一种基于FPGA的自适应能谱测量方法及系统

技术领域

本发明涉及核电子学能谱分析技术领域，尤其涉及一种基于FPGA的自适应能谱测量方法及系统。

背景技术

信号的能量谱一直是粒子物理实验中关键的观测数据。当用一定能量的微观粒子作用于试样物质时，入射的微观粒子会与试样物质中的原子发生相互作用，经历各种能量转递的物理效应后，所释放的电信号具有试样物质原子的特征信息，及具有特征能量。通过收集、检测、记录和分析这些特征信号的能量分布，就可以得到样品中原子的信息。能谱分析已经广泛应用于医学、航空航天、核研究等多个领域。

在现有技术中，相关技术通过脉冲谱仪等设备，对探测器中的脉冲信号进行采样，并进行信号处理，得到粒子所包含的能量信息。然而，本申请的发明人在研究中发现，现有设备由于环境噪声、漏电流、温度漂移等多种原因，所采样的脉冲信号会叠加在一条不定值的基线信号上，基线信号的存在会对能谱分析的信号处理的准确性造成一定影响，而现有技术采用复杂的算法消除基线的影响，效率较低，且现有技术在额定采样率下的信号的分辨精度的损失较大，能谱分析设备的适用性不强。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于FPGA的自适应能谱测量方法及系统，能够高效进行基线的恢复已经能量的拟合，改善在额定采样率下的能量分辨精度，提高设备的适用性。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一方面，本申请提供一种基于FPGA的自适应能谱测量方法，包括：

通过不同的数据通道对探测器的脉冲信号进行采样，得到相应的采样数据；

将不同数据通道的采样数据分别进行存储；

对每一所述数据通道的采样数据按照设定的点组划分策略划分为多个点组，并计算每一所述点组中各个采样点的相对位置参数；

根据计算的各个点组的所述相对位置参数，进行基线恢复；

对基线恢复后的所述点组进行能量的拟合，得到拟合的能量值；以及

将拟合后的所述能量值进行上传。

在本申请的一种实现方案中，所述通过不同的数据通道对探测器的脉冲信号进行采样，得到相应的采样数据，包括：

按照采样的信号输入的不同数据通道，将不同数据通道的信号采样点的采样数据贴上对应的标识包头。

在本申请的一种实现方案中，将不同数据通道的采样数据分别进行存储，包括：

根据所述标识包头，将不同数据通道的采样数据分别存储到对应的寄存器数组中。

在本申请的一种实现方案中，所述对每一所述数据通道的采样数据按照设定的点组划分策略划分为多个点组，包括：

对每一寄存器数组中的采样数据，按照设定的两个采样点的步长进行分割，以设定的三个采样点的采样数据形成一个点组，一共形成N个点组，其中N为大于0的自然数。

在本申请的一种实现方案中，所述计算每一所述点组中各个采样点的相对位置参数，包括：

根据每一所述采样点的采样幅度值，计算用来表征三个采样点的曲折程度的参数k，所述参数k为第二采样点到第一采样点和第三采样点连线段的距离，与第一采样点和第三采样段连线段的比值。

在本申请的一种实现方案中，所述计算每一所述点组中各个采样点的相对位置参数，还包括：

根据第一采样点和第三采样点的采样幅度值，计算用来表征三个采样点的陡峭程度的参数t，所述参数t为第三采样点与第一采样点的采样幅度差，与第三采样点与第一采样点之间的采样间隔的比值。

在本申请的一种实现方案中，所述根据计算的各个点组的所述相对位置参数，进行基线恢复，包括：

根据各个连续点组的参数t的相对大小关系，确定基线点组，以及所述基线点组之后的点组。

在本申请的一种实现方案中，所述方法，包括：

设定第一个点组属于基线点组，依次比较各个点组对应的参数t的大小关系，若检测到出现第n个点组t

在本申请的一种实现方案中，所述对基线恢复后的所述点组进行能量的拟合，得到拟合的能量值，包括：

对所述基线点组采用矩形面积积分，得到拟合的能量值；对于基线点组之后的点组，根据参数k采用不同的面积拟合法，当参数k值小于预设阈值m，采用矩形面积积分，而当参数k不小于预设阈值m，采用梯形面积积分。

另一方面，本申请提高一种自适应能谱测量系统，包括：

信号采样模块，用于通过不同的数据通道对探测器的脉冲信号进行采样，得到相应的采样数据；

数据存储模块，用于将不同数据通道的采样数据分别进行存储；

数据处理模块，用于对每一所述数据通道的采样数据按照设定的点组划分策略划分为多个点组，并计算每一所述点组中各个采样点的相对位置参数；根据计算的各个点组的所述相对位置参数，进行基线恢复；以及对基线恢复后的所述点组进行能量的拟合，得到拟合的能量值；

数据传输模块，用于将拟合后的所述能量值进行上传。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明申请方案中提供的基于FPGA的自适应能谱测量方法，通过不同的数据通道对探测器的脉冲信号进行采样，得到相应的采样数据，再将不同数据通道的采样数据分别进行存储，并对每一数据通道的采样数据按照设定的点组划分策略划分为多个点组，并计算每一点组中各个采样点的相对位置参数，根据计算的各个点组的相对位置参数，进行基线恢复，然后对基线恢复后的点组进行能量的拟合，得到拟合的能量值，相比于现有技术，能够高效进行基线的恢复已经能量的拟合，改善在额定采样率下的能量分辨精度，提高设备的适用性。

附图说明

图1是本申请实施例提供的一种基于FPGA的自适应能谱测量方法的流程示意图；

图2是本申请实施例中划分点组的示意图；

图3是本申请实施例中计算点组中的相对位置参数的场景示意图；

图4是本申请实施例中的自适应能谱测量系统的结构示意图；

图5是本申请实施例涉及的计算机设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对现有技术由于环境噪声、漏电流、温度漂移等多种原因，所采样的脉冲信号会叠加在一条不定值的基线信号上，基线信号的存在会对能谱分析的信号处理的准确性造成一定影响，造成现有技术在额定采样率下的信号的分辨精度的损失较大，能谱分析设备的适用性不强的技术问题。本申请实施例的目的在于提供一种基于FPGA的自适应能谱测量方法及系统，其中所述的方法，包括：通过不同的数据通道对探测器的脉冲信号进行采样，得到相应的采样数据；将不同数据通道的采样数据分别进行存储；对每一所述数据通道的采样数据按照设定的点组划分策略划分为多个点组，并计算每一所述点组中各个采样点的相对位置参数；根据计算的各个点组的所述相对位置参数，进行基线恢复；对基线恢复后的所述点组进行能量的拟合，得到拟合的能量值；以及将拟合后的所述能量值进行上传。本申请通过不同的数据通道对探测器的脉冲信号进行采样，得到相应的采样数据，再将不同数据通道的采样数据分别进行存储，并对每一数据通道的采样数据按照设定的点组划分策略划分为多个点组，并计算每一点组中各个采样点的相对位置参数，根据计算的各个点组的相对位置参数，进行基线恢复，然后对基线恢复后的点组进行能量的拟合，得到拟合的能量值，相比于现有技术，能够高效进行基线的恢复已经能量的拟合，改善在额定采样率下的能量分辨精度，提高设备的适用性。

参见图1，为本申请实施例提供的一种基于FPGA的自适应能谱测量方法的流程示意图。

本申请实施例提供的基于FPGA的自适应能谱测量方法，其流程，包括：

S11，通过不同的数据通道对探测器的脉冲信号进行采样，得到相应的采样数据；

S12，将不同数据通道的采样数据分别进行存储；

S13，对每一所述数据通道的采样数据按照设定的点组划分策略划分为多个点组，并计算每一所述点组中各个采样点的相对位置参数；

S14，根据计算的各个点组的所述相对位置参数，进行基线恢复；

S15，对基线恢复后的所述点组进行能量的拟合，得到拟合的能量值；

S16，将拟合后的各通道能量值进行上传。

本申请实施例提供的基于FPGA的自适应能谱测量方法，通过不同的数据通道对探测器的脉冲信号进行采样，得到相应的采样数据，再将不同数据通道的采样数据分别进行存储，并对每一数据通道的采样数据按照设定的点组划分策略划分为多个点组，并计算每一点组中各个采样点的相对位置参数，根据计算的各个点组的相对位置参数，进行基线恢复，然后对基线恢复后的点组进行能量的拟合，得到拟合的能量值，相比于现有技术，能够高效进行基线的恢复已经能量的拟合，改善在额定采样率下的能量分辨精度，提高设备的适用性。

下面结合更多的附图，在本发明的一些更为详细的实施例中说明上述流程S11-S16，说明其具体执行过程，并阐述其技术优点。

本申请实施例中的一种基于FPGA的自适应能谱测量方法，包括：

S11，通过不同的数据通道对探测器的脉冲信号进行采样，得到相应的采样数据。

具体的，按照采样的信号输入的不同数据通道，将不同数据通道的信号采样点的采样数据贴上对应的标识包头。例如，当多通道的ADC采样模块接收到采样信号值时，将来自不同通道的信号采样值打上一个标识包头，譬如1通道的所有信号点都打上一个01的包头，2通道的所有信号点都打上一个02的包头，依次类推，后续模块通过识别包头信号，可以快速地判识别该信号点来自于哪一个采样通道，以便于后续进行数据的跨时钟域传输和数组的分类。

S12，将不同数据通道的采样数据分别进行存储。

具体的，在本申请实施例中，可以根据所述标识包头，将不同数据通道的采样数据分别存储到对应的寄存器数组中。

具体的，根据之前对于各个通道的采样信号的标识包头，进行存储以及跨时钟域的数据传输，在采样模块的时钟域下，将不同采样通道的信号值根据标识包头存放于不同的fifo存储阵列中，当fifo非空时，在数据处理模块的时钟域下，将存储的数据扇出给后续模块，以进行后续模块信号能量的计算。该步骤完成了数据跨时钟域的转换，以采样频率存储数据，以更高频的数据处理模块频率扇出数据，通过跨时钟域设计，可以提高系统整体的处理运算速度。

S13，对每一所述数据通道的采样数据按照设定的点组划分策略划分为多个点组，并计算每一所述点组中各个采样点的相对位置参数。

具体的，对每一寄存器数组中的采样数据，按照设定的两个采样点的步长进行滑动分割，以设定的三个采样点的采样数据形成一个点组，一共形成N个点组，其中N为大于0的自然数。

例如如图2所示，完成采样点的分组，采样滑动窗口的方式，每次滑动2个点数的步长，每三个点分成一个点组，一共分成N个点组，如图1所示，这样的分组方法保证了各个数组之间前后关系的相关性，并且能够计算出所有的微元面积，使最后拟合出的面积值逼近整个信号波形的真实能量值。

具体的，在本申请的实施例中，计算每一所述点组中各个采样点的相对位置参数，包括：

根据每一采样点的采样幅度值，计算用来表征每个点组内三个采样点的曲折程度的参数k，所述参数k为第二采样点到第一采样点和第三采样点连线段的距离，与第一采样点和第三采样段连线段的比值。

图3是本申请实施例中的一个点组的采样结果示意图。其中，A为一个点组中的第一采样点，B为一个点组中的第二采样点，C为第三采样点。

参数k的计算方式为：

线段BE与AC的比值反映了点B偏离线段AC的程度，该值越小，表示B与AC的直线距离越近，该点组所表示的线段越接近直线；该值越大，表明点B与线段AC的直线距离越远，表示该点组所表示的线段越接近曲线；k实际上反映了该点组的曲折程度。

本申请实施例中，计算每一点组中各个采样点的相对位置参数，还包括：

根据第一采样点和第三采样点的采样幅度值，计算用来表征三个采样点的陡峭程度的参数t，所述参数t为第三采样点与第一采样点的采样幅度差，与第三采样点与第一采样点之间的采样间隔的比值。

以图3为例，参数t的计算方式为：

线段CD与AD的比值t反映了该点组的陡峭程度，t值越大，则该点组两端连线越陡峭，t值越小，则表明该点组两端连线越平缓，在底层计算中，通过将分子右移来放大一定倍数，避免出现小数的运算，并调用EDA工具的乘除法IP核来完成运算，以满足整体的时序要求，后续对相邻点组的t值进行比较，完成基线恢复

S14，根据计算的各个点组的所述相对位置参数，进行基线恢复。

具体的，在本申请实施例中，根据各个连续点组的参数t的相对大小关系，确定基线点组，以及基线点组之后的点组。

根据接收信号的特性，默认第一个点组为基线点组，视其坡度t

S15，对基线恢复后的所述点组进行能量的拟合，得到拟合的能量值。

在本申请的实施例中，由于基线点组为近似平直点，对其直接使用矩形面积积分，即采用ΔS

完成基线恢复后，判定后面的所有点组都为非基线采样点，再进行信号能量值的拟合，根据不同粒子的探测器的不同电信号，设置判断阈值m，当k值小于判断阈值m时，表明点组曲折程度较小，此时采用矩形面积积分法，当k值大于判断阈值m时，表明该点组曲折程度较大，而根据采样的γ射线探测器电信号的特性，曲折程度较大的点组会出现在上升沿、下降沿以及脉冲平顶附近，因此，对于k>m的点组，采用梯形面积积分法，每个梯形微元为：

b

其中H

S16，将拟合后的所述能量值进行上传。

具体的，将对应通道信号的能量值根据包头标识存放于对应的寄存器中，在上述步骤中，多个通道多个数组并行计算，拟合出各个通道的信号能量值，最后将输出结果打包传输给上位机。

在本申请实施例的另一方面，还提供一种基于FPGA的自适应能谱测量系统。

如图4，本申请的一个实施例中，提供一种自适应能谱测量系统，包括：

信号采样模块，用于通过不同的数据通道对探测器的脉冲信号进行采样，得到相应的采样数据；

数据存储模块，用于将不同数据通道的采样数据分别进行存储；

数据处理模块，用于对每一所述数据通道的采样数据按照设定的点组划分策略划分为多个点组，并计算每一所述点组中各个采样点的相对位置参数；根据计算的各个点组的所述相对位置参数，进行基线恢复；以及对基线恢复后的所述点组进行能量的拟合，得到拟合的能量值；

数据传输模块，用于将拟合后的所述能量值进行上传。

下面结合更多的附图，在本发明的一些更为详细的实施例中说明上述自适应能谱测量系统的工作原理。

本申请实施例中的自适应能谱测量系统，包括：

信号采样模块，用于通过不同的数据通道对探测器的脉冲信号进行采样及处理，得到相应的采样数据。

具体的，按照采样的信号输入的不同数据通道，将不同数据通道的信号采样点的采样数据贴上对应的标识包头。例如，当多通道的ADC采样模块接收到采样信号值时，将来自不同通道的信号采样值打上一个标识包头，譬如1通道的所有信号点都打上一个01的包头，2通道的所有信号点都打上一个02的包头，依次类推，后续模块通过识别包头信号，可以快速地判识别该信号点来自于哪一个采样通道，以便于后续进行数据的跨时钟域传输和数组的分类。

数据存储模块，用于将不同数据通道的采样数据分别进行存储。

具体的，在本申请实施例中，可以根据所述标识包头，将不同数据通道的采样数据分别存储到对应的寄存器数组中。

具体的，根据之前对于各个通道的采样信号的标识包头，进行数据存储及跨时钟域转换，在采样模块的时钟域下，将不同采样通道的信号值根据标识包头存放于不同的fifo中，当fifo非空时，在数据处理模块的时钟域下，将存储的数据扇出给后续模块，以便进行信号能量的计算。该步骤完成了数据跨时钟域的转换，以采样频率存储数据，以数据处理模块频率扇出数据，通过跨时钟域设计，可以提高系统整体的处理运算速度。

数据处理模块，用于对每一所述数据通道的采样数据按照设定的点组划分策略划分为多个点组，并计算每一所述点组中各个采样点的相对位置参数；根据计算的各个点组的所述相对位置参数，进行基线恢复；以及对基线恢复后的所述点组进行能量的拟合，得到拟合的能量值。

具体的，对每一寄存器数组中的采样数据，按照设定的两个采样点的步长进行分割，以设定的三个采样点的采样数据形成一个点组，一共形成N个点组，其中N为大于0的自然数。

例如如图2所示，完成采样点的分组，采样滑动窗口的方式，每次滑动2个点数的步长，每三个点分成一个点组，一共分成N个点组，如图1所示，这样的分组方法保证了各个数组之间前后关系的相关性，并且能够计算出所有的微元面积，使最后拟合出的面积值为整个信号波形的能量值。

具体的，在本申请的实施例中，计算每一所述点组中各个采样点的相对位置参数，包括：

根据每一采样点的采样幅度值，计算用来表征三个采样点的曲折程度的参数k，所述参数k为第二采样点到第一采样点和第三采样点连线段的距离，与第一采样点和第三采样段连线段的比值。

图3是本申请实施例中的一个点组的采样结果示意图。其中，A为一个点组中的第一采样点，B为一个点组中的第二采样点，C为第三采样点。

参数k的计算方式为：

线段BE与AC的比值反映了点B偏离线段AC的程度，该值越小，表示B与AC的直线距离越近，该点组所表示的线段越接近直线；该值越大，表明点B与线段AC的直线距离越远，表示该点组所表示的线段越接近曲线；k实际上反映了该点组的曲折程度。

本申请实施例中，计算每一点组中各个采样点的相对位置参数，还包括：

根据第一采样点和第三采样点的采样幅度值，计算用来表征三个采样点的陡峭程度的参数t，所述参数t为第三采样点与第一采样点的采样幅度差，与第三采样点与第一采样点之间的采样间隔的比值。

以图3为例，参数t的计算方式为：

线段CD与AD的比值t反映了该点组的陡峭程度，t值越大，则该点组两端连线越陡峭，t值越小，则表明该点组两端连线越平缓，在底层计算中，通过将分子右移来放大一定倍数，避免出现小数的运算，并调用EDA工具的乘除法IP核来完成运算，以满足整体的时序要求，后续对相邻点组的t值进行比较，完成基线恢复

在本申请实施例中，根据各个连续点组的参数t的相对大小关系，确定基线点组，以及基线点组之后的点组。

根据接收信号的特性，默认第一个点组为基线点组，视其坡度t

在本申请的实施例中，由于基线点组为近似平直点，对其直接使用矩形面积积分，即采用ΔS

完成基线恢复后，判定基线点组后面的所有点组都为非基线采样点，再进行信号能量值的拟合，根据不同粒子的探测器的不同电信号，设置判断阈值m，当k值小于判断阈值m时，表明点组曲折程度较小，此时采用矩形面积积分法，当k值大于判断阈值m时，表明该点组曲折程度较大，而根据采样的γ射线探测器电信号的特性，曲折程度较大的点组会出现在上升沿、下降沿以及脉冲平顶附近，因此，对于k>m的点组，采用梯形面积积分法，每个梯形微元为：

b

其中H

数据传输模块，用于将拟合后的所述能量值进行上传。

具体的，将对应通道信号的能量值根据包头标识存放于对应的寄存器中，在上述步骤中，多个通道多个数组并行计算，拟合出各个通道的信号能量值，最后将输出结果打包传输给上位机。

本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，存储介质包括存储的程序，其中，在程序运行时控制存储介质所在设备执行上述的自适应能谱测量方法。其具体的实现过程，在此不再重复赘述。

本申请实施例还提供一种计算机设备500，如图5所示。该实施例的计算机设备500包括：处理器501、存储器502以及存储在存储器中并可在处理器501上运行的计算机程序503，处理器501执行计算机程序503时实现实施例中的自适应能谱测量方法，为避免重复，此处不一一赘述。或者，该计算机程序被处理器501执行时实现实施例中自适应能谱测量系统中各模型中/单元的功能，为避免重复，此处不一一赘述。

计算机设备500可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑、服务器及云端服务器等计算设备。计算机设备可包括，但不仅限于，处理器501、存储器502。本领域技术人员可以理解，图5仅仅是计算机设备500的示例，并不构成对计算机设备500的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如计算机设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

所称处理器501可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器502可以是计算机设备500的内部存储单元，例如计算机设备500的硬盘或内存。存储器502也可以是计算机设备500的外部存储设备，例如计算机设备500上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，存储器502还可以既包括计算机设备500的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器502用于存储计算机程序以及计算机设备所需的其他程序和数据。存储器502还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，上述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机装置(可以是个人计算机，服务器，或者网络装置等)或处理器(Processor)执行本发明各个实施例上述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，上述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

以上上述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。