基于離散小波變換的中子/γ脈沖形狀甄別提升方法

黃楊 魏志勇 牛志 魏宇航 魯童童 王馳

摘? ?要：包括脈沖中子源在內，幾乎所有能探測到的中子環境都伴隨著γ射線背景。為了得到環境中的真實中子密度，對中子/γ進行鑒別，去除中子探測數據中混雜的γ射線背景顯得尤為重要。本文基于塑料閃爍體探測到的中子/γ混雜信號，根據其脈沖信號的特點使用小波變換進行分解，研究了不同小波基和不同尺度對去除雜亂信號和堆積信號的影響。結果表明，小波變換能夠有效降低脈沖信號混雜的噪聲，能在一定程度上抑制堆積信號的干擾，提升探測器的中子/γ鑒別能力。

關鍵詞：脈沖信號鑒別? 小波變換? 塑料閃爍體? 數字信號處理

中圖分類號：O571? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）01（b）-0107-03

隨著人類航天技術的日漸進步，航天事業在國民經濟和軍事領域占有的比重日益增大，人們開始越來越重視近地空間、臨近空間的空間輻射環境對在軌飛行器運行設備尤其是電路系統的影響。在組成空間輻射環境的各種粒子中，中子由于其危害大，穿透力強，對航天器以及宇航員和臨近空間航空機組人員的危害較于其他輻射粒子更為嚴重[1]，得到了廣泛的重視。在過去的幾十年里，液體閃爍體在熱中子計數儀器里得到廣泛的應用[2]，但是在航天領域，由于液體閃爍體的易燃性以及太空中潛在的泄漏危險，具有脈沖形狀識別能力的有機晶體開始受到了科學界的廣泛關注。

探測器采集到的數據通常混雜有以熱噪聲和放大器噪聲為代表的的噪聲信號，因此需要對信號進行降噪處理。傳統的五點平滑只是消除了噪聲的波動特性，而沒有去除噪聲，因而波形的積分仍然受到噪聲的影響。而使用以傅里葉變換為代表的時頻變換時，由于傅里葉變換的核函數是無限長的三角函數，在處理非規律性的脈沖信號時不能直觀體現出其脈沖特性，因此對脈沖信號考慮使用能夠描述信號各個部分特性的小波變換。小波變換作為時頻變換的一種，近年來在數學上的應用越來越廣泛，發展到現在已經有了相當成熟的技術[3]，在地球物理學、天文學以及信號處理等領域有著廣泛的應用。

1? 脈沖信號甄別技術與小波算法

傳統的用于時頻域處理的傅里葉變換在處理周期性的平穩信號時精確度很高，但在處理以脈沖信號為例的非平穩信號時，傅里葉變換只能反映信號頻率分量的平均值，而不能描述信號其中一段時刻的特征。在分辨中子和γ射線的脈沖特征時，這個缺點更是得到了放大。因此，分析脈沖形狀時更傾向于選擇使用在不同分辨率的時頻網格上分解信號的小波變換。也有學者在傅里葉頻譜變換的基礎上，提出了頻率梯度分析法、功率譜分析法等其他頻域分析方法。

小波變換將一個時域信號f（t）分解成兩個變量，分別是尺度（a）和位移（b）的函數。通過將變量a和b連續變化，這種變換稱為連續小波變換。一個一般的連續小波變換定義如下：

（1）

其中x（t）為連續母小波，a是尺度因子，b為平移因子。

從實際工程的角度來講，一般的探測系統采集到的信號都是具有固定時間間隔的數字信號。在數據處理中，常采用二進小波作為小波變換函數，即僅僅使用2的整數次冪作為尺度（a）進行變換。一般的二進母小波定義如下：

（2）

此時，f（t）∈L2（R）的二進小波變換定義為

（3）

在進行小波變換時，母小波的選擇通常會結合實際的工程應用。合適的母小波可以在很大程度上提高小波變換的性能，比如在混合輻射場領域，haar小波就比較適合[4]。本文使用的daubechies小波族簡寫為dbN，其中N代表小波的階數。具有N個消失矩的小波函數能夠檢測信號（N-1）階導數的不連續性。隨著階次（N）的增大，dbN小波消失矩的階數也越大，其頻帶的劃分效果就越好，但是會使時域緊支撐性減弱，同時增大計算機的運算量。因此，需要根據平滑度和計算量適當選擇小波階數。

2? 實驗設置

圖1展示了整個粒子探測系統的工作流程。

由D-T中子發生器生產的高能粒子束打向隔絕外界光線影響的塑料閃爍體，與閃爍體的C，H原子發生電離、激發以及核反應產生光子。光子通過閃爍體兩端的硅光電倍增管轉換為微弱的電流信號，再通過前置放大器I/V轉換和初級放大后轉換為電壓信號，最后由數字化轉換器將電壓信號轉換為數字信號，保存在電腦端進行離線的數據處理。實驗使用具有中子/γ射線鑒別能力的的塑料閃爍體，其尺寸為30mm×30mm×130mm，已用標準Co-60源和Na-22源進行過能量定標。這種閃爍體對多種放射源發出的中子和γ射線能進行有效鑒別，在低到數個MeV的能量范圍內也能有一個較好的波形識別。進行ADC的Digitizer的采樣率為1GHz，并在實驗前調節觸發電平使其在抑制噪聲和記錄盡可能小的脈沖間達到平衡。

由于數字化儀技術的飛速發展，近年來PSD技術得到了顯著的提升，在液體閃爍體、有機閃爍體[以及塑料閃爍體中都得到了廣泛的應用。PSD是基于脈沖信號特征的一種中子/γ鑒別參數。通過PSD對提取出的脈沖信號進行處理時，我們通過設置觸發閾值篩選去除掉雜亂的噪聲信號，然后通過傳統的電荷積分方法，即計算脈沖信號的長門和短門積分作為脈沖信號的鑒別參量。對于有中子鑒別能力的閃爍體，中子生成的脈沖信號尾延部分相對于γ射線產生的尾延，隨衰減時間下降的更加緩和。如圖2所示，長門積分的起點定于脈沖峰值前20ns處，止于脈沖信號峰值后250ns處;短門積分的起點與長門積分相同，止于脈沖信號峰值后50ns處。基于脈沖信號長短門的PSD計算公式為