供稿|于海明，張偉，陳月紅，白宏生，尹兆余，陳樹軍，周洪軍，尚慶敏/ YU Hai-ming, ZHANG Wei, CHEN Yue-hong, BAI Hong-sheng, YIN Zhao-yu, CHEN Shu-jun, ZHOU Hong-jun, SHANG Qing-min

X 熒光多元素分析儀利用放射性同位素作為激發(fā)源激發(fā)物料產(chǎn)生熒光，并基于能量色散法對(duì)物料進(jìn)行多元素分析或鑒別。物料中的元素在 X 射線下，產(chǎn)生不同能量的特征 X 射線，對(duì)被激發(fā)的 X 射線的能量和強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，即可測(cè)定物料中含有的元素及其含量。儀表省去了復(fù)雜煩瑣的樣品處理過程，直接對(duì)物料分析檢測(cè)，快速給出分析結(jié)果，可參與、指導(dǎo)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化控制。該儀器操作簡(jiǎn)單，測(cè)量迅速，可以應(yīng)用于有色、冶金、選礦、水泥、化工等行業(yè)。

X 射線能量和強(qiáng)度的獲取方式將直接影響儀表的精度，因此在 X 熒光多元素分析儀中應(yīng)用了國(guó)際前沿的數(shù)字多道技術(shù)，用來(lái)對(duì)不同元素激發(fā)出的 X 射線能量進(jìn)行獲取和刻度，便于后續(xù)算法對(duì)元素的鑒別和含量分析。

必要性

在 X 熒光多元素分析儀系統(tǒng)中，物料被激發(fā)的特征 X 射線的能量和強(qiáng)度分別代表了元素的種類和含量。多道脈沖幅度分析器就是用來(lái)處理 X 射線探測(cè)器的輸出信號(hào)，檢測(cè)出特征 X 射線的能量和強(qiáng)度，多道的檢測(cè)精度和性能將直接影響元素的分析結(jié)果。多道已向著數(shù)字化的方向發(fā)展，用數(shù)字信號(hào)處理的方法對(duì) X 熒光多元素分析儀探測(cè)器的信號(hào)進(jìn)行脈沖成形、極/零補(bǔ)償、基線恢復(fù)和幅度鑒別等。用數(shù)字信號(hào)處理的方法不但可以完成傳統(tǒng)模擬多道的功能，而且比其具有更大的靈活性和通用性。數(shù)字多道技術(shù)具有線性高，穩(wěn)定性高，沒有溫漂的影響，可以根據(jù)噪聲的特點(diǎn)設(shè)計(jì)最佳濾波器，提高脈沖通過率和能量分辨率等優(yōu)秀品質(zhì)。數(shù)字多道技術(shù)自誕生起，就在生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)、電子測(cè)量等領(lǐng)域扮演了重要的角色。因此，在 X 熒光多元素分析儀中使用數(shù)字多道技術(shù)對(duì)提高和保證分析儀的性能是有重大意義的。

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

經(jīng)過多年的發(fā)展，國(guó)際上 Amptek、Ortec、Canberra 等公司早已推出了多種性能的數(shù)字多道。

例如 Canberrac 的 Lynx Digital Spectrum Analyzer，其特性如下：

基于數(shù)字信號(hào)處理 (DSP) 技術(shù)的機(jī)架裝一體化 MCA；支持兩個(gè) 32K 道轉(zhuǎn)換增益/譜內(nèi)存組；提供卓越的計(jì)數(shù)率和溫度穩(wěn)定性；支持 10/100 Base-TX Ethernet、USB 和 RS-232 接口以及 TCP/IP 通信協(xié)議，提供快速、方便和標(biāo)準(zhǔn)的通信功能；提供完全互補(bǔ)的控制和信號(hào)輸入/輸出接口；提供 3 個(gè) HVPS 范圍，支持具有低、中或高偏移要求的探測(cè)器；具有先進(jìn)的自動(dòng)極/零、基線恢復(fù)和數(shù)字穩(wěn)定功能；為符合定時(shí)應(yīng)用提供可調(diào)的數(shù)字信號(hào)延遲；利用多回溯的模擬和數(shù)字示波器來(lái)確保設(shè)置和維修的方便；通過 Genie?2000/Apex? 軟件支持所有特性；還可以通過內(nèi)置的 web 服務(wù)器提供譜顯示、獲取控制、能量刻度和儀器設(shè)置功能。

例如 Amptek 的 DP5 Enhanced Digital Processor，其特性如下：

基于 F P G A 技術(shù)的便攜式 MCA；0.84～127.5 倍的可調(diào)增益；增益穩(wěn)定性小于 20×10-6/℃；成形時(shí)間 0.1～45 μs 可調(diào)；最大通過率 4×106 s-1(周期信號(hào))。

具有堆疊抑制、上升時(shí)間辨別、門控等功能；支持 X 射線等的能譜分析；支持 10 Base-TX Ethernet、USB 和 RS-232 接口；具有單道分析功能；具有數(shù)字示波器功能，方便維護(hù)和調(diào)試。

目前，商業(yè)化的適合X熒光多元素分析的數(shù)字多道大都需要進(jìn)口，價(jià)格昂貴。進(jìn)口的數(shù)字多道不但技術(shù)上受制于人，而且大部分是實(shí)驗(yàn)室使用的，無(wú)法在線式多元素分析儀上應(yīng)用，因而有必要開發(fā)一套高性能的數(shù)字多道系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)高分辨率、高速、高線性度和穩(wěn)定性的系統(tǒng)。

數(shù)字多道設(shè)計(jì)

系統(tǒng)原理

如圖1 是 X 熒光多元素分析儀中數(shù)字多道的系統(tǒng)框圖。探測(cè)器輸出的信號(hào)經(jīng)過前置濾波器適配濾波，進(jìn)入高速 ADC 采樣，將信號(hào)數(shù)字化。數(shù)字化后的信號(hào)送入數(shù)字信號(hào)處理器中，進(jìn)行數(shù)字脈沖成形，分別實(shí)現(xiàn)慢通道和快通道信號(hào)。慢通道信號(hào)用于脈沖幅度檢測(cè)和基線估計(jì)?？焱ǖ烙糜诿}沖時(shí)間信息檢測(cè)，如：計(jì)數(shù)率統(tǒng)計(jì)、堆疊判斷、觸發(fā)判峰邏輯等。數(shù)字信號(hào)處理器將存儲(chǔ)脈沖的能譜數(shù)據(jù)，由單片機(jī)讀取并通過 RS485 總線發(fā)送給分析儀的工控機(jī)。

硬件構(gòu)成

通過研究，目前國(guó)際上數(shù)字多道大多使用 DSP 或 FPGA 作為處理單元。采用 DSP 適合完成大量的算法計(jì)算，但是處理一個(gè)脈沖的時(shí)間較長(zhǎng)，而且核信號(hào)是隨機(jī)的，這樣整體的通過率不高，速度受到限制。FPGA 可以完成并行計(jì)算，速度大大提高，但不適合實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法。因而，采用 DSP+FPGA 的方式共同實(shí)現(xiàn)：FPGA 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、緩存和控制，DSP 用于完成復(fù)雜的算法。核脈沖信號(hào)經(jīng)高速 ADC 采集后，送入由 DSP 和 FPGA 組成的數(shù)字信號(hào)處理控制器中，最終由 DSP 計(jì)算，分別形成快、慢通道，快通道用于提取核信號(hào)的時(shí)間信息，慢通道被最優(yōu)化用于核信號(hào)幅度的提取。采用以上硬件方案，通過率和算法靈活性都會(huì)有很大提高，可以滿足 X 熒光多元素分析儀的指標(biāo)要求。

圖1 數(shù)字多道的系統(tǒng)框圖

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，特別是轉(zhuǎn)換時(shí)間只有幾 ns 的快閃型 ADC 又稱為全并行 ADC 的出現(xiàn)，它有著一定的轉(zhuǎn)換精度和線性，又有很快的轉(zhuǎn)換速度，非常適合用于數(shù)字多道，作為信號(hào)高速數(shù)字化的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

算法

X 熒光多元素分析儀中的數(shù)字多道設(shè)計(jì)主要工作在于相關(guān)數(shù)字算法的研究和實(shí)現(xiàn)。

◆ 脈沖成形算法

X 熒光多元素分析儀中的數(shù)字多道采用梯形成形算法。梯形成形算法是將輸入的信號(hào)濾波成形為等腰梯形，如圖2 所示。梯形成形濾波具有內(nèi)建滑尺的功能，可以改善 ADC 的微分非線性[2]。當(dāng)梯形的平頂時(shí)間大于探測(cè)器電荷收集時(shí)間時(shí)，還具有對(duì)彈道虧損免疫的特性[3]，梯形成形還可以實(shí)現(xiàn)最佳濾波成形，濾除信號(hào)中的噪聲。

圖2 梯形脈沖

只需要在時(shí)域中構(gòu)造一個(gè)滿足梯形成形的系統(tǒng)函數(shù) H (z) 的單位沖擊響應(yīng)序列 h (n)，由 h (n) 得到 FIR 濾波器，此濾波器就可以由探測(cè)器的信號(hào)得到等幅度的梯形信號(hào)。

◆ 基線估計(jì)與恢復(fù)

X 熒光多元素分析儀中微弱的核脈沖信號(hào)總是疊加在不穩(wěn)定基線上，為了提高系統(tǒng)的能量分辨率，需要對(duì)信號(hào)的基線進(jìn)行估計(jì)。構(gòu)造一個(gè)如式 (1) 所示的濾波器，對(duì)信號(hào)的基線進(jìn)行估計(jì)。

式中，N 是濾波因子。當(dāng) N 小于常數(shù) Nc時(shí)，N 遞增；當(dāng)遞增到 Nc時(shí)，N 等于 Nc。構(gòu)造一個(gè)實(shí)現(xiàn)基線算法的恢復(fù)器模塊，由估計(jì)得到的基線值反饋調(diào)節(jié)輸入數(shù)字脈沖信號(hào)的基線，從而使基線穩(wěn)定。

◆ 上升時(shí)間辨別算法

此算法用于判斷探測(cè)器信號(hào)的上升沿時(shí)間，在 X 熒光多元素分析儀的探測(cè)器系統(tǒng)中可用于判斷背景計(jì)數(shù)，提高分析儀的能譜峰背比。

◆ 堆疊判別及校正算法

在高計(jì)數(shù)率的時(shí)候，脈沖堆疊會(huì)對(duì)能譜的分辨率產(chǎn)生嚴(yán)重影響。在傳統(tǒng)的模擬多道中，對(duì)于堆疊的脈沖，一般都采用堆疊抑制。在核脈沖信號(hào)數(shù)字處理過程中，借助數(shù)字技術(shù)，對(duì)于堆疊的脈沖可以進(jìn)行校正，以提高 X 熒光多元素分析儀能譜的分辨率。

軟件

X 熒光多元素分析儀的上位機(jī)編寫軟件實(shí)現(xiàn)虛擬示波器的功能，由硬件將數(shù)字多道中的信號(hào)進(jìn)行緩存，傳輸于上位機(jī)，進(jìn)行顯示。虛擬示波器的功能有：用于對(duì)數(shù)字多道中的相關(guān)信號(hào)進(jìn)行觀察，便于數(shù)字多道參數(shù)的調(diào)節(jié)；在數(shù)字多道標(biāo)定時(shí)，將相關(guān)信號(hào)的參數(shù)記錄在軟件中，在實(shí)際工作中由于探測(cè)器和電路的漂移等引起信號(hào)參數(shù)改變，通過虛擬示波器軟件可以自動(dòng)分析信號(hào)參數(shù)的變化，并給出相應(yīng)的數(shù)字多道的參數(shù)調(diào)整方案，因此能保證 X 熒光多元素分析儀在多變的溫度環(huán)境下可以長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行。

結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了數(shù)字多道技術(shù)在 X 熒光多元素分析中的應(yīng)用。隨著 X 熒光多元素分析儀在有色、冶金、采礦等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其性能也備受關(guān)注。數(shù)字多道技術(shù)采用了先進(jìn)的電子電路技術(shù)和復(fù)雜的算法，完成了元素種類和含量分析的前端信號(hào)的采集和處理。數(shù)字多道技術(shù)保證了 X 熒光多元素儀的測(cè)量精度、工作可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，從而使分析儀具有更廣闊的市場(chǎng)和強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。

[1]陳亞勇. MATLAB信號(hào)處理詳解. 北京:人民郵電出版社, 2001

[2]敖奇, 魏義祥, 屈建石. 數(shù)字濾波器對(duì) Flash ADC 性能改善的研究. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù), 2009(5):3

[3]肖無(wú)云, 魏義祥, 艾憲蕓.數(shù)字化多道脈沖幅度分析中的梯形成形算法. 清華大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版), 2005, 45:6

[4]丁玉美, 高西全.數(shù)字信號(hào)處理 (第二版).西安:西安電子科技大學(xué)出版社, 2000