CN108964637B - 一种基于fpga的超高通过率电流型数字化脉冲处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于数字化脉冲处理技术领域，具体涉及一种基于FPGA的超高通过率电流型数字化脉冲处理方法，前级经过超高速的电流前置放大器将探测器微弱电流信号放大后传入数字电路部分，进入FPGA后在快通道经过数字高通滤波器提取得到触发信号，在慢通道收到触发信号的同时开始对原始电流信号开始积分得到脉冲信号的原始能量幅度信息。该发明通过复合电流前置放大电路进行电流放大，能极好的保留原始的脉冲信息，解决了1GSPS剂量率的粒子信号的单个粒子信号能量与时间等脉冲信息的测量，通过并行处理的模式可将常规高速数字多道分析能力进步提高数倍，可达到1GHz的脉冲计数通过率。
Description
技术领域
本发明属于数字化脉冲处理技术领域，具体涉及一种基于FPGA的超高通过率电流型数字化脉冲处理方法。
背景技术
现有的数字多道脉冲幅度分析仪采用交流耦合传入的是电压信号，道脉冲幅度分析器(简称多道)是核技术应用中的常用仪器。近年来,基于直接采样分析脉冲波形的数字多道发展很快,其与传统模拟多道相比,具有分析速率快、脉冲通过率高,能检测更多的脉冲信息,采用可编程器件实现灵活的数据处理算法等优点。
电流灵敏前置放大器，是对探测器输出电流信号直接进行放大它通常是一个并联反馈电流放大器此时输出电压或电流，都与输入电流成正比。这类前置放大器的输入电阻较小，但时间响应较好，常用做快放大器。
FPGA(Field－Programmable Gate Array)，即现场可编程门阵列,它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
数字多道脉冲幅度分析器主要基于现场可编程门阵列芯片即FPGA，对来自经过高速ADC采样的数字脉冲信号通过相应的算法进行并行高速数字处理，然后根据信号幅度与整体测量范围的关系对输入的脉冲进行谱线绘制。
在这个过程中，对于原始脉冲信号的特征，如上升沿以及脉宽等信息的完整保存与传递，成为了保证整个多道系统对于高计数率条件下准确成谱的关键。
现有的常规电压型数字多道采用电压灵敏前置放大器作为模拟前端用于放大探测器的原始脉冲信号，传统的测量办法即为采用RC时间常数远大于电流脉冲时间常数的电流电压转换前放(I/V转换放大器)获得输出电流脉冲的累计值，通过直流电压测量获得该累计值大小，在常规电压型多道中进行快慢通道的成型并进行电压积分获得输入电压信号的累计值，从而用该累计值表征强辐射场的强度。
发明内容
一种基于FPGA的超高通过率电流型数字化脉冲处理方法，包括以下步骤：
(1)探测器的输出信号signal(1)经过超高速电流前置放大器U1输出到达数字多道系统，在还原探测器原始信号signal(1)的时间与幅度信息的情况下，增强其作为信号源的负载能力与驱动能力；
再经过高带宽的信号差分转换与程控增益模块后到达高速模数转换器(ADC)U2进行离散化数字化输入给可编程门阵列芯片(FPGA)，输入FPGA的信号adc_data_in(2)为并行的13位数据并作为数据总线，经过低通Fir滤波器(U3)进行数字化滤波，该滤波器的设计截止频率与通带频率的选择使得探测器信号无衰减通过而噪声得到大幅度衰减从而进一步提高信噪比；
低通FIR滤波器模块的输出信号adc_data_out(2)输入给数字脉冲分配器(U4)进行脉冲分配，由前段高速采集的密集的脉冲波形信号在此数字脉冲分配器模块中被分成了2～N路的独立脉冲信号data_spir(1～N)每一个独立信号传入独立的寄存器后传输给后续每一路独立的数字信号处理单元，如果分为N路数据，则信号处理单元的运行频率为源数据频率的1/N；
脉冲分配器(U4)采用非线性最小二乘拟合及FPGA快速查表实现结合探测器温度试验及探测器输出电流脉冲的离线提取与非线性拟合可获取每个探测器在不同温度下的峰型参数与峰值的关系表格，并将该表格存入FPGA内部；使用时根据实测的探测器温度及脉冲峰值，查表确定每个脉冲的峰型参数，从而可为下个步骤的峰型逐次剥离提供关键支撑；
(2)逐次剥离算法及FPGA实现：经过上个步骤的波形拟合获取双指数信号的参数；找到第一个未重叠的脉冲信号逐次开展峰型参数确定、拟合与剥离，将剥离后获得的第一个脉冲信号则输入到第一条并行流水线，依次类推，在FPGA内部设计N路并行流水线得到N路独立脉冲信号；
并行流水线的设计有效的发挥了FPGA的并行运算优势，得以高速处理堆积脉冲的分解与剥离。
(3)对于每通道的谱线数据data_b(3)传输给两个通道：快通道与慢通道，慢通道的信号交给一组原始数据移位寄存器等待快通道的处理；快通道的数据则交给高速数字恒比定时模块(U5)进行处理，输入恒比定时模块的信号则分为两路，一路信号除以一个可调的衰减比，另一路信号则进入一个延时模块，在经过一定的时延后的信号signal_delay与通过衰减的信号signal_decay通过一个比较器模块从而获得数字恒比定时(U5)的定时信号signal_dcfd，与此同时对原始信号data_b(3)进行一路采用很低的固定触发阈值fixed_coe的触发模块进行触发得到一路signal_fixed，该路信号与之前的恒比定时信号signal_dcfd进行相与从而在获得恒比触发信号的同时显著降低噪声带来的误触发；
同时降低误触发的操作还有在每次的比较中采用滑动窗口比较，在signal_dcfd与signal_fixed两路信号的产生过程中采用在窗口中同时比较先后输入的数个待比较信号并取与操作的方式产生最终的门控信号，即待窗口中所有的输入均满足比较器触发条件才会获得触发；
随后相与的信号产生了最终的恒比定时触发信号，将该信号固定延长一段高电平的时间以保证门控信号高电平完全包含粒子脉冲信号的上升沿与下降沿，延长后产生的信号即门控信号signal_gate，将门控信号signal_gate传输给积分模块作为动作触发信号从而实现对电流信号的积分即达到对粒子原始能量提取的目的；将该信号signal_inte传输给谱线成型模块从而获得最高16384道谱线信息，根据上述所获得信号signal_inte获得谱线的过程如下，将待成谱的总道数划分为数字处理芯片中设定的的内存空间大小，每一个大小对应着一个地址，该地址与前一个地址即对应着上述所获16384道谱线中的任意一道内的能量的上限与下限，对输入的能量信息signal_inte先对对应总道址数目进行归一化处理而后得到的信号signal_output，该信号值的大小即为数字处理芯片中的内存地址，将该数值的内存地址计数在原有计数上加一即完成了对新脉冲能量的统计从而获得了最终需要输出的超高计数率下的脉冲谱线，再通过USB完成对PC机的数据输出。
传统的核信号采集与处理系统通过I-V转换的方式，通过较为慢速的ADC将探测器输出的信号采集进入数字系统进行处理。该系统在较低的信号频率即较低的放射性活度的探测中表现良好，但是在高计数率的条件与环境下，如果采用传统电压型前置放大器，转换后脉冲信号大量堆积，在高计数率的条件下只能获得大量粒子的累积统计信息，而无法获得粒子本身的能量时间信息，成谱与核素识别更是无从谈起；同样的采用电荷放大器对探测器输出的电流脉冲进行积分放大后得到电压脉冲会使能谱测量系统的脉冲堆积变的严重，限制了脉冲计数通过率的提高；如果采用本方案的高速电流灵敏前置放大器但是仍旧配合传统测量系统中的数字多道系统，虽然原始脉冲被完好的采集进入数字多道系统，但是脉冲极短的上升沿与较窄的脉宽在通过面对低计数率环境下设计的传统方法中的成型系统后，在FPGA数字成型处理流程中发生谱线堆叠与能量异常符合，使得原始粒子脉冲完全失去了其本身的信息从而同样无法在高计数率的情况下对探测器信号进行成谱与核素的识别与检出；同时如果在高计数率及超高计数率场合采用复位型放大器则复位频率会大幅度增加，导致死时间急剧增加，从而导致脉冲丢失严重，无法获取高精度能谱，故无法适用。难以实现对CsBr3、LaBr3等高速与极高速响应的闪烁晶体产生的射线响应做出精准的解读。反之，如图1所示电流脉冲信号宽度更窄，其宽度等于积分后电压信号的上升时间，故堆积发生概率远低于电压信号。因此高计数率的能谱测量应尽量选用电流脉冲。对于电流脉冲而言，则会大大降低脉冲的堆积概率，因此选用电流脉冲并配合电流型数字多道系统进行能谱测量是高计数率及超高计数率应用场合下的合理选择。
本发明要实现在超高计数率以及超高计数率下对射线的能量分辨与时间信息提取。
本方案前级经过超高速的电流前置放大器将探测器微弱电流信号放大后传入数字电路部分，进入FPGA后在快通道经过数字高通滤波器提取得到触发信号，在慢通道收到触发信号的同时开始对原始电流信号开始积分得到脉冲信号的原始能量幅度信息。
传统方法使用电压方式传输模拟信号,信号源电阻或传输线路的直流电阻等会引起电压衰减，且易受外界干扰,信号传输不稳定。本专利采用电流放大，可消除电压脉冲信号在模拟开关中的串扰现象。同时由于电流信号具有比电压信号大得多的输出阻抗，其抗干扰能力优于电压信号，为此设计全部采用电流信号进行传输，处理的模拟前端电路不仅可保持探测器对粒子事件的全部响应信息，同时又能提高对外界环境干扰以及长线传输的能力。通过电流信号的传递提高了系统信噪比，保证了后续对粒子时间信息测量的准确性。用这种方法代替传统的电压型与电荷型放大器，可有效保证粒子脉冲信号的时间特性。
本专利通过高通过带宽的复合构型的电流型模拟前置放大器将探测器输出的原始电流脉冲采集输入由高速FPGA(可编程逻辑门阵列)为核心构成的电流数字多道脉冲幅度分析器进行相应算法处理并形成谱线输出。不再通过阈值甄别电路和峰值检测电路展宽脉冲峰值，而是直接耦合进入数字电路进行高速ADC实时采样，经FPGA的算法进行准确触发，处理后得到精确的原始信号数字峰值。因此精度高，性能好。
该发你具有的技术优点有如下几点：
①通过复合电流前置放大电路进行电流放大，能极好的保留原始的脉冲信息；
②解决了1GSPS剂量率的粒子信号的单个粒子信号能量与时间等脉冲信息的测量；
③通过并行处理的模式可将常规高速数字多道分析能力进步提高数倍；
④本发明可达到1GHz的脉冲计数通过率。
附图说明
图1为传统脉冲处理方法示意图；
图2为本发明的基于FPGA的电流型数字化脉冲处理方法逻辑结构；
图3为实施例的数字脉冲分配示意图；
图4为实施例的DCFD触发原理说明。
具体实施方式
结合附图说明该发明技术方案。
一种基于FPGA的超高通过率电流型数字化脉冲处理方法，其整体实现逻辑如图2所示。
首先，探测器的输出信号signal 1经过超高速电流前置放大器U1输出到达数字多道系统，在还原探测器原始信号signal 1的时间与幅度信息的情况下，增强其作为信号源的负载能力与驱动能力，再经过高带宽的信号差分转换与程控增益模块后到达高速模数转换器U2即ADC进行离散化数字化输入给可编程门阵列芯片即FPGA，输入FPGA的信号adc_data_in 2为并行的13位数据并作为数据总线，经过低通Fir滤波器U3进行数字化滤波，该滤波器的设计截止频率与通带频率的选择使得探测器信号无衰减通过而噪声得到大幅度衰减从而进一步提高信噪比。该低通FIR滤波器模块的输出信号adc_data_out 2输入给数字脉冲分配器U4进行脉冲分配，如图3所示，由前段高速采集的密集的脉冲波形信号在此数字脉冲分配器模块中被分成了2～N路的独立脉冲信号data_spir(1～N)每一个独立信号传入独立的寄存器后传输给后续每一路独立的数字信号处理单元，如果分为N路数据，则信号处理单元的运行频率为源数据频率的1/N。
脉冲分配器U4采用非线性最小二乘拟合及FPGA快速查表实现结合探测器温度试验及探测器输出电流脉冲的离线提取与非线性拟合可获取每个探测器在不同温度下的峰型参数与峰值的关系表格，并将该表格存入FPGA内部，在实际使用时则可根据实测的探测器温度及脉冲峰值，可查表确定每个脉冲的峰型参数，从而可为下个步骤的峰型逐次剥离提供关键支撑。这样可以保证高计数率条件下高精度采集数据的高速并行处理的同时降低的运行频率保证数字信号处理的精确性。
逐次剥离算法及FPGA实现：经过上个步骤的波形拟合获取双指数信号的参数。找到第一个未重叠的脉冲信号逐次开展峰型参数确定、拟合与剥离，将剥离后获得的第一个脉冲信号则输入到第一条并行流水线，依次类推，可在FPGA内部设计N路并行流水线得到N路独立脉冲信号。并行流水线的设计有效的发挥了FPGA的并行运算优势，得以高速处理堆积脉冲的分解与剥离。当能谱测量通道数为N时，理论上可提高计数通过率N倍。该方法本质上即为用面积换速度。
对于每通道的谱线数据data_b 3传输给两个通道：快通道与慢通道，慢通道的信号交给一组原始数据移位寄存器等待快通道的处理；快通道的数据则交给高速数字恒比定时模块U5进行处理，输入恒比定时模块的信号则分为两路，一路信号除以一个可调的衰减比，另一路信号则进入一个延时模块，在经过一定的时延后的信号signal_delay与通过衰减的信号signal_decay通过一个比较器模块从而获得数字恒比定时U5的定时信号signal_dcfd，与此同时对原始信号data_b 3进行一路采用很低的固定触发阈值fixed_coe的触发模块进行触发得到一路signal_fixed，该路信号与之前的恒比定时信号signal_dcfd进行相与从而在获得恒比触发信号的同时显著降低噪声带来的误触发。
同时降低误触发的操作还有在每次的比较中采用滑动窗口比较，在signal_dcfd与signal_fixed两路信号的产生过程中采用在窗口中同时比较先后输入的数个待比较信号并取与操作的方式产生最终的门控信号，即待窗口中所有的输入均满足比较器触发条件才会获得触发，这种操作同样显著降低了误触发事件发生的概率。
随后相与的信号产生了最终的恒比定时触发信号，将该信号固定延长一段高电平的时间以保证门控信号高电平完全包含粒子脉冲信号的上升沿与下降沿，延长后产生的信号即门控信号signal_gate，将门控信号signal_gate传输给积分模块作为动作触发信号从而实现对电流信号的积分即达到对粒子原始能量提取的目的。将该信号signal_inte传输给谱线成型模块从而获得最高16384道谱线信息，根据上述所获得信号signal_inte获得谱线的过程如下，将待成谱的总道数划分为数字处理芯片中设定的的内存空间大小，每一个大小对应着一个地址，该地址与前一个地址即对应着上述所获16384道谱线中的任意一道内的能量的上限与下限，对输入的能量信息signal_inte先对对应总道址数目进行归一化处理而后得到的信号signal_output，该信号值的大小即为数字处理芯片中的内存地址，将该数值的内存地址计数在原有计数上加一即完成了对新脉冲能量的统计从而获得了最终需要输出的超高计数率下的脉冲谱线，该方法对于单个脉冲仅仅消耗一个时钟周期，具有极小的系统死时间，再通过USB完成对PC机的数据输出。在500MHz的参考时钟下获得不低于1Gcps的脉冲通过计数与99.98％的脉冲通过率。
本专利设计数字恒比定时门控积分器，所使用用于积分的门gate信号signal_gate时间由数字恒比定时所提取获得，如图4所示的数字恒比定时在具有模拟CFD的可以消除脉冲幅度引起的时间游动是的信号波形涨落产生的时间晃动最小触发稳定的同时，还具有数字系统的噪声高可控系统快速可调与适用范围广成本低廉的多项优点。在满足计数率条件下最大程度减少弹道亏损与噪声，可有效提高能谱分辨率。在FPGA中可用HDL语言的累加器及多路开关实现快速的数字阈值积分器。
Claims (2)
1.一种基于FPGA的超高通过率电流型数字化脉冲处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)探测器的输出信号signal(1)经过超高速电流前置放大器U1输出到达数字多道系统，在还原探测器的输出信号signal(1)的时间与幅度信息的情况下，增强其作为信号源的负载能力与驱动能力；
再经过高带宽的信号差分转换与程控增益模块后到达高速模数转换器(U2)进行离散化数字化输入给可编程门阵列芯片，输入可编程门阵列芯片的信号adc_data_in(2)为并行的13位数据并作为数据总线，经过低通Fir滤波器(U3)进行数字化滤波，该滤波器的设计截止频率与通带频率的选择使得探测器信号无衰减通过而噪声得到大幅度衰减从而进一步提高信噪比；
低通FIR滤波器模块的输出信号adc_data_out(2)输入给数字脉冲分配器(U4)进行脉冲分配，由前段高速采集的密集的脉冲波形信号在此数字脉冲分配器模块中被分成了2～N路的独立脉冲信号data_spir，每一个独立脉冲信号传入独立的寄存器后传输给后续每一路独立的数字信号处理单元，如果分为N路数据，则信号处理单元的运行频率为源数据频率的1/N；
脉冲分配器(U4)采用非线性最小二乘拟合及可编程门阵列芯片快速查表实现结合探测器温度试验及探测器输出电流脉冲的离线提取与非线性拟合可获取每个探测器在不同温度下的峰型参数与峰值的关系表格，并将该表格存入可编程门阵列芯片内部；使用时根据实测的探测器温度及脉冲峰值，查表确定每个脉冲的峰型参数，用于下一步的峰型逐次剥离；
(2)逐次剥离算法及可编程门阵列芯片实现：经过上个步骤的波形拟合获取双指数信号的参数；找到第一个未重叠的脉冲信号逐次开展峰型参数确定、拟合与剥离，将剥离后获得的第一个脉冲信号则输入到第一条并行流水线，依次类推，在可编程门阵列芯片内部设计N路并行流水线得到N路独立脉冲信号；
(3)对于每通道的谱线数据data_b(3)传输给两个通道：快通道与慢通道，慢通道的信号交给一组原始数据移位寄存器等待快通道的处理；快通道的数据则交给高速数字恒比定时模块(U5)进行处理，输入恒比定时模块的信号则分为两路，一路信号除以一个可调的衰减比，另一路信号则进入一个延时模块，在经过一定的时延后的信号signal_delay与通过衰减的信号signal_decay通过一个比较器模块从而获得高速数字恒比定时模块(U5)的恒比定时信号signal_dcfd，与此同时对原始信号data_b(3)进行一路采用很低的固定触发阈值fixed_coe的触发模块进行触发得到一路signal_fixed，所述signal_fixed信号与之前的恒比定时信号signal_dcfd进行相与从而在获得恒比触发信号的同时显著降低噪声带来的误触发；
随后相与的信号产生了最终的恒比定时触发信号，将该信号固定延长一段高电平的时间以保证门控信号高电平完全包含粒子脉冲信号的上升沿与下降沿，延长后产生的信号即门控信号signal_gate，将门控信号signal_gate传输给积分模块作为动作触发信号从而实现对电流信号的积分即达到对粒子原始能量提取的目的；将该信号signal_inte传输给谱线成型模块从而获得最高16384道谱线信息；
根据所述信号signal_inte获得谱线的过程如下，将待成谱的总道数划分为数字处理芯片中设定的内存空间大小，每一个大小对应着一个地址，该地址与前一个地址即对应着所述16384道谱线中的任意一道内的能量的上限与下限，对输入的能量信息signal_inte先对对应总道址数目进行归一化处理而后得到的信号signal_output，所述的signal_output信号值的大小即为数字处理芯片中的内存地址，将所述的signal_output信号值的内存地址计数在原有计数上加一即完成了对新脉冲能量的统计从而获得了最终需要输出的超高计数率下的脉冲谱线，再通过USB完成对PC机的数据输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的超高通过率电流型数字化脉冲处理方法，其特征在于，步骤(3)中，降低误触发的操作还包括，在每次的比较中采用滑动窗口比较，在signal_dcfd与signal_fixed两路信号的产生过程中采用在窗口中同时比较先后输入的数个待比较信号并取与操作的方式产生最终的门控信号，即待窗口中所有的输入均满足比较器触发条件才会获得触发。
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