数字多道能谱测量中基线自动恢复技术研究

摘要

核能谱测量系统对于核技术应用、核物理分析具有重要意义，主要由核辐射探测器、脉冲信号调理电路、多道脉冲幅度分析器MCA、数据显示模块及供电模块构成。随着数字信号处理技术的发展，核能谱测量系统开始往数字化方向发展，MCA逐渐被数字多道脉冲幅度分析器DMCA所取代。作为核能谱测量系统的核心部分，DMCA因其具有高精度、高分辨率、数字可控等优势被广泛应用于数字核能谱测量系统。近年来，对DMCA涉及的关键技术新方法的研究，成为了核技术应用领域的重要研究内容。
　　目前，DMCA相关技术中，对于核脉冲信号基线恢复技术的研究主要有模拟基线恢复技术、数字基线恢复技术两类。其中，模拟基线恢复技术由于参数固定，不能准确估计基线水平，使得基线恢复效果不理想。尽管出现了诸多改进的模拟基线恢复器，但是复杂的电路增加了设计难度，也引入了更多的干扰因素;数字基线恢复技术基于数字信号处理器，利用数字信号处理算法对经过ADC量化的数字信号进行基线估计与扣除。但是，经ADC转换后的信号中一直存在基线漂移，甚至出现基线漂移过载的情况，这不仅增加了数字基线恢复算法的复杂度，耗费设计资源，也影响了在线基线恢复的准确性。
　　针对上述问题，通过对模拟基线恢复技术、数字基线恢复技术的研究与探讨，分析比较各类方法的利弊后，提出了一种基于数字多道脉冲幅度分析器的基线自动恢复方法，该方法由数字基线估计算法与DAC反馈式基线恢复电路两部分组成。数字基线估计算法利用FPGA实现，为了简化算法复杂度，提高在线分析的实时性，高效、准确的估计出脉冲信号的基线水平，采用多次连续采样取最小值，再对所获最小值求平均，并将其作为当前的基线水平发送给MCU;基于MCU设计并实现对基线漂移阈值的设定及超阈值情况下的基线漂移判别算法，同时比较所获基线估计值与设定阈值，给出基线漂移调节量，通过控制精密DAC输出模拟调节量，对进入ADC之前的模拟核脉冲信号进行动态基线恢复，从模拟脉冲信号处理电路中解决基线漂移的问题，减小ADC转换的数字信号中的基线漂移误差。
　　搭建了一套DMCA测试平台，利用137Cs、60Co放射源样品，对论文设计的DMCA平台进行了对比测试。采用论文设计的基线自动恢复技术进行测试，所得137Cs单核素能谱分辨率约6.55％，0.661MeV特征峰峰位在458道，所得137Cs、60Co双核素混合测量能谱分辨率约6.69％，0.661MeV特征峰峰位在456道;采用基于FPGA的数字基线扣除方法进行测试，所得137Cs单核素能谱分辨率约6.62％，0.661MeV特征峰峰位在457道，所得137Cs、60Co双核素混合测量能谱分辨率约6.97％，0.661MeV特征峰峰位在445道。
　　测试结果表明，采用论文提出的基线自动恢复技术进行测量，所得能量分辨率优于6.7％，137Cs0.661MeV特征峰峰位漂移误差为2道;采用常规基于FPGA的数字基线扣除法进行测量，所得能量分辨率优于7％，137Cs0.661MeV特征峰峰位漂移误差为12道。论文设计的基于DMCA的基线自动恢复技术得以实现，相比于常规数字基线恢复法，该方法可以有效改善在高计数测量情况下，由于基线漂移导致的能谱特征峰峰位漂移现象，能够应用于在线能谱测量，可以自适应于未知辐射强度条件下的能谱测量工作。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 课题研究背景

1．2 核测量MCA中基线恢复技术国内外研究近况

1．3 论文主要研究内容与特点

1．4 论文结构安排

第2章 核测量MCA中基线恢复技术理论基础

2．1 核信号简介

2．1．1 核探测器输出信号特征

2．1．2 探测器输出脉冲的基线漂移

2．2 核信号的处理原理

2．3 基线恢复技术

2．3．1 模拟基线恢复

2．3．2 数字基线恢复

2．4 数字、模拟结合基线恢复方案的提出

第3章 基于DMCA的测试平台方案论证与设计

3．1 多道脉冲幅度分析原理

3．2 模拟核能谱测量系统

3．3 数字核能谱测量系统

3．4 系统方案设计

3．5 主要电子元器件选型

3．5．1 运算放大器选型

3．5．2 ADC选型

3．5．3 FPGA选型

3．5．4 MCU选型

3．5．5 DAC选型

3．5．6 电源芯片选型

第4章 基于DMCA的测试平台核心电路设计

4．1 系统电源设计

4．1．1 低压模拟电源设计

4．1．2 低压数字电源设计

4．1．3 高压电源设计

4．2 核脉冲信号调理电路设计

4．3 数字信号处理硬件设计

4．3．1 ADC采样电路设计

4．3．2 FPGA外围电路设计

4．3．3 MCU外围电路设计

4．3．4 通信接口设计

第5章 软件及相关算法设计

5．1 程序语言与开发工具

5．2 FPGA Verilog程序设计

5．2．1 ADC采样模块设计

5．2．2 基线估计算法设计

5．2．3 梯形滤波成形算法设计

5．2．4 脉冲幅值分析及堆积脉冲识别算法设计

5．2．5 SPI通讯模块设计

5．3 STM32F103程序设计

5．3．1 基线恢复

5．3．2 SPI通信

5．3．3 USB通信

第6章 系统测试

6．1 系统实验测试平台

6．2 DMCA能谱测量系统基线自动恢复性能测试

6．2．1 系统分辨率测试

6．2．2 基线自动估计值准确性测试

6．2．3 基线自动恢复性能测试

6．2．4 数字基线恢复对比测试

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果