件則該點必為負指數(shù)脈沖信號的上升沿，則：

E_sum(n)＝0

E_rec(n)＝0

E_dischg(n)＝0

其中E_sum(n)表示矩形波各個點的能量累加和，E_rec(n)表示當前負指數(shù)脈沖信號的總能量，即轉換為矩形波的幅度、同時為N點循環(huán)緩沖區(qū)中最新的一個數(shù)據(jù)，E_dischg(n)表示當前負指數(shù)脈沖信號的已放電能量；

3)如果滿足條件則該點必為負指數(shù)脈沖信號的上升沿轉下降沿的起點，則：

E_remain(n)＝D(n)·τ

E_dischg(n)＝D(n-1)/2

E_rec(n)＝E_dischg(n)+D(n)/2+E_remain(n)-Epre_remain

E_sum(n)＝E_rec(n)·N

E_oldest(n)＝E_rec(n)

L_rec＝1

其中E_remain(n)表示當前負指數(shù)脈沖信號的剩余放電能量，E_oldest(n)表示N點循環(huán)緩沖區(qū)中最老的一個數(shù)據(jù)，L_rec表示矩形平臺的長度；

4)如果滿足條件則該點必為負指數(shù)脈沖信號的下降沿，則：

E_remain(n)＝D(n)·τ

E_dischg(n)＝E_dischg(n-1)+D(n-1)/2

E_rec(n)＝E_dischg(n)+D(n)/2+E_remain(n)-Epre_remain

L_rec＝L_rec+1

使用改進的滑動平均值法對矩形波數(shù)據(jù)進行濾波，在FPGA中開辟N個點的循環(huán)緩沖區(qū)，用于緩存矩形波數(shù)據(jù)E_rec(n)，E_rec(n)表示第n個點的矩形波數(shù)據(jù)，即最新的一個數(shù)據(jù)，E_rec(n-N-1)表示第n-N-1個點的矩形波數(shù)據(jù)，即最老的一個數(shù)據(jù)，當實際輸入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)長度L_rec＜N時，維持最老的數(shù)據(jù)E_oldest(n)為初始化時的數(shù)據(jù)不變，公式如下：

N＝2^m，m為自然數(shù)

E_sum(n)＝E_sum(n-1)+E_rec(n)-E_oldest(n)

(4)對步驟(3)求得的矩形波各個點的能量累加和E_sum(n)除以N，實現(xiàn)E_rec(n)的N點平均，因為N＝2^m，可在FPGA中將除法運算變換為向右移位運算，公式如下：

E_avr(n)＝E_sum(n)/N＝E_sum(n)/2^m＝E_sum(n)＞＞m

其中E_avr(n)為E_rec(n)的N點滑動平均值；

(5)為了使E_avr(n)與負指數(shù)脈沖信號的峰值幅度P_pulse(n)一致，需要將E_avr(n)除以該負指數(shù)信號的衰減時間τ，但FPGA一般不含有硬件除法器，需要將該除法運算變換為乘法運算及移位運算，公式如下：

(6)為了保證后續(xù)能譜曲線的能量分辨率，需要矩形的平臺L_rec有一定的長度，L_rec越小越容易進行堆積脈沖分離，但會降低能量分辨率，因為輸入信號的紋波干擾及噪聲幅度ε會影響脈沖峰值P_pulse(n)的計算精度；L_rec越大能量分辨率越好，但是需要丟棄堆積較嚴重的第一個脈沖，因為該脈沖信號的峰值幅度無法通過足夠的脈沖尾部進行修正；若ε為10mV，而能譜測量系統(tǒng)要求達到的數(shù)據(jù)處理精度為1mV，則只要L_rec≥10即可達到較好的脈沖峰值P_pulse(n)計算精度和較理想的能量分辨率。