Формирование сигналов с высоким временным разрешением icon

Формирование сигналов с высоким временным разрешением



НазваниеФормирование сигналов с высоким временным разрешением
Дата конвертации10.08.2012
Размер111.34 Kb.
ТипРешение




Формирование сигналов с высоким временным разрешением

на выходе детекторов излучения.

При использовании детекторов ионизирующего излучения в спектрометрическом режиме измерений формирование сигналов на выходе детекторов выполняется интегрированием заряда, в который трансформируется энергия ионизирующих частиц в процессе поглощения в рабочей среде детектора. Заряд формируется либо непосредственным преобразованием поглощенной энергии (ионизация в газовой среде ГД - газоразрядных детекторов, образование электронно-дырочных пар в ППД - полупроводниковых детекторах), либо с промежуточным преобразованием в энергию световых фотонов с последующим фотоэффектом и умножением заряда в фотоэлектронных умножителях (СД - сцинтилляционные детекторы). Все эти процессы имеют статистический характер с определенным временем преобразования. Максимальное энергетическое разрешение амплитудных измерений сигналов обеспечивается полным сбором зарядов на выходе детекторов, при этом постоянная времени RC интегрирования заряда должна быть больше времени преобразования энергии в рабочей среде детектора.

Для повышения временной разрешающей способности амплитудного анализа выходных сигналов и исключения ошибок измерений при наложении последующих сигналов на спад предыдущих и смещении нулевой линии при высоких скоростях следования сигналов применяются различные способы преобразования формы выходных сигналов детекторов (например, путем многократного дифференцирования и интегрирования) в сигналы более короткой длительности, и специальные схемы быстрого восстановления нулевой линии. Хорошие возможности для этих целей предоставляют дискретные формирующие фильтры сигналов (ФФС).

Допустим, что необходимо превратить выходной сигнал детектора y(t) в короткий и удобный для измерения амплитудных значений сигнал z(t). Это можно выполнить операций свертки:

z(t) = h(t) * y(t), (1)

для чего требуется вычислить соответствующий оператор преобразования h(t). Переведем левую и правую часть выражения (1) в спектральную область:

Z(f) = H(f)·Y(f). (2)

Отсюда, частотная характеристика и функция требуемого оператора свертки определяются выражениями:

H(f) = Z(f) / Y(f). (3)

H(f)  h(t). (4)

Возможность реализации формирования нового сигнала определяется устойчивостью решения уравнения (3) и зависит от частотных характеристик сигналов y(t) и z(t). К числу обязательных условий реализации следует отнести отсутствие полюсов функции Y(f) и более быстрое затухание функции Z(f)по сравнению с функцией Y(f). В качестве сигнала z(t) целесообразно задавать функцию Гаусса такой ширины (на половине своей высоты), частотная характеристика которой Z(f) по своей основной значимой части соизмерима с основной значимой частью частотной характеристики сигнала Y(f). Чем меньше ширина функции Гаусса, тем лучше будет выполняться сжатие сигнала.
Следует учитывать, что при чрезмерном сжатии сигнала z(t) и, соответственно, увеличении его высокочастотных составляющих, оператору h(t) приходится осуществлять существенный подъем высокочастотных составляющих сигнала y(t), что приводит к увеличению коэффициента усиления фильтром дисперсии помех. Для точного измерения амплитуд сигналов в присутствии шумов коэффициент усиления дисперсии помех должен быть как можно меньше (допустимое предельное значение должно быть не больше 1).

Формирующий фильтр является линейной системой и для нее действителен принцип суперпозиции: реакция системы на последовательные сигналы равна сумме реакций на каждый сигнал в отдельности. При наложении на интегрирующей емкости входа фильтра двух последовательных сигналов (фронта последующего сигнала на спад предыдущего) амплитудные значения сигналов, сформированные на выходе фильтра, будут пропорциональны зарядным импульсам на выходе ФЭУ, если во время формирования вершины амплитудного значения второго сигнала фильтр выходит на формирование нулевой линии по первому сигналу. Время выхода ФФС на формирование нулевой линии (от начала фронта входного сигнала) будет определять временное разрешение амплитудного анализа, при этом погрешность измерения амплитуды второго сигнала (в абсолютных значениях) будет определяться абсолютным значением сформированной нулевой линии. Отметим также, что в силу линейности фильтра и принципа суперпозиции зарядов на интегрирующей емкости, в любой текущей временной точке оператор фильтра реагирует на разряд интегрирующей емкости, как на сумму разрядов от всех предыдущих импульсов. И если по разряду одного импульса система точно настроена на нулевую линию, то и на разряд от суммы любого количества предыдущих импульсов независимо от времени их регистрации также действует принцип суперпозиции и нулевая линия не должна зависеть от частотной загрузки по входу фильтра. Это принципиальное для ФФС положение.

Для оценки технических характеристик формирующего фильтра рассмотрим пример его реализации для формирования сигналов на выходе сцинтилляционных детекторов. Время преобразования СД определяется постоянной высвечивания сцинтиллятора  при экспоненциальном характере выхода фотонов, и значение RC должно быть как минимум в 4-5 раз больше , что может существенно ограничивать временную разрешающую способность измерений.

Форма выходного сигнала СД в первом приближении (без учета всех остальных процессов, если их длительность много меньше постоянной высвечивания сцинтиллятора) соответствует выражению:

y(t) = exp(-t/) - exp(-t/RC). (5)





Рис. 1. Форма сигналов входа и выхода ФФС
На рис. 1 приведена начальная часть формы сигнала y(t) для СД со сцинтиллятором NaI(Tl) при постоянной времени высвечивания =0.3 мкс и постоянной интегрирования заряда на выходе ФЭУ RC=2 мкс. На этом же рисунке приводятся два варианта задания формы сигналов на выходе ФФС: z1(t) – гауссиан с шириной 0.5 мкс на половине амплитудного значения, z2(t) – сумма двух гауссианов z1(t) со сдвигом второго относительно первого на величину порядка 0.4 мкс, при этом на выходном сигнале формируется плоский минимум, что удобно для проектирования последующих схем аналого-цифрового преобразования амплитудных значений сигналов. С учетом каузальности работы формирующих фильтров выходные сигналы должен задаваться за пределами фронта сигнала y(t), а экстремумы сигналов – за пределами экстремума входного сигнала.




Рис. 2. Нормированные модули спектров сигналов.
Основная информация сигнала заключена в его фронте и в спектральной области формирует высокочастотные составляющие сигнала. На рис. 2 приведены модули спектров Y(f), Z1(f), Z2(f) сигналов y(t), z1(t),z2(t) и частотные передаточные функции операторов фильтров H1(f)= Z1(f)/Y(f) и H2(f)= Z2(f)/Y(f). Для наглядного представления их формы все модули нормированы к 1 по максимальным значениям. Как видно по спектрам, их значимая информационная часть чуть больше 3 МГц. Для исключения появления шумовых выбросов отношения Z(t)/Y(t) при значениях, стремящихся к нулю, спектр за пределами значимой части должен обнуляться какой-либо весовой функцией p(t), равной 1 в пределах значимой части спектра и достаточно плавно обнуляющей функцию Н(f) за ее границами (вставка "а" области границы в увеличенном масштабе значений функций за исключением p(f)).




Рис. 3. Операторы формирующего фильтра.
Обратным преобразованием Фурье функций H1(f) и H2(f) вычисляются операторы фильтров h1(t) и h2(t), плотность значений которых, нормированная на 0.1 мкс, в пределах своей основной значимой части приведена на рис. 3 (сплошная и пунктирная линии). Оператор фильтра является конечным и достаточно быстро затухает.

В принципе, по заданной частотной характеристике H(f) может быть синтезирован аналоговый рекурсивный фильтр, но точная настройка такого фильтра, и тем более подстройка его под конкретные параметры детектора, будет представлять собой достаточно трудоемкую операцию. Больше возможностей в этом отношении представляют дискретные методы преобразования сигналов.

При предельных высокочастотных составляющих сигнала порядка 3 МГц частота Найквиста fN дискретизированных данных и оператора ФФС может быть принята равной 5 МГц, что определяет интервал дискретизации t = 1/2fN = 0.1 мкс. Крупными точками на рис. 3 приведены соответствующие значения дискретных операторов h1(kt) и h2(kt), вычисленные обратным преобразованием Фурье по функциям H1(f) и H2(f) при t=0.1 мкс. Ограничение размеров дискретных операторов определяется допустимой погрешностью реконструкции заданной формы сигналов и точностью формирования нулевой линии при заданном временном разрешении.




Рис. 4. Выходные сигналы ФФС.
Реконструкция проверяется сверткой операторов с сигналом y(t). На рис. 4 приведены формы сигналов z1r(t) и z2r(t), реконструированные на выходе ФФС дискретными операторами h1(kt) и h2(kt) размером M = 20 точек (окно 2 мкс). Операторы имеют коэффициенты передачи постоянной составляющей входных сигналов Кпс соответственно 0.19 и 0.3, и коэффициенты усиления дисперсии шумов 0.85 и 0.48. На рисунке приведены также погрешности реконструкции сигналов z1(t)=z1r(t)-z1(t) иz2(t)=z2r(t)-z2(t). Погрешность в пределах длительности выходных сигналов особого значения не имеет. При амплитудных измерениях она относится к числу систематических, постоянна по относительному значению и учитывается при амплитудном градуировании или при последующем усилении сигналов. Гораздо большее значение имеет быстрое и точное восстановление нулевой линии после формирования выходного сигнала, которое определяет временную разрешающую способность измерений и погрешность измерения амплитуды последующего сигнала, наложенного на разряд интегрирующей емкости от предыдущего. Условие формирования точной нулевой линии определяется выражением:

exp(-m·t/RC)·h((M-m)t) = 0, (6)

т.е. нулевым значением выходного сигнала, когда окно оператора переходит в зону разряда интегрирующей емкости за пределами зарядного тока (t > 6). Компенсация погрешностей, возникающих за счет усечения спектров и ограничения размеров самого оператора, может проводиться коррекцией последнего члена оператора, значение которого из (6) должно быть равно:

h(M·t) = -exp(-m·t/RC)·h((M-m)t). (7)

Аналогично, по условию равенства 1 в точке формирования амплитуды выходного сигнала, коррекцией значения первого члена оператора может настраиваться точное соотношение 1:1 амплитуд входных и выходного сигналов (проводится перед выполнением коррекции (7)). Реконструкция сигналов, приведенная на рис. 4, выполнена оператором с коррекцией первого и последнего членов и обеспечила временное разрешение измерений 5 мкс при точности амплитудных измерений 0.1%, при этом точность амплитудных измерений определяется не точностью формирования и удержания нулевой линии, а статистическими флюктуациями решетки дискретизации по форме сигнала. Влияние этого фактора уменьшается при уменьшении шага дискретизации сигнала.

Заметим одну особенность формирующего фильтра. Коэффициент Кпс усиления фильтром постоянной составляющей уменьшается при увеличении RC (в пределе, Кпс  0 при RC  ). Увеличение RC до 100 и более значений  позволяет без изменения разрешающей временной способности фильтра практически полностью исключить на формирование амплитуды выходных сигналов влияние изменения значения RC и снизить на порядок влияние изменения значения  при воздействии на аппаратуру и детектор временных, температурных и прочих дестабилизирующих факторов.

Исполнение ФФС возможно как в варианте типового цифрового фильтра дискретизируемых сигналов, так и в варианте обработки аналоговых сигналов в реальном масштабе времени с использованием линии задержки (ЛЗ). В последнем варианте используется техника обработки сигнала в скользящем временном окне решетки дискретизации. Пример функциональной схемы аналогового ФФС приведен на рис. 5.




Рис. 5. Функциональная схема аналогового ФФС.
Схема выполнена с шагом дискретизации оператора ФФС 0.2 мкс на минимальную частоту 2.5 МГц значимой части спектра сигналов со сцинтиллятором NaI(Tl). Вход на ФФС - токовый через согласующее сопротивление с линией задержки непосредственно с анода ФЭУ. Величина интегрирующей емкости на выходе ФЭУ подбиралась под постоянную интегрирования 13 мкс. Токовый вход имеет минимальное количество температурозависимых элементов и позволяет использовать ФЭУ в режиме с большими коэффициентами усиления, что позволяет получать максимально возможное энергетическое разрешение регистрируемого спектра сигналов. В принципе, на вход ФФС могут подаваться сигналы и с предварительных согласующих усилителей, при этом для расчета коэффициентов ФФС (резисторов R1-R11) может использоваться задание фактической формы сигналов на входе ФФС. Расчетный выходной сигнал ФФС задавался в виде суммы двух гауссианов с шириной на половине максимума 0.8 мкс со сдвигом вершины первого на 1 мкс от начала фронта входного сигнала и сдвигом второго гауссиана на 0.65 мкс относительно первого, что формирует практически плоскую вершину сигнала порядка 0.15 мкс. Коэффициент передачи ФФС постоянной составляющей входного сигнала при этом составил 0.1, коэффициент усиления дисперсии шумов 0.65.

Дискретные отсчеты сигнала снимается с ЛЗ через резисторы R1-R11. Значения резисторов обратно пропорциональны весовым коэффициентам оператора ФФС, а соответственно токи через резисторы будут пропорциональны значениям весовых коэффициентов ТФС.

Суммирование токов производится на инвертирующих входах двух операционных усилителей ОУ в соответствии со знаками весовых коэффициентов. На входе ОУ1 суммируются токи с положительными весовыми коэффициентами, формирующими фронты выходных сигналов, на входе ОУ2 – с отрицательными весовыми коэффициентами, формирующими срезы выходных сигналов. Суммы этих двух групп токов (назовем их условно плюс- и минус-токами), протекающие через равные по величине резисторы R12 и R14 (сколько тока приходит на инверсный вход ОУ от ЛЗ, столько и уходит через эти резисторы обратной связи ОУ), в каждый текущий момент времени дают напряжения на выходах ОУ, пропорциональные суммам напряжений на соответствующих выводах ЛЗ, умноженным на весовые коэффициенты ФФС. Для инверсии знака минус-тока при общем суммировании, инверсный по напряжению сигнал с выхода ОУ2 через резистор R13, значение которого должно быть равно значению резистора R14, подается на вход суммирования токов ОУ1. Тем самым напряжение на выходе ОУ1 в каждый текущий момент времени пропорционально сумме всех напряжений на выводах ЛЗ с учетом знака весовых коэффициентов ФФС.

Конкретная схема подключения ОУ в схеме зависит от их типа. Для исключения влияния токоотводов на форму сигналов при их прохождении в ЛЗ значения резисторов R1-R11 должны быть существенно больше волнового сопротивления линии (минимум в 50 и более раз). Значения резисторов R12-R14 устанавливаются с учетом требуемого коэффициента усиления выходных сигналов. Для точного вывода ФФС на нулевую линию служит переменный резистор, включенный последовательно с резистором R11.

При реализации схемы соответствие значения RC расчетному устанавливалось с точностью 1% подбором значения интегрирующей емкости, значения резисторов R1-R11 соответствовали расчетным с точностью не ниже 1%, равенство значений резисторов R12-R14 выдерживалось с точностью не менее 0.2%. Результаты моделирования схемы показали ее практически полное соответствие расчетным данным при временном разрешении порядка 5 мкс.

Попутно заметим, что коэффициент усиления постоянной составляющей оператора ФФС можно установить практически равным нулю при задании двуполярного выходного сигнала (второй сдвинутый гауссовский импульс задать противоположной полярности первому), а также задавать в составе выходного сигнала (перед ним или после него) формирование (для последующих схем) специальных импульсов управления амплитудным преобразованием (измерением) выходного сигнала, с различием от основного информационного сигнала по полярности.

По аналогичной методике может выполняться синтез фильтров формирования сигналов и для других типов детекторов ионизирующего излучения.

Ó Давыдов А.В. 2005.




Похожие:

Формирование сигналов с высоким временным разрешением iconТема пространство и метрология сигналов физическая величина более точно определяется уравнением, чем измерением
Пространство сигналов. Множества сигналов. Линейное пространство сигналов. Норма сигналов. Метрика сигналов. Скалярное произведение...
Формирование сигналов с высоким временным разрешением iconВейвлетные преобразования сигналов
Удаление шума и сжатие одномерных и двумерных сигналов. Параметры удаления шумов и сжатия сигналов. Изменение вейвлет-коэффициентов....
Формирование сигналов с высоким временным разрешением icon"Формирование школы "Формирование школы
«Дифференцированное обучение, формирование познавательного интереса учащихся к предмету в условиях модернизации образования и экологического...
Формирование сигналов с высоким временным разрешением iconВадим Анатольевич Давыдов
На примерах обработки геофизических данных показано, что модовая декомпозиция сигналов обеспечивает устойчивую адаптивную очистку...
Формирование сигналов с высоким временным разрешением iconЦифровая обработка сигналов
Цифровая обработка сигналов: микропроцессоры, платы, средства разработки, программное обеспечение 11
Формирование сигналов с высоким временным разрешением iconЦифровая обработка сигналов
Цифровая обработка сигналов: микропроцессоры, платы, средства разработки, программное обеспечение 11
Формирование сигналов с высоким временным разрешением iconДокументы
1. /Шишов Ю.А. Многоканальная радиолокация с временным разделением каналов. 1987.djvu
Формирование сигналов с высоким временным разрешением iconРеферат на тему: Ортогональное частотное разделение каналов с мультиплексированием Студент 4 курса 5 группы Дейниченко Андрей
Следовательно, в точке приема результирующий сигнал представляет собой суперпозицию (интерференцию) многих сигналов, имеющих различные...
Формирование сигналов с высоким временным разрешением iconМуниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Коммунарская средняя общеобразовательная школа №1»
...
Формирование сигналов с высоким временным разрешением icon«Загляните в мамины глаза»
...
Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©podelise.ru 2000-2014
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Документы

Разработка сайта — Веб студия Адаманов