[发明专利]一种数字化核能谱测量系统中的脉冲矩形成形方法

权利要求书

1.一种数字化核能谱测量系统中的脉冲矩形成形方法，其步骤：

(1)若负指数信号的衰减时间为τ，信号的峰值幅度为A，用函数可表示为利用如下公式将输入负指数脉冲信号转换为短的阶跃信号，即矩形信号：

其中S表示负指数信号的面积，E可表示该负指数信号所拥有的能量，ε表示输入信号的纹波干扰及噪声等的最大幅度值；

可通过负指数脉冲信号的尾部信息对其脉冲幅度进行修正，对输入信号进行连续的AD采样，得到连续的采样序列：D(1)、D(2)、…、D(n-1)、D(n)；

利用如下公式可将连续的负指数脉冲采样序列转换为矩形信号：

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采样周期，令Δt＝”1”，则上式可表示为：

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

采用小梯形面积代替小矩形面积，则上式可表示为：

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为已放电能量，D(n)·τ为剩余能量；

(2)进一步将上述公式变换为递归算法，求得转换后的矩形能量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)表示已放电能量，E_rec(n)表示转换后的矩形能量；

(3)对采样序列进行一阶数值微分，得到：

d(n)＝D(n)-D(n-1)

在FPGA中开辟N个点的循环缓冲区，用于缓存矩形波数据E_rec(n)，

1)如果满足条件则该点必为新的负指数脉冲信号的上升沿起点，求得前一个负指数脉冲信号的剩余放电能量为：

Epre_remain＝E_avr(n-1)-E_dischg(n-1)

其中Epre_remain为前一个负指数脉冲信号的剩余放电能量，E_avr(n-1)为前一个负指数脉冲信号总能量的平均值，E_dischg(n-1)为前一个负指数脉冲信号的已放电能量；

2)如果满足条件则该点必为负指数脉冲信号的上升沿，则：

E_sum(n)＝0

E_rec(n)＝0

E_dischg(n)＝0

其中E_sum(n)表示矩形波各个点的能量累加和，E_rec(n)表示当前负指数脉冲信号的总能量，即转换为矩形波的幅度、同时为N点循环缓冲区中最新的一个数据，E_dischg(n)表示当前负指数脉冲信号的已放电能量；

3)如果满足条件则该点必为负指数脉冲信号的上升沿转下降沿的起点，则：

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)表示当前负指数脉冲信号的剩余放电能量，E_oldest(n)表示N点循环缓冲区中最老的一个数据，L_rec表示矩形平台的长度；

4)如果满足条件则该点必为负指数脉冲信号的下降沿，则：

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

使用改进的滑动平均值法对矩形波数据进行滤波，在FPGA中开辟N个点的循环缓冲区，用于缓存矩形波数据E_rec(n)，E_rec(n)表示第n个点的矩形波数据，即最新的一个数据，E_rec(n-N-1)表示第n-N-1个点的矩形波数据，即最老的一个数据，当实际输入缓冲区的数据长度L_rec＜N时，维持最老的数据E_oldest(n)为初始化时的数据不变，公式如下：

N＝2^m，m为自然数

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

(4)对步骤(3)求得的矩形波各个点的能量累加和E_sum(n)除以N，实现E_rec(n)的N点平均，因为N＝2^m，可在FPGA中将除法运算变换为向右移位运算，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)为E_rec(n)的N点滑动平均值；

(5)为了使E_avr(n)与负指数脉冲信号的峰值幅度P_pulse(n)一致，需要将E_avr(n)除以该负指数信号的衰减时间τ，但FPGA一般不含有硬件除法器，需要将该除法运算变换为乘法运算及移位运算，公式如下：

(6)为了保证后续能谱曲线的能量分辨率，需要矩形的平台L_rec有一定的长度，L_rec越小越容易进行堆积脉冲分离，但会降低能量分辨率，因为输入信号的纹波干扰及噪声幅度ε会影响脉冲峰值P_pulse(n)的计算精度；L_rec越大能量分辨率越好，但是需要丢弃堆积较严重的第一个脉冲，因为该脉冲信号的峰值幅度无法通过足够的脉冲尾部进行修正；若ε为10mV，而能谱测量系统要求达到的数据处理精度为1mV，则只要L_rec≥10即可达到较好的脉冲峰值P_pulse(n)计算精度和较理想的能量分辨率。