基于Simulink的核信號(hào)獲取與處理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

覃國(guó)秀 潘靚亮 關(guān)百堯 李凡

摘 要：傳統(tǒng)的模擬電路在處理和傳輸信號(hào)時(shí)，會(huì)受到多方面因素的影響而使信號(hào)失真。為了研究核信號(hào)的特點(diǎn)及分析方法，文章基于MATLAB/Simulink軟件對(duì)核信號(hào)獲取與處理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一些核信號(hào)處理模塊，并對(duì)這些模塊進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)的核信號(hào)處理模塊基本實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的功能。基于Simulink軟件的核信號(hào)獲取與處理系統(tǒng)的創(chuàng)建為核信息獲取和處理提供了一種嶄新的思路。

關(guān)鍵詞：核信號(hào)；數(shù)字濾波器；仿真；梯形成形

基金項(xiàng)目：沈陽市科技計(jì)劃項(xiàng)目；項(xiàng)目名稱：無人機(jī)航空γ能譜測(cè)量技術(shù)應(yīng)用研究；項(xiàng)目編號(hào)：20-206-4-03。

0 引言

核技術(shù)作為一種前沿技術(shù)，在許多領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用。核信息采集和處理是核技術(shù)領(lǐng)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(xué)計(jì)算工具在數(shù)值計(jì)算和模擬仿真領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[3]。傳統(tǒng)核儀器系統(tǒng)在處理信號(hào)過程中容易受到外界干擾，數(shù)字化作為核儀器的一個(gè)發(fā)展方向越來越受到關(guān)注。基于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，本文提出了基于Simulink的數(shù)字化核信號(hào)發(fā)生器及濾波器的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了一些核信號(hào)處理模塊，并對(duì)這些模塊進(jìn)行測(cè)試。

1 核信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

1.1 核信號(hào)仿真算法

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

根據(jù)核信號(hào)的波形形狀、時(shí)間分布、幅度分布的特征和噪聲特性，可通過相應(yīng)的函數(shù)表達(dá)式對(duì)其進(jìn)行數(shù)值建模和仿真。

1.2 核信號(hào)仿真模塊設(shè)計(jì)

使用Simulink軟件對(duì)阻容反饋型和開關(guān)復(fù)位型前置放大器輸出核信號(hào)仿真模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的模塊見圖1。所設(shè)計(jì)模塊具備的功能包括：可以對(duì)信號(hào)的采樣頻率、測(cè)量時(shí)間、射線能量等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；可在Simulink環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試并得到的結(jié)果。

2 核信號(hào)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)

2.1 梯形濾波成形算法

其中，ta為梯形斜坡時(shí)間，D=tb-ta為梯形平頂寬度，W=tc為成形信號(hào)寬度。

2.2 濾波器模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)梯形濾波成形算法，使用Simulink對(duì)梯形濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)，該模塊可對(duì)梯形成形的參數(shù)（包括：斜坡時(shí)間、平頂寬度、指數(shù)信號(hào)時(shí)間常數(shù)、信號(hào)的采樣周期）進(jìn)行設(shè)置。

3 模塊庫(kù)的建立及其測(cè)試

為了方便管理已創(chuàng)建好的模塊，將創(chuàng)建的核信號(hào)仿真模塊和濾波器模塊等加入一個(gè)模塊庫(kù)組成核儀器系統(tǒng)模塊庫(kù)。將兩種核信號(hào)仿真模塊和核信號(hào)濾波器模塊導(dǎo)入同一庫(kù)中，然后即可在該模塊庫(kù)中使用這些模塊。

在創(chuàng)建好核儀器系統(tǒng)模塊庫(kù)后，對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試的時(shí)候使用阻容反饋型核信號(hào)仿真模塊來對(duì)核輻射探測(cè)器輸出的信號(hào)進(jìn)行模擬，然后使用梯形成形濾波器對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理，連好線并設(shè)置相關(guān)參數(shù)即可得到如圖2所示的模型。對(duì)該模型進(jìn)行測(cè)試，得到的結(jié)果如圖3所示。從圖3的輸出結(jié)果可以看出，核信號(hào)仿真模塊可根據(jù)需要對(duì)不同的核輻射探測(cè)器輸出的核信號(hào)進(jìn)行模擬并疊加相應(yīng)的噪聲，該信號(hào)經(jīng)梯形濾波器處理后可得到一平頂寬度和脈沖寬度均可調(diào)的等腰梯形。

4 結(jié)語

本文基于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，在MATLAB/Simulink平臺(tái)上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了核信號(hào)仿真模塊和濾波成形模塊，并將這些模塊匯總起來創(chuàng)建了一套核儀器系統(tǒng)模塊庫(kù)。該模塊庫(kù)可應(yīng)用于數(shù)字化核儀器系統(tǒng)性能的研究。

通過測(cè)試可知，設(shè)計(jì)的核信號(hào)仿真模塊可根據(jù)需要對(duì)不同的核輻射探測(cè)器輸出的核信號(hào)進(jìn)行模擬；梯形濾波器模塊可對(duì)核信號(hào)進(jìn)行梯形成形，且成形脈沖的平頂寬度和脈沖寬度可根據(jù)系統(tǒng)要求進(jìn)行調(diào)整。創(chuàng)建的核儀器系統(tǒng)模型，與實(shí)際情況符合較好，模塊庫(kù)的創(chuàng)建在很大程度上方便了研究人員對(duì)新模塊的管理和設(shè)計(jì)，從而為研究核儀器系統(tǒng)提供一種嶄新的工具。

[參考文獻(xiàn)]

[1]賴萬昌，葛良全.新型便攜式微機(jī)多道能譜儀的研制[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，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(fā)與高級(jí)工程應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[4] 王宏波.核信號(hào)數(shù)字濾波成形算法仿真研究[D].成都：四川大學(xué)，2005.

[5] 楊彬，顏擁軍，周劍良.核信號(hào)數(shù)字濾波成形算法仿真研究[J].核技術(shù)，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