基于弹道亏损形状特征的堆积脉冲识别方法.pdf

第58 卷第1期2024年1月原子能科学技术Atomic Energy Science and TechnologyVol.58,No.1Jan.2024基于弹道亏损形状特征的堆积脉冲识别方法王明1，周建斌1，*，王怀平1.2，汪雪元12,刘易1,洪旭1（1.成都理工大学核技术与自动化学院，四川成都6 10 0 59；2.东华理工大学，江西南昌330 0 13）摘要：识别与拒绝堆积脉冲是提升高辐射环境下X荧光光谱性能的有效方法。本文提出一种堆积脉冲甄别方法，该方法首先将原始脉冲成形为三角脉冲和梯形脉冲；然后计算其幅度比值，该比值称为时不变脉冲形状标签(TIPS)；最后通过TIPS的大小判别脉冲是否堆积。这种方法不需要测量脉冲宽度，且不受脉冲幅度变化的影响。与逆锯齿波成形器相比，三角脉冲成形器能更有效地抑制TIPS展宽，从而有利于甄别堆积脉冲。在1.2 2 X10s-1通过率下，使用该方法识别铅黄铜样品中堆积脉冲。结果表明，当非堆积脉冲损失率为15%时，准确率、召回率及F1得分分别提升到7 3.55%、7 8.7 5%和7 6.0 6%，铜的K。峰峰总比提高到7 6.6 0%。本文提出的方法可以有效识别堆积脉冲和提高能谱的峰总比。关键词：反堆积；高计数率；脉冲形状甄别；弹道亏损中图分类号：TL99;TN782doi:10.7538/yzk.2023.youxian.0167(1.College of Nuclear Technology and Automation Engineering,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China;2.East China University of Technology,Nanchang 330013,China)Abstract:In X-ray fluorescence spectroscopy analysis,high intensity X-ray is usuallyused to irradiate the sample for obtaining stable energy spectrum quickly,which alsoleads to serious pulse pile-up,count rate loss and energy resolution degradation.It iseffective for improving energy spectrum performance to recognize and reject pile-uppulses.Fast shaping discrimination technology(FSDT)and pulse feature time discrimi-nation technology(FTDT)are popular methods for identifying pile-up pulses.It isimpossible for FSDT to identify pile-up pules with intervals shorter than the fast pulseresolution time.The measured feature time is subject to pulse-height variation and ADCsampling frequency,which limits FTDT detection capability.In this paper,a pulseshape discrimination method was proposed.An original digital pulse was shaped to atriangular pulse and a trapezoidal pulse.The amplitude ratio,which is also known as文献标志码：APile-up Pulse Recognition MethodBased on Ballistic Deficit Shape FeatureWANG Ming,ZHOU Jianbinl,WANG Huaiping2,WANG Xueyuanl2,LIU Yi,HONG Xu文章编号：10 0 0-6 9 31(2 0 2 4)0 1-0 2 31-0 8收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 4；修回日期：2 0 2 3-0 7-0 6基金项目：国家自然科学基金（12 0 7 50 38，119 7 50 6 0，12 0 0 50 2 6）；四川省自然科学基金（2 0 2 3NSFSC1318）*通信作者：周建斌232time-invariant pulse-shape signature(TIPS),is a pulse shape feature for recognizingpile-up pulse.It is not necessary to measure the pulse arrival time.TIPS is not depend-ent on ADC sampling frequency and pulse amplitude,but only on ballistic deficit andnoise fluctuations.The triangular pulse shaper is a bandpass filter that can suppresshigh-frequency noise,which can reduce TIPS broadening.The trapezoidal pulse shapingalgorithm can be immune to ballistic deficit,while the triangular pulse shaping algo-rithm cannot.Generally,there are higher TIPS value in pile-up pules because of ballisticdeficit.A threshold can be used to determine whether the pulse is pile-up.The TIPSvalue of some piled pulses is less than that of non-piled pulses.If the threshold is setrelatively low,many non-piled pulses will be misjudged,Conversely,a lot of pile-uppulses will be missed.The loss rate of the non-piled pulses can be determined by itsTIPS distribution.A copper sample is used for the test experiment.When the tubecurrent is set to 3.9 A,the measured count rate is only 6 500 s-1 in the fast shaper sothat the pile-up can be almost ignored.The measured TIPS distribution can be regardedas the TIPS distribution of non-piled pulses.When the tube current is set to 1 mA,themeasured count rate reaches 1.22X1o s-1 in the fast shaper.When is the same,theaccuracy,recall rate and F1 score are all improved by using the proposed method toidentify pile-up pulses.For example,when is 15%,the accuracy,recall rate and F1score are increased to 73.55%,78.75%and 76.06%respectively.The peak-to-totalratio of the K.peak of Cu is increased to 76.6%.The proposed method can effectivelyidentify pile-up pulses.Key words:pile-up rejection;high count rate;pulse-shape discrimination;ballistic deficitX荧光光谱分析是一种速度快、非破坏性的测量方法，广泛应用于现场矿物筛查分类、安检等场景。X荧光光谱分析仪工作时，获得稳定的光谱需要一定的测量时间，且元素含量越低，所需的测量时间越长，工程应用中一般通过提高X射线管的照射强度减少探测时间。核辐射探测系统中，脉冲信号衰减至基线需要一定的时间，在脉冲持续时间内，若其他辐射事件继续与探测器响应，则会出现两个或多个脉冲堆积的现象，形成畸变脉冲，也称为堆积脉冲。堆积脉冲会导致能谱出现假峰（和峰）、本底提高、能量分辨率衰退等问题，常用数字脉冲成形技术及反堆积技术改善能谱性能1。高斯成形系统2-3 及CR-RC准高斯成形系统4-7 是无限冲激响应系统，一般用于提升低计数率条件下能谱的能量分辨率。数字梯形成形算法能免疫弹道亏损、降低脉冲堆积的概率及提高信噪比8-9 1，广泛用于获取高计数率与高能量分辨率能谱。此外,极零相消技术也是一种降低脉冲堆积概率的方法10-11。原子能科学技术第58 卷快速成形技术是识别堆积脉冲的一种方法12-15,该方法利用反卷积算法，将缓慢衰减的脉冲转变成冲激脉冲。冲激脉冲时间短、脉冲通过率高，利用冲激脉冲的时间间隔可判断梯形脉冲是否堆积，但该方法无法甄别时间间隔低于冲激脉冲分辨时间的堆积脉冲。此外，Imperiale等16 利用梯形成形的上升时间来甄别堆积脉冲,Zhou等17 采用梯形脉冲的宽度来甄别堆积脉冲，然而，梯形脉冲的上升时间及宽度随着脉冲幅度增加而增加。Yu等18 利用双指数模型得到了平顶宽度稳定的梯形成形脉冲，并利用梯形平顶宽度来判别堆积脉冲，但测量时间特征受到ADC采样精度的限制。Jordanov19-20 提出了一种新的脉冲形状甄别技术，该技术将原始脉冲成形为逆锯齿波脉冲和梯形脉冲，计算出其幅度比值，该比值称为时不变脉冲形状标签（TIPS），通过 TIPS的大小判断脉冲是否堆积。TIPS不受脉冲幅度变化及ADC分辨时间的影响，仅与弹道亏损相关，但逆锯齿波成形器是高通滤波器，信噪比第1期王明等：基于弹道亏损形状特征的堆积脉冲识别方法低，TIPS展宽大，不利于堆积脉冲识别。三角波成型器是带通滤波器，信噪比高，TIPS展宽小，为此，本文提出梯形-三角脉冲形状甄别技术，用于提升X荧光光谱测量系统检测堆积脉冲的能力。1TIPS 特征描述利用数字成形技术将原始数字脉冲分别成形为梯形脉冲及三角脉冲。辐射事件响应的梯形脉冲及三角脉冲示意图如图1所示，其中，I为非堆积，为两个事件堆积，为辐射事件序列,b、c 分别为事件响应的梯形脉冲、三角脉冲。对于非堆积脉冲，梯形脉冲高度及三角脉冲高度均正比于辐射事件能量，TIPS是一个常数，与辐射事件能量无关。当脉冲堆积时，梯形脉冲能免疫弹道亏损，脉冲幅度依然正比于两个辐射事件的能量。三角脉冲不能免疫弹道亏损，脉冲幅度损失，堆积脉冲的形状特征 TIPS变大。堆积时间间隔越大，TIPS越大。根据TIPS 的大小,即可判断脉冲是否发生堆积。TIPS=PKtlatPKpin其中,PKrlat、PK p i n 分别为梯形脉冲高度及三角脉冲高度。aEPKflat=brEibPKpin=b,E1I图1梯形脉冲及三角脉冲成形Fig.1 Trapezoidal pulse and triangular pulse2原理2.1TIPS 特征分析经前端电路处理后的核脉冲信号，首先快速上升至峰值，然后缓慢衰减至基线，常用双指数衰减脉冲信号(t)进行模拟：(t)=AE(e-e)u(t)其中：A为比例常数，与探头和电子学电路相关;E为辐射事件的能量；u(t)为单位阶跃信233号，t为时间；t及为衰减常量，t与C-R微分电路相关，0 与探头和电路特性相关，0 通常远大于t。t描述的缓慢衰减指数信号用于表征核脉冲的慢成份；描述的快速衰减指数信号用于表征核脉冲的快成份。梯形（三角）脉冲信号为：ta(t-t)u(t-t)+(t-t.)u(t-t)(3)其中：yr 为梯形脉冲信号;br为比例常数;ta为上升时间，t一ta为平顶脉冲信号时间，t。=ta十tb。当t在ta，t 之间时，最大值为brE。当t。=t 时，式（3)可描述为等腰三角脉冲信号，ya为三角脉冲信号，当t=t。时，最大值为baE,ba为比例常数。对于两个辐射事件堆积的情况，假设首先与探测器响应的辐射事件能量为E，间隔时间为T时，能量为E，的辐射事件与探测器响应，且Ttw/2,此时两个辐射事件响应的三角脉冲为：(1)V(t)=26tu(t)-2(t-Wtw(t一tw)u(t-tw)ya(t)=EiV(t)+E,V(t-T)其中：tw为三角脉冲的宽度;V为三角脉冲信E2E3PKat=br(E;+E,)JpKpin=b.l/E,+(lw-2A)E:/v(2)）u(t-)+(4)号；y。为重叠的三角脉冲信号。t设等腰三角波的宽度为tw，即tw=t。=2ta=2th，堆积三角波的不可导位置t=tw/2或t=T+tw/2 的极值分别为ba（E十E一2T E/t w）、b a E+E一2 TE/tw）。当ba（E+E,2T E./tw)b a（E+E-2 T E/tw),即EE,时，极大值点为ba（E十E,一2 TE./tw);当ba（Ei+E,2 T E./tw)b a（E+E,2T E/t w），即ET,堆积的梯形脉冲幅度为br（E十E）。根据式（1），非堆积脉冲的TIPS为：TIPS.=PK=bPKnlat=bT其中,TIPSa 为非堆积脉冲的梯形-三角波形状特征，简称为三角波形状特征。两个事件堆积时的TIPS为：(5)2346.(Ei+E._2TIPS.br(Ei+E,)24TEb.(EI+E,-2twTIPSaEi1时，TIPSou随E,/E,增加而减小，且逐渐逼近1，表明堆积脉冲幅度越接近，越容易甄别。2.01.81.6F1.41.21.010-2图2TIPS-E/E,曲线Fig.2TTIPS-Ei/E,curve2.2要甄别器评估方法脉冲形状特征甄别器是一种二分类算法，即对非堆积脉冲和堆积脉冲进行分类。常用精确率、召回率以及F1得分来度量分类器的性能。精确率与召回率是矛盾的,精确率越高，召原子能科学技术第58 卷PKlat=回率就越低。F1得分是精确率与召回率的调TIPSPUPKpinbr(Ei+E.)24TE.)twEE,bT：6a A7/1w-0.2AT/1w=0.51110-1100E/E和平均数，它同时兼顾了分类模型的精确率与bT召回率，计算公式分别为：baPacc=TPTP+Fp 100%(6)TPPeal=X100%TP+FNF1=2PaPe100%Pace+Peal其中:Pacc为精确率；Peal为召回率；TP为正确的正例;FN为错误的反例;FP为错误的正例。本文将堆积脉冲设为正例，非堆积脉冲设为反例。精确率表示甄别系统正确识别堆积脉冲的比例；召回率表征甄别系统识别到的堆积脉冲与全部堆积脉冲的比值。3数字成形算法实现对式（2）进行ADC采样量化，获得数字脉冲信号，采样时间为T。对数字脉冲进行变换得之变换表达式为：X()=7AE(di-d,)z1(1-dizr)(1-d2z)梯形(三角脉冲)传递函数 Hr()17为：Y()Hi(z)=X()br(1-diz)(1-dz-)(1-z)(1-)A(d,-d,)na(1-)-2(11)其中na=ta/T,;n=t/T;n.=t/T。当na=nb时可得到三角波成形传递函数H。（z）。在硬件上实现数字成形算法以整数运算为基础，不存在溢出的情况下进行加法、减法以及乘法运算不会产生计算误差，除法运算容易产生截断误差。采用级联结构来设计数字成形算101102(7)(8)(9)(10)法可降低系统的复杂度。对于线性时不变系统，交换级联的顺序不影响最终的结果输出。差分项放在前级，累加项放在后级，能够防止溢出。为计算TIPS,需根据式(11)将原始脉冲成形为三角脉冲和梯形脉冲。通过反卷积算法将原始脉冲成形为冲激脉冲,如图3a所示。为了避免浮点运算，将di和d改为有理分式形式。设din u l/d e l、d,n u z/d e 2。其中nul、第1期王明等：基于弹道亏损形状特征的堆积脉冲识别方法235右移运算aXb乘法运算delde2REGREGnul求和运算nu2移位寄存器REGnanaREG+yaCDMREGREGnalnb1十VTD2图3算法实现逻辑图Fig.3Logic diagram of algorithm implementationdel、n u z d e 2 均为整数。级联项1一di-1及1一d-1分别改为（del一nui-1)/de以及（de2一nu2-l)/de2。设三角脉冲的上升时间为na，缩放系数设为ki=Di/2Mi,Di、M i 均为整数。三角成形系统的硬件算法如图3b所示，y。为三角脉冲信号。设梯形脉冲的上升时间为nal，平顶时间为nbl一nal,缩放系数设为k=Dz/2M，D2、M 均为整数。梯形成形系统的硬件算法如图3c所示，yT为梯形脉冲信号。算法部署于xc7z020CLG400-1芯片中，参数取值分别为：del=100，n u=95，d e 2=10 0，nu2=61,na=4,nal=8,n=12,D=1,D=800,Mi=16,M2=17。算法资源消耗为：19 个LUT,7个LUTRAM及 359 个FF。4实验利用基于FAST-SDD探测器的CIT-3000MDX射线荧光光谱测量系统进行实验。FAST-SDD探测器（XR-100SDD）由Amptek 生产。XR-100SDD内部封装了热电冷却固态探测器和前置放大器。XR-100SDD引出的独立电源线和信号线接入新先达（M&CCo.Ltd)的数字脉冲处理系统。光源使用科颐维公司设计的M2Ag靶X光管（KYW2000A），额定工作电压与额定工作电流分别为50 kV、1m A。梯形成形脉冲的上升时间为40 0 ns,平顶宽度为2 0 0 ns,脉冲持续时间为1 s。三角脉冲的宽度为350 ns，冲激脉冲的时间分辨率约为150ns(20MHz采样率条件下)14。采用铅黄铜样品进行实验，测量时间为10 0 s，光管的工作电压为33kV,工作电流分别为3.9A、1m A，冲激脉冲通过率分别为6.5kcps/s、1.2 2 M c p s/s。4.1TIPS 分布图由于噪声以及弹道亏损等的影响，非堆积脉冲的TIPS并非固定值，而是符合一定分布，通过TIPS分布图可确定分割阈值。通过调整脉冲幅度的比例，使得TIPS 谱线的均值为1000，图4a为管流为3.9A时的TIPS分布，Pi为逆锯齿波形状特征TIPS分布2 0 、Pa 为三角波形状特征TIPS分布。低计数率时,TIPS谱线近似为非堆积脉冲的TIPS谱线,Pa 展宽小,Pi展宽大。图4b为管流为1mA时的TIPS分布。高计数率时，由于脉冲堆积的影响，TIPS分布高值区域出现长的拖尾。在高值区长尾范围内，随TIPS的增加,Pi的概率密度快速降低,Pa的概率密度缓慢衰减。236设定判别阈值后，当脉冲的TIPS大于值，表示测量的脉冲为堆积脉冲，反之则为非堆积脉冲。当值设置较高时，很多堆积脉冲无法被正确识别，能谱中的假峰（和峰)比例偏高；当阈值设置较低时，容易误识别非堆积脉冲，造成严重的非堆积事件(全能峰)计数损失。形状特征不同，而判别阈值相同，则非堆积脉冲的损失比例不同。调整判别阈值，使非堆积脉冲损失比例相同，进而比较甄别器识别堆积脉冲的能力，相同非堆积脉冲损失比例对应的阈值可通过分位数来确定。记为TIPS值（为正实数），p（)为TIPS的概率密度，则TIPS值的分布函数F()=p()d。设非堆积脉冲的损失率为时，分割阈值为a，则=1一F(a）=p()da。由图4a可得到非堆积脉冲的分布函数F(）。表1列出了非堆积脉冲损失率分别为1%、5%、10%及15%时对应的分割阈值。非堆积脉冲的分布函数与计数率无关，表1的阈值用于分割高计数情况下的非堆积脉冲，其非堆积脉冲的损失率就是阈值所对应的分位数。4.2测量结果及讨论SPT谱中，铜元素K。K 特征X射线能量位于(7.6 keV,9.5keV)能区。当脉冲通过率为6 50 0 s-1时，几乎没有堆积脉冲，高能区平坦。K。峰与K峰面积占总面积的95.7 1%。两个脉冲堆积时，一阶和峰位于（15 keV，18keV)能区;3个脉冲堆积时，二阶和峰位于(20keV,26keV)能区;3个以上脉冲堆积的概原子能科学技术第58 卷0.0250.001.5ab0.0300.030.025F0.020.0200.010.015F0.0100.0050.000PiPa0.0090010001200TIPS-Pi0.020F0.001 00.015F0.0005H0.010F0.00009601020108014001600图4TIPS分布Fig.4TIPS distribution率较低，且已超出ADC的测量范围，可忽略。表 1不同对应的甄别阈值xTable 1Discrimination threshold xacorresponding to different/%151015管流为1mA时，梯形成形能谱如图5所示。SPT是利用传统的快成形技术14 甄别堆积梯形脉冲获得的能谱。在快成形技术甄别堆积脉冲的基础上，利用梯形-逆锯齿波形状特征2 0 或梯形-三角波形状特征进一步甄别堆积脉冲,分别获得能谱ISA-SPTL20及TRI-SPT，6000SPTISA-SPT5.000TRI-SPT1240F1-S/率源+14000F30002.00010000图5拒绝堆积脉冲的能谱对比Fig.5Comparison of energy spectrumrejected pile-up pulsePa9001050120013500.005F0.0001000全能峰16 0 F801510能量/keV1200TIPSP;201023102710331044.一阶和峰27二阶利峰18F16171821.022.524.025.520301.400361600Pa1 011101510201028第1期王明等：基于弹道亏损形状特征的堆积脉冲识别方法其中非堆积脉冲损失率为15%。SPT中一阶和峰、二阶和峰计数率分别为2 6 58 0、2 0 30 s-1，ISA-SPT中一阶和峰、二阶和峰计数率分别为8400、18 1 s-1,T R I-SPT 中一阶和峰、二阶和峰计数率分别为6 7 50、116 s-1。因此，使用梯形-三角波形状特征甄别堆积脉冲，可进一步降低和峰计数率。取Cu元素的K。、K 峰射线全能峰以及其Table 2 Classification result of pile-up pulse corresponding to different 逆锯齿波 TIPS 甄别法2 0/%Pac/%196.55585.461074.911567.16237和峰计算出的精确率、召回率、F1得分列于表2。由表2 可知：当为5%时，F1得分最高；随的增大，召回率逐渐增大，精确度逐渐降低；相同条件下，三角波TIPS甄别法识别率高于逆锯齿波TIPS甄别法2 0 1。当为15%时，三角波TIPS甄别法识别的精确率、召回率、F1得分分别为7 3.55%、7 8.7 5%、7 6.0 6%，分别提升了6.39%、7.6 6%、7.0 8%。表2 不同对应的堆积脉冲分类结果Peal/%F1/%55.4470.4462.5672.2467.3770.9470.8968.98三角波TIPS甄别法Pac/%Peal/%97.4368.6891.6372.9383.0876.0173.5578.75F1/%80.5781.2279.3976.06峰总比表示全能峰的探测效率，可评价能谱的质量，峰总比表示全能峰面积与总面积的比。当电流为3.9 A时，Cu元素K。峰的峰总比为8 2.13%；当光管电流为1mA时，K。峰的峰总比降到6 2.93%。利用形状特征TIPS识别并拒绝堆积脉冲后，峰总比的测量结果如图 6 所示。PTi、PT a 分别表示 ISA-SPT、T R I-SPT能谱中Cu元素K。峰的峰总比,峰总比随的增加而增加。当相同时,PTa高于PTi。当=15%时,PTi、PT a 分别为7 4.8 6%、7 6.6 0%，峰总比提升了1.7 4%。78PTi77PTa76%/只7372710Fig.6Measurement result of peak to total ratio5结论本文提出了一种基于弹道亏损形状特征的堆积脉冲甄别技术,其原理为：首先将原始脉冲成形为三角脉冲和梯形脉冲；其次计算其幅度比值,即脉冲形状特征值TIPS;最后根据 TIPS判断脉冲是否发生堆积。由于 TIPS与脉冲幅度及ADC采样率无关，在2 0 MHz采样率条件下，仍具有比较好的堆积脉冲甄别能力。通过理论计算分析了两个脉冲堆积时的TIPS特征值，堆积时间间隔越大或堆积事件的能量越接近，TIPS越大，堆积脉冲越容易甄别。使用提出的方法识别铅黄铜样品中1.2 2 X10s-1脉冲通过率的堆积脉冲。当非堆积脉冲的损失率为15%时，识别堆积脉冲的精确率、召回率以及F1得分分别为7 3.55%、7 8.7 5%以及7 6.0 6%，与文献2 0 提出的TIPS甄别技术进行对比，分别提升了6.39%、7.6 6%以及7.08%。Cu 元素的K。峰的峰总比为7 6.6 0%，提升了1.7 4%。该方法减少了伪峰的计数率，在现场矿物筛查分类以及安检等快速识别微量510/%图6 峰总比的测量结果15元素场景中具有潜在优势。参考文献：1周建斌，周伟，王敏。核信号数值分析与数字模238拟M.北京：中国原子能出版社，2 0 17.2WANG Min,ZHOU 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