用於識別在檢測器輸出數據中脈衝的方法和設備的製作方法

2023-06-09 01:41:41

用於識別在檢測器輸出數據中脈衝的方法和設備的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於在檢測器輸出數據中定位脈衝的方法，其包括將一個或更多個函數擬合到檢測器輸出數據；以及根據所述一個或更多個函數確定所述脈衝峰的位置和幅度。一個或更多個函數可以是時間的函數。
【專利說明】用於識別在檢測器輸出數據中脈衝的方法和設備
【技術領域】
[0001]本發明一般涉及用於從(通常有噪音的)檢測器輸出數據確定脈衝的位置和幅度的方法和設備，特別用於但不專門用於從受脈衝堆積影響的輻射檢測器恢復數據。
【背景技術】
[0002]在許多行業中利用輻射、振動或其它類型的能量的準確檢測和測量，包括國土安全、科學儀器、醫療成像、物質分析、氣象、信息和通信技術(ICT)以及礦物加工行業。這些和其它行業使用這種檢測和測量來分析物質、結構、產品、信息、信號或其它樣本。基於成像的傳輸、波譜分析或其它形式可用於執行這種分析。
[0003]在礦產和石油勘探中，測井技術使用伽瑪射線和中子確定巖石和礦藏的表面成分。關於巖層的孔隙度和密度的數據可從核測井技術確定，並且這然後用於幫助檢測地質儲層的存在和它們的內容物(例如油、氣或水)。
[0004]SONAR (聲音導航和測距)通常用於導航並且用於在水體內定位對象。SONAR或聲波檢測和測距可用於測量大氣湍流的聲波散射，並且例如在高於地面的各種高度處測量風速，以及大氣低層的熱力學結構。
[0005]超聲可用於醫療成像或其它目的，諸如形成胎兒圖像，從而發現某些類型對象中的位置缺陷或測量某些類型對象的厚度，或實時定位對象(例如在製造環境中)。
[0006]光譜通常用於分析物質。關於物質的知識可通過分析來自樣品內元素的輻射發射或樣品內元素的吸收來獲得。由於某個形式的入射輻射或來自構成元素的自然發射，輻射發射可以是受激發射。
[0007]兩個標準受激發射光譜技術是X射線螢光(XRF)和粒子激發X射線發射(PIXE)。這些技術用於ICT中的物質分析和礦物勘探以及加工行業。在這些技術中，在物質已經通過採用高能光子或粒子的激發來激勵之後，物質的知識可通過檢測和分析從物質發射的二次(或螢光)X射線來獲得。
[0008]伽瑪射線光譜例如是光譜形式，其中發射的電磁輻射為伽瑪射線形式。在伽瑪射線光譜中，伽瑪射線的檢測通常採用閃爍晶體(諸如鉈活化的碘化鈉NaI(TI))來執行，儘管有也可使用的若干其它檢測器類型。NaI (TI)晶體根據入射的伽瑪射線輻射產生紫外線光子。這些光子然後由產生相應電信號或脈衝的光電倍增管(PMT)來接收。因此，在光子和檢測器之間的相互作用產生類似脈衝的信號，其形狀通過入射伽瑪射線輻射、檢測晶體和PMT來確定。這些類似脈衝信號的基本形式被稱為檢測器的脈衝響應。
[0009]來自光電倍增管的輸出是表示響應離散伽瑪射線到達閃爍晶體處產生的所確定形式的輸入信號總和的電信號。通過分析隨著時間推移的檢測器輸出，並且特別是分量信號的幅度，可能推導關於正被分析物質的化學成分的信息。
[0010]伽瑪射線光譜的分析需要響應於伽瑪射線而產生的各個類似脈衝信號的特性。特定感興趣的信號參數包括信號幅度、出現的數量和時間或時間位置(無論是否測量為到達時間、最大時間或其它)。如果兩個伽瑪射線的到達時間相差超過檢測器的響應時間，則檢測器輸出的分析相對簡單。然而，在許多應用中，高通量的伽瑪射線不可避免，或可以是期望的以便光譜分析可在合理的時間期執行。隨著在伽瑪射線到達之間的時間減少，所有得到信號的特徵表徵變得困難。
[0011]特別是，分析受已知為脈衝堆積的現象影響[參見例如G.F.Knoll, RadiationDetection and Measurement, 3rd edition,Chapterl7,pp.632-634，658and659, JohnWiley and Sons, New York2000],由此大約同步到達的多個伽瑪射線產生累加在一起並且可無意計為單個信號的信號。該組合信號的幅度大於個體分量，導致在以後分析中的誤差。
[0012]入射伽瑪射線的能量一般由檢測器產生的相應類似脈衝信號的幅度來表示。在檢測器信號內具體伽瑪射線能量的存在是產生伽瑪射線的物質中的特定元素的指示。因此，不能區分由來自多個事件疊加的單一閃爍事件導致的大量幅度信號可具有對隨後光譜分析準確性的嚴重影響。
[0013]雖然上面已經在光電倍增管檢測器和伽瑪檢測器的背景下描述堆積的效應，但是它們同樣應用於這些和其它形式輻射的其它類型檢測器，例如包括諸如鋰漂移矽晶體檢測器以及表面勢壘檢測器的X射線檢測器。此外，如本領域技術人員所理解的，提到「檢測器的輸出」可包括連接到諸如鋰漂移矽或鍺晶體或裸露表面勢壘檢測器的基本檢測器組件的前置放大器的輸出。
[0014]一些現有技術的目的在於防止由於脈衝堆積導致的光譜分析的損壞(corruption).某些脈衝成形電子裝置已經示出為減少檢測器響應時間，導致在最終光譜中堆積盛行的減弱[A.Pullia, A.Geraci and G.Ripamonti, Quasioptimum y andX-Ray Spectroscopy Based on Real-Time Digital Techniques, Nucl.1nst, and Meth.A439 (2000) 378-384]。然而，檢測器響應時間限制了該技術。另一個方法是「脈衝堆積拒絕」，從而丟棄懷疑包含有脈衝堆積的信號。只有不包含脈衝堆積的信號被用於光譜分析。然而，由於入射到檢測器上的輻射率增加，使得更有可能出現脈衝堆積，並且更有必要丟棄數據。因此，由於必須拒絕百分比增加的數據，現有脈衝堆積拒絕的用處受限，這是因為很快達到一狀態，超過該狀態停止較高的入射輻射通量以減少分析所需時間。
[0015]此外，增加期間沒有有用的數據被接收但是樣本繼續被照射的「死時間」(deadtime)導致正被分析的樣本或物質受到更大輻射劑量或能量密度並且完全必要。在其中分析期間樣本或物質遭受輻射損傷的情況下，這可能是嚴重後果。此外，在一些情況下(例如高能粒子物理實驗)，檢測器本身可受到大量輻射損傷，並且死時間越大，這種檢測器在其使用期期間可提供的有用數據越少。
[0016]脈衝堆積在地震數據收集中同樣是問題；Naoki Saito (in Superresolution ofNoisy Band-Limited Data by Data Adaptive Regularization and its Application toSeismic Trace Inversion, CH2847-2/90/0000-123, 1990)教導用於解決在地震道中緊密設置尖峰的技術。該公開技術利用數據自適應正則化恢復在噪音存在時丟失的頻率信息，並且通過反覆迭代獲得提高的解析度。然而，該方法是計算密集型的。
[0017]需要提供用於在檢測器輸出數據中定位脈衝的方法和設備，其消除現有技術的一個或更多困難，或至少提供有用的替代。

【發明內容】
[0018]根據本發明的第一方面，因此提供用於在檢測器輸出數據中定位脈衝的方法，其包括:
[0019]將一個或更多個函數擬合(諸如通過最小二乘)到該檢測器輸出數據；以及
[0020]根據由所述擬合確定的一個或更多個函數確定所述脈衝的峰的位置和幅度。
[0021]在一組實施例中，所述一個或更多個函數是時間的函數。
[0022]然而在一些這樣的實施例中，技術人員將理解一個或更多個函數可以不是完全的時間函數。
[0023]該方法可包括在將一個或更多個函數擬合到檢測器輸出數據之前，以數字形式提供檢測器輸出數據或轉換檢測器輸出數據為數字形式。
[0024]在一些實施例中，該方法包括:
[0025]通過將數學變換應用到第二檢測器輸出數據來產生所述檢測器輸出數據，根據所述脈衝的預期形式選擇所述數學變換。
[0026]在一些實施例中，所述擬合包括:
[0027]將多個函數擬合到檢測器輸出數據；以及
[0028]確定最佳擬合函數，當將所述數據建模時其是優化選擇的度量的所述多個函數的任何一個；以及
[0029]所述確定包括從確定的最佳擬合函數確定所述峰的位置和幅度。
[0030]在一些實施例中，該方法包括:
[0031 ] 從所述擬合確定誤差殘差；以及
[0032]從所述誤差殘差確定所述檢測器輸出的基線偏移。
[0033]在一個實施例中，所述一個或更多個函數是以下形式:
[0034]f (t) =av (t)+be-at。
[0035]在該實施例中，V (t)可用數字計算，諸如通過公式
[0036]
【權利要求】
1.一種用於在檢測器輸出數據中定位脈衝的方法，其包括: 將一個或更多個函數擬合到所述檢測器輸出數據；以及 根據由所述擬合確定的所述一個或更多個函數確定所述脈衝的峰的位置和幅度。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述一個或更多個函數是時間的函數。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其包括在將所述一個或更多個函數擬合到所述數據之前，以數字形式提供所述數據或轉換所述數據到數字形式。
4.根據權利要求1至3中的任何一項所述的方法，其包括: 通過應用數學變換到第二檢測器輸出數據來產生所述檢測器輸出數據，所述數學變換是根據所述脈衝的預期形式選擇的。
5.根據權利要求1至4中的任何一項所述的方法，其中所述擬合包括: 將多個函數擬合到所述檢測器輸出數據；以及 確定最佳擬合函數，當將所述數據建模時所述最佳擬合函數是優化選擇的度量的所述多個函數的任何一個；以及 所述確定包括根據所確定的最佳擬合函數確定所述峰的位置和幅度。
6.根據權利要求1至5中的任何一項所述的方法，其包括: 根據所述擬合確定誤差殘差；以及 根據所述誤差殘差確定所述檢測器輸出的基線偏移。
7.根據權利要求1至6中的任何一項所述的方法，其中所述一個或更多個函數是一般形式: f (t) =av (t) +bd
8.根據權利要求7所述的方法，其包括數值地計算v(t)。
9.根據權利要求7所述的方法，其包括根據如下等式來數值地計算V(t):
10.根據權利要求1至9中的任何一項所述的方法，其包括採用包括如下步驟的方法來確定所述脈衝的位置和幅度: 將參考脈衝P (t)定義為e_atu (t)與e_etu (t)的卷積，以及 根據f (t) =Ap (1:-1:)確定€ (t)的位置T和幅度A,其中T≤O。
11.根據權利要求1至3中的任何一項所述的方法，其中所述一個或更多個函數是如下形式: f (t) =ae…—be_0t, 其中a和P是標量係數，並且所述方法包括確定a和b。
12.根據權利要求11所述的方法，其中確定所述位置包括確定位置(a，b)，其中:
13.根據權利要求1至12中的任何一項所述的方法，其包括促使具有在窗口內開始的所述脈衝的任何估計在所述窗口的邊界處開始。
14.根據權利要求1至13中的任何一項所述的方法，其包括最大化窗口大小或改變窗口大小。
15.根據權利要求1至14中的任何一項所述的方法，其中所述確定所述峰的位置包括最小化在窗口開始和所述脈衝的開始之間的偏移。
16.根據權利要求1至15中的任何一項所述的方法，其進一步包括通過如下步驟在所述檢測器輸出數據中檢測一個脈衝或多於一個脈衝: 將窗口滑過所述數據到連續的窗口位置； 通過在每個窗口位置處執行脈衝擬合到窗口中的數據來識別可能脈衝； 確定所述可能脈衝中的哪些具有在相應窗口位置的開始之前或接近所述開始時下降的脈衝開始，以及在相應的窗口位置處具有超出所述窗口中噪音的標準偏差的峰幅度；以及 識別所述可能脈衝中具有在相應窗口位置的開始之前或接近所述開始時下降的脈衝開始，以及在相應的窗口位置處具有超出所述窗口中噪音的標準偏差的峰幅度的那些可能脈衝作為脈衝或輸出它們。
17.根據權利要求16所述的方法，其中如果被發現在所述窗口位置的開始之前下降一個、兩個或三個樣本，則所述脈衝開始被確定為在所述窗口位置的開始之前和接近所述窗口位置的開始。
18.根據權利要求1至17中的任何一項所述的方法，其中所述一個或更多個函數中的每個是多個函數的疊加。
19.根據權利要求1至18中的任何一項所述的方法，其包括將所述一個或更多個函數最小二乘擬合到所述檢測器輸出數據。
20.根據權利要求1至14中的任何一項所述的方法，其包括在將所述一個或更多個函數擬合之前低通濾波所述檢測器輸出數據。
21.根據權利要求1至20中的任何一項所述的方法，其包括使所述一個或更多個函數適應於允許在所述檢測器輸出數據中的低頻偽跡。
22.根據權利要求1至21中的任何一項所述的方法，其包括在將所述一個或更多個函數擬合到所述檢測器輸出數據之前採用變換來將所述檢測器輸出數據變換為已變換的。
23.根據權利要求22所述的方法，其中所述變換是拉普拉斯變換或傅立葉變換。
24.根據權利要求1至23中的任何一項所述的方法，其進一步包括通過如下步驟在所述檢測器輸出數據中檢測一個脈衝或多於一個脈衝: 將所述窗口滑過數據到連續的窗口位置； 通過執行所述最佳擬合函數或所述多個函數中任一到所述窗口中所述數據的脈衝擬合來在每個窗口位置處識別可能的脈衝； 確定哪些所述可能的脈衝具有在相應窗口位置的開始之前或接近所述開始時下降的脈衝開始，以及在相應窗口位置處具有超出所述窗口中噪音的標準偏差的峰幅度；以及 識別所述可能的脈衝中具有 在相應窗口位置的開始之前或接近所述開始時下降的脈衝開始，以及在相應的窗口位置處具有超出所述窗口中噪音的標準偏差的峰幅度的那些可能的脈衝作為脈衝或輸出它們。
25.一種用於在檢測器輸出數據中定位脈衝的方法，其包括:將多個函數擬合到所述數據； 確定最佳擬合函數，當將所述數據建模時所述最佳擬合函數是優化選擇的度量的所述多個函數的任何一個；以及 根據所述最佳擬合函數確定所述脈衝的峰的位置和幅度。
26.根據權利要求22所述的方法，其中所述一個或更多個函數中的每個是多個函數的置加。
27.一種用於在檢測器輸出數據中定位脈衝的方法，其包括: 通過應用數學變換到所述檢測器輸出數據來產生變換數據，所述數學變換是根據所述脈衝的預期形式選擇的；以及 根據所述變換數據確定所述脈衝的峰的位置和幅度。
28.—種用於確定基線偏移的方法,其包括: 根據權利要求1所述的方法將一個或更多個函數擬合到檢測器輸出數據； 根據擬合所述一個或更多個函數確定誤差殘差；以及 根據所述誤差殘差 確定所述基線偏移。
【文檔編號】G01D3/10GK103814273SQ201280029131
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2012年6月14日 優先權日:2011年6月14日
【發明者】J.H.曼頓, C.C.麥克勒安, 保羅·安德魯·巴茲爾·斯庫拉 申請人:南方創新國際股份有限公司