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1（西南民族大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院　成都 610041）2（防化研究院 第二研究所　北京 102205）

行人放射性快速識別儀的研制

胡穎睿1李小強2

1（西南民族大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院成都 610041）2（防化研究院 第二研究所北京 102205）

為保護重要場所區(qū)域安全，提升防止攜帶特殊核材料或臟彈等引起的核恐怖威脅的能力，研制了行人放射性快速識別儀。該識別儀由NaI探測器和單片嵌入式現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array, FPGA）組成，采用數(shù)字梯形濾波成形技術(shù)和幅度譜數(shù)據(jù)處理優(yōu)化實現(xiàn)方法，能夠在1 s內(nèi)實現(xiàn)γ輻射探測、同位素識別及自動分類。在662 keV處能量分辨率為7.44%，在距離探測器中心點1 m處，置信度99%條件下，最低可探測活度41.9 kBq，對5類137Cs放射源能實現(xiàn)可靠報警，性能達到國外同類產(chǎn)品水平。

NaI探測器，嵌入式FPGA，同位素識別，最低可探測活度

行人放射性監(jiān)測儀廣泛安裝于敏感行政機構(gòu)、核電站、海關(guān)、港口等重要設(shè)施或場所的出入口，用于檢查人員是否攜帶放射性物質(zhì)。當(dāng)探測到放射性物質(zhì)超標(biāo)時，發(fā)出聲光報警，防止核威脅或者污染物擴散。此類監(jiān)測儀通常使用塑料閃爍體探測器，通過計數(shù)率來判別威脅，但無法獲知放射性物質(zhì)的種類和威脅等級。

法國MGP儀器公司近期推出了一款高端SPIR-IDENT （Site Protection Against Intrusion of Radioactive Material）行人放射性核素識別儀，可探測γ輻射并快速實現(xiàn)同位素識別，并對其進行自動核素分類（天然核素、醫(yī)用核素、工業(yè)用核素和特殊核材料），同時對報警進行快速分類（由天然核素和醫(yī)用核素引發(fā)的綠色報警，和由工業(yè)用核素和特殊核材料或臟彈引發(fā)的紅色報警），對保護區(qū)域場所安全、防止攜帶特殊核材料或臟彈等引起的核恐怖威脅有積極作用。該識別儀售價每臺高達800000元（RMB）。

國內(nèi)近幾年掌握了核信號數(shù)字化處理技術(shù)，陸續(xù)推出了數(shù)字化核素識別儀、數(shù)字多道等產(chǎn)品［1-5］。便攜式數(shù)字化核素識別儀通常搭載直徑5-7.5 cm NaI探測器或者LaBr3（Ce）探測器，且多使用現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array, FPGA） +ARM （Advanced RISC Machines）處理器架構(gòu)，通常需要測量10 s以上才能獲取幅度譜，再經(jīng)過3-5 s的譜數(shù)據(jù)處理才能給出核素識別結(jié)果，無法在行人通過瞬間實現(xiàn)同位素快速識別。類似于SPIR-IDENT的高端產(chǎn)品國內(nèi)未見報道。本文介紹了一種采用單片嵌入式FPGA實現(xiàn)行人放射性快速識別儀的方法，能夠在1 s內(nèi)實現(xiàn)γ輻射探測、同位素識別及自動分類，性能達到MGP公司的高端SPIR-IDENT產(chǎn)品水平。

1　系統(tǒng)概述

行人放射性快速識別儀要求在1 s內(nèi)完成數(shù)字梯形濾波成形、數(shù)字基線恢復(fù)等數(shù)字脈沖處理，及幅度譜合成、數(shù)字峰值提取、數(shù)字穩(wěn)譜、同位素識別等數(shù)據(jù)處理，對系統(tǒng)的實時性提出了很高的要求。

1.1探測器

系統(tǒng)需要探測到足夠的脈沖信號，才能在1 s內(nèi)完成上述脈沖信號的數(shù)字化處理及合成幅度譜，并完成幅度譜數(shù)據(jù)處理。考慮成本及工藝因素，行人放射性快速識別儀選擇體積較大的NaI探測器。美國SAINT- GOBAIN公司S600-6007型NaI探測器體積2 L，本底計數(shù)不少于3000 count·s-1，可滿足系統(tǒng)要求。

1.2處理器

在1 s內(nèi)完成上述處理功能，須依靠大量硬件電路才能實現(xiàn)。選擇大規(guī)模高速FPGA作為處理器。在單片F(xiàn)PGA內(nèi)嵌入CPU軟核，脈沖成形和數(shù)據(jù)處理結(jié)果在片內(nèi)通過高速總線傳輸，相比FPGA+ ARM處理器架構(gòu)可以節(jié)約大量數(shù)據(jù)傳輸時間。本設(shè)計選用美國Altera公司Stratix IV系列FPGA EP4SE230F29I3N，主頻3 ns，LE單元22.8× 104門，M9K存儲器單元1235個，18 bit×18 bit乘法器大于1288個，可滿足系統(tǒng)對資源和速度的需求。

1.3操作系統(tǒng)

同位素識別及自動分類功能需要數(shù)據(jù)庫才能實現(xiàn)。此外，行人放射性快速識別儀需要提供豐富的數(shù)據(jù)接口與監(jiān)控中心互聯(lián)，如控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network, CAN）總線、網(wǎng)絡(luò)接口等。因此，F(xiàn)PGA中需要嵌入操作系統(tǒng)。本設(shè)計選用32位μC/OS-II搶占式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，其內(nèi)核小、系統(tǒng)精簡，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實時性能優(yōu)良、可擴展性強和超過200DMIP的性能等特點，適合嵌入在FPGA中。

2　系統(tǒng)硬件

行人放射性快速識別儀電子學(xué)系統(tǒng)由大體積NaI探測器、模擬電路模塊、嵌入式FPGA模塊、電源模塊和顯示模塊組成，其框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)組成框圖Fig.1　System block diagram.

核脈沖的數(shù)字信號處理要求ADC （Analog-todigital Converter）前置，直接對前放輸出的信號波形量化。ADC前端輸入信號應(yīng)盡可能地保留原信號的所有信息。模擬電路模塊由電荷靈敏前放、極零相消、線性增益、抗混疊濾波和高速ADC組成。

為適應(yīng)ADC的動態(tài)范圍，必須進行信號調(diào)理。根據(jù)NaI探測器輸出信號特征，對調(diào)理電路的要求與模擬多道分析技術(shù)有較大差異，表現(xiàn)為：1） 較大的帶寬，否則將導(dǎo)致信號上升沿減緩，分辨率降低；2） 低噪聲模擬電路，以保證ADC的有效位數(shù)［6］。因此，調(diào)理電路的緩沖級，采用低噪聲精密運放OPA211，其噪聲密度僅為失調(diào)電壓僅125 μV。極零相消電路采用精密多圈可調(diào)電阻，其輸出指數(shù)脈沖信號脈寬小于2 μs。線性增益級采用電流反饋型運放AD8011，其帶寬300 MHz，壓擺率2000 V·μs-1，增益和帶寬相對獨立，可滿足較高增益下的帶寬需求。根據(jù)系統(tǒng)最大能量響應(yīng)3MeV和變換增益1024道，調(diào)整線性增益，使137Cs的γ射線指數(shù)脈沖在ADC前端幅度達到440 mV?？够殳B濾波電路采用一階有源低通濾波電路，-3 dB帶寬為3 MHz。濾波電路會引入一個極點，但其常數(shù)τ為ns級，與極零相消后引入的μs級極點相比基本可忽略。高速ADC采用美國ADI公司12位低功耗、流水線型ADC AD9235，采樣時鐘40 MHz，由FPGA提供。為抑制噪聲，提高信噪比，降低數(shù)字電路對模擬電路的干擾，在ADC與FPGA數(shù)據(jù)總線間采用74LVTH162374鎖存作為接口，可以起到法拉第屏蔽作用。

3　FPGA架構(gòu)

行人放射性快速識別儀嵌入式FPGA架構(gòu)由核脈沖信號處理和嵌入式系統(tǒng)兩部分組成，如圖2所示。其中，核脈沖信號處理包括數(shù)字脈沖處理（Digital Pulse Processing, DPP）和幅度譜數(shù)據(jù)處理（Spectroscopy Data Processing, SDP）兩個模塊；嵌入式系統(tǒng)包括NIOSII軟核、底層驅(qū)動、μC/OS-II操作系統(tǒng)以及數(shù)字穩(wěn)譜、核素識別、劑量率計算、電源管理等應(yīng)用程序。

圖2　FPGA架構(gòu)Fig.2　FPGA structure.

3.1數(shù)字脈沖處理

數(shù)字脈沖處理模塊用于對核脈沖進行數(shù)字梯形成形處理。來自ADC的數(shù)字脈沖信號經(jīng)高速緩存后，分為三路分別進行數(shù)字梯形濾波成形、數(shù)字基線估計和快成形，然后進行幅度提取?？斐尚斡糜谧R別脈沖到達時刻、剔除堆積，一方面給幅度提取單元提供脈沖定位信號，另一方面產(chǎn)生死時間信號提供死時間記錄［7］。

3.2幅度譜數(shù)據(jù)處理

幅度譜數(shù)據(jù)處理包括幅度譜合成、譜數(shù)據(jù)平滑和尋峰三個部分。通常，幅度譜數(shù)據(jù)處理由應(yīng)用層軟件完成，耗時3-5 s。而行人放射性快速識別儀要求在1 s內(nèi)完成所有數(shù)字脈沖處理和譜數(shù)據(jù)處理，傳統(tǒng)的實現(xiàn)方法不能滿足系統(tǒng)對實時性的需求。本設(shè)計中，幅度譜數(shù)據(jù)處理部分采用VHDL語言編程，使用硬件加法器、硬件乘法器和硬件除法器電路，完成譜數(shù)據(jù)處理的算法，可以極大地提高數(shù)據(jù)處理速度，滿足系統(tǒng)對實時性的需求。

為減少譜數(shù)據(jù)中的統(tǒng)計漲落，需要進行平滑處理。譜數(shù)據(jù)平滑的本質(zhì)是對譜曲線進行低通濾波，去掉高頻成分，保留有用的低頻信息。行人放射性快速識別儀采用最小二乘移動平滑法，平滑窗口5點，其基本公式為：

式中：ym為原始數(shù)據(jù)；為平滑后的譜數(shù)據(jù)。

在FPGA資源足夠的條件下，可以將譜數(shù)據(jù)等分為前后兩段或者多段，并行進行數(shù)據(jù)平滑處理，提高數(shù)據(jù)處理速度。

在譜數(shù)據(jù)中精確地計算出各個峰的峰位是能譜分析中的關(guān)鍵的問題。行人放射性快速識別儀采用匹配濾波器法進行尋峰處理，其沖擊函數(shù)Cj滿足下列關(guān)系式［8］：

式中：σ為高斯峰函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差；2K+1為變換窗口。

沖擊函數(shù)中存在指數(shù)運算和除法運算，變換增益越大，計算量越大。在FPGA中采用CORDIC算法實現(xiàn)指數(shù)函數(shù)計算，以Digit Recurrence算法為核心，實現(xiàn)32位單精度浮點數(shù)除法運算［9］。經(jīng)過優(yōu)化后，指數(shù)函數(shù)運算和除法運算最高工作頻率可達70MHz以上，極大地提高了尋峰處理的運算速度。尋峰處理結(jié)果通過AVALON總線傳給NIOSII軟核，由應(yīng)用層軟件進行同位素識別。

3.3嵌入式應(yīng)用層軟件

嵌入式應(yīng)用層軟件根據(jù)能量刻度因子和效率刻度因子，將尋峰結(jié)果及峰面積轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的能量信息，再使用庫導(dǎo)向放射性同位素識別法，給出核素識別結(jié)果和置信度，通過CAN總線將測量結(jié)果傳送給監(jiān)控中心。

行人放射性快速識別儀內(nèi)置一個137Cs刻度源，用于實現(xiàn)數(shù)字穩(wěn)譜。數(shù)字穩(wěn)譜采用H.Deward峰位穩(wěn)定方法，根據(jù)137Cs刻度源的662 keV特征峰位置變化情況對幅度進行實時修正。每次重新上電時，行人放射性快速識別儀自動刻度，檢測當(dāng)前環(huán)境下的刻度源特征峰，提供初始譜合成因子。在能譜測量過程中不斷檢測刻度源特征峰峰位并進行穩(wěn)譜處理，以確保在環(huán)境溫度等影響因素變換的情況下的譜穩(wěn)定。

4　試驗

2015年年底行人放射性快速識別儀在中國計量院完成了核素識別能力和最低可探測活度等試驗，樣機如圖3所示。

圖3　實物樣機Fig.3　Prototype instrument.

4.1數(shù)字脈沖處理波形

使用Quartus軟件抓取的數(shù)字脈沖處理模塊輸出的梯形濾波成形波形如圖4所示。

圖4　梯形濾波成形波形Fig.4　DPP waveform.

4.2核素識別能力試驗

在本底輻射水平不大于0.1 μGy·h-1環(huán)境下，放射源以不大于5 km·h-1的速度經(jīng)過系統(tǒng)探測區(qū)域，行人放射性快速識別儀在1 s內(nèi)可識別核素包括241Am、60Co、137Cs、40K等10余種常見放射源。將在241Am、137Cs和60Co混合輻射場中測量1 s所獲得的幅度譜離線使用Canberra公司Inspector2000數(shù)字化多道工作站譜分析軟件Genie2k分析結(jié)果，如圖5所示。

從分析結(jié)果可以看出，實測幅度譜241Am、137Cs和60Co特征峰明顯，易于識別。譜中康普頓平臺較高，是因為NaI探測器體積較大，散射較多所致。在662 keV處的能量分辨率為［10］：

式中：FWHM為半高寬，E為能量。

圖5　幅度譜分析Fig.5　Spectrum analysis.

4.3最低可探測活度

將行人放射性快速識別儀置于本底輻射水平不大于0.1 μGy·h-1環(huán)境下，記錄1 s本底計數(shù)率平均值N為3278；將活度為377.4 kBq的137Cs放射源置于距離NaI探測器幾何中心點1 m處，記錄1 s放射源計數(shù)率平均值Nb為4984。使用式（4）可計算出放射源的探測效率η［10］。

式中：A為放射源活度。

在置信度為99%時使用式（5）可得最小可探測活度MDA［10］。

式中：N為本底計數(shù)率平均值；η為放射源探測效率。

按照置信度為99%設(shè)置報警閾值，將377.4 kBq的137Cs放射源以不大于5 km·h-1的速度經(jīng)過探測器幾何中心1 m處，經(jīng)過10次試驗，系統(tǒng)均給出了報警。測試結(jié)果表明，行人放射性快速識別儀可探測到距離其1 m處的5類137Cs放射源。

5　結(jié)語

本文采用單片嵌入式FPGA研制的行人放射性快速識別儀，使用數(shù)字梯形成形技術(shù)，優(yōu)化了幅度譜數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)方法，能在1 s內(nèi)完成γ輻射探測、同位素識別及自動分類，能量分辨率為7.44%@662keV，最低可探測活度41.9 kBq，在置信度99%條件下能探測到距離其1 m處的5類137Cs放射源。該快速識別儀的研制成功對提升防范核恐怖威脅的能力有積極意義。

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LING Qiu, GUO Lanying. Radiation detection［M］. Beijing: Atomic Energy Press, 1992

Design and implementation of radioactivity identifying pedestrian portal

HU Yingrui1LI Xiaoqiang2

1（College of Electrical & Information Engineering, Southwest University for Nationalities, Chengdu 610041, China）

2（The Second Research Institute of Chemical Defense, Beijing 102205, China）

Background: The SPIR-IDENT （Site Protection Against Intrusion of Radioactive Material） advance spectroscopic pedestrian portal released by MGP company in recent years could detect and identify actual radiological threats in real time, but no similar domestic product with independent property rights exists in China at present. Purpose: This study aims to develop a radioactivity identifying pedestrian portal with independent property rights to enhance the ability of protection against radiological threats, such as intrusion of special nuclear materials or radiological dispersion devices into critical infrastructure. Methods: A 2-L NaI detector is employed to connect with a large scale Field Programmable Gate Array （FPGA） based digital processing system. Digital trapezoidal filter, spectroscopy processing block including spectroscopy composition, smoothing and peak-seeking were implemented in a single FPGA, and a μC/OS-II soft-core was imported to perform digital spectroscopy stabilization, nuclide identification and classification in this FPGA. The spectra processing method was optimized by using hardware multiplier and hardware divider to improve the algorithm speed to satisfy the system requirement. Results: Experimental test shows that the radioactivity identifying pedestrian portal can detect and discriminate radioactive at the distance of less than 1 m from the center point of detector within 1 s. The energy resolution is 7.44% @662 keV and the minimum detectable activity is 41.9 kBq. Conclusion: With the large scale embedded FPGA technology and the nuclear pulse digitized processing and shaping technology, a bulk volume NaI detector can be used to implement an effective radioactivity identifying pedestrian portal.

NaI detector, Embedded FPGA, Isotope identification, Minimum detectable activity

HU Yingrui, male, born in1975, graduated fromUniversity of Electronic Science and Technology of China with a doctor’s degree in 2009, focusing on radar signal and nuclear pulse processing

TL817

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.090403

西南民族大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目（No.2015NZYQN11）資助

胡穎睿，男，1975年出生，2009年于電子科技大學(xué)獲博士學(xué)位，雷達信號、核信號處理研究及應(yīng)用

Supported by Fundamental Research Funds for the Central Universities, Southwest University for Nationalities （No.2015NZYQN11）

2016-04-29，

2016-06-10