刘万松，陈世国，宋泽运，陈　璇

(贵州师范大学 物理与电子科学学院， 贵州 贵阳　550001)



基于小波分析的脉冲探测与幅度捕获方法

刘万松，陈世国，宋泽运，陈璇

(贵州师范大学 物理与电子科学学院， 贵州 贵阳550001)

摘要：基于高斯脉冲成形，讨论了辐射探测信号的幅度测量方法。在脉冲探测算法中，除传统的阈值(Threshold)判别外，最小脉冲宽度(MinWidth)和最大有效脉冲宽度(MaxWidth)判别标准的存在，降低了有效脉冲误判和漏判的概率。利用高斯成形滤波器的线性相位特征，直接在快滤波器探测到的脉冲到达时间点tpeak上捕获慢滤波器的输出，就可以得到脉冲幅度的测量值，简化了幅度捕获过程。

关键词：小波分析；高斯脉冲成形；脉冲探测；幅度捕获

能谱测量系统的基本任务是从输入的信号中探测对应于辐射事件的有效脉冲，然后捕获辐射事件脉冲的幅度，根据捕获到的脉冲幅度构建脉冲幅度谱[1-9]；如果将脉冲幅度转换成能量，可以得到对应的能谱。陈世国[10 11]等人已经实现辐射探测信号的高斯脉冲成形，研究了其递归实现算法。本文将研究基于高斯脉冲成形的脉冲探测和幅度捕获方法。

1脉冲探测和幅度捕获对脉冲成形的基本要求

基于小波分析导出的辐射信号高斯成形滤波[10]，理论上可以同时提取辐射事件脉冲的幅度和到达时间信息。然而，脉冲探测和幅度捕获对脉冲成形有着不同的要求。脉冲成形系统输出脉冲的时域宽度越窄，脉冲对分辨能力越好，脉冲探测能力越强，然而脉冲幅度受噪声影响越大；通过增加脉冲成形系统输出脉冲的时域宽度，可以降低噪声对脉冲幅度的影响，可是脉冲对的分辨能力也随之变差，脉冲探测的能力被削弱。为了降低噪声对脉冲幅度的影响，同时保持较好的脉冲探测能力，我们采用传统的快、慢滤波器两通道处理方式[12]，快滤波器通道用于脉冲探测，慢滤波器通道用于脉冲幅度捕获。

2快高斯成形滤波器通道的脉冲探测方法

快滤波器通道的主要功能是从输入的数据流中探测到对应于辐射事件的有效脉冲，并提取出脉冲的到达时间。脉冲探测需要解决两个问题：如何区分有辐射的脉冲数据和无辐射的噪声数据？怎样避免将彼此靠得很近的两个或两个以上的脉冲误判为单个脉冲？

在快滤波器通道，如果脉冲之间峰部彼此没有重叠，我们说这些脉冲是彼此独立的，独立的脉冲将作为有效脉冲，继续进行后续处理；如果快滤波器脉冲之间峰部彼此重叠，则作为无效脉冲予以舍去。用t0.01(降到峰值1%时的宽度)表示脉冲的峰宽；高斯脉冲波形左右是对称的，当两个相邻脉冲的峰位间隔大于或等于t0.01时，相互之间是彼此独立的，如图1(a)和(b)所示，若两个相邻脉冲的峰位间隔小于t0.01时，则彼此不是独立脉冲，如图1(c)所示。

(a)两脉冲独立　(b) 两脉冲独立　(c) 两脉冲不独立图1　脉冲峰位间隔不同的脉冲之间的独立性识别(tb表示两脉冲的峰位间隔)Fig.1　Distinguishing the independence between the pulses of different pulse peak place (tb is the distance of two pulse peak place)

在快滤波器通道，每个脉冲之后的t0.01间隔内来的任何脉冲，不被作为独立脉冲进行处理，因此，快滤波器通道的死时间为

τdf=t0.01

(1)

快滤波器通道的死时间τdf(也就是t0.01)的大小与系统的脉冲计数率性能指标有关。假定设计的系统最大脉冲输出计数率为OCRmax，则可导出τdf为

(2)

由式(1)可得

(3)

(4)

当最大脉冲输出计数率OCRmax是系统设计的计数率性能指标时，快高斯成形滤波器的尺度参数由式(4)确定，而输出脉冲的宽度满足式(3)。

在尺度参数为sfast时，求出快滤波器在无辐射脉冲情况下输出噪声的标准差σFN，

t0.01是快滤波器输出辐射脉冲的宽度，对应于快滤波器通道的滤波时间，Nf[i]表示快滤波器在无辐射脉冲情况下的输出噪声。定义阈值为

Threshold=σFN

(5)

快滤波器的输出是否超过阈值Threshold，作为判别是否脉冲数据的条件之一。

(6)

对于峰部没有重叠的独立脉冲，超过阈值的连续数据的宽度应该小于t0.01；如果出现两个脉冲峰部重叠，可能导致前一脉冲还没有下降到阈值以下，后一个脉冲数据已经出现，使得记录到的超过阈值的连续数据的宽度大于t0.01。设定一个最大有效脉冲宽度MaxWidth，当超过阈值的连续数据的宽度小于或等于MaxWidth时，认为是一个独立的有效脉冲，继续后续处理，如图2中的脉冲1、2和3；反之作为无效脉冲予以舍去，如图2中的脉冲4和5。实验中取

(7)

图2　脉冲堆积识别Fig.2　Pileup distinguishing

图3显示了脉冲探测的方法。在快滤波器通道，快滤波器的每个输出值与阈值Threshold进行比较，一旦阈值被超过，则对超过阈值的连续输出进行计数cn=cn+1，直到快滤波器的输出值低于阈值Threshold。最后的计数cn对应于数字域里的时间间隔，即超过阈值的连续数据的宽度；如果cn超过最小宽度MinWidth，则认为探测到一个真脉冲而不是噪声波动；如果cn小于最大有效宽度MaxWidth，则认为是一个独立的有效脉冲。确认一个独立有效脉冲到达之后，找出这个脉冲的最大幅度的位置tpeak，并将tpeak作为脉冲真正的到达时间。

图3　辐射信号脉冲探测和幅度测量方法Fig.3　The methods of pulse detection and amplitude measurement for the radiation signal

3慢高斯成形滤波器通道的幅度捕获方法

高斯成形滤波器输出脉冲的最大幅度的位置与尺度参数s无关，快滤波器和慢滤波器输出高斯信号的最大幅值的位置完全相同，如图3所示。在快滤波器通道，经过脉冲探测，确定了辐射信号的到达时间tpeak；在tpeak这个时间点上捕获慢滤波器的输出值，被捕获的这个值就是所探测脉冲幅度的测量值Vm，即

Vm=vslow(tpeak) (8)

vslow(t)表示慢滤波器输出信号在t时刻的幅度。

4结语

数字测量系统中，脉冲探测通过快滤波器通道的阈值(Threshold)和最小脉冲宽度(MinWidth)以及最大有效脉冲宽度(MaxWidth)一起确定。最小脉冲宽度(MinWidth)和最大有效脉冲宽度(MaxWidth)判别标准的存在，降低了有效脉冲误判和漏判的概率。利用高斯成形滤波器的时间定位性能，在快滤波器探测到的脉冲到达时间点tpeak上，直接捕获慢滤波器的输出得到脉冲幅度的测量值，简化了脉冲幅度的捕获过程。

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[11]陈世国，吉世印，刘万松，宋泽运，庞礼军.基于小波分析的指数衰减信号高斯脉冲成形[J].物理学报，2009，58(5):3041-3046.

[12]SIMOES J B,CORREIA C M B.A Pulse processing architectures[J].Nuclear Instruments & Methods,1999,A422(1-3):405-410.

文章编号：1004—5570(2016)03-0075-04

收稿日期：2016-04-20

基金项目：贵州省科学技术基金“小波分析在X-Ray荧光分析仪数字化改造中的应用”(黔科合J字LKS[2009]15号);贵州省科学技术基金“辐射探测信号的数字处理算法研究”( 黔科合J字[2010]2145号)

作者简介：刘万松(1968-)，男，副教授，研究方向：核电子学，E-mail:1603969880@qq.com.

中图分类号：O46

文献标识码：A

Pulse detecting and amplitude capturing method based on wavelet analysis

LIU Wansong,CHEN Shiguo,SONG Zeyun,CHEN Xuan

(School of Physics and Electronics, Guizhou Normal University, Guiyang, Guizhou 550001, China)

Abstract:The digital algorithms based on the GSF for measuring energy spectroscopy have been described. In the algorithms for pulse detection, besides traditional threshold, the minimum width MinWidth and the maximum width MaxWidth are used at the same time, which reduce the probability of mistaking for or missing out the valid radiation pulses. Making use of the linear phase characteristic of the GSF, a measurement of the peak amplitude of a pulse is simply obtained by capturing the value of the pulse amplitude at the output of slow filter channel at the pulse’s arrival time tpeakwhich has been made sure in fast filter channel based on the pulse detection algorithms, which simplifies the procedure of capturing peak amplitude of a pulse.

Key words:wavelet analysis；gaussian pulse shaping；pulse detecting；pulse amplitude capturing