[发明专利]一种基于高斯滤波成形多道脉冲幅度分析装置

摘要

本发明公开了一种基于高斯滤波成形多道脉冲幅度分析装置，包括高斯滤波成形实时数据处理算法、基线扣除实时数据处理算法、高斯滤波成形数字逻辑单元和基线扣除数字逻辑单元。高斯滤波成形数字逻辑单元包括寄存器、乘法器、加法器，寄存器分两组串联。基线扣除数字逻辑单元包括寄存器、乘法器、减法器、比较器、多路选择器，寄存器为一组串联，存储高斯成形后的采样点数据的值，实现高斯脉冲滤波和基线扣除的实时数据处理功能。本发明采用高斯滤波成形算法实现脉冲幅度分析，解决了尾堆积脉冲幅度分析问题和基线漂移后的基线扣除问题；采用了并行计算结构设计数字逻辑单元，实现了滤波成形和基线扣除的实时运算处理。

主权项

一种基于高斯滤波成形多道脉冲幅度分析装置，其特征在于，该基于高斯滤波成形多道脉冲幅度分析装置包括：高斯滤波成形数字逻辑单元和基线扣除数字逻辑单元；高斯滤波成形数字逻辑单元包括寄存器、乘法器和加法器，寄存器分两组串联，一组存储h(n)值，其中n＝‑M，‑M+1，……，M‑1，M，另一组存储f(n)值，其中n＝…‑2，1，0，1，2，…，即采样数据点序列，实现了高斯滤波成形实时数据处理功能；寄存器有4M+2个，乘法器有2M+1个，加法器有2M个，其中，2M+1个寄存器输入与输出串联，存储系统函数h(n)的值；另外2M+1个寄存器输入与输出串联，存储采样数据点序列f(n)的值；以上存储h(n)的值的寄存器与存储f(n)的值的寄存器两两配对，其一端与一乘法器相连；而乘法器的另外一端与加法器相连，利用这2M个加法器可以把这2M+1个乘积用累加的方式求出；基线扣除数字逻辑单元包括寄存器、乘法器、减法器、比较器和多路选择器，寄存器为一组串联，存储高斯成形后的采样点数据g(n)值，其中n＝…‑2，1，0，1，2，…，实现高斯脉冲滤波和基线扣除的实时数据处理功能；寄存器有2N+1个，乘法器有2N+4个，减法器有4N+1个，N为正整数，其中，2N+1个寄存器输入与输出串联，存储高斯成形后的采样点数据gk的值；每一个寄存器都与一个乘法器相连，其把存储gk的寄存器输出乘以常系数ek，2N+1个采样点需要2N+1个乘法器，乘法器与减法器相连，这样2N个减法器可以把这2N+1个乘积累加得到的值；另外寄存器也与减法器相连，这样2N个减法器可以把寄存器中存储gk的值累加得到的值，最后用3个乘法器和1个减法器组合分别完成公式中剩余的乘法和减法运算，实现高斯脉冲基线扣除的实时数据处理功能；以上高斯滤波成形算法推导如下：核辐射探测器前置放大器输出信号表达式为：f(t)=H·e-tτ0Heaviside(t)---(1)]]>式(1)中H为指数衰减信号脉冲幅度，τ0为指数衰减信号时间常数，Heaviside(t)如式(2)所示，Heaviside(t)=0,t<01,t≥0---(2)]]>令冲激响应h(t)=(12πστ0-t2πσ3s2)·e-t22s2σ2---(3)]]>式(3)中σ2为滤波成形后的高斯函数方差，τ0为指数衰减信号时间常数，s为小波变换尺度，则f(t)与h(t)的卷积为：g(t)=∫-∞+∞f(τ)h(t-τ)dτ=H2πσe-t22s2σ2---(4)]]>显然，g(t)为高斯函数，幅度为即把核辐射探测器输出的指数信号f(t)成形为高斯函数g(t)，计算f(t)与h(t)的卷积即可；f(t)离散化记为f(n)，则：f(n)={0,n=...,-2,-1f(n),n=0,1,2,...---(5)]]>h(t)离散化记为h(n)，则：h(n)=(12πστ0-n2πσ3s2)·e-n22s2σ2,n=......,-2,-1,0,1,2,......---(6)]]>显然，式(4)离散化可表示为：g(n)=Σi=-∞∞f(i)h(n-i)---(7)]]>考虑数字计算的精度因素，则(6)式可以近似表达为：h(n)=h(n),|n|=0,1,2,......,M0,|n|>M---(8)]]>式(8)中M为正整数，由式(7)和式(8)可得：g(n)=Σi=n-Mn+Mf(i)·h(n-i)---(9)]]>在实际计算过程中，(6)式中的σ取值为2，则(8)式中的M取值仅与尺度s和τ0有关；当式(1)中的f(t)存在基线漂移时，高斯脉冲g(t)也随之存在基线漂移，因此式(4)应修正为：(18)式离散表示为：不妨设滤波成形后的采样点系列为gk，k＝……,‑2,‑1,0,1,2,……，采用最小二乘法拟合(19)式，拟合方差为：M(k)=Σk=-NN[gk-B-H·ek]2---(20)]]>对式(20)的B，H求偏导，并令偏导数等于0，得：-2[Σk=-NNgk-(2N+1)B-HΣk=-NNek]=0---(21)]]>-2[Σk=-NNgkek-(2n+1)B·Σk=-NNek-HΣk=-NNek2]=0---(22)]]>联立(21)式和(22)式得：H=(2N+1)*Σk=-NNgkek-Σk=-NNgk·Σk=-NNek(2N+1)Σk=-NNek2-[Σk=-NNek]2---(23)]]>B=Σk=-NNgk-H·Σk=-NNek2N+1---(24)]]>式(23)求得的H即为剔除基线的脉冲幅度高度，式(24)即为高斯脉冲的基线值；式(23)、式(24)中的N取值与尺度s有关，当s取值4时，N取值14；当s取值8时，N取值28。