基于坎贝尔理论的数字化宽量程种子测量技术的初步研究(2)

信号处理系统使用数字化技术实现，由信号处理单元(CPU单元)、高速模拟信号采集单元(高速AD单元)和信号输出单元组成，信号处理单元控制其他两个单元的运行。高速AD单元在信号处理单元的控制下以20MHz的采样频率实现对输入信号的采集，采集结果以数组的方式输入信号处理单元;信号处理单元的软件应用滤波、积分等信号处理算法计算信号的均方根值;信号处理单元的计算结果通过信号输出单元输出，可以是数值显示的形式，也可以是电压/电流信号的形式。

下面详细介绍本研究中的数字化处理系统。

三、高速数据采集模块

数据采集系统的采样频率提高对于数字化核测量系统的信号处理具有重要的意义。首先，高速采样可以区别间隔很小的脉冲，从而获得更多的波形信息，提高对波形的甄别能力。其次，高速采样可以有效减少背景噪声，文献记载采样频率到达信号频率的十倍时，数字系统信噪比接近最佳信噪比。
 

出于对性能的综合考虑，高速数据采集模块采用凌华科技PCI-9846（如图2），它具有高速、大缓存和高精度的诸多优点。PCI-9846为4通道16位40MS/s采样数字化仪，专为输入信号频率高达20MHz的高频和高动态范围的信号而设计。模拟输入范围可以通过编程设置为±1V/±0.2V或±5V/±0.4V。配备了容量为512MB的板载内存，摆脱了PCI总线的约束，使之能储存更长时间的波形。PCI-9846配备了四个高线性度的16位A/D转换器，4通道同步单端模拟输入，每通道采样率最高40 MS/s。PCI-9846的SSI（系统同步接口）还可以实现多模块间的同步。

图2 PCI-9846板卡

四、数字化核测量系统的软件架构

本文用于对脉冲信号处理的数字处理系统由三个模块组成：脉冲信号采集及预处理模块、脉冲计数模块和均方根值模块。

4.1. 脉冲信号采集及预处理模块

该模块的目的是从采集卡中读取脉冲信号，并进行简单的数字信号处理。实际工程中，裂变室的输出信号取决于中子通量，低水平时表现为离散的脉冲信号，其分布为泊松分布。因此，对采样周期有一定要求，周期过长可能导致反应速度过慢，失去控制意义，同时高频时单个脉冲采样点过少；周期过短可能导致统计涨落过大，影响精度。综上考虑，本课题在不同的频段使用不同的采样周期。

由采样定理可知，若连续信号是有限带宽的，其频谱的最高频率为，对抽样时，若保证采样频率满足，那么可由恢复出，即保留了全部信息。实际对抽样时，首先要了解的最高截止频率，以确定应选取的抽样频率。当用采样频率对一个信号进行采样时，信号中以上的频率不是消失了，而是对称的映象到了以下的频带中，并且和以下的原有频率成分叠加起来。实际工程中，为了留有一定性能余量， 常取的3到5倍。由上文可知，当中子计数率为时，原本离散的脉冲信号已开始混叠，表现为脉冲和直流的叠加，也即基于坎贝尔理论的测量法由此而始。本课题使用的ADLINK PCI-9846板卡最高采样速率为40M兆每秒，不但可以完全满足采样定理要求，而且留有很大裕量。

对于信号处理，必须考虑的一个问题就是滤波。数字滤波由程序实现，采用的数字滤波方法如下：

峰值剔除滤波：一般认为，随机干扰一起的测量误差应该遵循正态分布，偏离均值三倍标准差的数值可以认为是异常值。舍去如上异常值后进行运算，其结果更接近于真实值。

4.2. 脉冲计数模块

该模块的目的是检测一段时间内的个数（如图3）。

图3 脉冲电流信号

该模块采用检测上升/下降沿的方式实现：连续监测到若干个高于/低于阈值的电压，就视为检测到一个脉冲。

4.3. 均方根值模块

由坎贝尔理论和核反应堆工程原理可知，一定条件下脉冲频率与均方根值成正比，而中子计数率与反应堆功率成正比，即通过检测均方根即可测得反应堆功率。只需利用如下公式：

即可得到"预期"的频率，如果该频率与脉冲计数模块得出的频率近似，则说明均方根测量法是可行的。

数字化信号处理的基本要求就是准确快速，为保证速度，充分发挥高速采样板卡的性能，每10ms作为一个周期计算一次均方根，但随之而来的问题是，由于脉冲信号的随机性，如此短的时间内采样数据的涨落很大，为消除此问题，采用了加权算法：

为第i次的输出均方根值，为前一次的输出均方根值，为第i次的均方根值。 由上式可得出，