基于C＃和DSP的核能谱模拟方法研究

摘要

核科学技术的研究突破极大地助力了人类的发展，为人类提供了方方面面的便利，但核武器试验、核电站泄露等造成的核污染也给环境和身体健康带来了不同程度的影响和伤害。加强核技术研究和核辐射监测、减少核污染成为核工作人员和整个人类研究关注的重点和难点。其中，核信号作为研究基础，在核信号处理方法与技术的研究工作中被大量使用，但原始核信号通过放射源产生，存在时间地点及探测器寿命等方面的局限性，得到的核信号灵活性及参数可调性都不强，难以满足信号灵活多样可重复等要求，且放射源极强的放射性对从事核信号采集的工作人员有着不可避免的身体伤害，实际科研实验中核测量工作的开展受到挑战。
　　通过对辐射环境中的放射性物质释放的γ射线进行监测等手段，了解放射性物质的组成，判断其含量和活度，从而减少环境污染和身体伤害。然而在实际测量中，由于环境复杂性、干扰射线和探测器能量分辨率等原因，测得的谱信号常出现严重重叠干扰现象。作为常用的γ射线探测器，NaI(Tl)探测仪由于探测效率高、维护方便、成本适中等优点被广泛使用，但其对低能端重叠谱的分辨能力不强，使得重叠谱的分解成为谱分析中的难题。同时，为了在辐射监测过程中实现更准确及时的能谱测量分析和异常情况处理，并使之能适用于现场实时测量与分析，往往需要对测得的核能谱实时、精确反演。
　　基于此背景，本文在四川省科技支撑计划“核辐射信号随机特性关键技术研究”(2014GZ0020)项目的支持下，结合前期对仿核信号、核能谱模拟、重叠峰分解等相关研究的基础上，依托C＃和DSP，构建了一套核能谱模拟系统，同时借助于MATLAB分析工具，以信号模拟为主线，对具有随机特性的仿核信号的生成、指数脉冲S-K高斯成形及梯形成形滤波、现场辐射监测过程中任意核能谱的实时逼真模拟、严重重叠谱的分解以及能谱漂移等方面进行了讨论研究。论文主要工作及成果如下:
　　1、借助于MATLAB仿真平台，对核脉冲信号成形前的指数脉冲进行了不同衰减常数、不同幅值的模拟，讨论了S-K高斯成形、梯形成形算法，模拟了不同调整参数K时的指数脉冲高斯成形波形，并完成对无噪音和有噪音的指数脉冲的梯形成形滤波仿真。
　　2、讨论了能谱的统计特性及其数学模型，阐述了粒子群算法的基本原理，在MATLAB上模拟了原始重叠峰，分析了粒子群算法与重叠峰分解之间的联系，确定了粒子群分解重叠峰的适应度函数，实现了两峰重叠谱、三峰重叠谱、四峰重叠谱的粒子群分解，完成了算法分解重叠峰的能力定位;将分解得到的几个高斯峰以一定比例搭配构成新的重叠峰，并采用加抽样法对其形成过程动态模拟。
　　3、提出了全谱的数学模型，在MATLAB上完成了以一定比例的镭226Ra、钍232Th、铯137Cs三种核素能谱组成的原始混合谱的模拟，给出了粒子群算法用于全谱分解时的粒子优劣的评价函数，实现了涉及三个单谱权重未知数的全谱分解;将分解得到的三个单谱以一定比例组合构成新的混合谱，并动态模拟其形成过程。
　　4、讨论了能谱的漂移，设定一定的漂移倍数，在MATLAB上完成对226Ra、232Th、137Cs三种核素能谱漂移的模拟，并将漂移后的能谱以一定比例搭配得到了原始漂移混合谱，实现了粒子群算法对原始漂移混合谱的分解，涉及到三个单谱的权重和漂移倍数这6个未知数。
　　5、构建了一套基于C＃和DSP的核能谱模拟系统，完成了硬件的搭建、C＃上UI界面的设计及功能算法的实现与验证;在C拌上实现了对不同衰减常数、不同幅值的指数信号的模拟和不同成形参数的高斯成形，采用线性同余法和离散直接抽样方法实现对226Ra、232Th、137Cs三种核素能谱及其组成的混合谱的动态反演;在DSP的软件环境CCS上完成了能谱模拟和误差的计算分析。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 课题背景与研究意义

1．2 国内外的研究现状

1．2．1 仿核信号的研究现状

1．2．2 核能谱模拟的研究现状

1．3 论文的研究内容

1．4 论文的结构安排

第2章 核信号随机特性与随机抽样方法

2．1 核信号的随机特性

2．2 随机抽样方法

2．2．1 加抽样方法

2．2．2 离散型直接抽样方法

2．3 本章小结

第3章 核脉冲信号及其成形仿真

3．1 探测器输出端核脉冲的模拟

3．2 核脉冲信号及其成形仿真

3．2．1 指数和双指数脉冲数字化模型

3．2．2 S-K高斯成形模型

3．2．3 梯形成形模型

3．2．4 指数信号及其S-K高斯成形和梯形成形仿真

3．3 本章小结

第4章 谱峰形成过程的动态模拟

4．1 能谱的统计特性

4．2 能谱数学模型

4．3 粒子群算法基本思想

4．4 粒子群算法分解重叠谱峰

4．4．1 原始重叠谱峰的模拟

4．4．2 两峰重叠谱的分解

4．4．3 三峰重叠谱的分解

4．5 谱峰动态模拟

4．6 本章小结

第5章 全谱形成过程的动态模拟

5．1 全谱数学模型

5．2 未漂移的全谱分解

5．3 漂移后的全谱分解

5．3．1 能谱漂移模拟

5．3．2 原始漂移混合谱分解

5．4 全谱动态形成的模拟

5．5 本章小结

第6章 C#和DSP模拟平台

6．1 核能谱模拟平台及其所属系统组成

6．1．1 DSP介绍

6．1．2 .NET平台和C#语言

6．1．3 核能谱模拟平台主界面

6．2 单个指数脉冲及其S-K高斯成形

6．3 仿核信号模拟

6．4 能谱模拟

6．4．1 伪随机数发生器

6．4．2 C#软件模拟能谱

6．4．3 DSP硬件模拟能谱

6．5 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果