数字化核能谱测量系统中的脉冲基线估计方法

摘要

本发明公开一种数字化核能谱测量系统中的脉冲基线估计方法，该方法以FPGA芯片为核心，由FPGA控制高速模数转换芯片进行核辐射信号采样，在FPGA中引入循环缓冲区的方法来实现数据滑动平均滤波，先对所有采样数据进行滑动平均滤波求得粗基线，结合粗基线和一阶数值微分法判断并扣除采样数据中的异常信号（包括脉冲或干扰），对扣除异常信号后的数据再次使用滑动平均滤波实现高精度的脉冲基线估计。本发明所述去异常脉冲基线估计方法，降低了算法复杂度，提高了运算速度，不受温度等干扰因素的影响，能够实时准确跟踪基线的变化。

说明书

技术领域

本发明属于核辐射测量领域，可应用于数字化核能谱测量系统中的高精度脉冲基线估计及稳谱处理，特别适用于核测井等环境温度变化较大情况下的能谱测量。

背景技术

在核能谱测量系统中，由于探测器漏电流、极零相消处理的不完善、电子学元器件温漂、电源纹波、以及数字信号对模拟信号的高频干扰等影响，使得在核脉冲幅度测量过程中，有用信号总是叠加在一个不稳定的直流基线上，从而导致测量结果的波动。不仅降低了系统的能量分辨率，而且会引起能量线性刻度曲线的斜率变化和直流基线漂移。特别是在测井环境中，因井下温度变化较大导致系统的基线漂移严重。如果能够进行准确的基线估计和扣除，可确保系统的能量刻度曲线经过坐标轴的零点，这必然会降低后续谱线处理的复杂度。近年来，传统的模拟核能谱测量系统逐渐被数字化核能谱测量系统所取代，相应的能谱测量过程中的脉冲基线处理方法也由传统的基线恢复电路发展到数字基线估计，数字基线估计与模拟的基线回复电路相比，可显著提高系统稳定性和可靠性，具有较高的灵活性和适应性，可进一步改善系统能量分辨率，从而成为数字化核信号处理方法中特别是数字多道分析中的一个重要部分。

目前国内外对数字基线估计和扣除的研究方法有很多，比如通过插值的方法求出新的基线采样值来代替原来的脉冲信号采样值，采用分段滤波法中的一个信号滤波器和三个基线滤波器实现基线估计值。国内学者发表的文献主要包括：《原子能科学技术》的《核辐射脉冲幅度分析的基线卡尔曼滤波估计》，《核电子学与探测技术》的《多道脉冲幅度分析中的数字基线估计方法》。此类技术主要采用了FIR基线滤波器、自适应Kalman滤波器实现脉冲基线估计，该类方法算法复杂，多是在计算机上完成，较难实现小型化和集成化。《核技术》的《基于FPGA脉冲幅度分析器的数字化基线估计方法》提出使用直方图统计法、平均值法在FPGA上实现脉冲基线估计，该方法需要对基线进行较长时间的跟踪，且判断过程较为复杂，而且在估计基线时没有完全剔除正常核脉冲信号对基线的影响。

利用在FPGA上引入去异常滑动平均滤波法来估算基线，降低了算法的复杂度，精度好，不受温度等干扰因素的影响，能够实时准确跟踪基线的变化。迄今为止，尚未见到将该项技术直接应用于数字化能谱测量的报道。

发明内容

本发明的目的是为了解决数字化核能谱测量系统中的能谱测量精度和稳定性问题，而提出一种脉冲基线估计方法。

本发明的技术方案为：本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

数字化核能谱测量系统中的脉冲基线估计方法，首先在FPGA芯片内求得粗基线：

(1)在FPGA芯片内开辟一组大小为N＝2^k个单元的循环缓冲区A，在执行平均滤波之前，将缓冲区的内容全部初始化为0；

(2)每次采样得到的数据x(n)存入循环缓冲区A头指针指向的位置，剔除循环缓冲区A尾指针指向的数据x(n-N-1)，并利用如下公式求得粗基线

Sum＝SumPre+x(n)-x(n-N-1)

$\bar{x}=Sum/N=Sum/2^k=Sum>>k$

式中Sum为循环缓冲区A中N个数据的累加和，SumPre为Sum延迟一个时钟序列的值，SumPre的初始值为0，Sum＞＞k表示将Sum右移k个二进制位。

其次根据粗基线扣除采样数据中的异常信号：

(3)将采样数据与粗基线进行比较，如果大于粗基线，则认为该数据是叠加在基线上的异常信号。如果小于或等于粗基线(即)，则对其进行一阶数值微分，微分结果用dx(n)表示，公式为：

dx(n)＝x(n)-x(n-1)

式中x(n)表示当次采样数据，x(n-1)表示前一次采样数据；

(4)选取p个数据来判断输入数据进行一阶数值微分后，其数据变化幅度大小及正负符号是否连续，如果微分后的数据变化幅度较小且正负符号不连续，则认为该数据为基线，通过下列公式求得扣除异常信号后的基线数据x′(n)：

$\left(\begin{array}{cc}{x}^{\prime }\left(n\right)=x\left(n\right)& \left(x\right(n)\le \bar{x},|\underset{i=0}{\overset{p-1}{\Sigma }}dx(n-i)|<p,|dx\left(n\right)|<ϵ)\end{array}\right)$

式中为已经求得的粗基线值，为连续p个数据一阶微分后的数值求和，|dx(n)|表示数值微分dx(n)的绝对值，ε表示输入数据的纹波范围。

最后根据扣除异常信号后的数据求得精密基线：

(5)在FPGA芯片内开辟一组大小为M＝2^m个单元的循环缓冲区B，在执行平均滤波之前，将缓冲区的内容全部初始化为0；

(6)将扣除异常信号后的基线数据x′(n)存入循环缓冲区B头指针指向的位置，剔除循环缓冲区B尾指针指向的数据x′(n-N-1)，并利用如下公式求得精密基线

Sum′＝SumPre′+x′(n)-x′(n-N-1)

${\bar{x}}^{\prime }={\mathrm{Sum}}^{\prime }/M={\mathrm{Sum}}^{\prime }/2^m={\mathrm{Sum}}^{\prime }>>m$

式中Sum′为循环缓冲区B中M个数据的累加和，SumPre′为Sum′延迟一个时钟序列的值，SumPre′的初始值为0，Sum′＞＞m表示将Sum′右移m个二进制位。

本发明的优点在于：(1)在FPGA中引入循环缓冲区来实现滑动平均滤波算法后，算法复杂度显著降低，提高了运算速度；(2)结合粗基线和一阶数值微分方法，扣除叠加在直流基线上的异常信号(包括脉冲和干扰)，可以求得更加精密的基线，不受温度等干扰因素的影响，能够实时准确跟踪基线的变化。

附图说明

图1为本发明实施例1的系统结构框图；

图2为本发明实施例1的不同含量的铀矿模型井中的实测基线漂移对比图；

图3为本发明实施例1的不同温度条件下的实测基线漂移对比图。

图中：核辐射信号探测器-1，信号调理电路-2，高速模数转换器-3，FPGA芯片-4，FPGA控制系统进行高速模数采样-5，求得粗基线-6，对采样数据进行一阶数值微分-7，求得精密基线-8，基线扣除-9，求得能谱曲线-10。

具体实施方式

下面通过附图和具体实施方式对本发明作更为详细的描述。

本发明的基本思想是在以FPGA为核心的数字化核能谱测量系统中(如图1所示)，利用FPGA芯片控制高速模数转换器进行数据连续采样，先对采样数据使用滑动平均滤波法求得粗基线，然后结合粗基线和一阶数值微分法判断并扣除采样数据中的异常信号(异常信号是指叠加在直流基线上的脉冲或干扰信号)，再对扣除异常信号后的数据使用滑动平均滤波法求得精密基线。从而在FPGA芯片上实现数字化核能谱测量系统中的高精度脉冲基线估计。

本发明所述的在FPGA中进行高精度脉冲基线估计的具体步骤如下：

a、初始化，在FPGA芯片内开辟两组大小分别为N＝2^k和M＝2^m个单元的循环缓冲区A和B，在执行平均滤波之前，将缓冲区的内容全部初始化为0，同时将SumPre和SumPre′初始化为0；

b、由FPGA控制系统按一定的时钟频率进行模数采样，采样数据存入循环缓冲区A的头指针处；

c、对循环缓冲区A中的数据使用滑动平均滤波法求得粗基线；

d、利用一阶数值微分法判断采样数据是否为脉冲或干扰信号；

e、如采样数据不是脉冲或干扰信号，进入步骤f，否则进入步骤g；

f、将该采样数据存入循环缓冲区B的头指针处；

g、对循环缓冲区B中的数据使用滑动平均滤波法求得精密基线；

h、返回步骤b。

通常情况下，若要在FPGA中求取N个采样数据的平均值可通过如下的基本原理公式实现：

$\bar{x}=\frac{1}{N}\underset{i=-N/2}{\overset{N/2-1}{\Sigma }}x(n-i)=\underset{i=-N+1}{\overset{0}{\Sigma }}x(n-i)$

其中x(n-i)表示当前采样数据x(n)向后延迟i个单位(i个时钟序列)后得到的值。该方法需要在FPGA中占用N个寄存器，且需要进行N-1次加法运算和一次除法运算(如果取N为2的整数次幂即N＝2^k，则可以将二进制除法转化为移位来实现)，当N取值较大时，运算较为复杂，该方法难以在FPGA上予以实现。

本发明提出的在FPGA中引入循环缓冲区来滑动平均滤波，可最大程度降低运算复杂度，且运算次数不受N的影响。在FPGA中开辟一组N个单元的循环缓冲区，在执行平均滤波之前，将缓冲区的内容全部初始化为0，每次新采样得到的数据x(n)需要存入缓冲区头指针BUF_IN指向的位置，尾指针BUF_OUT指向的x(n-N-1)为循环缓冲区中最老的一个数据，需要予以剔除。利用如下公式求得N个采样数据的平均值

Sum＝SumPre+x(n)-x(n-N-1)

$\bar{x}=Sum/N=Sum/2^k=Sum>>k$

式中Sum为循环缓冲区中N个数据的累加和，SumPre为Sum延迟一个时钟序列的值，SumPre的初始值为0，Sum＞＞k表示将Sum右移k个二进制位。该方法只需要进行一次加法、一次减法和一次移位操作即可实现N个数求平均的效果。可以看出利用本发明提出的方法实现基线估计的算法复杂度大大降低。

本发明所述的精密基线的准确估计时间不仅与粗基线计算的缓冲区长度N、精密基线计算的缓冲区长度M及系统采样周期T_sample(或采样频率f_sample)有关，同时还与系统的脉冲通过率有关，通常情况下系统默认的可靠工作脉冲通过率是系统最高极限脉冲计数率的0.1倍。若想求得准确的粗基线，需要在循环缓冲区N中填充的所有数据均为有效的采样数据；若想求得准确的精密基线，需要在循环缓冲区M中填充的所有数据均为扣除异常(脉冲和干扰)后的采样数据，因为通常情况下每M个采样数据中最多包含0.1×M个脉冲数据，即需要M/(1-0.1)个采样数据才能填满循环缓冲区M。基线估计的最长时间可通过下式求得：

$t^{\prime }=N\times T_{sample}+\frac{M}{1-0.1}\times T_{sample}\approx (N+1.11\times M)\times T_{sample}$

式中N×T_sample表示粗基线的最长准确计算时间，表示精密基线的最长准确计算时间，若N＝256、M＝1024、T_sample＝16.7ns(即f_sample＝60MHz)，则t′≈23us。可以看出利用本发明提出的方法实现基线估计的实时性非常好。

将本方法嵌入到数字化核能谱测量系统中，在常温下于不同时间段对东华理工大学的7个标准铀矿模型井进行了测试，产生的脉冲基线估计效果如图2所示。从图2可看出，使用本方法前，仪器输入脉冲的基线在-8mV左右波动；使用本方法后，基线在0mV左右波动，相应的能谱测量过程中的能量刻度曲线均可看成经过坐标零点，基线漂移情况基本得到校正。

将本方法嵌入到数字化核能谱测量系统中，在实验室的恒温箱中对铀矿石粉末进行了测试，在0℃～60℃的温度变化条件下，产生的脉冲基线估计效果如图3所示。从图3可看出，使用本方法前，仪器的脉冲直流基线随温度变化而变化；使用本方法后，基线稳定在2.5mV左右，在误差允许范围内，相应的能谱测量过程中的能量刻度曲线均可看成经过坐标零点，温度引起的基线漂移情况基本得到校正。