基于离散小波变换的中子/γ脉冲形状甄别提升方法

黄杨 魏志勇 牛志 魏宇航 鲁童童 王驰

摘   要：包括脉冲中子源在内，几乎所有能探测到的中子环境都伴随着γ射线背景。为了得到环境中的真实中子密度，對中子/γ进行鉴别，去除中子探测数据中混杂的γ射线背景显得尤为重要。本文基于塑料闪烁体探测到的中子/γ混杂信号，根据其脉冲信号的特点使用小波变换进行分解，研究了不同小波基和不同尺度对去除杂乱信号和堆积信号的影响。结果表明，小波变换能够有效降低脉冲信号混杂的噪声，能在一定程度上抑制堆积信号的干扰，提升探测器的中子/γ鉴别能力。

关键词：脉冲信号鉴别  小波变换  塑料闪烁体  数字信号处理

中图分类号：O571                                   文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2020）01（b）-0107-03

随着人类航天技术的日渐进步，航天事业在国民经济和军事领域占有的比重日益增大，人们开始越来越重视近地空间、临近空间的空间辐射环境对在轨飞行器运行设备尤其是电路系统的影响。在组成空间辐射环境的各种粒子中，中子由于其危害大，穿透力强，对航天器以及宇航员和临近空间航空机组人员的危害较于其他辐射粒子更为严重[1]，得到了广泛的重视。在过去的几十年里，液体闪烁体在热中子计数仪器里得到广泛的应用[2]，但是在航天领域，由于液体闪烁体的易燃性以及太空中潜在的泄漏危险，具有脉冲形状识别能力的有机晶体开始受到了科学界的广泛关注。

探测器采集到的数据通常混杂有以热噪声和放大器噪声为代表的的噪声信号，因此需要对信号进行降噪处理。传统的五点平滑只是消除了噪声的波动特性，而没有去除噪声，因而波形的积分仍然受到噪声的影响。而使用以傅里叶变换为代表的时频变换时，由于傅里叶变换的核函数是无限长的三角函数，在处理非规律性的脉冲信号时不能直观体现出其脉冲特性，因此对脉冲信号考虑使用能够描述信号各个部分特性的小波变换。小波变换作为时频变换的一种，近年来在数学上的应用越来越广泛，发展到现在已经有了相当成熟的技术[3]，在地球物理学、天文学以及信号处理等领域有着广泛的应用。

1  脉冲信号甄别技术与小波算法

传统的用于时频域处理的傅里叶变换在处理周期性的平稳信号时精确度很高，但在处理以脉冲信号为例的非平稳信号时，傅里叶变换只能反映信号频率分量的平均值，而不能描述信号其中一段时刻的特征。在分辨中子和γ射线的脉冲特征时，这个缺点更是得到了放大。因此，分析脉冲形状时更倾向于选择使用在不同分辨率的时频网格上分解信号的小波变换。也有学者在傅里叶频谱变换的基础上，提出了频率梯度分析法、功率谱分析法等其他频域分析方法。

小波变换将一个时域信号f（t）分解成两个变量，分别是尺度（a）和位移（b）的函数。通过将变量a和b连续变化，这种变换称为连续小波变换。一个一般的连续小波变换定义如下：

（1）

其中x（t）为连续母小波，a是尺度因子，b为平移因子。

从实际工程的角度来讲，一般的探测系统采集到的信号都是具有固定时间间隔的数字信号。在数据处理中，常采用二进小波作为小波变换函数，即仅仅使用2的整数次幂作为尺度（a）进行变换。一般的二进母小波定义如下：

（2）

此时，f（t）∈L2（R）的二进小波变换定义为

（3）

在进行小波变换时，母小波的选择通常会结合实际的工程应用。合适的母小波可以在很大程度上提高小波变换的性能，比如在混合辐射场领域，haar小波就比较适合[4]。本文使用的daubechies小波族简写为dbN，其中N代表小波的阶数。具有N个消失矩的小波函数能够检测信号（N-1）阶导数的不连续性。随着阶次（N）的增大，dbN小波消失矩的阶数也越大，其频带的划分效果就越好，但是会使时域紧支撑性减弱，同时增大计算机的运算量。因此，需要根据平滑度和计算量适当选择小波阶数。

2  实验设置

图1展示了整个粒子探测系统的工作流程。

由D-T中子发生器生产的高能粒子束打向隔绝外界光线影响的塑料闪烁体，与闪烁体的C，H原子发生电离、激发以及核反应产生光子。光子通过闪烁体两端的硅光电倍增管转换为微弱的电流信号，再通过前置放大器I/V转换和初级放大后转换为电压信号，最后由数字化转换器将电压信号转换为数字信号，保存在电脑端进行离线的数据处理。实验使用具有中子/γ射线鉴别能力的的塑料闪烁体，其尺寸为30mm×30mm×130mm，已用标准Co-60源和Na-22源进行过能量定标。这种闪烁体对多种放射源发出的中子和γ射线能进行有效鉴别，在低到数个MeV的能量范围内也能有一个较好的波形识别。进行ADC的Digitizer的采样率为1GHz，并在实验前调节触发电平使其在抑制噪声和记录尽可能小的脉冲间达到平衡。

由于数字化仪技术的飞速发展，近年来PSD技术得到了显著的提升，在液体闪烁体、有机闪烁体[以及塑料闪烁体中都得到了广泛的应用。PSD是基于脉冲信号特征的一种中子/γ鉴别参数。通过PSD对提取出的脉冲信号进行处理时，我们通过设置触发阈值筛选去除掉杂乱的噪声信号，然后通过传统的电荷积分方法，即计算脉冲信号的长门和短门积分作为脉冲信号的鉴别参量。对于有中子鉴别能力的闪烁体，中子生成的脉冲信号尾延部分相对于γ射线产生的尾延，随衰减时间下降的更加缓和。如图2所示，长门积分的起点定于脉冲峰值前20ns处，止于脉冲信号峰值后250ns处;短门积分的起点与长门积分相同，止于脉冲信号峰值后50ns处。基于脉冲信号长短门的PSD计算公式为