核信号链的数学构建与高速实时数字重构技术研究

The project intends to construct the mathematical expression of the complete nuclear signal chain. The nuclear signal chain contains:detector, preamplifier, programmable gain amplifier and digital shaper. Toward these linear and nonlinear , digital and analog units , using the transfer function and describing function methods establish a complete system of nuclear signal chain function mathematical expressions. On the basis of this mathematical model of nuclear signal chain, We could match the front and rear end of nuclear signal chain to the bese and determine the optimal digital shaping filter . Based on programmable logic array chip (FPGA) and digital pulse processing (DPP) technology, high-speed analog to digital converter is used to discrete the nuclear pulse signal, and field programmable gate array (FPGA) used in concave shaped and convex shaped synthetic reconstruction algorithm for high-speed real-time digital signal processing technology of nuclear pulse. Real-time reconstruction of six kinds of digital shaping filter could be obtained.Digital express of whole nuclear signal chain could be the research basis to the optimal design of nuclear geophysical instruments; Real-time digital reconstruction technique overcome the nuclear signal chain circuit drift and instability of analog circuits, the best reconfigurable digital shaping filter can significantly improve the accuracy of detecting nuclear radiation, high-speed real-time sampling technology ensures fast system in response, in order to achieve accurate and reliable nuclear geophysical instruments rapid application field.

本项目拟构建完整核信号链的数学表达并开发实时的数字重构技术。将核信号链中的探测器、前置放大器、程控增益主放、数字成形器等在内的线性与非线性、数字与模拟单元，采用传递函数法与描述函数法建立核信号链的完整系统函数数学表达式。在此数学模型基础上实现核信号链的前后端最佳匹配及确定最优数字成形滤波器。基于近年来迅猛发展的可编程逻辑阵列芯片与数字脉冲处理技术，采用纳秒速率的高速模数转换器离散核脉冲信号，并在百万门级的FPGA芯片中采用凸顶成形与凹谷成形合成重构算法实现高速实时的数字核脉冲信号处理技术，实时重构六种数字成形滤波器。核信号链的完整数学构建，可为核地球物理勘探仪器的最优设计提供理论依据；核信号链的高速实时数字重构技术克服了模拟电路的温漂及电路不稳定性，可重构的最佳数字成形滤波器能显著提升核辐射探测的精度，高速实时采样技术可确保系统的快速响应，从而实现核地球物理勘探仪器的现场快速应用。

核地球物理仪器的数字化设计对于提高放射性勘探的精度与速度具有重要意义。本研究对核辐射探测器、前置放大器、模拟前端电路、数字化脉冲处理器等采用传递函数等形式进行了数学描述，构建了数字核信号链。基于数字核信号链设计开发了匹配不同核辐射探测器的前置放大器，数字最优滤波器，在数字滤波器算法设计基础上开发了可实时重构的数字滤波器设计方法，可实现一套算法实时更改参数后得到多种数字滤波器，从而满足不同核辐射探测器的最优降噪滤波要求。本研究在所形成的数字信号链以及滤波器理论基础之上，针对多种核辐射探测器与实际应用场合进行了技术开发与工程实现，首次完成了对称零面积梯形成形、镅源伽马射线快速稳谱、脉冲分辨率能力提升等技术的工程化设计，取得了优异的工程化效果。在本项目研究成果基础之上延伸开展了高通过率的数字化设计工作，新提出了数字式电荷积分式谱仪结构以及级联反卷积快成形算法，为核地球物理仪器在复杂高计数率背景下提取微弱有用信息提高了理论与技术支撑。本项目的研究成果对于推动核地球物理仪器向数字化设计、微观尺度设计、高精确度设计等的发展可以起到重要的作用。项目研究期间，负责人入选自然资源部杰出青年科技人才、四川省万人计划，四川省学术与技术带头人后备人选，发表学术论文共40篇，其中SCI收录13篇，EI收录5篇，其他中文核心期刊论文22篇；共参加8次学术会议报告，其中1次大会报告，3次特邀报告，4次分组报告；举办了1次IAEA国际原子能机构会议；获得四川省科技进步二等奖和三等奖各1项以及中国产学研合作促进奖1项；获得授权发明专利8项，实用新型专利3项；公开出版学术专著“航空伽马能谱探测技术与应用”1部；共培养毕业博士研究生2人，硕士研究生9人，在读硕士研究生17人。项目研究共投入经费85万元，累计支出67.7928万元，结余17.2071万元，剩余经费计划用于本项目的后续支出。