数字脉冲处理及其在核辐射检测中的应用_开题报告

1、山 东 科 技 大 学本科毕业设计（论文）开题报告题 目 数字脉冲处理技术及其在核辐射检测中的应用学 院 名 称 电子通信与物理学院 专业班级 通信工程12级2班 学生姓名 吴曼迪 学 号 201201101627 指 导 教 师 王立奎 填表时间：2016年3月23日填表说明1.开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。2.此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期完成，经指导教师签署意见、相关系主任审查后生效。3.学生应按照学校统一设计的电子文档标准格式，用A4纸打印。4.参考文献不少于8篇，其中应有适当的外文资料（一般不少于2篇）。5.开题报

2、告作为毕业设计（论文）资料，与毕业设计（论文）一同存档。设计（论文）题目数字脉冲处理及其在核辐射检测中的应用设计（论文）类型（划“”）工程设计应用研究开发研究基础研究其它 一、本课题的研究目的和意义数字脉冲处理是应用最快、成效最显著的新科学之一,广泛地应用在通信、控制、生物医学、遥测遥感、地址勘探、航空航天、自动化仪表等领域, 它的发展应和用人给带来了类巨大经济和的社效益。近几年来，伴随着高速 ADC、各种数字化器件、实时操作系统和微处理器的快速发展，数字信号脉冲技术在核物理领域也得到了极大的发展。粒子探测器输出的电信号被数字化后，得到相应的数据，再经过数字信号处理来取得我们所需要的信息。标准

3、的模拟方法相比，数字化方法能在更简单的电子学系统中实现更复杂的电子学方法，如果成功的话能带来一次大型物理实验装置的革新。同时，随着数字信号处理技术在消费市场的广泛推广，很多工业企业正在积极开发数字化信息处理的各种相关产品，使得数字化系统的成本得到了大幅度降低。核辐射是原子核从一种结构或一种能量状态转变为另一种结构或另一种能量状态过程中所释放出来的微观粒子流。 而研究这些粒子流是研究核辐射或原子核内部特征与规律的基础。人们采用各种核辐射探测器来感受和传递核信息 ,并把它转换为电信号 ,而这电信号通常是一系列大小不一 ,波形不尽一致、前后间隔疏密不均出现的时间随机分布的电荷或电流脉冲 ,它们是由入

4、射粒子的性质及探测器的响应所决定的 ,根据这些脉冲及相关参数 ,可以得到有关核辐射和粒子的信息。本课题根据实验工作的需求 ,提出一核辐射脉冲检测电路设计方案。改进数字测量系统 ， 采用并行的FIR数字滤波器提高输入信号信噪比， 同时利用快速脉冲梯形成形算法来实现输入信号数字成形。二、本课题的主要研究内容（提纲）本课题的目的是通过对基于数字信号处理技术的和在线处理核辐射测量的各种滤波算法的研究，设计并研制一个通用数字化核能谱仪原型系统，实现对探测器信号的在线处理功能。本论文的研究内容及拟解决的关键问题： 1. 针对核信号特点进行实时处理的算法研究。研究能谱测量的快速实时在线处理算法，侧重点为快速

5、实时在线滤波的算法。 2. 提出一种基8ADC的数字化 能谱系统。系统应由探测器、 前端电路ADC和数字处理单元组成。数字处理在FPGA中完成， 主要包括FIR 数字滤波、 脉冲梯形成形、 幅度甄别、 数据通讯。3为减小高速ADC 在采集过程中引入的噪声信号， 在数字处理单元实现FIR数字滤波， 对数字脉冲信号先进行滤波处理， 再进行脉冲梯形成形， 得到高分辨率的能谱数据。4.测量系统中模拟信号全部采用直流耦合，对 137Cs的能量分辨率应达6 以上。5.在对核信号仿真和频域分析的基础上，结合数字滤波理论，建立高斯成形滤波和 FIR 低通滤波的数字信号处理算法，并用 Matlab 软件进行模拟

6、仿真。三、 文献综述（国内外研究情况及其发展）数字脉冲处理（Digital Pulse Processing，DPP）技术，是用数值算法取代模拟成形和定时电路，从脉冲中提取如幅度和到达时间等特性，是一种核探测器信号处理的全数值分析技术。 早在上世纪八十年代已经开展了DPP在核测量中应用的研究，当时用数字示波器或数字化仪采集数据进行原理性探索，信息的分析和处理是离线进行的。随着高速数字化和数字处理技术的迅速发展，信息的分析和处理可以在线实现，而且成本也大大降低，这使DPP技术用于核测量越来越具有吸引力。 上世纪九十年代起，欧洲和美国开展了基于DPP技术的实用核测量系统，近年来有很大发展。美国以L

7、BNL（Lawrence Berkeley National Laboratory）为首的由多个大学和实验室参加的国家级项目“射线能量-寻迹阵列GRETA（Gamma-Ray Energy-Tracking Array）”，计划为未来的核物理实验研究提供先进的探测装置（例如采用下一代放射性同位素束加速器的核物理实验）；欧洲的“先进射线寻迹阵列AGATA（Advanced Gamma-ray Tracking Array）” 计划由多个国家的实验室和大学参加，也是为未来的核物理实验研究提供新的装置。这两项计划中，都将采用DPP技术处理核探测器脉冲信号，提取感兴趣的物理信息，目前全数字化电子学系统

8、正在研发中。 美国X射线仪器联盟XIC（X-ray Instrumentation Associates）推出的DGP（数字化探测仪）和DXP（数字化X射线处理器）系列都采用了DPP技术实现核探测器信号的分析处理，用于XAFS、X射线成像、高分辨谱仪和其它核物理研究领域。 采用DPP技术开发用于高分辨和飞行时间正电子发射断层扫描（PET）装置的研究正在进行中。 国内基于DPP的核谱仪的研究仅仅处于起步阶段，采用数字化采集卡将核脉冲信号数字化后的信息流传输到计算机中，进行后处理，不仅成本很高，而且数据吞吐率很低，不适应高计数率和多通道的应用。目前国内只停留在一些专用的谱仪升级改造，例如中国科技大

9、学近代物理系的核固体实验室采用这种方法将传统的正电子多普勒谱仪和寿命谱仪升级改造为数字化，但是计数率很低，只能达到几百事例/秒，而且通道数少1。随着高速模数数字转换器(ADC)与现场可编程逻辑门阵列器件(FPGA)技术的快速发展， 数字脉冲处理技术使强辐射环境下的能谱分析技术成为可能， 这要求测量系统在保证高分辨率的前提下有更高的脉冲通过率。在高计数率下采用能谱测量技术需采用高速ADC以及高速数字处理技术来实现数字成形能谱测量。目前， 基于 NaI探测器的数字能谱测量系统一般采用2040Mhz的ADC， 数字脉冲宽度为220 s 。随着新型探测器（ 如 Labr3探测器） 的出现， 使探测器输

10、出脉冲宽度可达150 ,故需提高ADC的转换速度实现数字能谱测量。但高速的AD转换会引入相对大的噪声， 针对这一问题， 本课题改进数字测量系统 ， 采用并行的FIR数字滤波器提高输入信号信噪比， 同时利用快速脉冲梯形成形算法来实现输入信号数字成形。在保证能量分辨率的前提下， 提高了系统的脉冲通过率， 可应用于高剂量的测量环境2。注：1引用自谢树欣，基于在线数字滤波技术的数字化核能谱仪研究，博士论文，2009年2引用自周建斌，胡云川等，基于实时数字脉冲处理技术的核谱仪研究，原子核能技术第49卷第12期四、 拟解决的关键问题1. 选用高位数和高采样率的 ADC 对探测器输出信号进行采样，增大ADC

11、 有效位，提高采样精度，同时提高模拟电路的布线质量，使数字化核能谱仪得到更高的能量分辨率。 2. 对辐射探测系统组成原理和方法做一定的研究，构建多通道、多任务的功能更强大，接口更复杂的形式，提高谱仪的计数率。 3. 对数字信号处理原理和方法做一定的研究，改进数字滤波器的设计方法，提高滤波器性能，得到更高的能量分辨率。 五、 研究思路和方法研究思路：通过设计电路，包括探测器电路，积分电路，微分电路和放大器电路来完成整个数字脉冲探测器。选用高位数和高采样率的 ADC 对探测器输出信号进行采样。 结合数字滤波理论，建立高斯成形滤波和 FIR 低通滤波的数字信号处理算法，并用 Matlab 软件进行模

12、拟仿真。研究方法：1，通过阅读相关文献和书籍,了解相关核辐射测量问题的理论基础。 2，通过图书馆和网络收集资料，了解国内外最新研究成果。 3，对已获取的资料和信息进行分析研究。 4，在老师的指导下完成电路设计和数据采样。5，用Matlab软件进行模拟仿真。 6，在老师的指导下修改论文。 六、 本课题的进度安排第一阶段：2016.1.102.28，查阅大量文献资料，确定论文题目；第二阶段：2016.3.13.20，根据论文题目进行调研，按照指导教师所下任务书的具体要求，积极做好论文前期准备工作；第三阶段：2016.3.214.3，完成选题报告。通过选题报告，对论文的框架和内容有一个大体的构思，并

13、在指导老师的帮助下，整理相关资料、补学空白知识点，做好撰写论文的前期准备工作；第四阶段：2016.4.42016.4.30，在导师的指导下，进一步分析整理资料，完成论文初稿。在实际工作中验证相关论点，以完善论文的实际可操作性，并希望论文的方法和观点能在实际工作中得到应用和升华；第五阶段：2016.5.12016.6.7，与导师进行讨论，总结充实研究内容，并根据论点在实际工作中的应用对论文进一步修改；第六阶段：2016.6.82016.6.14，论文评审。在指导老师的帮助下充分做好答辩准备，积极准备答辩材料；第七阶段：2016.6.152016.6.21，学院和管理系答辩。七、 参考文献1G.P

14、oggi, Appunti sul rumore elettrico, 2002, unpublished. 2W.K.Warburton, M.Momayezi, B.Hubbard-Nelson. Applied Radiation and Isotopes 53 (4):913-920, 2000 3XIA.DXP xMAP, Four-Channel PXI Digital X-ray Processor, 4OLL Radiantion detection and measurement 3rd ed ew jersey ：Jonh iley，&Sons 20005 王芝英、楼滨乔等，核电子技术原理，原子能出版社，1989 年6谢树欣，基于在线数字滤波技术的数字化核能谱仪研究，博士论文，2009年7井娥林、洪志刚，核辐