專利名稱：一種能譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及物理勘探領(lǐng)域，具體而言，本發(fā)明涉及一種能譜儀。
背景技術(shù)：
航空物探，是地球物理勘探技術(shù)與航空技術(shù)相結(jié)合的一門高新技術(shù)，其實(shí)質(zhì)是將航空飛行器作為運(yùn)載工具，裝載地球物理探測儀器在空中完成地球物理信息采集的方法，是一種快速獲取并研究地球巖石圈、特別是與地殼有關(guān)的多種地球物理場信息(如磁場、電磁場、重力場、放射性場)的方法。航空能譜勘探則是獲取地球放射性場信息的一種航空物探方法。自從本世紀(jì)四十年代末美國、加拿大、蘇聯(lián)等國率先開展航空放射性測量以來，放射性航測從技術(shù)到設(shè)備都取得了長足進(jìn)展。特別是近二、三十年來，隨著電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，航空Y能譜測量得到了廣泛應(yīng)用。隨著環(huán)境意識的增強(qiáng)和水資源的短缺，航空Y能譜成功用于環(huán)境監(jiān)測、地質(zhì)找水等領(lǐng)域。GPS技術(shù)的應(yīng)用，使得航空Y能譜測量能夠適用于各種條件，尤其是在沙漠、戈壁地區(qū)更為優(yōu)越。實(shí)踐證明，航空Y能譜測量是一種多快好省的勘查手段。到目前為止，航空Y能譜測量已成為一種重要的地質(zhì)測量手段，并廣泛用于各種領(lǐng)域。航空放射性測量在六十年代以前，僅是總量測量，隨后開發(fā)了航空伽瑪能譜測量系統(tǒng)。二十世紀(jì)七十年代為4道航空伽瑪能譜測量系統(tǒng)。北京703航測隊(核工業(yè)航測遙感中心前身)與北京綜合儀器廠聯(lián)合研制，采用國產(chǎn)大體積圓柱型NaI (Tl)晶體的雙探頭，在七十年代我國鈾礦勘探中發(fā)揮了重要作用。到八十年代末期，由北京鈾礦地質(zhì)研究院采用國外探測器組件，組裝了 AS2000型4道航空伽瑪能譜測量系統(tǒng)。此后，國內(nèi)對航空伽瑪能譜儀的研制開發(fā)工作一直處于停頓狀態(tài)，航空伽瑪能譜測量的硬、軟件依賴進(jìn)口。隨著近幾十年計算機(jī)技術(shù)，IC制造技術(shù)，數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，國外公司大量引入數(shù)字信號處理技術(shù)到能譜儀當(dāng)中，并已實(shí)現(xiàn)商品化，壟斷了航空能譜測量儀器的生產(chǎn)。主要有美國產(chǎn)的GR-800D，加拿大Exploranium公司和Scintrex公司的GR-820型256道和GRS16型(GRSIO型)256/512道航空伽瑪能譜測量系統(tǒng)。其中GR-800D為早期產(chǎn)品，為純模擬電路設(shè)計，已退出市場。GR-820航空能譜儀為模擬電路與數(shù)字信號處理算法結(jié)合的架構(gòu)；GRS-16除了前置放大器和高速ADC以外，全部采用實(shí)時數(shù)字信號處理算法完全取代了傳統(tǒng)模擬電路，其各項性能也顯著提高，為目前最先進(jìn)的航空能譜測量系統(tǒng)，其體積小巧，功能豐富，靈活易用。GR-800、GR-820、GRS-16等國外航空伽瑪能譜儀的儀器精度都不高，譜線精度為256，合成譜137Cs峰的能量分辨率差于8. 8%，鉀、鈾、釷、總道、宇宙道窗口計數(shù)的重復(fù)測量精度差于10%，這些指標(biāo)大大影響了后期改正(譬如高度改正、大氣氡改正、宇宙本底扣除及飛機(jī)本底扣除等)的效果，影響了航空伽瑪能譜勘查系統(tǒng)對于鉀、鈾、釷含量最終的探測精度。屈國普等研究了在使用NaI晶體探測器系統(tǒng)中引起譜漂的多種因素NaI晶體發(fā)光效率受溫度影響，光電倍增管的光陰極熱發(fā)射和各打拿極的二次發(fā)射系數(shù)受溫度的影響，元器件本身的溫度效應(yīng)及非線性特征；李勇平、方建國設(shè)計了四能窗穩(wěn)譜程序和穩(wěn)譜流程，并在伽瑪測井中得到了應(yīng)用；湯天知、郭斌、何緒新等研究了譜漂與系統(tǒng)增益的關(guān)系采用硬件二窗口穩(wěn)譜和軟硬件結(jié)合的四窗口穩(wěn)譜方法，并在測井中得到了應(yīng)用。M. Matoba等采用了天然能譜中的平坦窗口部分與譜線的最高能端窗口部分作為穩(wěn)譜的依據(jù)，而替代了傳統(tǒng)采用天然譜線中的特征峰的方法，取得了一定的效果，但是穩(wěn)譜的精度較低，只能保證譜線在某一個范圍內(nèi)的穩(wěn)定，仍然無法達(dá)到高精度的譜線穩(wěn)定；P. K. Patwardhan等采用了變?nèi)荻O管實(shí)現(xiàn)對譜線的穩(wěn)譜增益調(diào)節(jié)，通過對特征峰的積分得到控制電壓，從而改變了變?nèi)荻O管的電容值，最終實(shí)現(xiàn)對譜線的增益調(diào)節(jié)，該方法可以不用軟件控制，是純粹硬件閉環(huán)控制行為，但是缺乏靈活性，調(diào)節(jié)不易，不適合航空能譜多晶體穩(wěn)譜的應(yīng)用場合；R. Martincic等則采用特殊波段的LED發(fā)出的光線激發(fā)NaI晶體,從而在譜線中形成特征峰，并以此特征峰穩(wěn)定譜線；P. Ottonello等則采用的是激光方法形成特征峰并穩(wěn)定譜線；而更常規(guī)的方法的則是采用外置的放射源，通過對放射源的特征峰尋峰來穩(wěn)定譜線。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種能譜儀，其特征在于，根據(jù)譜漂計算公式直接求得數(shù)控 增益放大器對應(yīng)的控制字，通過串口輸出，最后達(dá)到譜漂校正的目的。本發(fā)明提供了基于全譜匹配的譜漂記憶的航空多晶體數(shù)字穩(wěn)譜方法。在航空能譜勘探系統(tǒng)中，測量周期一般為I秒或者O. 5秒，為了在這么短時間內(nèi)能夠獲取足夠多的來自放射性核素的信息，需要采用多條大尺寸晶體同時測量，并將每條大尺寸晶體獲取的譜線互相疊加從而得到上測合成譜和下測合成譜，并做后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。由于大尺寸NaI晶體的能量分辨率本身就比較差，通常在8%左右，而多晶體合成后譜線的能量分辨率會差于能量分辨率最好的單條晶體，為了降低這種作用，就必須使得所有晶體譜線在整個航測過程中都不發(fā)生譜漂，且所有相同能量的譜線道址都是一一對應(yīng)的。傳統(tǒng)的地面能譜儀，也有很多種方法可以用來穩(wěn)定譜漂，但是穩(wěn)譜的精度通常較低，穩(wěn)譜的條件也較航空能譜穩(wěn)譜更加容易。在航空能譜勘探系統(tǒng)中，引起譜漂的因素主要有1. NaI晶體的溫度特性。通過實(shí)測筆者發(fā)現(xiàn)即使采購自同一批的大尺寸NaI晶體的發(fā)光效率受溫度的影響不同，有的溫度穩(wěn)定性較好，有的較差，有的是正溫度系數(shù)，有的是負(fù)溫度系數(shù)。2.能譜儀本身的溫度特性。能譜儀中的放大器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器等都有一定的溫度特性，隨著溫度的變化，其電氣特性也會發(fā)生一定的變化。3.高壓電源的穩(wěn)定性。高壓電源對于光電倍增管的光電轉(zhuǎn)換增益影響巨大，而實(shí)際的高壓電源并不是永遠(yuǎn)恒定的，會發(fā)生一定的電壓漂移，因此也會帶來譜線的漂移。譜漂的主要影響因素有①溫度影響NaI (Tl)晶體的發(fā)光效率受溫度影響，不同晶體對應(yīng)的高壓模塊溫度系數(shù)不盡相同，不同晶體對應(yīng)的電子學(xué)線路如前置放大器、主放大器、ADC等的溫度系數(shù)不同，都會造成溫度發(fā)生變化時，每條晶體的譜漂有所不同。②地球磁場的影響由于每條晶體的光電倍增管都會或多或少受到地球磁場的影響，尤其是飛機(jī)在大角度調(diào)整飛行方向，導(dǎo)致光電倍增管與地球磁場的偏角發(fā)生變化時，使得譜漂不同。為了克服上述影響因素，就必須設(shè)計反應(yīng)迅速、穩(wěn)定可靠的自動穩(wěn)譜方法。通過自動穩(wěn)譜方法，自動補(bǔ)償上述影響因素對不同晶體帶來的譜漂，使每條晶體最大的譜漂不超過±1道(1024道分辨率)，這時我們就可以很容易的進(jìn)行譜線合成，保證合成后的譜線分辨率不至于變差。常用的穩(wěn)譜方法有采用放射源形成的特征峰穩(wěn)譜和采用天然放射性元素特征峰穩(wěn)譜。由于本系統(tǒng)不允許使用放射源，因此只能采用第二種方法即采用天然放射性元素U、Th、K作為特征峰進(jìn)行穩(wěn)譜，根據(jù)不同的環(huán)境背景自動選取U、Th、K中任意一個為特征峰。譜漂的硬件調(diào)節(jié)假設(shè)已知譜漂量，則可以根據(jù)譜漂計算公式直接求得數(shù)控增益放大器對應(yīng)的控制字，通過串口輸出，最后達(dá)到譜漂校正的目的。由于系統(tǒng)采用的是Y/U雙通道數(shù)控增益放大器，在高能模式(低放大倍數(shù))時調(diào)節(jié)Y值，低能模式(高放大倍數(shù))時調(diào)節(jié)U值，因此放大倍數(shù)Gain=Ycode/Ucode ;高能模式下譜漂調(diào)節(jié)公式如下DeltaG= (2*PF_PM)/Pf ;(4-6)Gcur=Ycodel/Ucode*DeltaG ;(4-7) Ycode2=Gcur*Ycodel ;(4-8)其中PF為設(shè)定的峰位值，PM為實(shí)測峰位值，Ycodel為當(dāng)前的Y通道增益控制字，YCode2為校正當(dāng)前譜漂時對應(yīng)輸出的Y通道增益控制字。同理可以得出低能模式下譜漂調(diào)節(jié)公式。為了保證穩(wěn)譜的精度，計算譜漂的原始譜線分辨率全部為1024，與用戶設(shè)定的譜線存儲分辨率無關(guān)。在穩(wěn)譜時，每個能譜采集器都是獨(dú)立進(jìn)行的，也就說系統(tǒng)中，同時對20條晶體能譜采集器計算譜漂，根據(jù)數(shù)字穩(wěn)譜算法實(shí)現(xiàn)每條晶體的譜漂在1024分辨率下小于+-I道。數(shù)字穩(wěn)譜的核心思想是基于全譜匹配的逐次逼近誤差回歸算法。本發(fā)明的有益效果I.可大大提高在航空多晶體譜漂求解的可靠性，避免傳統(tǒng)局部譜漂求解方法的假峰現(xiàn)象；2.采用本發(fā)明方法求解得到的譜漂量精度更高，抖動更小，更加適合于航空能譜測量的場合。3.可自動消除航空能譜測量中特征峰計數(shù)率、峰形變化帶來的影響，自動擇優(yōu)選取特征峰。4.采用逐步逼近誤差回歸方法調(diào)節(jié)譜漂，可以完全無視任何能譜儀系統(tǒng)的差別、使用環(huán)境不同，進(jìn)行實(shí)時動態(tài)調(diào)節(jié)，不依賴于特定參數(shù)，特定能譜儀，具有適用性廣的特點(diǎn)。


圖I是本發(fā)明能譜儀數(shù)字穩(wěn)譜的流程圖。圖2是本發(fā)明優(yōu)選能譜儀的使用流程圖，其中21 - MAX232串行通信接口芯片，22 一控制器，23 - YU雙通道乘法器，24 一數(shù)控高壓電源，25 一能譜儀探頭(PMT+Nal晶體)，26 —基于全譜匹配的譜漂記憶的航空多晶體數(shù)字穩(wěn)譜方法(PC機(jī)，工控機(jī)或者嵌入式處理機(jī)等)，27 —乘法器YU值及高壓值，28 —能譜曲線。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明根據(jù)下述實(shí)施例和附圖做進(jìn)一步的描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以明了的是，下述實(shí)施例以及附圖對本發(fā)明僅僅起到說明的作用。在不背離本發(fā)明精神的前提下，對本發(fā)明所做的任意改進(jìn)和替代均在本發(fā)明保護(hù)的范圍之內(nèi)。算法的簡要描述如下首先是采用kalman濾波的方法對所有晶體的譜線進(jìn)行降噪，譜線光滑處理，可提高后續(xù)譜漂漂移量求解的精度；其次是采用全譜匹配方法求取每條譜線的譜線大致漂移量。全譜匹配的核心思想上是采用峰形壓制的辦法，不斷調(diào)整譜線上每個特征峰上所有導(dǎo)數(shù)不連續(xù)的部位，并加以計數(shù)抑制，經(jīng)過多次迭代，可使得譜線上的每個點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)值為連續(xù)變化趨勢，因此也就完全消除了譜線上的所有峰，使得譜線為僅保留本底的曲線，由于本底曲線為指數(shù)曲線形式，因此可以將去除特征峰后的譜線進(jìn)行指數(shù)曲線擬合，獲取a值，根據(jù)a值判斷譜線的大致漂移。該方法的優(yōu)點(diǎn)是具有很強(qiáng)的抗干擾能力。在航空能譜測量中，如果僅僅采用局部特征峰作為判定譜漂的唯一標(biāo)準(zhǔn)，容易受到干擾峰的影響，導(dǎo)致判斷到假的特征峰，從而導(dǎo)致求取的譜漂錯誤。而采用全譜匹配的方法，則與譜線上所有的峰無關(guān)，至于譜線本身的整體峰形有關(guān)，因此不存在干擾的問題。求得譜線的大致漂移后，進(jìn)入譜線精密譜漂求解過程。在當(dāng)前選擇的特征峰基礎(chǔ)上求取左右峰邊界，根據(jù)面積積分法獲得代表特征峰譜漂的數(shù)值。傳統(tǒng)的求取譜線漂移的方法都是采用求解導(dǎo)數(shù)為O的點(diǎn)作為特征峰的峰位，用峰位的移動代表整條譜線的漂移，該方法在要求精度不高的情況下比較適合，在要求較高，尤其是航空伽馬能譜勘查系統(tǒng)中個，不僅譜線計數(shù)率低，而且對譜漂的要求極高，此時傳統(tǒng)辦法將不可行。 本發(fā)明采用了面積積分法求取到的特征峰峰面積代替?zhèn)鹘y(tǒng)的峰位作為譜線漂移的判定量。面積積分法首先是要求解得到左右峰邊界，然后扣除本底，同時判斷本底曲線是否過零，如果過零則放棄此次調(diào)節(jié)，延長測量時間。當(dāng)本底曲線不過零，則扣除本底得到凈峰面積，此時可以保證凈峰面積大于零。由于采用了面積積分的方式，所以在本質(zhì)上是一種濾波，降低了噪聲的影響，在實(shí)測中發(fā)現(xiàn)效果顯著。此時求解得到的精細(xì)譜漂量還不能馬上進(jìn)行增益調(diào)節(jié)，還需要判斷當(dāng)前選取的特征峰是否收到干擾，或者是否計數(shù)率滿足條件。采用高斯擬合法，擬合特征峰，如果擬合系數(shù)不能達(dá)到閾值，說明當(dāng)前選取的特征峰收到了異常核素的干擾，峰形變差，已經(jīng)不是干凈的高斯峰，此時就需要退出當(dāng)前測量，在備選的多種特征峰中，分別求取高斯擬合系數(shù)，選取擬合系數(shù)最優(yōu)且計數(shù)率較高的特征峰為當(dāng)前的特征峰。經(jīng)過上面的幾個步驟后，得到了精細(xì)的譜漂量，即可調(diào)用逐次逼近的誤差回歸公式計算得到實(shí)際的增益調(diào)節(jié)量。逐次逼近誤差回歸公式如下
G(j()=K*E(k)+T*+D*(E(k)-E(k-r)). G⑵為當(dāng)如的增碰調(diào)節(jié)量，K、T、D 為比
例系數(shù)。E(k)為當(dāng)前采樣周期的譜漂量。最后根據(jù)公式得到的增益調(diào)節(jié)量輸出增益調(diào)節(jié)命令，調(diào)節(jié)實(shí)際每條晶體的增益值，從而達(dá)到消除譜漂的方法。采用該方法的好處是避免了傳統(tǒng)固定增益調(diào)節(jié)方式帶來的固有譜漂的問題。該方法可以適應(yīng)任意環(huán)境，條件變化下帶來的譜漂問題，可實(shí)時動態(tài)消除譜漂，并能夠記錄整個調(diào)節(jié)周期內(nèi)的所有譜漂量，并加以回歸反饋，最終動態(tài)獲得高精度的譜漂消除。如圖I所示I、是否經(jīng)過了一個穩(wěn)譜周期的時間(60秒)？如果時間已到，則轉(zhuǎn)第2步，否則20條晶體采集的譜線繼續(xù)累加，轉(zhuǎn)第14步；2、如果此次穩(wěn)譜時間已經(jīng)超過穩(wěn)譜周期的20倍即為20分鐘，則放棄此次穩(wěn)譜操作，清除所有晶體的譜線數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)第14步，對放棄穩(wěn)譜的次數(shù)做自加操作，否則轉(zhuǎn)第4步；3、如果自加計數(shù)操過2次，則將穩(wěn)譜良好狀態(tài)置為假，并轉(zhuǎn)第14步；4、如果所有晶體的累加譜線數(shù)據(jù)都超過了各自的設(shè)定的閾值，則啟動穩(wěn)譜操作，轉(zhuǎn)第5步；由于晶體放置的空間位置不同，會導(dǎo)致其計數(shù)率不同，因此需要根據(jù)實(shí)際情況，測試每條晶體的穩(wěn)譜閾值。否則轉(zhuǎn)第14步；5、清除穩(wěn)譜周期的計數(shù)，對所有的譜線進(jìn)行kalman光滑；轉(zhuǎn)第6步；
6、如果尚未處于譜漂良好狀態(tài)，則進(jìn)入第7步實(shí)現(xiàn)譜漂的粗調(diào)，否則直接進(jìn)入第8
I K
少；7、譜漂的粗調(diào)采用全譜匹配方法提取整條譜線的大致譜漂。使用該方法可從全局獲取譜線的漂移，比傳統(tǒng)采用特征峰判斷譜漂的方式更具有抗干擾能力，尤其是在出現(xiàn)異常譜漂的情況下，仍然可以精確的判斷譜線漂移，避免采用局部特征峰出現(xiàn)假特征峰而計算得到錯誤的譜漂的問題。提取每條譜線的離散序列，不斷進(jìn)行譜線峰形抑制，直至譜線上所有的特征峰都被完全抑制，只保留下了本底曲線，根據(jù)指數(shù)曲線公式進(jìn)行擬合回歸獲得指數(shù)曲線的a值，根據(jù)a值判斷譜漂的粗調(diào)值，進(jìn)入第8步。8、如果當(dāng)前譜漂的粗調(diào)值大于10道，則進(jìn)入第12步；否則進(jìn)入第9步；9、根據(jù)當(dāng)前的穩(wěn)峰核素，采用一階導(dǎo)數(shù)法，求取大致的特征峰左右峰邊界，扣除本底，采用峰面積積分法求取特征峰峰位；轉(zhuǎn)第10步；
·
10、調(diào)用高斯擬合函數(shù)，并根據(jù)返回的擬合結(jié)果，判斷特征峰是否為標(biāo)準(zhǔn)的高斯峰，如果超出設(shè)定的閾值，也就是說特征峰受到了其他核素的干擾，則退出此次譜漂調(diào)節(jié)；轉(zhuǎn)第14步；否則進(jìn)入第11步；11、如果譜漂小于5道則置譜漂良好標(biāo)志為真；轉(zhuǎn)第12步；12、將譜漂量帶入逐次逼近誤差回歸公式，得到實(shí)際的譜漂調(diào)節(jié)量，根據(jù)譜漂計算公式得到Y(jié)，u增益值，并通過串口輸出命令到能譜采集器改變增益，從而消除譜漂；轉(zhuǎn)第13
I K
少；13、清除累加譜線緩沖區(qū)；轉(zhuǎn)第14步；14、分別在K，U，TH, CS等四個特征峰所在區(qū)域，求取峰邊界，扣除本底后，采用高斯擬合法判斷4個特征峰的峰形，峰形不符合要求的則剔除，保留符合高斯形狀的特征峰，如果都不符合，則取高斯擬合結(jié)果最好的特征峰，作為下一個周期的穩(wěn)峰核素；15、在14步中找出的符合高斯函數(shù)的特征峰，計算其凈峰面積，取凈峰面積最大的特征峰為穩(wěn)譜的特征峰；并轉(zhuǎn)第一步。
權(quán)利要求
1.一種能譜儀，其特征在于包括Y/U雙通道乘法器和串行通信接口芯片，所述乘法器對應(yīng)的控制字是由譜漂計算公式求得。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的能譜儀，其特征在于所述Y/U雙通道乘法器在高能模式，低放大倍數(shù)時調(diào)節(jié)Y值，低能模式，高放大倍數(shù)時調(diào)節(jié)U值,放大倍數(shù)Gain=Ycode/Ucode ;高能模式下譜漂調(diào)節(jié)公式如下 DeltaG= (2*PF-PM)/Pf ;(4-6) Gcur=Ycodel/Ucode*DeltaG ;(4-7) Ycode2=Gcur*Ycodel ；(4-8) 其中Pf為設(shè)定的峰位值，Pm為實(shí)測峰位值，Ycodel為當(dāng)前的Y通道增益控制字，YCode2為校正當(dāng)前譜漂時對應(yīng)輸出的Y通道增益控制字。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的能譜儀，其特征在于，譜漂量是通過下述步驟得到的精細(xì)的譜漂量 a.采用面積積分法求取到的特征峰峰面積，通過面積積分法求解得到左右峰邊界，然后扣除本底，同時判斷本底曲線是否過零，如果過零則放棄，延長測量時間，當(dāng)本底曲線不過零，則扣除本底得到凈峰面積； b.采用高斯擬合法，擬合特征峰，如果擬合系數(shù)不能達(dá)到閾值，則退出當(dāng)前測量，在備選的多種特征峰中，分別求取高斯擬合系數(shù)，選取擬合系數(shù)最優(yōu)且計數(shù)率較高的特征峰為當(dāng)前的特征峰； c.用逐次逼近的誤差回歸公式計算得到實(shí)際的增益調(diào)節(jié)量，所述逐次逼近誤差回歸公式如下:G(k)=K*E(k)+T* - ‘ ；.+D*(E(k)-E(k-l)),其中 G(k)為當(dāng)前的增益調(diào)節(jié)量，K、T、D為比例系數(shù)，E (k)為當(dāng)前采樣周期的譜漂量； d.最后根據(jù)得到的增益調(diào)節(jié)量輸出增益調(diào)節(jié)命令，調(diào)節(jié)實(shí)際每條晶體的增益值，消除譜漂。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種能譜儀，特征在于，根據(jù)譜漂計算公式直接求得數(shù)控增益放大器對應(yīng)的控制字，通過串口輸出，最后達(dá)到譜漂校正的目的。
文檔編號G01T1/40GK102819034SQ201210337889
公開日2012年12月12日 申請日期2012年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月13日
發(fā)明者曾國強(qiáng), 葛良全, 倪衛(wèi)沖, 范正國, 羅耀耀, 陳方強(qiáng), 張慶賢 申請人:成都理工大學(xué)