兼顾能量分辨率和检测效率的伽马能谱测量方法与装置

摘要

兼顾能量分辨率和检测效率的伽马能谱测量方法与装置，涉及核辐射探测技术领域，在对输入的脉冲信号梯形成形时，先检测输入脉冲的到达时间，获得输入脉冲时间间隔；然后根据输入脉冲时间间隔计算出与该输入脉冲相匹配的梯形成形参数k和l，最后利用计算出的梯形成形参数k和l，借由两个多路选择器实现梯形参数k(n)和l(n)的动态延时差分计算，得到梯形成形结果。上述方法在没有脉冲堆积或轻微堆积时，梯形成形时间变长，而在严重堆积时，梯形成形时间变短，能够实现自适应梯形成形，从而能够兼顾良好的能量分辨率和高检测效率。

权利要求

1.兼顾能量分辨率和检测效率的伽马能谱测量方法，包括收集伽马辐射粒子形成脉冲信号的步骤、对输入的脉冲信号梯形成形的步骤以及根据梯形成形结果计算相应待测核素的伽马能谱的步骤，其特征在于，在对输入的脉冲信号梯形成形的步骤中，包括：S01、检测输入脉冲的到达时间，获得输入脉冲时间间隔；

S02、根据输入脉冲时间间隔并结合以下公式得出与该输入脉冲相匹配的梯形成形参数k和l：

k(n)＝λ*WTpz(n)    (11)；

l(n)＝(1‑λ)*WTpz(n)    (12)；

上式中，w为一个可设定的梯形宽度常量，w值的设定依据是以梯形宽度w所对应的参数k和l来做梯形成形，凡是间隔等于或大于w的输入脉冲都能克服弹道亏损和噪声，得到良好的能量分辨率；

式7中，W1用于对输入脉冲持续时间进行计数，当新的输入脉冲到达时，触发逻辑信号有效(PS(n)＝1)，结束当前输入脉冲的计数，同时启动下一个输入脉冲的计数，此时W1(n)被清零，W1(n‑1)就是当前输入脉冲的时间间隔；

式8中，WE为输入脉冲的有效宽度， 当输入脉冲的时间间隔大于等于w时WE取值为w，否则WE取值为输入脉冲的时间间隔；在W1计数过程中，如果W1(n‑1)等于w时，当前输入脉冲的有效宽度WE取值为w；当新的输入脉冲来临时，触发逻辑信号PS(n)＝1，W1(n‑1)为当前输入脉冲宽度，如果W1(n‑1)小于w，则WE取值为W1(n‑1)；

式9中，WE‑L为上一个输入脉冲的有效宽度，WE‑L与WE更新条件相同；

式10中，如果当前输入脉冲有效宽度WE大于上一个输入脉冲有效宽度WE‑L时，梯形宽度WTpz保持为WE‑L不变，否则WTpz更新为WE；

式11‑12中，梯形成形参数k(n)和l(n)由梯形宽度WTpz(n)计算得到，在输入脉冲间隔小于w时，梯形宽度WTpz在WE‑L与WE之间选择数值小的；

S03、结合以下公式以及步骤S02中得出的梯形成形参数k和l，得到梯形成形结果：D1(n)＝Y(n)‑Y(n‑k(n))    (13)；

D2(n)＝D1(n)‑D1(n‑l(n))    (14)；

Tpz(n)＝I(n)/k(n)    (15)；

式13是延时时间为k(n)的延时差分计算，将输入脉冲信号还原所得到的阶梯状信号Y(n)转换为一段宽度为k(n)的单极性冲击脉冲信号D1(n)；

式14是延时时间为l(n)的差分计算，将单极性冲击脉冲信号D1(n)转换成双极性冲击脉冲信号D2(n)；

式15中，I(n)为双极性冲击脉冲信号D2(n)积分计算得到的积分信号，TpZ(n)为梯形成形结果。

2

2.根据权利要求1所述的伽马能谱测量方法，其特征在于：在步骤S01中，利用RC‑CR 滤波器，再由过零检测和阈值检测来确定输入脉冲的到达时间。

3.根据权利要求2所述的伽马能谱测量方法，其特征在于：所述阈值检测包含对输入信2

号幅度阈值检测和RC‑CR 滤波器的输出信号的阈值检测，用于消除由噪声引起的错误触发。

4.兼顾能量分辨率和检测效率的伽马能谱测量装置，包括辐射探测器、梯形成形滤波器和计算单元，所述辐射探测器用于收集伽马辐射粒子以形成脉冲信号，所述梯形成形滤波器用于对输入的脉冲信号梯形成形，所述计算单元用于根据梯形成形结果计算相应待测核素的伽马能谱，其特征在于：在对输入的脉冲信号梯形成形的过程中，执行权利要求1中的步骤S01至S03。

2

5.根据权利要求4所述的伽马能谱测量装置，其特征在于：还包括RC‑CR滤波器，在执行2

步骤S01时，利用所述RC‑CR 滤波器，再由过零检测和阈值检测来确定输入脉冲的到达时2

间，所述阈值检测包含对输入信号幅度阈值检测和RC‑CR滤波器的输出信号的阈值检测，以此消除由噪声引起的错误触发。

6.根据权利要求4或5所述的伽马能谱测量装置，其特征在于：还包括两个多路选择器，在执行步骤S03时，借由前述两个多路选择器实现梯形参数k(n)和l(n)的动态延时差分计算。

说明书

兼顾能量分辨率和检测效率的伽马能谱测量方法与装置

技术领域

[0001] 本发明涉及核辐射探测技术领域，特别涉及一种兼顾能量分辨率和检测效率的伽马能谱测量方法与装置。

背景技术

[0002] 伽马能谱测量中的脉冲堆积是一个严重的问题，尤其是在高计数率条件下。脉冲堆积是限制计数率能力的因素，它会降低能量分辨率和检测效率。堆积校正在保持良好的
能量分辨率和检测效率不足之间进行了权衡，使用较短的成形滤波器可以支持高吞吐量，
但以牺牲能量分辨率为代价，而使用较长的成形滤波器则可以支持良好的能量分辨率，但
是其是在低吞吐量的情况下，牺牲了检测效率作为代价。

[0003] 现有技术中已有一些针对梯形成形滤波器参数自适应调整的方法，用于解决因辐射传感器意外退化后梯形成形的原参数不适应而导致错误测量的问题，该方法需要从数千
个样本中计算出一组合适的参数，参数更新较慢。另外也有一些自适应梯形滤波器的数字
化处理方法，其根据连续输入脉冲之间的时间间隔为每个输入信号自适应地选择成形参数
(梯形成形滤波器的上升时间和平顶时间)。这种方法能满足高能量分辨率和高计数率的要
求。但是，这种技术在实施过程中，由于处理器需实时工作为每个脉冲合成不同的加权函
数，所需的计算能力非常可观，并且需要相当复杂的计算架构，实施时对器件要求高。

发明内容

[0004] 本发明的目的之一是提供一种在保持良好能量分辨率的基础上，能够减少堆积和计数损失，提高检测效率，从而兼顾良好能量分辨率和高检测效率的伽马能谱测量方法。

[0005] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种兼顾能量分辨率和检测效率的伽马能谱测量方法，包括收集伽马辐射粒子形成脉冲信号的步骤、对输入的脉冲信号梯
形成形的步骤以及根据梯形成形结果计算相应伽马相应待测核素的伽马能谱的步骤，在对
输入的脉冲信号梯形成形的步骤中，包括：

[0006] S01、检测输入脉冲的到达时间，获得输入脉冲时间间隔；

[0007] S02、根据输入脉冲时间间隔并结合以下公式得出与该输入脉冲相匹配的梯形成形参数k和l：

[0008]

[0009]

[0010]

[0011]

[0012] k(n)＝λ*WTpz(n)  (11)；

[0013] l(n)＝(1‑λ)*WTpz(n)   (12)；

[0014] 上式中，w为一个可设定的梯形宽度常量，w值的设定依据是以梯形宽度w所对应的参数k和l来做梯形成形，凡是间隔等于或大于w的输入脉冲都能克服弹道亏损和噪声，得到
良好的能量分辨率；

[0015] 式7中，W1用于对输入脉冲持续时间进行计数，当新的输入脉冲到达时，触发逻辑信号有效(PS(n)＝1)，结束当前输入脉冲的计数，同时启动下一个输入脉冲的计数，此时W1
(n)被清零，W1(n‑1)就是当前输入脉冲的时间间隔；

[0016] 式8中，WE为输入脉冲的有效宽度。当输入脉冲的时间间隔大于等于w时WE取值为w，否则WE取值为输入脉冲的时间间隔；在 W1计数过程中，如果W1(n‑1)等于w时，当前输入脉冲
的有效宽度WE取值为w；当新的输入脉冲来临时，触发逻辑信号PS(n)＝1，W1(n‑1) 为当前输
入脉冲宽度，如果W1(n‑1)小于w，则WE取值为W1(n‑1)；

[0017] 式9中，WE‑L为上一个输入脉冲的有效宽度，WE‑L与WE更新条件相同；

[0018] 式10中，如果当前输入脉冲有效宽度WE大于上一个输入脉冲有效宽度WE‑L时，梯形宽度WTpz保持为WE‑L不变，否则WTpz更新为WE；

[0019] 式11‑12中，梯形成形参数k(n)和l(n)由梯形宽度WTpz(n)计算得到，在输入脉冲间隔小于w时，梯形宽度WTpz在WE‑L与WE之间选择数值小的；

[0020] S03、结合以下公式以及步骤S02中得出的梯形成形参数k和l，得到梯形成形结果：

[0021] D1(n)＝Y(n)‑Y(n‑k(n))  (13)；

[0022] D2(n)＝D1(n)‑D1(n‑l(n))  (14)；

[0023] Tpz(n)＝I(n)/k(n)  (15)；

[0024] 式13是延时时间为k(n)的延时差分计算，将输入脉冲信号还原所得到的阶梯状信号Y(n)转换为一段宽度为k(n)的单极性冲击脉冲信号D1(n)；

[0025] 式14是延时时间为l(n)的差分计算，将单极性冲击脉冲信号D1(n) 转换成双极性冲击脉冲信号D2(n)；

[0026] 式15中，I(n)为双极性冲击脉冲信号D2(n)积分计算得到的积分信号，Tpz(n)为梯形成形结果。

[0027] 其中，在步骤S01中，利用RC‑CR2滤波器，再由过零检测和阈值检测来确定输入脉冲的到达时间。

[0028] 其中，所述阈值检测包含对输入信号幅度阈值检测和RC‑CR2滤波器的输出信号的阈值检测，用于消除由噪声引起的错误触发。

[0029] 另一方面，本发明还提供一种兼顾能量分辨率和检测效率的伽马能谱测量装置，包括辐射探测器、梯形成形滤波器和计算单元，所述辐射探测器用于收集伽马辐射粒子以
形成脉冲信号，所述梯形成形滤波器用于对输入的脉冲信号梯形成形，所述计算单元用于
根据梯形成形结果计算相应待测核素的伽马能谱，在对输入的脉冲信号梯形成形的过程
中，执行上述步骤S01至S03。

[0030] 此外，该伽马能谱测量装置还包括RC‑CR2滤波器，在执行步骤 S01时，利用所述2
RC‑CR滤波器，再由过零检测和阈值检测来确定输入脉冲的到达时间，所述阈值检测包含
2
对输入信号幅度阈值检测和RC‑CR滤波器的输出信号的阈值检测，以此消除由噪声引起的
错误触发。

[0031] 进一步地，还包括两个多路选择器，在执行步骤S03时，借由前述两个多路选择器实现梯形参数k(n)和l(n)的动态延时差分计算。

[0032] 本发明在对输入脉冲梯形成形时，根据输入脉冲的时间间隔，先结合公式(7)‑(12)可以为每个输入脉冲得到合适的梯形成形参数k和l，再将得到梯形成形参数k和l结合
公式(13)‑(15)实现动态自适应梯形成形，该方法既能保持良好的能量分辨率，又能减少堆
积拒绝，提高了检测效率。换句话来说，本发明提供的方法在没有堆积或轻微堆积时，成形
时间变长，而在严重堆积时，成形时间变短，从而能够兼顾良好的能量分辨率和高检测效
率。

附图说明

[0033] 图1为梯形波形图，图中k是上升沿宽度，l是上升沿与平顶的总和宽度，WTpz为梯形宽度；

[0034] 图2为得出梯形成形自适应参数的逻辑结构图；

[0035] 图3为实现动态自适应梯形成形的逻辑结构图；

[0036] 图4为动态自适应梯形成形的波形图，图中：(a)输入数字脉冲， (b)输入脉冲到达时刻触发逻辑信号，(c)梯形宽度(w＝60)，(d)去卷积累加的阶梯波形，(e)单极性差分脉
冲，(f)双极性差分脉冲，(g)积分梯形，(h)梯形成形后的梯形，(i)梯形成形自适应方法中
第3、4个输入脉冲对应的梯形波形，(j)常规梯形成形方法中第3、4个输入脉冲对应的梯形
波形(梯形参数k＝20，l＝40)，(k)常规梯形成形方法中所有输入脉冲对应的梯形波形(梯
形参数k＝10，l＝20)。

具体实施方式

[0037] 为了便于本领域技术人员更好地理解本发明相对于现有技术的改进之处，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

[0038] 在对本发明的改进之处进行说明之前，先对现有技术作进一步的说明，以便本领域技术人员能够更好地理解本发明的发明点。众所周知，连接核探测器的前置放大器输出
脉冲可以用单指数函数来建模：

[0039] x(t)＝A*exp(‑t/τd)  (1)；

[0040] 式1中，A为脉冲幅度，τd是衰减时间常数。模拟信号x(t)经过 A/D转换器转换成数字脉冲信号x(n)，以下式2‑6给出了一种常规梯形成形的计算过程。

[0041] Y(n)＝Y(n‑1)+X(n)‑X(n‑1)*α  (2)；

[0042] D1(n)＝Y(n)‑Y(n‑k)  (3)；

[0043] D2(n)＝D1(n)‑D1(n‑l)  (4)；

[0044] I(n)＝I(n‑1)+D2(n)  (5)；

[0045] Tpz(n)＝I(n)/k  (6)；

[0046] 上式中，α＝exp(‑1/τd)为梯形的上升时间，k为梯形的上升时间和平顶时间的总和，梯形波形如图1所示，图中WTpz为梯形宽度，k＝λ*WTpz，l＝(1‑λ)*WTpz，λ为梯形上升时间
与梯形宽度的比例系数，例如λ＝1/3时，梯形上升沿、平顶和下降沿三者等宽。

[0047] 式2是去卷积计算，去除前置放大器的RC指数衰减效应，将输入数字脉冲信号x(n)还原为阶梯状信号Y(n)，相当于探测器输出电流脉冲单独作用在电容C上积累的电荷所产
生的阶梯电压信号。

[0048] 式3为延时差分计算，延时时间为k，将Y(n)转换为一段宽度为 k的单极性冲击脉冲信号D1(n)。

[0049] 式4是延时时间为l的差分计算，将单极性冲击脉冲信号D1(n) 转换成双极性冲击脉冲信号D2(n)。

[0050] 式5对双极性冲击脉冲信号积分计算.双极性冲击脉冲信号有利于积分后自动归零。积分信号I(n)波形形状是梯形，不过此梯形的平顶高度是输入脉冲幅度A的k倍。式6中，
I(n)求平均值后得到梯形成形结果Tpz(n)，其平顶高度就是输入脉冲幅度值A。这种经过k次
累积再求平均的过程有利于抑制噪声提高信噪比。

[0051] l与k之差是梯形平顶长度，从梯形平顶是否平整可以反映出梯形成形衰减参数的合适度、弹道亏损效应程度，甚至还被用于粒子识别。

[0052] 在常规梯形成形方法中，参数k和l的选择至关重要。如果选择较大的k和l，能校正弹道亏损、抑制噪声，可以获得良好的能量分辨率，但是间隔时间小于成形长度的输入脉冲
都会因堆积拒绝而丢失，导致检测效率降低。如果选择较小的k和l，堆积得到校正检测率提
升了，但是即使没有堆积或轻微堆积的输入脉冲也会因为这个较短的成形长度受到弹道亏
损和噪声的影响，能量分辨率必然会下降。由此看来，在常规梯形成形方法中，参数k和l只
能在能量分辨率和检测效率之间折中选择。

[0053] 如何在保持良好的能量分辨率的同时，还能提高检测效率？本发明采用了使成形参数k和l跟着输入脉冲的时间间隔变化而变化的办法。

[0054] 具体做法为：先检测输入脉冲的到达时间，获得输入脉冲时间间隔，再从判断梯形成形是否发生重叠的角度来分析相邻输入脉冲时间间隔之间的逻辑关系，为每一个输入脉
冲选择适合它的梯形成形参数k和l。

[0055] 为了准确地检测输入脉冲的到达时间，本发明选择使用RC‑CR2滤波器，再由过零检测(ZCD)和阈值检测来确定输入脉冲的到达时间。由触发逻辑信号PS(n)来表示输入脉冲
2
的到达时间。阈值检测包含对输入信号幅度阈值检测和RC‑CR滤波器的输出信号的阈值检
测，旨在消除由噪声引起的错误触发。

[0056] 结合以下公式7‑12，由输入脉冲时间间隔推算梯形参数k和l。

[0057]

[0058]

[0059]

[0060]

[0061] k(n)＝λ*WTpz(n)  (11)；

[0062] l(n)＝(1‑λ)*WTpz(n)    (12)；

[0063] 上式中，w为一个可设定的梯形宽度常量，w值的设定依据是以梯形宽度w所对应的参数k和l来做梯形成形，凡是间隔等于或大于w的输入脉冲都能克服弹道亏损和噪声，得到
良好的能量分辨率。

[0064] 式7中，W1被用来对输入脉冲持续时间进行计数，当新的输入脉冲到达时，触发逻辑信号有效(PS(n)＝1)，结束当前输入脉冲的计数，同时启动下一个输入脉冲的计数，此时
W1(n)被清零，W1(n‑1)就是当前输入脉冲的时间间隔。

[0065] 在式8中，引入了一个中间计算量WE，WE定义为输入脉冲的有效宽度。简单的来讲，当输入脉冲的时间间隔大于等于w时WE取值为w，否则WE取值为输入脉冲的时间间隔。但是在
数字信号实时处理中，当输入脉冲的时间间隔很长时，我们不可能等着这个输入脉冲结束
才判断它的间隔大小，而是在W1(n‑1)等于w时就认为这个脉冲的时间间隔一定是大于等于
w。因此，在Wl计数过程中，如果 W1(n‑1)等于w时，把当前输入脉冲的有效宽度WE取值为w，尽
管在新的输入脉冲到来前W1(n‑1)会更大。当新的输入脉冲来临时，触发逻辑信号PS((n)＝
1，W1(n‑1)为当前输入脉冲宽度，如果W1(n‑1)小于w，则 WE取值为W1(n‑1)。

[0066] WE‑L定义为上一个输入脉冲的有效宽度，式9中，WE‑L与WE更新条件相同；

[0067] 在式11‑12中，梯形成形参数k(n)和l(n)由梯形宽度WTpz(n)计算得到，在梯形成形过程中，由于单极性冲击脉冲信号D1和双极性冲击脉冲信号D2都是延时差分计算，因此两个
相邻输入脉冲之间存在着必然的关联，尤其在输入脉冲间隔小于w的时候。梯形成形过程中
要想完全分离两个堆积脉冲，梯形宽度WTpz必须在WE‑L与WE之间选择数值小的。公式10给出，
如果当前输入脉冲有效宽度WE大于上一个输入脉冲有效宽度WE‑L时，梯形宽度WTpz保持为
WE‑L不变，否则WTpz更新为WE。

[0068] 由式7‑12，即可实现根据每一个输入脉冲的时间间隔来获取适合它的梯形成形参数k和l。

[0069] 将公式3、4、6中固定的梯形参数k和l替换为动态梯形参数k(n) 和l(n)，实现动态自适应梯形成形，如公式13、14、15。

[0070] D1(n)＝Y(n)‑Y(n‑k(n))  (13)；

[0071] D2(n)＝D1(n)‑D1(n‑l(n))  (14)；

[0072] Tpz(n)＝I(n)/k(n)  (15)。

[0073] 下面通过仿真试验验证上述方法的可行性。

[0074] 在MATLAB\SIMULINK中对梯形成形自适应方法进行了设计和仿真。根据公式7‑12设计了实现自适应参数的逻辑结构，如图2 所示。由公式2、5、13‑15，设计了自适应梯形成
形的逻辑结构，如图3所示，图3中由两个多路选择器实现了梯形参数k(n)和l(n)的动态延
时差分计算。

[0075] 自适应梯形成形方法MATLAB仿真的结果如图4所示。图4中 ( a) 图 为输入脉冲波形x(n)，包含了5个单指数堆积脉冲，它们的脉冲幅度A都是2伏，第3个输入脉冲宽度为30
个采样周期(下文出现的时间单位都是采样周期)，其它的输入脉冲宽度大于等于100。图4
中 ( b) 图 为输入脉冲到达时刻产生的触发逻辑信号PS(n)。梯形宽度常量w设定为60。因
此，第1、2、4、5个输入脉冲的有效宽度WE都为w(即 60)，第3个输入脉冲的有效宽度WE为30。
根据WTpz的计算规则，第1、2、5个输入脉冲的WTpz为60，而第3、4个输入脉冲的WTpz为30，如图4
中 ( c) 图 所示。在λ＝1/3时，第1、2、5个输入脉冲的梯形参数k＝20和l＝40第3、4个输入
脉冲的k＝10和l＝20。

[0076] 图4中 ( e) 图 和图4中 ( f) 图 分别给出了单极性脉冲D1(n)和双极性脉冲D2(n) 波形。由于第3、4个输入脉冲的参数k和l小，它们对应的D1和 D2脉冲宽度比其它的要窄
一些。图4中 ( g) 图 给出了积分I(n)波形，它们的形状都是梯形形状，不过第3、4个输入
脉冲对应的梯形平顶高度要小一些，这是因为它们对应的积分宽度k小的缘故。I(n)对k(n)
求平均值之后的梯形成形波形Tpz(n)由图4中 ( h) 图 给出，可以看到5个梯形的平顶高
度与输入脉冲幅度一致了。

[0077] 下面，将本发明的梯形成形自适应方法和现有的常规梯形成形方法作对比分析。

[0078] 设定常规梯形成形方法中的梯形宽度w＝60，对应k＝20和l＝40，此梯形参数下的梯形成形能获得良好的能量分辨率。图4中 ( i) 图 和图4中 ( j) 图 分别给出了两种方
法对第3、4个输入脉冲的梯形成形波形。图4中 ( i) 图 中自适应方法的两个成形梯形是
能够完全分离的。图4 中 ( j) 图 中常规方法的成形波形出现了重叠现象，不能分离这两
个堆积脉冲，这两个脉冲只能被丢失了。因此，现有的常规梯形成形方法为了良好的能量分
辨率，而间隔时间小于成形梯形宽度的输入脉冲因堆积拒绝丢失而导致检测效率降低。

[0079] 根据第3、4输入脉冲的时间间隔，把梯形参数缩小为k＝10和l＝20 来做常规梯形成形。图4 中 ( k) 图 给出了常规梯形成形方法的梯形成形波形。对比两种方法的结果图
4 中 ( h) 图 和图4 中 ( k) 图 。可以看到在图4 中 ( k) 图 中第3、 4个输入脉冲对
应的梯形都完全分离了，然而第1、2、5个输入脉冲对应的梯形宽度都变窄了，且小于w，这时
能量分辨率会受影响。因此，现有的常规梯形成形方法选择较小的k和l，减少堆积提升检测
率，但是即使没有堆积或轻微堆积的输入脉冲也会因为这个较短的成形参数受到弹道亏损
和噪声的影响，能量分辨率降低了。

[0080] 本发明在现有的常规梯形成形方法的基础上，通过输入脉冲时间间隔，分析前后两个输入脉冲之间的关系，确定了适合每个输入脉冲的梯形成形参数k和l，进而实现自适
应梯形成形。通过设计出梯形成形自适应逻辑结构，通过在MATLAB/SIMULINK上进行仿真测
试，可以确定的是本发明涉及的方法既能保持良好的能量分辨率，又减少堆积拒绝，提高了
检测效率。

[0081] 上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

[0082] 为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其它元
素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。