基于C#和DSP的核能谱模拟方法研究

发布时间：2020-05-16 06:21

【摘要】：核科学技术的研究突破极大地助力了人类的发展,为人类提供了方方面面的便利,但核武器试验、核电站泄露等造成的核污染也给环境和身体健康带来了不同程度的影响和伤害。加强核技术研究和核辐射监测、减少核污染成为核工作人员和整个人类研究关注的重点和难点。其中,核信号作为研究基础,在核信号处理方法与技术的研究工作中被大量使用,但原始核信号通过放射源产生,存在时间地点及探测器寿命等方面的局限性,得到的核信号灵活性及参数可调性都不强,难以满足信号灵活多样可重复等要求,且放射源极强的放射性对从事核信号采集的工作人员有着不可避免的身体伤害,实际科研实验中核测量工作的开展受到挑战。通过对辐射环境中的放射性物质释放的γ射线进行监测等手段,了解放射性物质的组成,判断其含量和活度,从而减少环境污染和身体伤害。然而在实际测量中,由于环境复杂性、干扰射线和探测器能量分辨率等原因,测得的谱信号常出现严重重叠干扰现象。作为常用的γ射线探测器,NaI(Tl)探测仪由于探测效率高、维护方便、成本适中等优点被广泛使用,但其对低能端重叠谱的分辨能力不强,使得重叠谱的分解成为谱分析中的难题。同时,为了在辐射监测过程中实现更准确及时的能谱测量分析和异常情况处理,并使之能适用于现场实时测量与分析,往往需要对测得的核能谱实时、精确反演。基于此背景,本文在四川省科技支撑计划“核辐射信号随机特性关键技术研究”(2014GZ0020)项目的支持下,结合前期对仿核信号、核能谱模拟、重叠峰分解等相关研究的基础上,依托C#和DSP,构建了一套核能谱模拟系统,同时借助于MATLAB分析工具,以信号模拟为主线,对具有随机特性的仿核信号的生成、指数脉冲S-K高斯成形及梯形成形滤波、现场辐射监测过程中任意核能谱的实时逼真模拟、严重重叠谱的分解以及能谱漂移等方面进行了讨论研究。论文主要工作及成果如下:1、借助于MATLAB仿真平台,对核脉冲信号成形前的指数脉冲进行了不同衰减常数、不同幅值的模拟,讨论了S-K高斯成形、梯形成形算法,模拟了不同调整参数K时的指数脉冲高斯成形波形,并完成对无噪音和有噪音的指数脉冲的梯形成形滤波仿真。2、讨论了能谱的统计特性及其数学模型,阐述了粒子群算法的基本原理,在MATLAB上模拟了原始重叠峰,分析了粒子群算法与重叠峰分解之间的联系,确定了粒子群分解重叠峰的适应度函数,实现了两峰重叠谱、三峰重叠谱、四峰重叠谱的粒子群分解,完成了算法分解重叠峰的能力定位;将分解得到的几个高斯峰以一定比例搭配构成新的重叠峰,并采用加抽样法对其形成过程动态模拟。3、提出了全谱的数学模型,在MATLAB上完成了以一定比例的镭~(226)Ra、钍~(232)Th、铯~(137)Cs三种核素能谱组成的原始混合谱的模拟,给出了粒子群算法用于全谱分解时的粒子优劣的评价函数,实现了涉及三个单谱权重未知数的全谱分解;将分解得到的三个单谱以一定比例组合构成新的混合谱,并动态模拟其形成过程。4、讨论了能谱的漂移,设定一定的漂移倍数,在MATLAB上完成对~(226)Ra、~(232)Th、~(137)Cs三种核素能谱漂移的模拟,并将漂移后的能谱以一定比例搭配得到了原始漂移混合谱,实现了粒子群算法对原始漂移混合谱的分解,涉及到三个单谱的权重和漂移倍数这6个未知数。5、构建了一套基于C#和DSP的核能谱模拟系统,完成了硬件的搭建、C#上UI界面的设计及功能算法的实现与验证;在C#上实现了对不同衰减常数、不同幅值的指数信号的模拟和不同成形参数的高斯成形,采用线性同余法和离散直接抽样方法实现对~(226)Ra、~(232)Th、~(137)Cs三种核素能谱及其组成的混合谱的动态反演;在DSP的软件环境CCS上完成了能谱模拟和误差的计算分析。
【图文】：

图 3-1 探测器输出端等效电路模型( ) ( ) * ( ) ( ) ( )bu t i t h t i t v h v dv+∞ ∞= = 冲击函数，可得其单位冲击响应为：1( )tRCh t eC = 时输出的电压信号为：00( )tRCQu t eC = 。离散化0u (t )，，得到电压离散值：00( )snTRCsQu nT eC = 的采样周期，n 为整数 0,1,2,…。

图 3-2 电流脉冲等效为冲击函数时响应示意图 核脉冲信号及其成形仿真.1 指数和双指数脉冲数字化模型核脉冲信号成形前主要表现为指数、双指数信号，而成形后又通常采用高信号。将指数、双指数信号的时间函数分别表示为（蒋开明 等，2017）：0( )/0( ) ( ) ( )t TV t u t T Ae v t τ= + （0 1 0 2( )/ ( )/0( ) ( ) ( ) ( )t T t TV t u t T A e e v tτ τλ = + （其中， u (t )、 v (t )分别表示阶跃函数和噪音，τ 为信号衰减常数， A是度相关的系数。
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TL99

【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 俞建杰;曾倪香;叶凌云;方建正;宋开臣;;X射线脉冲星能谱模拟方法[J];红外与激光工程;2015年S1期

2 余国刚;方方;易良碧;王礼;刘泽;;能谱抽样技术在仿核信号发生器中的应用[J];核电子学与探测技术;2015年12期

3 黄洪全;丁卫撑;龚迪琛;方方;;基于统计遗传算法的X射线荧光重叠峰分解[J];光谱学与光谱分析;2015年08期

4 徐康;任家富;王晓帆;操礼志;张俊文;;梯形成形的软硬件实现[J];中国集成电路;2015年06期

5 马松;汤彬;王仁波;刘华;吕俊;;基于MATLAB的核脉冲信号模拟[J];电子质量;2015年05期

6 霍建文;张华;张静;刘满禄;何侃;史思总;熊傲;;任意分布的高速仿核信号发生器[J];核电子学与探测技术;2014年03期

7 张俊奎;;放射性射线探测器输出核信号的蒙特卡洛模拟[J];核电子学与探测技术;2013年08期

8 曹玲燕;程明霄;於拯威;赵天琦;林锦国;;基于自适应免疫算法重叠拉曼谱峰的解析[J];光谱学与光谱分析;2012年05期

9 曾立晖;王南萍;田贵;;NaI(Tl)伽玛能谱全谱数据高斯分解软件的实现与应用[J];核电子学与探测技术;2011年12期

10 黄洪全;何子述;方方;龚迪琛;丁卫撑;;多重谱峰的分解方法[J];原子能科学技术;2010年09期

相关博士学位论文 前8条

1 余国刚;智能高放射性仿核信号发生器系统的研究[D];成都理工大学;2017年

2 李飞;基于蒙特卡罗模拟和人工神经算法的伽马射线能谱数据处理技术[D];成都理工大学;2015年

3 何剑锋;低能量分辨率γ能谱数据解析方法研究[D];成都理工大学;2013年

4 罗耀耀;航空伽玛能谱稳谱技术研究[D];成都理工大学;2013年

5 王敏;数字核能谱测量系统中滤波与成形技术研究[D];成都理工大学;2011年

6 周伟;基于数字高斯成形技术的X荧光谱仪的研制[D];成都理工大学;2011年

7 张庆贤;航空γ能谱特征和仪器谱解析方法研究[D];成都理工大学;2010年

8 刘建华;粒子群算法的基本理论及其改进研究[D];中南大学;2009年

相关硕士学位论文 前10条

1 王曼曼;核能谱测量中重叠谱峰解析的算法研究[D];成都理工大学;2017年

2 姚馨博;X射线能谱测量与模拟[D];河北科技大学;2016年

3 胡云川;核信号数字滤波处理技术的研究[D];成都理工大学;2015年

4 黄敬涛;基于C#与MATLAB混合编程的肝储备功能分析系统研究[D];吉林大学;2013年

5 王雪;数字S-K滤波器平滑处理方法研究[D];成都理工大学;2013年

6 王红印;核信号的数字模拟研究[D];成都理工大学;2013年

7 左平;基于FPGA的仿核信号发生器的研制[D];成都理工大学;2013年

8 张应辉;基于FPGA的仿核信号发生器研究[D];重庆大学;2010年

9 霍美荣;长寿命核的衰变数据评价及和峰效应的分析[D];吉林大学;2009年

10 曹梦婷;基于TMS320F2812的数据采集及数字滤波[D];中北大学;2008年

本文编号：2666309