第３５卷第４期 核电子学与探测技术 Ｖ０１．３５ Ｎｏ．４ ２０１５年４月 Ｎｕｃｌｅａｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＆Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａｐｒ． ２０１５ 核脉冲信号数字化梯形滤波仿真与测试 凡小红 ，庹先国２ ，王磊 ，刘福至 ，张海薇 （１．成都理工大学核技术及自动化工程学院，成都６１００５９；２．西南科技大学，绵阳６２１０１０； ３．地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都６１００５９） 摘要：为了提高数字 谱仪的能谱分辨率，研究了梯形成形滤波算法。在ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ开发 环境下，采用系统模型开发工具Ｓｙｓｔｅｍ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ，完成了核脉冲信号数字化梯形滤波算法的建模，并采 用Ｘｉｌｉｎｘ公司的ＩＳＥ开发工具对系统模型自动生成硬件代码（ＨＤＬ代码）和硬件测试代码进行硬件仿 真，验证了硬件代码其正确性。该方法大大简化了ＦＰＧＡ的开发流程，降低了ＦＰＧＡ的开发难度。 关键词：梯形成形；数字滤波；ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ；Ｓｙｓｔｅｍ Ｇｅｒａｔｏｒ；ＦＰＧＡ 中图分类号：ＴＮ ９１１．７ 文献标志码：Ａ 文章编号：０２５８－０９３４（２０１５）０４－０３７３－０５ 按照核信号处理系统的不同，核谱仪可分 仪对数字核脉冲信号的处理最为关键。梯形滤 为模拟核谱仪和数字核谱仪。模拟核谱仪采用 波算法是数字化核信号滤波成形的常用方法， 搭建硬件电路来实现核信号放大成形、基线恢 减少弹道亏损和脉冲堆积，以及减小基线漂移 复、堆积判弃和脉冲信号峰值采样保持等功能。 的影响，改进系统性能。ＦＰＧＡ具备集成度高、 数字核谱仪以高速ＡＤＣ为核心，探测器输出的 逻辑实现能力强、设计灵活性更好等特点；同时 核脉冲信号经过简单的信号调理电路，通过高 具有并行运算、速度快，功耗低；满足高速ＡＤ 速ＡＤＣ的信号直接采样，采用ＦＰＧＡ、ＤＳＰ等高 的采集要求，并且采用ＦＰＧＡ实现核脉冲信号 速的数字信号处理器件对数字信号进行分析处 的数字信号处理算法，能够减轻处理器运算负 理…。模拟核谱仪与数字核谱仪对比分析，模 担，消除系统的测量死时间 Ｊ。 拟核谱仪由于受到硬件电路有限的处理能力， 本项目选用Ｘｉｌｉｎｘ公司的Ｓｐａｒｔａｎ３Ｅ系列 从而达不到最佳滤波的要求，脉冲通过率低，并 ｘｅ３ｓ５ＯＯｅ作为主控芯片，实现核脉冲信号的数 且在工作稳定性、测量一致性和参数通用性等 字处理算法。Ｘｉｌｉｎｘ公司推出了系统级建模工 方面，存在诸多的不足。相比之下，数字核谱仪 具Ｓｙｓｔｅｍ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ，是基于ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 具有滤波成形能力强，较高的能量分辨率，处理 开发环境，应用于算法开发和验证，该工具的最 速度快，脉冲通过率高等诸多优点。数字核谱 大特点是通过Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的图形化界面进行建 模、系统级仿真，自动编译生成ＨＤＬ代码【３Ｊ。 收稿日期：２０１５—０１—２７ １梯形滤波算法 基金项目：国家自然基金（４１１０４１１８）；四川科技计划 项目（２０１４ＳＺ００６６）；成都科技计划项目 数字核谱仪通过核辐射探测器（探测器半 （２０１３ＣＨＭ０５０）资助。 导、体探测器和闪烁体探测器等）将核辐射信 作者简介：凡小红（１９８７一），女，四川南充人，在读研 息转换成电压脉冲信号，产生幅度不同、波形相 究生，主要从事核技术工程研究。通讯作者：王磊，Ｅ 似、脉冲随机分布的核脉冲信号。其核脉冲信 —ｍａｉｌ：ｗｌ＠ｅｄｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ。 号呈现脉冲波形上升时间短，下降时间较慢，按 ３７３ 指数衰减特性下降，顶部尖锐等特征 Ｊ。将 Ｔｓ为采样周期。 探测器输出信号经过信号调理电路，进行ＡＤＣ 数字采样，若ＡＤＣ采用直接采样，将会受到现 假设单指数信号Ｖｉ＝Ｖｍｅ ，ｒ为时间常 有ＡＤＣ采样频率的限制和电路噪声的影响，可 能导致没有采集到核信号波形的最大幅度值， 造成数字化波形的幅度小于量化前波形幅度， 形成幅度亏损，而脉冲信号的梯形成形算法可 以弥补上述直接数字采样方法不足。 数字滤波梯形成形技术是将衰减指数核脉 冲信号成形为同幅度的等腰梯形脉冲，一个理 想的梯形成形脉冲如图１所示。 数，进行ｚ变换得到ｖｉ（ｚ）：Ｖｍ×■ ｚ—Ｃ ，令 ｄ＝ｅ－Ｍ，则单指数信号梯形成形滤波器的系 统函数为： ）＝ ＝ 曼： （！＝兰：：：）（ 二兰：：！）（ 二 兰：： （３）１７， ×（１—２ｚ一’＋ 一 ） 依据式（３）得到梯形成形算法级联实现方 式逻辑图，如图２所示： ｒ １ ｒ Ｊ ’２ ’ ｌ 图２梯形算法逻辑图 ２模型建立与分析 图１梯形脉冲 其高为 ，上升沿为ｔ。，底边宽ｔ。，平顶宽 度Ｄ＝ｔ６一ｔ。；可采用分段函数将其表示为式 （１）。 根据图２中梯形算法的逻辑，在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 开发环境下，搭建梯形滤波算法系统模型如图 ３所示，系统模型主要由以下几个模块组成。 Ｖｏ（ｔ）＝∑Ｙｉ（￡） （１） 式中：Ｙｌ（ｔ）＝ × × （￡）；Ｙ２（ｆ）＝一Ｙ１（￡ 一Ｆｒｏｍ ｗｏｒｋｓｐａｃｅ模块：从Ｍａｔｌａｂ工作空间里读 取仿真数据源；Ａｄｄｓｕｂ模块：用于实现加法或 减法运算；Ｄｅｌａｙ模块：用于延时，延迟时钟周期 的整数倍；Ｃｍｕｌｔ：常数乘法模块，输人数据乘以 常数；Ｓｃａｌｅ模块：用于对输人数据乘以２的指 数，实现二进制小数的移位；Ｓｃｏｐｅ模块：示波 ｔ。）；），３（ｔ）＝一Ｙｌ（ｔ—ｔ６）；Ｙ４＝Ｙ１（ｔ—ｔ ）。将 ｙ１一ｙ４带入（１）式，并对此分段函数的单边ｚ 变换，可得： Ｖｏ（ Ｖｍ×毫 ２ｎ。× ｌ一 ‘ｚ ＋ （２） 器显示，二维坐标显示，纵坐标表示时间轴，横 坐标表示信号强度 Ｊ。在Ｍａｄａｂ中编写后缀 名为．ｍ文件，产生二维测试向量，加载到Ｓｉｍ． ｕｌｉｎｋ的Ｆｒｏｍ ｗｏｒｋｓｐａｃｅ模块，作为系统的输人 信号。 式中： ＝ ＝ ＝ ｔｃ； 。＜ｎｂ＜ｒｉｂ； 图３梯形成形的Ｓｙｓｔｅｍ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ模型化设计 ３７４ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｐｕｌｓｅ Ｓｉｇｎａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｐｅｚｏｉｄａｌ Ｓｈａｐｉｎｇ Ｆｉｌｔｅｒ ＦＡＮ Ｘｉａｏ—ｈｏｎｇ ，ＴＵＯ Ｘｉａｎ—ｇｕｏ ，ＷＡＮＧ Ｌｅｉ ，ＬＩＵ Ｆｕ—ｚｈｉ ，ＺＨＡＮＧ Ｈａｉ—ｗｅｉ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｅｎｇｄｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｄｏｇｙ， Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００５９，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍｉａｎｙａｎｇ ６２１０１０，Ｃｈｉｎａ； ３．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｇｅｏｈａｚａｒｄ Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ Ｇｅｏｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ， （Ｃｈｅｎｇｄｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ），Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００５９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｄｉｓｔｉｎｇｕｉｓｈａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｓｐｅｃｔｎｕｎ，ｗｅ ｓｔｕｄｙ ａ ｔｒａｐｅｚｏｉｄａｌ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａ１．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｈｅ ＭＡＴＬＡＢ ｏｒ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｏｏｌ ｏｆ Ｓｙｓｔｅｍ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ａ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｔｒａｐｅｚｏｉｄａｌ ｓｉｎｇａ１．Ａｎｄ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｍｅ ｔｏ ＨＤＬ ｃｏｄｅ ａｎｄ ｈａｒｄｗａｒｅ ｔｅｓｔ ｃｏｄｅ．Ｉｎ ｈｔｅ ｅｎｄ，ｗｅ ａｄｏｐｔｅｄ ＩＳＥ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｆ ｃｏｍｐａｎｙ ｔｏ ｔｅｓｔ ｔｈｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｏｆ ＨＤＬ ｈａｒｄｗａｒｅ ｃｏｄｅ．Ｂｙ ｔｈｉｓ，ｗｅ ｃａｎ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｄｉｆｉｆｃｕｌｔｙ ｉｎ ｔｈｅ ＦＰＧＡ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｃｙｃｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｒａｐｅｚｏｉｄａｌ ｓｈａｐｉｎｇ；ｄｉｉｇｔａｌ ｉｆｌｔｅｒｉｎｇ；Ｓｙｓｔｅｍ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ；ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ；ＦＰＧＡ （上接第３７２页，Ｃｏｎｔｉｎｕｅｄ ｆｒｏｍ ｐａｇｅ ３７２） ［７］Ｚｈａｎｇ Ｈ，Ｍａ Ｊ，Ｗａｎｇ Ｊ，ｅｔ １ａ．Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ ｉｍａｇｅ ｒｅｅｏｎ－ ［９］Ｃｏｒｄｏｎ Ｒ，Ｂｅｎｄｅｒ Ｒ，Ｈｅｒｍａｎ Ｇ Ｔ．Ａｌｇｅｂｒａｉｃ ｒｅｃ０ｎ－ ａｔｒｕｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｌｏｗ—－ｄｏｓｅ ＣＴ ｕｓｉｎｇ ｎｏｎｌｏｃａｌ ｍｅａｎｓ ・ ｓｔｒｕｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ（ＡＲＴ）ｆｏｒｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｅ． ｂａｓｅｄ ｅｒｇｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｚｅｄ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｉｍａ－ １ｅｅｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ａｎｄ Ｘ—ｒａｙ ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ［Ｊ］． ｇｉｎｓ ｎａｄ Ｇｒａｐｈｉｃｓ，２０１４，３８（６）：４２３—４３５． Ｊｏｕｒｎａｌ ｆｏ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ Ｂｉｏｌｏｇｙ，１９７０，２９（３）：４７１— ［８］Ｂｉａｎ Ｚ，Ｍａ Ｊ，Ｈｕａｎｇ Ｊ，ｅｔ ａ１．ＳＲ—ＮＬＭ：ａ ｓｉｎｏｇｒａｍ ４８１． ｅｒｓｔｏｒａｔｉｏｎ ｉｎｄｕｃｅｄ ｎｏｎ—ｌｏｃａｌ ｍｅａｎｓ ｉｍａｇｅ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ［１０］Ａｎｄｅｒｓｅｎ Ａ Ｈ，Ｋａｋ Ａ Ｃ．Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ ａｌｇｅｂｒａｉｃ ｒｅ— ｏｆｒ ｌｏｗ—ｄｏｓｅ ｃｏｍｐｕｔｄｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ－ ｃｏｎｓｔｒｕｃｉｔｏｎ ｔｃｅｈｎｉｑｕｅ（ＳＡＲＴ）：ａ ｓｕｐｅｒｉｏｒ ｉｍｐｌｅｍｅｎ－ ｉｚｅｄ Ｍｅｄｉｃａｌ ＩＩＩＩａｇｉＩＩｇ ａｎｄ Ｇｒａｐｈｉｃｓ，２０１３，３７（４）：２９３ ｔａｆｉｏｎ ｆｏｔｈｅ ＡＲＴ ａｌｇｏｒｉｈｔｍ［Ｊ］．Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｉｍｐｉｎｇ， —３０３． １９８４，６（１）：８１—９４． Ａｎ ＣＴ Ｉｍａｇｅ Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｎｏｎ——Ｌｏｃａｌ Ｍｅａｎｓ Ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ＣＨＥＮ Ｚｉ－ｊｉａ，ＱＩ Ｈｏｎｇ—ｌｉａｎｇ，ＧＵＯ Ｊｉｎｇ—ｙｕ，ＺＨＯＵ Ｌｉｎｇ—ｈｏｎｇ （Ｉｓｎｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，Ｓｃｈｏｏｌ ｆｏ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｏＳｕｔｈｅｍ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０５１５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｈｔｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｓｐａｒｓｅ ａｎｇｕｌａｒ ＣＴ ｉｍａｇｅ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，Ｊ．Ｈｕａｎｇ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ＡＲＴ—ＮＬＭ ａｌｇｏ－ ｒｉｔｈｍ．Ｉｎ ｏｎｅ ｉｔｅｒａｔｉｏｎ，ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ＮＬＭ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｎｏｉｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍａｇｅ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｂｙ ＡＲＴ ａｌｇｏ— ｒｉｔｈｍ．Ｔｈｅ ｎｏｉｓｅ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｉｍａｇｅ ｃａｎ ｂｅ ｓｕｐｐｒｅｓｓｅｄ ｗｅｌｌ，ｂｕｔ ｔｈｅ ｅｄｇｅｓ ａｒｅ ｏＲｅｎ ｏｖｅｒｌｙ ｓｍｏｏｔｈｅｄ． Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｉｓ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｗａｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｗｉｔｈ ａｄａｐｔｉｖｅ ＮＬＭ．Ｉｎ ａｄａｐｔｉｖｅ ＮＬＭ，ａｄａｐｔｉｖｅ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｏｆ ｓｉｍｉｌａｒｉｔｙ ｐａｔｃｈ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｎｏｉｓｅ ａｎｄ ｐｒｅｓｅｒｖｅ ｅｄｇｅｓ ｓｉｍｕｈａｎｅ－ ｏｕｓｌｙ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ Ｓｈｅｐｐ—Ｌｏｇａｎ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｉｍａｇｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ａｎｄ ａｃｈｉｅｖｅｓ ａ ｇｏｏｄ ｂａｌａｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｎｏｉｓｅ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ａｎｄ ｅｄｇｅｓ ｐｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎ，ｃｏｍｐａｒｅｄ ｔｏ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ＡＲＴ—ＮＬｌ ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｐａｒｓｅ ａｎｇｌｅｓ；ＣＴ ｉｍａｇｅ；ｉｔｅｒａｔｉｖｅ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；ｎｏｎｌｏｃａｌ ｍｅａｎｓ；ａｄａｐｔｉｖｅ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ３７７