Ekstrakcja informacji z sygnału radiometrycznego

276 Pages·2009·2.71 MB·Polish

H

G

A

G

B
2
Kazimierz Korbel

Ekstrakcja informacji z sygnału
radiometrycznego
H

G

A

G

B

Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej
Akademia Górniczo-Hutnicza
Kraków 2006
H

G

A

G

B

Wydawca:
Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej
Akademia Górniczo-Hutnicza
al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

Druk wykonano z oryginałów dostarczonych przez Autora

ISBN 83-921064-6-6

2
Spis treści

1. Wprowadzenie................................................................................................................ 5

2. Kondycjonowanie sygnału radiometrycznego................................................................ 7
2.1. Parametry i charakterystyki – Glosariusz.................................................................... 7
2.2. Metody i układy kondycjonowania sygnału................................................................ 16
2.2.1. Wzmacniacze........................................................................................................... 16
2.2.2. Układy przemiany kształtu impulsów...................................................................... 34
2.2.3. Układy przywracania poziomu zerowego [BLR]..................................................... 39
2.2.4. Układy wykrywania i odrzucania spiętrzeń............................................................. 56

3. Metody i układy ekstrakcji informacji........................................................................... 65
3.1. Ekstrakcja informacji o intensywności promieniowania jonizuHjącego....................... 65
3.1.1. Przeliczniki impulsów.............................................................................................. 66
3.1.2. Układy pomiaru szybkości zliczeń – integratory impulsów.................................... 76
3.1.2.1. Liniowe integratory analogowe.............................G................................................ 76
3.1.2.2. Analogowe integratory logarytmiczne.................................................................. 86
3.1.2.3. Integratory cyfrowe.............................................................................................. 96
3.2. Ekstrakcja informacji o energii promieniowania....................................................... 99
A
3.2.1. Układy dyskryminatorów całkowych..................................................................... 102
3.2.2. Dyskryminatory różnicowe.................................................................................... 111
3.2.3. Wielokanałowe analizatory amplitudy impulsów.................................................. 121

3.3. Ekstrakcja informacji czasowej................................................................................. 133
G
3.3.1. Ekstrakcja informacji o czasie zdarzenia – metody i układy................................. 134
3.3.1.1. Metoda dyskryminacji na czole impulsu............................................................ 135
3.3.1.2. Metody stałofrakcyjne........................................................................................ 137
3.3.1.3. Metoda konwencBjonalnego przejścia przez zero................................................ 145
3.3.1.4. Metoda szybkiego przejścia przez zero.............................................................. 147
3.3.1.5. Metoda dyskryminacji stałofrakcyjnej na tylnej krawędzi impulsu................... 150
3.3.2. Układy ekstrakcji informacji o odległości zdarzeń............................................... 151
3.3.2.1. Techniki chronotronowe..................................................................................... 153
3.3.2.2. Układy z konwersją sygnału czasowego............................................................ 162
3.4. Ekstrakcja informacji przez selekcję czasową........................................................ 181
3.4.1. Układy koincydencyjne.................................................................................... 181
3.4.1.1. Koincydencyjne układy typu „overlap”............................................................ 184
3.4.1.2. Regeneracyjne układy koincydencyjne............................................................. 204
3.4.2. Układy bramkujące.............................................................................................. 210
3.4.2.1. Liniowe bramki monopolarne........................................................................... 211
3.4.2.2. Liniowe bramki bipolarne................................................................................. 217
3.5. Ekstrakcja informacji o rodzaju promieniowania................................................... 228
3.5.1. Układy dyskryminatorów według kształtu.......................................................... 228
3.5.2. Identyfikatory cząstek naładowanych.................................................................. 249

4. Bibliografia................................................................................................................... 257
3
H

G

A

G

B

4
1. Wprowadzenie
Mianem sygnału radiometrycznego nazywać będziemy strumień promieniowania
jonizującego (jądrowego) opisany zespołem (uwarunkowanych procesem generacji pro-
mieniowania) jego inherentnych parametrów deskryptywnych, modyfikowanych efektami
oddziaływania (absorpcja, rozpraszanie, konwersja i i.) z medium transmisyjnym. Sygnał
radiometryczny jest w tym kontekście nośnikiem szeregu informacji dotyczących źródła
H
promieniowania jak również własności interaktywnego ośrodka. Zadaniem radiometrycz-
nego systemu pomiarowego jest wydobycie (ekstrakcja) z sygnału zawartej w nim pożąda-
nej informacji z możliwie jak najwyższą dokładnością estymacji.
G
Stochastyczny charakter sygnału radiometrycznego implikuje wykorzystanie w tym
procesie statystycznych metod estymacji wyznaczanych wielkości [1],[2]. Metody te
stanowią zresztą podstawę współczesnych teorii systemów pomiarowo-informacyjnych [3],
A
spośród których za szczególnie bliską zagadnieniom transportu sygnału radiometrycznego
[4] należy uznać statystyczną teorię komunikacji [5].

Skonstruowany w konwencji poję ć tej teorii uogólniony schemat pojedynczego toru
pomiarowego systemu radiometrycznego daje się przedstawić w postaci pokazanej na
G
rysunku 1.
DETEKTOR
TRYGER

SŹYRGÓNDAŁŁOU MEDBIUM RDEECTEEPKTTOORR [T/N ]
[ K ] AKCEPT / WZBR
[ E ] [ INF ]

INTERAKCJA KONDYCJONER
TRANSMISJA EKSTRAKTOR
ESTYMATOR

Rys. 1. Uogólniony schemat blokowy radiometrycznego toru pomiarowego
[Kursywą podano oznaczenia wg terminologii radiometrycznej ]

Wobec niezgodności terminologicznej oznaczeń poszczególnych bloków funkcjonal-
nych stosowanych w dziedzinie radiometrii oraz w technice transmisji i przetwarzania
sygnałów, na powyższym schemacie podano również kilka oznaczeń alternatywnych.
Szczególna rozbieżność znaczeniowa dotyczy terminu DETEKTOR, który w sferze
definicyjnych określeń statystycznej teorii komunikacji nadano układowi stwierdzającemu
istnienie lub brak sygnału (względnie określonych jego cech) na tle towarzyszących
zakłóceń szumowych. W dziedzinie fizyki jądrowej tego rodzaju układ zwany jest ogólnie
5
TRYGER’em przybierającym, stosownie do realizowanych funkcji, bardziej
uszczegółowione nazwy. I vice versa, ugruntowana w domenie fizyki jądrowej nazwa
DETEKTOR (czujnik promieniowania) w alternatywnej terminologii objęta jest terminem
o szerszym zakresie znaczeniowym - RECEPTOR (odbiornik sygnału). Termin ten pojęcio-
wo odpowiada bardziej określeniu BLOK ELEKTRONIKI FRONT-END [6], którym to mianem
przyjęto zwać tandem konstrukcyjnie związanych jednostek funkcjonalnych: czujnika
promieniowania, konwertującego nieelektryczny sygnał radiometryczny w proporcjonalny
sygnał elektryczny i preprocesora analogowego, dokonującego wstępnego wzmocnienia
i formowania sygnału elektrycznego.

Obydwa procesy przetwarzania sygnału obciążone są różnej natury zaburzeniami
zarówno wewnętrznymi (szumy, interferencje) jak i zewnętrznymi (zakłócenia
indukowane). Wynika stąd konieczność uzdatniania sygnału (tj. odpowiedniego
przystosowania do dalszego procesowania) przed przekazaniem go do gałęzi DETEKTORA
i EKSTRAKTORA. Operacje takiego uzdatniania noszą nazwę kondycjonowania sygnału,
a służące temu celowi układy elektroniczne zwane są ogólnie HKONDYCJONERAMI1 [7].
Pojęciem tym obejmowane są w zasadzie również układy preprocessingu sygnału;
w obszarze systemów pomiarowych elektroniki jądrowej zostały one jednak wyodrębnione
pod ugruntowaną już w praktyce nazwą układów ELEKTRGONIKI FRONT-END.

W wyniku konwersji sygnału radiometrycznego (w bloku ELEKTRONIKI FRONT-END)
zawarte w nim informacje są przejmowane przez wtórny sygnał elektryczny wyrażając się
A
odpowiednio w jego parametrach deskryptywnych. Tak na przykład w najprostszym
przypadku pomiaru radiometrycznego, tj. monitorowania natężenia promieniowania,
odnośną informację stanowi średnia częstotliwość impulsów wyjściowych RECEPTORA.

Przy braku dodatkowych uwarunkowań metrologicznych funkcja EKSTRAKTORA
sprowadza się wówczas praktycznGie do detekcji binarnej sygnału elektrycznego, czyniąc
zbytecznym stosowanie osobnego bloku funkcjonalnego.

Bardziej rozbudowane układy ekstrakcji informacji wymagane są w dziedzinie
pomiarów spektrometrycBznych i identyfikacyjnych, a zwłaszcza w systemach wielo-
parametrowej i wielopoziomowej selekcji zdarzeń. Rodzaj ekstrahowanej z sygnału
informacji decyduje zarazem o charakterze niezbędnego kondycjonowania. Z tego powodu
zasadniczy wykład dotyczący ściśle problematyki ekstrakcji informacji poprzedzono
zwięzłym omówieniem najważniejszych układów kondycjonujących stosowanych
w spektrometrycznych systemach pomiarowych. Specyfika pomiarów radiometrycznych,
a spektrometrycznych w szczególności, skłania jednak do poszerzenia zakresu znaczenio-
wego terminu KONDYCJONOWANIE o działania blokujące (wstrzymujące) procesowanie
sygnału w określonych przypadkach ekstremalnych.

1
Termin ten funkcjonuje od wielu już lat w dziedzinie elektroniki i automatyki przemysłowej, nie upowszechnił
się jednak – jak dotąd – w obszarze elektroniki jądrowej.

6
2. Kondycjonowanie sygnału radiometrycznego
Podstawowymi operacjami kondycjonującymi sygnał radiometryczny, wobec jego
obciążenia szumowego i relatywnie niskiego poziomu, są operacje wzmacniania i filtracji.
W torze spektrometrycznym obie te operacje dokonywane są w układzie wzmacniacza
formującego (ang. shaping amplifier). zawierającego obok aktywnych stopni wzmacniają-
cych zespół filtrów górno- i dolno-przepustowych. Problematyce filtracji sygnału
poświęcono osobną, opracowaną w formie skryptu uczelnianego AGH [8] monografię; do
tej pozycji odsyłamy więc zainteresowanego czytelnika. H

Rodzaj i zakres kondycjonowania w strukturze wzmacniacza spektrometrycznego
wynika z ogólnych, nakładanych nań wymagań. Dotyczą one podstawowych własności
G
wzmacniacza opisywanych przez jego charakterystyki i parametry znamionowe.
Pożytecznym będzie więc przypomnieć w skrócie najważniejsze.
A
2.1. Parametry i charakterystyki – Glosariusz

Podstawowym żądaniem stawianym generalnie torom pomiarowym jest wysoka
G
liniowość ich przenoszenia. Za miarę tej własności wzmacniaczy przyjęto parametry
określające odpowiednio globalne i lokalne odstępstwo charakterystyki przenoszenia od
przebiegu idealnie liniowego.
B
Parametrem globalnym opisującym nieliniowość wzmacniacza jest tzw. współczynnik
nieliniowości całkowej ε . W terminach relacji napięciowej z mocy definicji wyraża się on
i
zależnością :

def ∆V
ε = o (1)
i V
pMAX

gdzie ∆V oznacza maksymalne odchylenie charakterystyki przejściowej od idealizo-
o.max
wanego przebiegu liniowego, zaś V maksymalną wartość nominalną odpowiedzi.
o max

W praktyce metrologicznej stosowane są trzy sposoby określania odchyłki ∆V .
o
Zilustrowano je na rysunku 2.

Najbardziej upowszechnił się sposób, w którym ∆V stanowi naturalną, maksymalną
o
odległość punktów charakterystyki rzeczywistej i idealnej (∆V ) leżących na wspólnej
oA
rzędnej, przy czym referencyjną charakterystykę idealną reprezentuje prosta (A)
przechodząca przez skrajne punkty charakterystyki rzeczywistej. Drugi sposób przyjmuje za
odniesienie prostą (B) równoległą do (A), stanowiącą symetralną punktów charakterystyki
7
rzeczywistej (∆V ). Według tego sposobu wyznaczana jest nieliniowość całkowa urządzeń
oB
systemu aparaturowego „STANDARD”. Najrzadziej stosowany, trzeci sposób, za reprezenta-
tywną odchyłkę (∆V ) przyjmuje odległość między punktem przecięcia stycznej do
oC
charakterystyki rzeczywistej w „zerze” (C) z poziomem V , a leżącym na wspólnej
o max
rzędnej punktem charakterystyki rzeczywistej. Ze względu na niezgodność wartości ε
i
wyznaczanych różnymi sposobami dane katalogowe odnośnych urządzeń zawierają
z reguły informację jakim sposobem w danym przypadku się posłużono.

V
o

V
o max

∆VoC C

∆V
oB ∆VoA
B H

A
G
α Vi

V
i max
A
Rys. 2. Sposoby określania nieliniowości całkowej wzmacniacza

Nieliniowość różniczkowa ε stanowi z kolei parametr lokalny, określający odstępstwo
d G
nachylenia rzeczywistej charakterystyki przejściowej (dV /dV) od nachylenia charakte-
o i rzecz
rystyki idealnej (dV /dV) w punkcie aktualnej wartości wymuszenia V . Określa ona
o i ideal i,m
poziom zniekształcenia małych różnic amplitud sygnałów Z mocy definicji wielkość tę
opisuje wyrażenie B
⎛dV ⎞ ⎛dV ⎞
⎜ o ⎟ −⎜ o ⎟
⎜ ⎟ ⎜ ⎟
ε (V ) d=ef ⎝dVi ⎠ideal ⎝dVi ⎠rzecz = tgα−tgβ (2)
d i ⎛dV ⎞ tgα
⎜ o ⎟
⎜ ⎟
⎝dVi ⎠ideal
gdzie tg α i tg β reprezentują odpowiednio nachylenia charakterystyki idealnej (ściśle
liniowej) oraz stycznej do charakterystyki rzeczywistej w punkcie V , będące - jak to
i,m.
pokazano na rysunku 3 - geometrycznym odwzorowaniem wzmocnienia małosygnałowego.
Nieliniowość różniczkowa jest funkcją punktu pracy (poziomu względem którego
kształtują się zmiany napięcia wejściowego). Dla jej oceny wymagana jest zatem
znajomość funkcji (2) w całym obszarze dynamicznym wzmacniacza. Nie mniej jednak
katalogi firmowe zamiast pełnej charakterystyki podają czasem maksymalną wartość
nieliniowości różniczkowej.

Nieliniowość wzmacniacza jest jednym z czynników powodujących dystorsję widma
amplitudowego w systemach spektrometrii amplitudowej W domenie czasu natomiast
8