2. 防化研究院 第二研究所 北京 102205
2. The Second Research Institute of Chemical Defense, Beijing 102205, China
行人放射性监测仪广泛安装于敏感行政机构、核电站、海关、港口等重要设施或场所的出入口，用于检查人员是否携带放射性物质。当探测到放射性物质超标时，发出声光报警，防止核威胁或者污染物扩散。此类监测仪通常使用塑料闪烁体探测器，通过计数率来判别威胁，但无法获知放射性物质的种类和威胁等级。
法国MGP仪器公司近期推出了一款高端SPIR-IDENT (Site Protection Against Intrusion of Radioactive Material)行人放射性核素识别仪，可探测γ辐射并快速实现同位素识别，并对其进行自动核素分类（天然核素、医用核素、工业用核素和特殊核材料），同时对报警进行快速分类（由天然核素和医用核素引发的绿色报警，和由工业用核素和特殊核材料或脏弹引发的红色报警），对保护区域场所安全、防止携带特殊核材料或脏弹等引起的核恐怖威胁有积极作用。该识别仪售价每台高达8hjs-39-9-090403-1元(RMB)。
国内近几年掌握了核信号数字化处理技术，陆续推出了数字化核素识别仪、数字多道等产品[1-5]。便携式数字化核素识别仪通常搭载直径5-7.5 cm NaI探测器或者LaBr3(Ce)探测器，且多使用现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA) +ARM (Advanced RISC Machines)处理器架构，通常需要测量10 s以上才能获取幅度谱，再经过3-5 s的谱数据处理才能给出核素识别结果，无法在行人通过瞬间实现同位素快速识别。类似于SPIR-IDENT的高端产品国内未见报道。本文介绍了一种采用单片嵌入式FPGA实现行人放射性快速识别仪的方法，能够在1 s内实现γ辐射探测、同位素识别及自动分类，性能达到MGP公司的高端SPIR-IDENT产品水平。
1 系统概述行人放射性快速识别仪要求在1 s内完成数字梯形滤波成形、数字基线恢复等数字脉冲处理，及幅度谱合成、数字峰值提取、数字稳谱、同位素识别等数据处理，对系统的实时性提出了很高的要求。
1.1 探测器系统需要探测到足够的脉冲信号，才能在1 s内完成上述脉冲信号的数字化处理及合成幅度谱，并完成幅度谱数据处理。考虑成本及工艺因素，行人放射性快速识别仪选择体积较大的NaI探测器。美国SAINT- GOBAIN公司S600-6007型NaI探测器体积2 L，本底计数不少于3000 count•s-1，可满足系统要求。
1.2 处理器在1 s内完成上述处理功能，须依靠大量硬件电路才能实现。选择大规模高速FPGA作为处理器。在单片FPGA内嵌入CPU软核，脉冲成形和数据处理结果在片内通过高速总线传输，相比FPGA+ ARM处理器架构可以节约大量数据传输时间。本设计选用美国Altera公司Stratix IV系列FPGA EP4SE230F29I3N，主频3 ns，LE单元22.8× 104门，M9K存储器单元1235个，18 bit×18 bit乘法器大于1288个，可满足系统对资源和速度的需求。
1.3 操作系统同位素识别及自动分类功能需要数据库才能实现。此外，行人放射性快速识别仪需要提供丰富的数据接口与监控中心互联，如控制器局域网络(Controller Area Network,CAN)总线、网络接口等。因此，FPGA中需要嵌入操作系统。本设计选用32位μC/OS-Ⅱ抢占式实时多任务操作系统，其内核小、系统精简，具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良、可扩展性强和超过200DMIP的性能等特点，适合嵌入在FPGA中。
2 系统硬件行人放射性快速识别仪电子学系统由大体积NaI探测器、模拟电路模块、嵌入式FPGA模块、电源模块和显示模块组成，其框图如图 1所示。
|
图 1 系统组成框图 Figure 1 System block diagram. |
核脉冲的数字信号处理要求ADC (Analog-to- digital Converter)前置，直接对前放输出的信号波形量化。ADC前端输入信号应尽可能地保留原信号的所有信息。模拟电路模块由电荷灵敏前放、极零相消、线性增益、抗混叠滤波和高速ADC组成。
为适应ADC的动态范围，必须进行信号调理。根据NaI探测器输出信号特征，对调理电路的要求与模拟多道分析技术有较大差异，表现为：1) 较大的带宽，否则将导致信号上升沿减缓，分辨率降低；2) 低噪声模拟电路，以保证ADC的有效位数[6]。因此，调理电路的缓冲级，采用低噪声精密运放OPA211，其噪声密度仅为1.1 nV/ ，失调电压仅125 μV。极零相消电路采用精密多圈可调电阻，其输出指数脉冲信号脉宽小于2 μs。线性增益级采用电流反馈型运放AD8011，其带宽300 MHz，压摆率2000 V∙μs-1，增益和带宽相对独立，可满足较高增益下的带宽需求。根据系统最大能量响应3MeV和变换增益1024道，调整线性增益，使137Cs的γ射线指数脉冲在ADC前端幅度达到440 mV。抗混叠滤波电路采用一阶有源低通滤波电路，-3 dB带宽为3 MHz。滤波电路会引入一个极点，但其常数τ为ns级，与极零相消后引入的μs级极点相比基本可忽略。高速ADC采用美国ADI公司12位低功耗、流水线型ADC AD9235，采样时钟40 MHz，由FPGA提供。为抑制噪声，提高信噪比，降低数字电路对模拟电路的干扰，在ADC与FPGA数据总线间采用74LVTH162374锁存作为接口，可以起到法拉第屏蔽作用。
3 FPGA架构行人放射性快速识别仪嵌入式FPGA架构由核脉冲信号处理和嵌入式系统两部分组成，如图 2所示。其中，核脉冲信号处理包括数字脉冲处理(Digital Pulse Processing,DPP)和幅度谱数据处理(Spectroscopy Data Processing,SDP)两个模块；嵌入式系统包括NIOSⅡ软核、底层驱动、μC/OS-Ⅱ操作系统以及数字稳谱、核素识别、剂量率计算、电源管理等应用程序。
|
图 2 FPGA架构 Figure 2 FPGA structure. |
数字脉冲处理模块用于对核脉冲进行数字梯形成形处理。来自ADC的数字脉冲信号经高速缓存后，分为三路分别进行数字梯形滤波成形、数字基线估计和快成形，然后进行幅度提取。快成形用于识别脉冲到达时刻、剔除堆积，一方面给幅度提取单元提供脉冲定位信号，另一方面产生死时间信号提供死时间记录[7]。
3.2 幅度谱数据处理幅度谱数据处理包括幅度谱合成、谱数据平滑和寻峰三个部分。通常，幅度谱数据处理由应用层软件完成，耗时3-5 s。而行人放射性快速识别仪要求在1 s内完成所有数字脉冲处理和谱数据处理，传统的实现方法不能满足系统对实时性的需求。本设计中，幅度谱数据处理部分采用VHDL语言编程，使用硬件加法器、硬件乘法器和硬件除法器电路，完成谱数据处理的算法，可以极大地提高数据处理速度，满足系统对实时性的需求。
为减少谱数据中的统计涨落，需要进行平滑处理。谱数据平滑的本质是对谱曲线进行低通滤波，去掉高频成分，保留有用的低频信息。行人放射性快速识别仪采用最小二乘移动平滑法，平滑窗口5点，其基本公式为：
| $\overline{{{y}_{m}}}=\frac{1}{35}\left( -3{{y}_{m-2}}+12{{y}_{m-1}}+17{{y}_{m}}+12{{y}_{m+1}}-3{{y}_{m+2}} \right)$ | (1) |
式中：ym为原始数据；ym为平滑后的谱数据。
在FPGA资源足够的条件下，可以将谱数据等分为前后两段或者多段，并行进行数据平滑处理，提高数据处理速度。
在谱数据中精确地计算出各个峰的峰位是能谱分析中的关键的问题。行人放射性快速识别仪采用匹配滤波器法进行寻峰处理，其冲击函数Cj满足下列关系式[8]：
| ${{C}_{j}}=\exp \left[ -{{j}^{2}}/\left( 2{{\sigma }^{2}} \right) \right]-\frac{1}{2K+1}\sum\limits_{k=-K}^{K}{\exp \left[ -{{k}^{2}}/\left( 2{{\sigma }^{2}} \right) \right]}$ | (2) |
式中：σ为高斯峰函数标准偏差；2K+1为变换窗口。
冲击函数中存在指数运算和除法运算，变换增益越大，计算量越大。在FPGA中采用CORDIC算法实现指数函数计算，以Digit Recurrence算法为核心，实现32位单精度浮点数除法运算[9]。经过优化后，指数函数运算和除法运算最高工作频率可达70MHz以上，极大地提高了寻峰处理的运算速度。寻峰处理结果通过AVALON总线传给NIOSⅡ软核，由应用层软件进行同位素识别。
3.3 嵌入式应用层软件嵌入式应用层软件根据能量刻度因子和效率刻度因子，将寻峰结果及峰面积转换成对应的能量信息，再使用库导向放射性同位素识别法，给出核素识别结果和置信度，通过CAN总线将测量结果传送给监控中心。
行人放射性快速识别仪内置一个137Cs刻度源，用于实现数字稳谱。数字稳谱采用H.Deward峰位稳定方法，根据137Cs刻度源的662 keV特征峰位置变化情况对幅度进行实时修正。每次重新上电时，行人放射性快速识别仪自动刻度，检测当前环境下的刻度源特征峰，提供初始谱合成因子。在能谱测量过程中不断检测刻度源特征峰峰位并进行稳谱处理，以确保在环境温度等影响因素变换的情况下的谱稳定。
4 试验2015年年底行人放射性快速识别仪在中国计量院完成了核素识别能力和最低可探测活度等试验，样机如图 3所示。
|
图 3 实物样机 Figure 3 Prototype instrument. |
使用Quartus软件抓取的数字脉冲处理模块输出的梯形滤波成形波形如图 4所示。
|
图 4 梯形滤波成形波形 Figure 4 DPP waveform. |
在本底辐射水平不大于0.1 μGy∙h-1环境下，放射源以不大于5 km∙h-1的速度经过系统探测区域，行人放射性快速识别仪在1 s内可识别核素包括241Am、60Co、137Cs、40K等10余种常见放射源。将在241Am、137Cs和60Co混合辐射场中测量1 s所获得的幅度谱离线使用Canberra公司Inspector2000数字化多道工作站谱分析软件Genie2k分析结果，如图 5所示。
|
图 5 幅度谱分析 Figure 5 Spectrum analysis. |
从分析结果可以看出，实测幅度谱241Am、137Cs和60Co特征峰明显，易于识别。谱中康普顿平台较高，是因为NaI探测器体积较大，散射较多所致。在662 keV处的能量分辨率为[10]：
| $\varepsilon = {{FWHM} \over E} = {{49.266} \over {622.1}} = 7.44\% $ | (3) |
式中：FWHM为半高宽，E为能量。
4.3 最低可探测活度将行人放射性快速识别仪置于本底辐射水平不大于0.1 μGy∙h-1环境下，记录1 s本底计数率平均值N为3278；将活度为377.4 kBq的137Cs放射源置于距离NaI探测器几何中心点1 m处，记录1 s放射源计数率平均值Nb为4984。使用式(4)可计算出放射源的探测效率η[10]。
| $\eta = {{N - {N_b}} \over A} \times 100\% = 0.45\% $ | (4) |
式中：A为放射源活度。
在置信度为99%时使用式(5)可得最小可探测活度 [10]。
| $MDA = {{2.33\sqrt {2N} } \over \eta } = 41.9kBq$ | (5) |
式中：N为本底计数率平均值；η为放射源探测效率。
按照置信度为99%设置报警阈值，将377.4 kBq的137Cs放射源以不大于5 km∙h-1的速度经过探测器几何中心1 m处，经过10次试验，系统均给出了报警。测试结果表明，行人放射性快速识别仪可探测到距离其1 m处的5类137Cs放射源。
5 结语本文采用单片嵌入式FPGA研制的行人放射性快速识别仪，使用数字梯形成形技术，优化了幅度谱数据处理实现方法，能在1 s内完成γ辐射探测、同位素识别及自动分类，能量分辨率为7.44%@662keV，最低可探测活度41.9 kBq，在置信度99%条件下能探测到距离其1 m处的5类137Cs放射源。该快速识别仪的研制成功对提升防范核恐怖威胁的能力有积极意义。
| [1] |
肖无云, 梁卫平, 赵建兴, 等.数字化核脉冲测量技术及其应用探讨[C].第十四届全国核电子学与探测技术学术年会论文集, 北京:中国科学会, 2008
XIAO Wuyun, LIANG Weiping, ZHAO Jianxing, et al.Discussion on digital nuclear pulse measuring techniques and their applications[C].Proceedings of the 14th National Conference on Nuclear Electronics & Detection Technology, Beijing:Chinese Nuclear Society, 2008 http://cpfd.cnki.com.cn/article/cpfdtotal-hdzx200807001033.htm (  0)
|
| [2] |
陈亮.核素识别算法及数字化能谱采集系统研究[D].北京:清华大学, 2009
CHEN Liang.Research on the nuclide identification algorithm and digital spectra acquisition system[D].Beijing:Tsinghua University, 2009 http://www.oalib.com/references/18716730 ( 0)
|
| [3] |
胡颖睿, 肖无云, 梁卫平, 等. 基于嵌入式FPGA的数字化便携式LaBr3(Ce) γ谱仪[J].
核电子学与探测技术, 2015, 38 (5) : 050401 –931.
DOI: 10.3969/j.issn.0258-0934.2013.08.004 CHEN Xiaomeng, ZHANG Yuzhong, AI Xianyun, et al. Method of digital Dither adding for digital multi-channel pulse amplitude analyzer[J]. Nuclear Techniques, 2015, 38 (5) : 050401 –931. DOI: 10.3969/j.issn.0258-0934.2013.08.004 ( 0)
|
| [4] |
陈小猛, 张羽中, 艾宪芸, 等. 数字多道脉冲幅度分析器中数字Dither加入方法[J].
核技术, 2015, 38 (5) : 050401 .
DOI: 10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.050401 CHEN Xiaomeng, ZHANG Yuzhong, AI Xianyun, et al. Method of digital Dither adding for digital multi-channel pulse amplitude analyzer[J]. Nuclear Techniques, 2015, 38 (5) : 050401 . DOI: 10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.050401 ( 0)
|
| [5] |
焦仓文, 邓明, 陆士立, 等. 小口径γ能谱测井仪研制[J].
核技术, 2015, 38 (4) : 040403 .
DOI: 10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.040403 JIAO Cangwen, DENG Ming, LU Shili, et al. Research and development of slim borehole gamma ray spectrometry logger[J]. Nuclear Techniques, 2015, 38 (4) : 040403 . DOI: 10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.040403 ( 0)
|
| [6] |
梁卫平, 胡颖睿, 肖无云, 等. 数字化多道脉冲幅度分析器调理电路设计[J].
核电子学与探测技术, 2012, 32 (4) : 462 –465.
DOI: 10.3969/j.issn.0258-0934.2012.04.021 LIANG Weiping, HU Yingrui, XIAO Wuyun, et al. Digital multi-channel pulse height analyze pre-filter circuit design[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 2012, 32 (4) : 462 –465. DOI: 10.3969/j.issn.0258-0934.2012.04.021 ( 0)
|
| [7] |
肖无云, 梁卫平, 邵建辉, 等. 基于FPGA的数字化核脉冲幅度分析器[J].
核电子学与探测技术, 2008, 28 (6) : 1069 –1071.
DOI: 10.3969/j.issn.0258-0934.2008.06.006 XIAO Wuyun, LIANG Weiping, SHAO Jianhui, et al. Digital multi-channel nuclear pulse height analyzer on FPGA[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 2008, 28 (6) : 1069 –1071. DOI: 10.3969/j.issn.0258-0934.2008.06.006 ( 0)
|
| [8] |
Glenn F.
Radiation detection and measurement. New York:John Wiley & Sons, Inc[M]. 2010 .
(0)
|
| [9] |
安然.基于FPGA的除法器的设计和实现[D].成都:成都理工大学, 2011
AN Ran.The design and implementation of divider unit based on FPGA[D].Chengdu:Chengdu University of Technology, 2011 ( 0)
|
| [10] |
凌球, 郭兰英.
核辐射探测[M]. 北京: 原子能出版社, 1992 .
LING Qiu, GUO Lanying. Radiation detection[M]. Beijing: Atomic Energy Press, 1992 . ( 0)
|