基于在線數(shù)字濾波技術(shù)的數(shù)字化核能譜儀研究

【摘要】：貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了放射線并提出了原子有內(nèi)核的理論,盧瑟福定義了原子核,他們開創(chuàng)了核物理的先河。薛定諤提出了量子力學(xué),而柯克羅夫特和沃爾頓建立了第一個(gè)加速器。這些偉大的成就和隨之而來的實(shí)驗(yàn)和理論上的發(fā)現(xiàn)使我們能夠系統(tǒng)地研究核物理。我們目前的知識(shí)已經(jīng)涵蓋了核物理的很多方面,如放射性、能譜、核反應(yīng)、恒星的核聚變等,很多已經(jīng)在現(xiàn)實(shí)生活中得到了應(yīng)用。但是,無論是實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家還是理論物理學(xué)家,都無法提出一種統(tǒng)一的理論來解釋所有的物理現(xiàn)象。但是通過高精度的物理測(cè)量,我們可以修正和改進(jìn)現(xiàn)存的理論。核物理研究的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建立在對(duì)各種入射粒子特征的測(cè)量上。幾十年來,粒子探測(cè)器輸出的電信號(hào)都是用模擬的方法來處理,在最后的數(shù)據(jù)獲取和存儲(chǔ)才用到數(shù)字化技術(shù)。 核能譜是高能物理、核物理、重離子物理等基礎(chǔ)研究和核技術(shù)應(yīng)用所需要獲取的基本且重要的核信息之一,核能譜獲取方法的改進(jìn)和新型獲取方法的研究一直是核測(cè)量領(lǐng)域的一個(gè)重要研究課題。 近幾年來,伴隨著高速ADC、各種數(shù)字化器件、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和微處理器的快速發(fā)展,數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在核物理領(lǐng)域也得到了極大的發(fā)展。粒子探測(cè)器輸出的電信號(hào)被數(shù)字化后,得到相應(yīng)的數(shù)據(jù),再經(jīng)過數(shù)字信號(hào)處理來取得我們所需要的信息。與標(biāo)準(zhǔn)的模擬方法相比,數(shù)字化方法能在更簡(jiǎn)單的電子學(xué)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的電子學(xué)方法,如果成功的話能帶來一次大型物理實(shí)驗(yàn)裝置的革新。同時(shí),隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在消費(fèi)市場(chǎng)的廣泛推廣,很多工業(yè)企業(yè)正在積極開發(fā)數(shù)字化信息處理的各種相關(guān)產(chǎn)品,使得數(shù)字化系統(tǒng)的成本得到了大幅度降低。根據(jù)常用粒子探測(cè)器系統(tǒng)輸出信號(hào)的特點(diǎn),一套數(shù)字化核能譜儀系統(tǒng)應(yīng)包括波形數(shù)字化系統(tǒng)、數(shù)字化核信息處理和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。數(shù)字化核能譜儀系統(tǒng)的研究工作包括:對(duì)探測(cè)器系統(tǒng)輸出信號(hào)數(shù)字化的研究;核信號(hào)的處理原理和方法的研究;對(duì)譜儀系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)的研究;數(shù)字濾波算法在硬件中實(shí)現(xiàn)的研究。本論文在對(duì)高速數(shù)字化技術(shù)充分調(diào)研的基礎(chǔ)上,通過對(duì)各種數(shù)字濾波算法的研究,設(shè)計(jì)并研制一個(gè)通用的基于在線數(shù)字濾波技術(shù)的數(shù)字化核能譜儀原型系統(tǒng),對(duì)各種探測(cè)器輸出的電信號(hào)進(jìn)行在線處理,并在不改變硬件設(shè)計(jì)的前提下,實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器的在線調(diào)節(jié)功能,為新一代核能譜儀提供技術(shù)準(zhǔn)備。 高速ADC采樣是數(shù)字化核能譜儀的基礎(chǔ),探測(cè)器輸出信號(hào)在經(jīng)過必要的帶寬限制和增益處理后,用40M采樣率12bit位的ADC進(jìn)行數(shù)字化,信號(hào)處理完全在數(shù)字域里進(jìn)行。在獲取核信息的過程中,不可避免地會(huì)產(chǎn)生噪聲。為了提高能譜的能量分辨率,我們?cè)趯?duì)核信號(hào)仿真和頻域分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合數(shù)字濾波理論,建立了高斯成形濾波和FIR低通濾波的數(shù)字信號(hào)處理算法,并用Matlab軟件進(jìn)行了模擬仿真。數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)是本論文的核心,鑒于可編程邏輯器件(FPGA)在數(shù)字信號(hào)處理方面的諸多優(yōu)點(diǎn),本譜儀采用FPGA作為數(shù)字信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)的平臺(tái)。本論文詳細(xì)介紹了從選擇濾波器系數(shù)到FPGA邏輯實(shí)現(xiàn)的整套軟件設(shè)計(jì)方法。 本論文的工作的創(chuàng)新點(diǎn)如下: 1.設(shè)計(jì)并研制了一個(gè)數(shù)字化核能譜儀原型系統(tǒng),用FPGA器件實(shí)現(xiàn)了在線觸發(fā)、濾波、峰值提取等數(shù)字化處理過程,為全數(shù)字化譜儀的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)支持; 2.簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu),減少了模擬電路的復(fù)雜性,充分利用了數(shù)字處理技術(shù)的適應(yīng)性和靈活性,針對(duì)不同的探測(cè)器信號(hào)給出不同的濾波器參數(shù)設(shè)置,實(shí)現(xiàn)了參數(shù)的在線調(diào)節(jié)功能,增強(qiáng)了系統(tǒng)的通用性,使同一個(gè)硬件系統(tǒng)可以用于不同能譜的測(cè)量。 目前,本論文所設(shè)計(jì)的數(shù)字化核能譜儀系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)過了一系列電子學(xué)測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到了模擬數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的指標(biāo),并用高純鍺探測(cè)器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試,與傳統(tǒng)的多道分析器進(jìn)行了比較,在相同的測(cè)試條件下,得到了比多道分析器更高的能量分辨。 【關(guān)鍵詞】：數(shù)字化核能譜儀 FPGA FIR濾波器 在線數(shù)字濾波 能譜測(cè)量
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號(hào)】：TH842;TN713
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 引言12-26
• 1.1 粒子探測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介12-17
• 1.1.1 粒子探測(cè)的基本技術(shù)13-14
• 1.1.2 核與粒子物理實(shí)驗(yàn)發(fā)展趨向14
• 1.1.3 核儀器系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化14-16
• 1.1.4 粒子探測(cè)數(shù)據(jù)獲取和在線處理系統(tǒng)的特點(diǎn)和基本結(jié)構(gòu)：16-17
• 1.2 粒子探測(cè)器概述17-20
• 1.3 多道分析器20-22
• 1.3.1 基本結(jié)構(gòu)20-21
• 1.3.2 多道分析器數(shù)據(jù)獲取過程21-22
• 1.4 數(shù)字脈沖處理技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀22-23
• 1.5 論文的工作內(nèi)容及特點(diǎn)23-24
• 1.6 論文的內(nèi)容組織24-26
• 第2章 能譜測(cè)量系統(tǒng)信號(hào)處理26-44
• 2.1 能譜測(cè)量中的能量分辨26-29
• 2.1.1 能譜曲線和能量分辨26-28
• 2.1.2 影響能譜儀能量分辨的幾個(gè)因素28-29
• 2.2 噪聲分析和模擬信號(hào)處理29-33
• 2.2.1 噪聲分析29-31
• 2.2.2 模擬濾波器31-32
• 2.2.3 信號(hào)成形32-33
• 2.3 離散時(shí)間信號(hào)處理33-35
• 2.3.1 傅立葉變換和Ζ 變換34-35
• 2.3.2 采樣和抗混疊35
• 2.4 數(shù)字濾波器35-42
• 2.4.1 IIR 和FIR 數(shù)字濾波器36-38
• 2.4.2 FIR 濾波器的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)38-42
• 2.5 小結(jié)42-44
• 第3章 數(shù)字化核能譜儀系統(tǒng)44-72
• 3.1 數(shù)字化核能譜儀系統(tǒng)方案介紹45-48
• 3.1.1 數(shù)字脈沖處理技術(shù)簡(jiǎn)介45-47
• 3.1.2 數(shù)字化核能譜儀系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)47-48
• 3.2 前端模擬電路設(shè)計(jì)及仿真48-57
• 3.2.1 主放大器49-50
• 3.2.2 極零相消50-52
• 3.2.3 抗混疊濾波器52-54
• 3.2.4 模擬電路仿真54
• 3.2.5 ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換54-57
• 3.3 數(shù)字電路設(shè)計(jì)57-70
• 3.3.1 FPGA 電路設(shè)計(jì)57-63
• 3.3.2 USB 接口電路設(shè)計(jì)63-70
• 3.4 小結(jié)70-72
• 第4章 基于事例的數(shù)字化核能譜儀算法實(shí)現(xiàn)72-94
• 4.1 軟件總體設(shè)計(jì)72-74
• 4.2 FPGA 中邏輯設(shè)計(jì)74-92
• 4.2.1 數(shù)據(jù)緩存模塊和事例存儲(chǔ)模塊74-75
• 4.2.2 觸發(fā)模塊75-76
• 4.2.3 數(shù)字濾波模塊76-89
• 4.2.4 數(shù)據(jù)處理模塊89-90
• 4.2.5 USB 接口模塊90-92
• 4.3 USB 用戶程序92-93
• 4.4 小結(jié)93-94
• 第5章 系統(tǒng)測(cè)試94-106
• 5.1 電子學(xué)性能測(cè)試94-97
• 5.1.1 臺(tái)基測(cè)量94-95
• 5.1.2 ADC 性能測(cè)試95-97
• 5.2 能量分辨測(cè)試97-102
• 5.3 誤差分析102-104
• 5.3.1 堆積概率102
• 5.3.2 基線長(zhǎng)度誤差102-103
• 5.3.3 采樣峰值誤差103-104
• 5.4 小結(jié)104-106
• 第6章 總結(jié)和展望106-108
• 6.1 工作總結(jié)106-107
• 6.2 工作展望107-108
• 參考文獻(xiàn)108-112
• 致謝112-114
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表文章114-115

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