核脉冲信号最优化数字滤波成形方法与高速实现技术研究

The detection of nuclear radiation particles and energy distribution can be achieved non-destructive test in material composition and element content, which is widely used in industry, agriculture, environment, energy, aerospace, national security and other fields.The performance of nuclear spectrum measurement system mainly depends on the filter forming method and technology. The current situation is lack of in-depth study of digital filter shaping method and high speed technology in the digital nuclear spectrometer, the project intends to depart from the nuclear signal of the detectors, it focuses on:(1) According to the study of digital filter theory,it will establish numerical model of filter shaping algorithm in nuclear pulse signal.(2) The project wants to build up a nuclear signal simulation platform, and structure a digital nuclear spectrum measurement system based on FPGA ,which is to constructed with multiple sets of digital shaping algorithm platform at the same time,to obtain optimization principle of the filter shaping methods and parameters.(3) According to the optimization principle,the numerical model of digital filter shaping algorithm will be improved and the high speed realization technology will be researched.(4) It is to establish the corresponding relationship between the nuclear signal processing results at different filter shaping method and parameter and the optimal performance index,which explore a nuclear pulse signal optimization of digital method for evaluating   mechanism. All of the research results will be used to improve the theoretical system of nuclear pulse signal digital processing technology and lay the foundation for the development of high-performance digital nuclear spectrometer system.

探测核辐射粒子及能谱分布可实现物质成分与元素含量的无损检测，被广泛应用于工农业、环境、能源、航天、国家安全等领域。数字核谱仪系统中滤波成形方法与技术的改进一直作为热点研究问题，现有研究成果表明数字滤波成形算法、最优化选取原则、高速实现技术等方面缺少深入研究，本项目拟从核脉冲信号特性出发，重点研究：(1)通过最优化数字滤波成形理论的研究，建立核脉冲信号数字滤波成形算法的数值模型；(2)构建数字滤波成形处理仿真平台与研发基于FPGA的数字核谱仪系统，重点解决核脉冲信号数字滤波成形方案、成形参数最优化选取的核心问题；(3)基于最优化选取原则改进滤波成形算法的数值模型，并研究其高速实现技术；(4) 建立不同数字滤波成形方案、成形参数与最佳性能指标间的对应关系，探索核脉冲信号最优化数字滤波成形方法的评价机制，以完善核脉冲信号数字化处理技术与方法的理论体系，为数字核谱仪性能指标的提升奠定研究基础。

核仪器仪表中核能谱分析作为核分析方法中最重要的手段之一，通过对被研究对象能谱的获取和分析可以直接或间接地获得物质的结构、组成元素的种类与含量等重要信息。并以其灵敏度高、准确性好、破坏性低等优势被广泛地应用于工业、农业、医学、航天、环境、能源、国家安全等领域。. 数字滤波成形处理方法与技术直接关系到核能谱获取与分析系统的能量分辨率、最大脉冲通过率、死时间等主要性能指标。本项目对不同探测器系统输出核脉冲信号的数字滤波成形方案、成形参数最优化选取原则进行研究，改进数字滤波成形算法的数值模型。取得了如下重要成果：（1）理论分析了核脉冲信号特性，推导了有限宽尖顶成形的数字递推式，并分别对仿真核信号和实际采样核信号实现了尖顶成形；基于尖顶成形特点，设计了堆积识别算法，可有效实现核脉冲信号的尖顶成形、堆积识别与分离、幅度提取。（2）推导了基于Sallen-Key与三阶Sallen-Key的核脉冲信号数字成形处理的数值模型，在不同成形参数下分别对该数字滤波成形的幅频响应，最优化数字成形参数的选取进行了对比分析与研究；（3）研发了基于FPGA的核脉冲信号数字化处理平台，实现核脉冲信号的高速采集、数字成形、幅度提取、能谱构建与数据传输等功能，实现了核脉冲信号高速数字化成形处理；（4）设计了一套基于Qt Creator的能谱获取与分析软件系统，实现了文件操作、数据获取、谱线绘制以及能谱分析等功能，包括能谱平滑、寻峰、能量刻度、峰面积计算等功能。（5）构建了一套基于高速ADC+FPGA+ARM的数字化核能谱获取系统，完成了NaI、LaBr3与Si-PIN探测器输出核脉冲信号的数字化处理。. 研究成果为高性能、数字化核谱仪的研制奠定一定的研究基础；同时进一步提高数字核谱仪的主要性能指标，加大能谱分析方法与技术的应用范围，为核辐射探测技术与仪器广泛地应用奠定研究基础与拓宽发展方向。