基于Simulink的核信號獲取與處理系統的實現

覃國秀 潘靚亮 關百堯 李凡

摘 要：傳統的模擬電路在處理和傳輸信號時，會受到多方面因素的影響而使信號失真。為了研究核信號的特點及分析方法，文章基于MATLAB/Simulink軟件對核信號獲取與處理系統的實現進行了研究，設計了一些核信號處理模塊，并對這些模塊進行測試。結果顯示，設計的核信號處理模塊基本實現了相應的功能。基于Simulink軟件的核信號獲取與處理系統的創建為核信息獲取和處理提供了一種嶄新的思路。

關鍵詞：核信號；數字濾波器；仿真；梯形成形

基金項目：沈陽市科技計劃項目；項目名稱：無人機航空γ能譜測量技術應用研究；項目編號：20-206-4-03。

0 引言

核技術作為一種前沿技術，在許多領域得到了非常廣泛的應用。核信息采集和處理是核技術領域最重要的分析方法之一[1-2]。Matlab/Simulink作為一款流行的建模和科學計算工具在數值計算和模擬仿真領域被廣泛應用[3]。傳統核儀器系統在處理信號過程中容易受到外界干擾，數字化作為核儀器的一個發展方向越來越受到關注。基于數字信號處理技術，本文提出了基于Simulink的數字化核信號發生器及濾波器的設計思想，設計了一些核信號處理模塊，并對這些模塊進行測試。

1 核信號發生器的設計

1.1 核信號仿真算法

式中，u（t）為單位階躍函數，t0和t1分別為雙指數信號快時間常數和慢時間常數，A為信號幅度，v（t）為白噪聲信號。

根據核信號的波形形狀、時間分布、幅度分布的特征和噪聲特性，可通過相應的函數表達式對其進行數值建模和仿真。

1.2 核信號仿真模塊設計

使用Simulink軟件對阻容反饋型和開關復位型前置放大器輸出核信號仿真模塊分別進行設計，設計的模塊見圖1。所設計模塊具備的功能包括：可以對信號的采樣頻率、測量時間、射線能量等參數進行設置；可在Simulink環境下進行測試并得到的結果。

2 核信號數字濾波器的設計

2.1 梯形濾波成形算法

其中，ta為梯形斜坡時間，D=tb-ta為梯形平頂寬度，W=tc為成形信號寬度。

2.2 濾波器模塊設計

根據梯形濾波成形算法，使用Simulink對梯形濾波器進行設計，該模塊可對梯形成形的參數（包括：斜坡時間、平頂寬度、指數信號時間常數、信號的采樣周期）進行設置。

3 模塊庫的建立及其測試

為了方便管理已創建好的模塊，將創建的核信號仿真模塊和濾波器模塊等加入一個模塊庫組成核儀器系統模塊庫。將兩種核信號仿真模塊和核信號濾波器模塊導入同一庫中，然后即可在該模塊庫中使用這些模塊。

在創建好核儀器系統模塊庫后，對其進行了測試。測試的時候使用阻容反饋型核信號仿真模塊來對核輻射探測器輸出的信號進行模擬，然后使用梯形成形濾波器對該信號進行處理，連好線并設置相關參數即可得到如圖2所示的模型。對該模型進行測試，得到的結果如圖3所示。從圖3的輸出結果可以看出，核信號仿真模塊可根據需要對不同的核輻射探測器輸出的核信號進行模擬并疊加相應的噪聲，該信號經梯形濾波器處理后可得到一平頂寬度和脈沖寬度均可調的等腰梯形。

4 結語

本文基于數字信號處理技術，在MATLAB/Simulink平臺上設計并實現了核信號仿真模塊和濾波成形模塊，并將這些模塊匯總起來創建了一套核儀器系統模塊庫。該模塊庫可應用于數字化核儀器系統性能的研究。

通過測試可知，設計的核信號仿真模塊可根據需要對不同的核輻射探測器輸出的核信號進行模擬；梯形濾波器模塊可對核信號進行梯形成形，且成形脈沖的平頂寬度和脈沖寬度可根據系統要求進行調整。創建的核儀器系統模型，與實際情況符合較好，模塊庫的創建在很大程度上方便了研究人員對新模塊的管理和設計，從而為研究核儀器系統提供一種嶄新的工具。

[參考文獻]

[1]賴萬昌，葛良全.新型便攜式微機多道能譜儀的研制[J].核電子學與探測技術，2004（1）：37-39.

[2]AAGEA H K，KORSBECHA U，BARGHOLZ K，et al.A new technique for processing airborne gamma ray spectrometry data for mapping low level contaminations[J].Applied Radiation and Isotopes，1999（51）：651- 662.

[3]黃永安，馬路，劉慧敏.MATLAB7.0/Simulink6.U建模仿真開發與高級工程應用[M].北京：清華大學出版社，2005.

[4] 王宏波.核信號數字濾波成形算法仿真研究[D].成都：四川大學，2005.

[5] 楊彬，顏擁軍，周劍良.核信號數字濾波成形算法仿真研究[J].核技術，2010（1）：113-118.

（編輯 王永超）

Implementation of acquisition and processing system for nuclear signal based on Simulink

Qin Guoxiu， Pan Liangliang， Guan Baiyao， Li Fan

（Shenyang Institute of Engineering， Shenyang 110136， China）

Abstract：Traditional analog circuits are affected by many factors when they process and transmit signals. In order to study the characteristics and analysis methods of nuclear signal， this paper studies the implementation of acquisition and processing system for nuclear signal based on MATLAB/Simulink software， and a series of nuclear signal processing modules were designed and tested. The results show that the designed nuclear signal simulation module and nuclear signal trapezoidal shaping module can realize nuclear signal simulation and filter and pulse shaping.

Key words：nuclear signal； digital filter； simulation； trapezoidal shaping