随机脉冲测量中数字滤波性能与采样参数关系的研究

论文摘要

近年来,基于数字信号处理的辐射探测技术在高能物理、辐射成像等领域中应用的越来越广泛。相对于模拟电路,数字滤波电路具有灵活、稳定、自适应等优点,但其性能受到模数转换器采样参数的影响。对于辐射探测中随机脉冲测量,由于采样引起的误差分析,目前还没有系统的理论分析。因此,有必要研究ADC采样参数对随机脉冲测量中数字滤波性能的影响,为用于辐射探测的数字滤波器设计提供指导。比如,随着探测通道数目的增加,功耗成为信号处理电路的关键问题,需要定量研究数字滤波性能与采样参数的关系,尽可能降低ADC的功耗。本文针对目前比较通用的辐射探测数字信号处理电路结构,分析了随机脉冲幅度测量的数字滤波性能与ADC采样频率的关系,主要包括以下几个内容:1)推导了采样后的信号频谱和噪声功率谱,在此基础上分析了数字滤波幅度测量性能与采样频率的定量关系,给出了在一定采样频率下数字滤波所能获得的最佳信噪比和几种常用的数字滤波器噪声指数。2)研究了随机到达时刻造成数字滤波测量误差与采样频率的关系,包括幅度均值偏移和涨落。这两种误差都会随着采样频率的增加迅速下降,而当采样周期降低到脉冲上升时间的1/3到1/5时,这种误差基本可以忽略。此外,还提出采用定时估计算法来校正幅度测量,并进行了初步的分析。本文还通过数值仿真和基于数字示波器采样的幅度测量系统,对幅度测量误差与采样频率的关系进行了验证。实验测得的ORTEC 142AH电荷灵敏前放的噪声和CdTe探测器的241Am能谱分辨率,随采样频率的变化规律与理论分析基本一致,较好的验证了理论分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 课题内容
• 1.4 论文结构安排
• 第2章 探测器信号处理
• 2.1 探测器信号
• 2.2 基于模拟信号处理的电路结构
• 2.3 基于数字信号处理的电路结构
• 2.4 本章小结
• 第3章 离散化过程
• 3.1 ADC 的离散化过程
• 3.1.1 基本原理
• 3.1.2 数学模型
• 3.1.3 确定性信号采样
• 3.1.4 随机过程采样
• 3.2 模拟前端电路模型
• 3.2.1 电荷灵敏前放
• 3.2.2 模拟预成形
• 3.3 信号采样
• 3.3.1 模拟信号
• 3.3.2 采样后的信号
• 3.4 噪声采样
• 3.4.1 常见噪声源
• 3.4.2 采样后的噪声功率谱
• 3.4.3 数值仿真
• 3.5 本章小结
• 第4章 采样对幅度测量的影响
• 4.1 数字滤波器
• 4.1.1 数字滤波器的定义
• 4.1.2 设计方法
• 4.2 几种常见的数字滤波器
• 4.2.1 数字梯形滤波DTF
• 4.2.2 DPLMS
• 4.3 离散域最优滤波
• 4.3.1 离散最佳信噪比定义
• 4.3.2 最佳信噪比与采样率的关系
• 4.4 噪声指数
• 4.4.1 定义
• 4.4.2 解析分析
• 4.4.3 数值仿真
• 4.5 基于前放142AH 的实验结果
• 4.5.1 实验系统
• 4.5.2 实验设计
• 4.5.3 结果分析
• 4.6 基于CDTE 的实验结果
• 4.6.1 实验系统
• 4.6.2 实验设计
• 4.6.3 结果分析
• 4.7 本章小结
• 第5章 随机到达时刻对幅度测量的影响
• 5.1 随机到达时刻效应
• 5.2 对CRAMER-RAO 下限的影响
• 5.3 对梯形滤波的影响
• 5.4 定时校正
• 5.5 数值仿真
• 5.6 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 论文主要工作总结
• 6.1.1 论文完成的主要工作
• 6.1.2 论文工作获得的主要成果
• 6.1.3 论文工作中的主要创新点
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果