辐射脉冲检测器中的输入计数率估计

技术领域

本发明涉及对辐射脉冲检测器中的输入计数率的估计。本发明可以应用于被设计为检测任何种类和任何能量的辐射能脉冲（“辐射脉冲”）的检测器，其包括被设计为检测量子力学粒子（诸如光子、亚原子粒子、离子、原子）的粒子检测器，或被设计为检测经典辐射脉冲（诸如地震波SONAR、SODAR、超声或其它物质振动或经典雷达或光脉冲（包括LiDAR））的检测器。

其中辐射脉冲检测器将从本发明受益的应用包括但不限于安全扫描、行李扫描、医学成像、材料分析、气象感测、矿物处理、矿物分析、反射地震学以及DNA测序。如在所公开的国际专利申请PCT/AU2005/001423、PCT/AU2009/000395、PCT/AU2009/001648、PCT/AU2012/000678、PCT/AU2014/050420、PCT/AU2017/050514和PCT/AU2017/050512中更详细描述的，当前申请人的先前专利申请描述了适用于当前发明的辐射脉冲检测器的各种应用，所述国际专利申请中的每一个的内容通过引用以其整体并入于此，作为其中可以在适当的软件中实现当前发明剩余实施例的应用和装置的示例。因此，当前发明扩展到用当前发明的方法适当编程的这样的装置以及在上述国际专利申请中描述的那些装置的应用。

背景技术

在辐射脉冲检测器中，个体辐射脉冲进入检测器并且生成个体信号脉冲。通常，对于粒子检测器而言，个体信号脉冲是从光子的级联得到的电信号，所述光子的级联响应于入射在检测器材料上的辐射粒子。取决于辐射强度，每单位时间进入检测器并与检测器材料相互作用的辐射脉冲数会变化。该参数被称为输入计数率，并且对于取决于应用的原因进行测量很重要。相比之下，输出计数率是由检测电路实际检测到的辐射脉冲数，出于下面所讨论的各种原因，其一般小于输入计数率。估计输入计数率使得能够实现辐射强度的可靠表示，这在准确的定量辐射检测中很重要。例如，在辐射成像中，每个像素通过强度来表示，该强度是个体辐射脉冲（诸如量子粒子）的入射通量。在材料表征设备中，需要该输入计数率来对矿物或由所测量的辐射的特性所标识的其它成分的浓度进行标准化。在X射线衍射应用中，衍射环强度的准确测量对于表征被检查的材料的结构很重要。

在辐射粒子检测器中，个体信号脉冲可以经过电子预处理，诸如将斜坡信号转换成脉冲信号，并且这样可能涉及模拟和数字级或组件。

因为每个个体信号脉冲具有有限持续时间，并且每个个体信号脉冲的到达时间是随机且独立的，所以通常多于一个个体信号脉冲可以在该有限持续时间内到达检测器，从而导致“脉冲堆积”，由此信号是由两个或更多个紧密到达的个体信号脉冲的叠加引起的。在辐射通量非常高的情况下，或者在具有长个体信号脉冲持续时间的检测器中，可能的是聚合检测器信号持续在基线水平以上。

脉冲堆积本身不会防止对所有多个重叠脉冲的区分，并且因此仍然有可能在堆积信号中检测到许多多个个体信号脉冲到达。存在许多信号处理技术来可靠地计数堆积信号内的一些或许多个体信号脉冲。简单的技术可能涉及时间差异，以通过检测信号中在阈值以上的快速增加来定义每个脉冲的开始，从而检测每个个体信号脉冲到达。如果需要解析每个脉冲的能量，则需要更复杂的技术。例如，当前申请人已经发明了若干这样的技术，其中大多数依靠每个个体脉冲的测量或假定脉冲形状以及数学技术来解开个体脉冲，并且为每个个体脉冲分配到达时间和能量（振幅）。

在所公开的国际专利申请PCT/AU2005/001423、PCT/AU2009/000395、PCT/AU2009/001648、PCT/AU2012/000678、PCT/AU2014/050420中更详细地描述了当前申请人的个体信号脉冲识别技术，所述国际专利申请通过引用并入上文。

尽管事实是有可能在堆积信号中解开许多个体信号脉冲，甚至用复杂的算法，但是不可避免的情况是个体信号脉冲偶尔会同时有效地到达，使得由来自能量为

另外，在一些粒子检测器中，粒子检测的物理学可能更一般涉及在每个检测事件之后没有或降低灵敏度的时段，由此在没有或降低灵敏度的时段内到达的随后粒子到达不能够或不太能够产生预期的个体信号脉冲。

在高计数率下，由于计数之间的平均间隔降低了未检测到的个体信号脉冲数，因此到达增加，从而使得每秒到达的检测到的个体信号脉冲到达数越来越差地低估了实际输入计数率。

输入计数率的倒数是个体信号脉冲到达

参考图1，示出了六个个体信号脉冲101-106在不同的时间到达。脉冲104和105紧密间隔，并且重叠以形成堆积信号110，并且在该示例中假定过于紧密间隔以至于不能被检测为单独的个体信号脉冲到达。因此，检测到的到达时间为

考虑到在测量时段

解决该问题（有时被称为“停滞时间校正问题”）的常规方法是估计被称为“停滞时间”的参数

当前发明的目的是通过替代的方法来提供一种改进的输入计数率估计的方法。当前发明人已经开发了一种方法，该方法通过代替地聚焦于不允许将所有

Barat专栏8的美国专利7,728,307（第13-29行）公开了一种通过以下方法估计输入计数率的方法：仅聚焦于在个体信号脉冲的群集之间的、在其期间检测器信号处于基线的时间段，群集被定义为检测器信号在基线以上的连续时段。在尝试利用脉冲区分算法之前，将Barat的方法作为初步步骤来施行，以检测每个群集内潜在地多个个体信号脉冲到达。Barat指出，在一个集群的个体信号脉冲的结束和下一个的开始之间的时间段（在其期间信号处于基线或在基线以下）是泊松过程，其使得能够计算输入计数率作为集群之间的所有间隔的平均值。然而，当脉冲总是堆积时，由于信号永远不会降低到基线，因此无法在高计数率下使用此方法。此外，在中等计数率下，其中检测器信号周期性地下降到基线，但是每个集群内存在许多个体信号脉冲到达，大多数接收到的计数将被不必要地拒绝，并且检测器在其测量输入计数率程度的灵敏度严重受损，从而需要延长的计数时间，这是不合期望的，并且在动态改变的通量环境中可能不可用。

当前发明使得能够在不对停滞时间进行详细建模的情况下对计数率进行无偏测量，同时维持高检测器灵敏度。

发明内容

每个辐射脉冲到达均是独立于所有其它辐射脉冲到达的随机事件，其中每单位时间具有恒定的到达概率，而不考虑先前的到达历史。这引起从任意时间到下一个到达的间隔的平均值

本发明通过利用开始时间的任意性以选择性地仅包括来自检测到的个体脉冲到达时间集的可靠间隔来工作。我们可以选取任何开始时间（表示为

根据本发明的第一宽泛方面，提供了一种测量辐射脉冲检测器的输入计数率的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)在检测器处从辐射源接收辐射脉冲；

(2)从检测器接收检测器信号，所述检测器信号包括来自每个接收到的辐射脉冲的个体信号脉冲的聚合；

(3)在检测器信号中检测个体信号脉冲，并且确定对应的检测到的个体信号脉冲到达时间，其中一些被分开小于最小可靠检测间隙；

(4)定义多个间隔开始时间，其每个相邻对被插入有检测到的个体信号脉冲到达时间中的至少一个，每个间隔开始时间比对应的最近检测到的个体信号脉冲到达时间晚发生至少最小可靠检测间隙；

(5)计算每个间隔开始时间与对应的下一个检测到的个体信号脉冲到达时间之间的对应的多个个体信号脉冲到达间隔；

(6)基于个体信号脉冲到达间隔，计算输入计数率参数；

其中，最小可靠检测间隙是最小时段，所述最小时段将未检测到的个体信号脉冲到达排除于在每个个体信号脉冲到达间隔内发生之外。

根据本发明的第二宽泛方面，提供了一种测量辐射脉冲检测器的输入计数率的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)在检测器处从辐射源接收辐射脉冲；

(2)从检测器接收检测器信号，所述检测器信号包括来自每个接收到的辐射脉冲的个体信号脉冲的聚合；

(3)在检测器信号中检测个体信号脉冲，并且确定对应的检测到的个体信号脉冲到达时间，其中一些被分开小于最小可靠检测间隙；以及

(4)仅基于大于指定检测间隙的相邻检测到的个体信号脉冲到达时间之间所选择的间隔，并且在它们大于指定检测间隙的程度上，计算输入计数率参数，所述指定检测间隙大于最小可靠检测间隙；

其中最小可靠检测间隙是最小时段，所述最小时段将未检测到的个体信号脉冲到达排除于在每个个体信号脉冲到达间隔内发生之外。

根据本发明的第三宽泛方面，提供了一种估计辐射脉冲检测器的输入计数率的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)在校准时段内在检测器处从辐射源接收辐射脉冲，每单位时间接收到的辐射脉冲定义了在校准时段期间的输入计数率；

(2)在校准时段内测量来自检测器的检测器信号，所述检测器信号包括来自每个接收到的辐射脉冲的个体信号脉冲的聚合；以及

（A）在校准模式下：

(3)计算从校准时段内采样的检测器信号导出的参数，所述参数是输入计数率的已知函数；

(4)使用所选取的输入计数率估计方法来估计校准时段期间的校准输入计数率，所述方法被应用于在校准时段内采样的检测器信号，已知所述检测器信号在估计的校准输入计数率下是可靠的；以及

(5)基于在校准时段内计算的参数、校准时段期间的校准输入计数率和已知函数，确定将参数的测量与输入计数率相关的校准函数；以及

（B）在操作模式下：

(6)计算在测量时段内从检测器信号导出的参数；

(7)通过将校准函数应用于在测量时段内从检测器信号导出的参数来估计测量时段期间的输入计数率。

在一个实施例中，输入计数率的已知函数是比例，并且校准函数和确定校准函数的步骤包括确定比例常数。该参数可以基于校准或测量时段内检测器信号的平均样本值。

在一个实施例中，所选取的输入计数率估计方法是权利要求1至16中任一项的方法之一。

本发明的进一步实施例和方面的特征可以从说明书和所附权利要求中确定。

附图说明

图1是根据实施例的图示本发明的操作的示例检测器信号波形；

图2是经受脉冲堆积的多个脉冲的另一示例检测器信号波形；

图3是示出本发明实施例的性能的数字仿真。

具体实施方式

现在将描述当前发明的实施例。

在上面第一和第二方面中提到的检测检测器信号中的个体信号脉冲并且确定检测到的个体信号脉冲到达时间（以及可选地确定对应的检测到的个体信号脉冲能量）的步骤可以通过本领域已知的任何脉冲检测算法来施行，包括上面提到的申请人的那些方法和将来的这样的方法，并且在此无需进一步阐明。在下文中，假定从这样的脉冲检测算法可获得检测到的个体信号脉冲到达时间

首先参考图1，本发明的实施例利用了开始时间

其中

上面的等式1仅对数字采样间隔的不连续影响不显著的连续数量严格有效，在间隙

启发式论点可以通过形式推导来验证。

图2是其中个体信号脉冲到达全部堆积在一起的示例，并且其中信号200没有返回到基线。这是在两种场景中考虑的，其中检测到或没有检测到

在上面的示例中，存在其中一些检测到的个体信号脉冲到达时间没有出现在总和中的实例，因为它们在下一个检测到的个体信号脉冲到达的

在计算中拒绝某些检测到的个体信号脉冲到达时间是本发明的重要优点，与试图计算准确的停滞时间并且利用所有可用的检测到的个体信号脉冲到达的现有技术方法相比，本发明使得能够实现鲁棒的性能。

信号的数字仿真可以被用来验证本发明的实施方式，并且提供一种确定

因此，仿真可以被用来通知特定的指定检测间隙是否是足够的，并且通过使指定检测间隙变化，确定最小可靠检测间隙的估计。因此，在该示例中，120 ns是最小可靠检测间隙的估计。

因此，根据本发明的方法的特定实施方式的仿真也可以被用来验证该实施方式产生输入计数率的无偏估计，而不必确定什么是最小可靠检测间隙。这通过简单地在输入计数率的期望范围内对方法进行仿真并且验证估计计数率的误差保持在期望的限制内来施行。

真实数据还可以被用来提供用于确定适当的G值的机制。一种技术是处理数据集的集合，所有数据集都具有相同的频谱但具有不同的计数率。这样的数据集的集合可以通过使用相同的辐射源，并且用在距检测器不同距离处的源测量检测器信号来形成，由此使实际计数率变化。如果

将领会到，只要每个开始时间

另外，在检测到的个体信号脉冲到达时间的定义上有相当大的自由度。只要个体信号脉冲到达时间与脉冲上的某处相关，而不必与如图中所示出的上升时间的开始相关，该算法就可以成功操作，因为最小可靠检测间隙简单地向上调整以补偿任何差异。可能甚至是逐个样本的脉冲上的不一致位置也通过算法鲁棒地处置，根据上面所描述的技术容易验证这一点。

还将领会到，在本发明的一些实施方式中，不需要直接知道最小可靠检测间隙，因为仅必要的是该检测间隙始终足以提供输入计数率的无偏估计，以便确保检测间隙大于最小可靠检测间隙。在本发明的实施例中，可以选取特定的指定检测间隙，并且再次足以验证该指定检测间隙提供了输入计数率的无偏估计，以便确保指定检测间隙大于最小可靠检测间隙。在本发明的实施例中，直接知道最小可靠检测间隙对优化检测器灵敏度和最大限度地使用检测到的个体信号脉冲到达时间很有用。

在本发明的第三宽泛方面的实施例中，确定适当的

通过本发明的方法，提供了一种更准确的辐射脉冲检测器和检测方法。还将领会到的是，使用在标准计算机处理器或数字信号处理器硬件中实现该方法的软件可以容易地应用本发明的方法。这样的硬件已经是众所周知的，并且通常存在于辐射脉冲检测器系统中。

本领域技术人员还将领会到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对本发明做出许多其它变型，所述本发明的范围由最宽泛的范围以及权利要求来确定。

例如，虽然在上面的示例中检测器信号是在恒定采样率下采样的数字信号，但是权利要求中所限定的检测器信号一般扩展到包括模拟信号的任何时间简档检测器信号。

例如，本发明扩展到与输入计数率相关的任何参数的计算，或者可以从中推导出输入计数率的任何参数的计算，包括其倒数、平均个体信号脉冲到达间隔

将理解的是，在输入计数率估计的计算中使用的脉冲到达间隔数

另外，虽然图示全部与其中信号在基线以上的脉冲堆积情况相关，并且脉冲堆积是一些检测到的个体信号到达时间被分开小于最小可靠检测间隙的原因，但是本发明扩展到其中这样的不可靠间隔存在的原因与脉冲堆积是否发生或是否是原因无关的可预见情况。

还另外，虽然本文中提供的等式计算了数字集的算术平均值以导出

在所附权利要求中以及在本发明的前面描述中，除非上下文由于表达语言或必要的暗示而另外需要，否则词语“包括”或诸如“包括”或“包含”之类的变型以包括性意义使用，即在本发明的各种实施例中，用于指定所述特征的存在，但不排除另外特征的存在或添加。另外，除非上下文要求，否则权利要求中记载的任何方法步骤不一定意图在时间上以所写入的顺序施行，或者一旦开始就没有暂停地施行。

在数字采样效果的情况下，由等式2提供的类型的校正意图在所附权利要求的范围内。

要理解的是，如果在本文中提及任何现有技术公开，则这样的参考文献并不构成承认该公开在澳大利亚或任何其它国家中形成了本领域公知常识的一部分。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种测量辐射脉冲检测器的输入计数率的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)在检测器处从辐射源接收辐射脉冲，每单位时间接收到的辐射脉冲定义了输入计数率；

(2)从检测器接收检测器信号，所述检测器信号包括来自每个接收到的辐射脉冲的个体信号脉冲的聚合；

(3)使用检测方法，在检测器信号中检测个体信号脉冲，并且确定对应的检测到的个体信号脉冲到达时间；

(4)定义多个间隔开始时间，其每个相邻对被插入有检测到的个体信号脉冲到达时间中的至少一个，每个间隔开始时间比对应的最近检测到的个体信号脉冲到达时间晚发生指定检测间隙，所述指定检测间隙至少与检测方法的最小可靠检测间隙一样大，由此确保在每个个体信号脉冲到达间隔内不存在未检测到的个体信号脉冲；

(5)计算每个间隔开始时间与对应的下一个检测到的个体信号脉冲到达时间之间的对应的多个个体信号脉冲到达间隔；

(6)基于个体信号脉冲到达间隔，计算输入计数率参数。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在验证阶段中的以下步骤：

基于对于检测器而言已知的个体脉冲形状，对不同已知输入计数率的检测器信号进行仿真；

对仿真的检测器信号施行从检测到计算的步骤；以及

确认输入计数率参数对每个不同已知输入计数率产生无偏估计。

3. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括在验证阶段中的以下步骤：

处理全部具有相同频谱但具有不同计数率的真实检测信号的数据集的集合，每个具有从中计算的导出参数，已知所述导出参数随着输入计数率进行缩放；以及

对每个数据集施行从检测到计算的步骤；以及

确认所计算的输入计数率参数与导出参数相对应地进行缩放。

4.根据权利要求3所述的方法，其中从每个数据集计算的导出参数是每个数据集的平均检测器信号值。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述指定检测间隙是最小可靠检测间隙。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述指定检测间隙是恒定值

7.一种估计辐射脉冲检测器的输入计数率的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)在校准时段内在检测器处从辐射源接收辐射脉冲，每单位时间接收到的辐射脉冲定义了在校准时段期间的输入计数率；

(2)在校准时段内测量来自检测器的检测器信号，所述检测器信号包括来自每个接收到的辐射脉冲的个体信号脉冲的聚合；以及

（A）在校准模式下：

(3)计算从校准时段内采样的检测器信号导出的参数，所述参数是输入计数率的已知函数；

(4)使用所选取的输入计数率估计方法来估计校准时段期间的校准输入计数率，所述方法被应用于在校准时段内采样的检测器信号，已知所述检测器信号在估计的校准输入计数率下是可靠的；以及

(5)基于在校准时段内计算的参数、校准时段期间的校准输入计数率和已知函数，确定将参数的测量与输入计数率相关的校准函数；以及

（B）在操作模式下：

(6)计算在测量时段内从检测器信号导出的参数；

(7)通过将校准函数应用于在测量时段内从检测器信号导出的参数来估计测量时段期间的输入计数率。

8.根据权利要求7所述的方法，其中输入计数率的已知函数是比例，并且校准函数和确定校准函数的步骤包括确定比例常数。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述参数基于在校准或测量时段内检测器信号的平均样本值。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其中所选取的输入计数率估计方法是权利要求1至6中任一项所述的方法之一。

11.根据前述权利要求中任一项所述的估计辐射脉冲检测器中的输入计数率的方法，其中所述辐射脉冲检测器检测以下中的一个或多个：量子力学粒子，包括光子、亚原子粒子、离子或原子；地震波、SONAR、SODAR、雷达或LiDAR中的经典脉冲。

12.一种安全扫描、行李扫描、医学成像、材料分析、气象感测、矿物处理、安全扫描、矿物处理、矿物分析、反射地震学或DNA测序中的任何一个或多个的方法，包括根据前述权利要求中任一项所述的估计辐射脉冲检测器中的输入计数率的步骤。

13.一种包括实现前述权利要求中任一项所述的方法的辐射脉冲检测器的装置。