基于FPGA的伽玛信号峰值检测方法

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在石油测井行业中伽玛能谱的测量是一种很重要的测井方式，本文结合脉冲中子能谱测量，对伽玛脉冲峰值检测做了研究，利用微分、延时电路及FPGA器件，能很好地检测到伽玛信号的峰值，由实验结果可知，峰值检测的线性度基本满足能谱测量的需求。
       
        0引言
       
        石油作为一种战略资源，越来越受到世界各国的重视；但石油又是一种不可再生的能源，随着世界经济的不断发展，对石油的需求量也越来越大。因此为了科学合理地开采有限的石油资源，人们发明各种各样的测井方法，其中非弹、俘获及活化等能谱测量已成为测井的一个重要分支，这些参数能反映油田剩余油和残余油饱和度等指标，要想得到好的能谱，首先必须要有好的峰值检测及保持电路，本文主要针对能谱数据测量过程中的峰值检测及保持部分作了分析，利用微分及延时电路和Verilog语言实现了伽玛信号的峰值检测和保持，为能谱采集提供了—个好的解决方案。
       
        1伽玛信号的获取
       
        任何信号的获取都是要经过传感器的，伽玛信号的传感器我们称之为伽玛信号探测器，主要是由闪烁体、光电倍增管及高压电源组成，目前常用的闪烁体有溴化镧、BGO和碘化钠等，文中选取碘化钠晶体与光电倍增管及高压电源组成的探测器来获取伽玛信号。
       
       
       
        如图1，当伽玛射线打到闪烁体上，闪烁体会产生光子，这些光子通过光导介质送达光电倍增管处，在高压电源的作用下，光电信号在一步一步增强，最终形成如图1的A处的一个负的伽玛电信号，这个信号经过前放电路调整成我们需要的脉宽和幅度信号后即可进行峰值检测的处理。
       
        2伽玛信号的调理
       
        得到了负伽玛信号的后，首先我们要对其进行调理，得到我们想要的脉宽和幅度信号，如图2，首先经过反向放大器，在反向放大的同时对信号进行小幅度的积分处理，把信号脉宽展宽至1.5μs左右。对于信号放大的幅度则是由我们要测量的能量及ADC器件的输入范围决定的。文中测量的伽玛射线的能量是0.8 MeV～10 MeV，ADC输入为0～8 V，因此可以将整个测量的能量区域转换成电压信号，即为0.64 V～8 V，要做到精确地调整放大倍数要用铯源来标定，这不是文中重点，这里就不做过多介绍了。当信号放大倍数调整完成后，由于信号的堆积或是运放参数的不稳定，会出现信号偏离基线的现象，因此我们电路采用了有源的双二极管基线恢复方法，使得信号的起始位置总在零电平的位置，为测能谱数据奠定了基础。
       
       
       
        3峰值检测及采样保持电路
       
        峰值检测电路的电路图如图3，其中HOLD是保持信号，GR是前放电路放大后的伽玛信号，Threshold用于设定检测信号的最小值，也就是大于该门槛电压的伽玛信号才会被检测峰值，否则不予检测，该值可以同DA给出，或是接到某固定的电平上，ReHold是峰值检测后的峰值保持值，DePeak是峰值检测信号，其后沿就是检测到的峰值，DeSig是伽玛信号的检测信号。
       
       
       
        从GR处接入伽玛信号，经过跟随器U1A分成三路信号，如图3中所标注的1、2、3，首先看信号1，该信号经过电阻R12进入了比较器U5A，与给定门槛电压进行比较，从而输出伽玛检测信号DeSig，其次信号2经过U3A进行了微分处理，然后经过U4A的过零检测，会检测到大于门槛电压Threshold的伽玛信号的峰值位置，如DePeak处所示，上升沿即是检测到的峰值位置，这里的过零检测是指广义过零检测，实际检测的电压是-130 mV和-150 mV的双门槛检测，主要为了防止检测位置的抖动。
       
        4 FPGA的配合时序
       
        FPGA器件是一种可编程逻辑器件，具有集成度高、可靠性好、设计周期短、开发费用低、实时性好等特点。通过对前面得到了伽玛检测信号DeSig和伽玛峰值检测信号DePeak的处理，用FPGA给出保持信号HOLD，当HOLD信号到来时，MOS管Q2打开，这使得Q1关闭，从而保持电容C4上一直保持了伽玛信号的峰值，如图3中ReHold处所示。由于信号都是微秒级信号，HOLD信号必须在DePeak信号的上升沿实时的给出，不然就无法保持到峰值位置，因此实时的HOLD信号生成是必须解决的问题。时序框图如图4，其中SigRflag为DeSig上升沿标志位，SigFflag为DeSig下降沿标志位，PeakFflag为DePeak下降沿标志位，PeakRflag为DePeak上升沿标志位。
       
       
       
        5实验结果
       
        用信号源产生一脉宽为1.5μs的伽玛信号，其幅度从0.6 V～8 V，每隔0.1 V测试一个保持数据，测试结果如图5，其中Vr是信号源设定伽玛信号幅度，Vh是峰值检测电路保持后信号幅度，由该图明显看出该峰值检测电路的线性度较好，能满足能谱测量的需求。
       
       
       
        6结论
       
        本文针对伽玛能谱的测量设计了一种峰值检测电路，该电路配合FPGA电路模块，能有效的得到伽玛信号的峰值，且具有很好的线性度，满足能谱测量的需求。