航空伽玛数字能谱仪的实时核信号处理算法研究

航空伽玛能谱仪正在朝数字化方向发展，基于数字信号处理技术的数字化仪器具有对传感器信号处理能力强，分析速度快，分析精确，稳定性好，灵活性强等特点，国外历经几十年的发展，已初步实现商品化。国内能谱仪基本停留在模拟信号处理的水平，分析误差大，长时间稳定性差，体积大，功耗高，而数字能谱仪的研究主要是实验仿真阶段，采用的是PC机或嵌入式工控机结构，不满足航空伽玛多晶体多路能谱仪的轻巧性要求，为此设计能够实时运行与FPGA与DPS器件的实时核信号数字处理算法，成为当务之急。本文设计了基于DSP+FPGA+FIFO+高速ADC结构的航空伽玛数字能谱仪，并在此平台上设计数字滤波噪声剔除，数字基线估计，数字脉冲反堆积，数字可调脉冲成形，数字波形甄别，数字极零零极补偿，极零点识别等关键数字信号处理算法，实现实时运算以满足工程生产为目的，加快国产航空伽玛能谱仪与手持式数字能谱仪的商品化进程，结束国外仪器的垄断。

本项目研究成果，不仅丰富了航空伽马能谱勘探技术的研究，还对X荧光分析仪及相关地球物理勘探仪器装备提供了采用软件数字化算法模块替换模拟电路模块获得更优性能的理论依据和方法技术，具有较大的学术价值和实用价值。创新成果主要表现在：1)通过理论分析得到核辐射探测器最佳匹配滤波器的设计方法,设计完成了快慢双通道并行数字梯形成形滤波器算法并在FPGA芯片内部编程实现，替代了传统的模拟成形滤波器电路达到接近理想滤波降噪效果，提升航空能谱仪谱线能量分辨率；2)采用MALAB工具仿真模拟出数字基线恢复、数字快慢双通道RTD波形甄别、数字时间比较脉冲抗堆积及数字空间延拓的无噪声高精度稳谱，并以硬件描述语言在单个FPGA芯片内并行设计实现；3)采用高速高精度对数放大器实现核脉冲信号的对数放大及数字成谱，建立了能量对数谱线的能量刻度及相关的谱线数据处理方法，解决了航空伽马能谱大动态范围射线探测时能量分辨率下降，数据信息丢失的问题；4)采用卡尔曼滤波方法与噪声奇异值解调法降低航空伽马能谱谱线噪声，以傅里叶变换法扣除本底，从而得到多晶体谱线的精确谱漂，在此基础上运用数字PID算法克服多晶体温度特性差异实现高精度稳谱效果；5)理论分析并实验构建了最优化的硬件电路平台，保证了航空伽马能谱实时核脉冲数字信号实时处理算法的性能。