一种基于核脉冲事件相位拟合的飞行时间测量系统及方法

本发明涉及生物医学图像的分割的，特别涉及一种基于核脉冲事件相位拟合的飞行时间测量系统及方法。

背景技术：

1、核脉冲信号的能量信息和时间信息的高精度测量在核物理、核医学、科学仪器等领域，如核医学仪器、粒子物理实验装置、放射性治疗装置、雷达成像系统等仪器中发挥着重要的作用，准确测量核脉冲事件的时间信息和能量信息一直是重要的研究课题。采用adc技术测量核脉冲的能量信息是常规方法，进一步研究如何采用相对低采样率的adc技术和数字处理算法实现对随机核脉冲事件时间信息的高精度实时测量，具有实际应用价值。

2、但是现有的直接采用adc采集核脉冲信号并根据采样率计算时间间隔，对adc的采样率提出了极高的要求，1gsps的adc也只能实现约1ns分辨率的时间测量。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种基于核脉冲事件相位拟合的飞行时间测量系统及方法，通过相对低采样率模数转换模块的采样率根据核脉冲信号的脉宽和实际测量的精度需求灵活调整，可以满足不同核脉冲宽度的高精度测量需求。为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，提供了一种基于核脉冲事件相位拟合的飞行时间测量系统及方法，包括：

2、核脉冲调理放大模块、与核脉冲调理放大模块信号连接的相对低采样率模数转换模块及相对低采样率模数转换模块信号连接的飞行时间高精度实时提取模块；

3、每个核脉冲调理放大模块对应一个脉冲信号；

4、相对低采样率模数转换模块信号连接有脉冲事件相位处理模块，该脉冲事件相位处理模块信号连接有相位拟合算法模块，该相位拟合算法模块块信号连接有时间间隔计算模块。

5、优选的，相对低采样率模数转换模块包括多多路相对低采样率的adc通道，每一个adc通道对应一个核脉冲调理放大模块，且adc通道用于对来自调理放大器模块的准高斯型脉冲信号进行采集，通过后续实时算法实现高精度时间间隔测量。

6、优选的，飞行时间高精度实时提取模块中包括一系列相位拟合算法，飞行时间高精度实时提取模块将其中一个adc通道采集的数字信号作为基准脉冲信号，其他adc通道采集的数字信号作为基准脉冲信号的时延脉冲信号，通过相位拟合算法并结合时间间隔计算模块，可以高精度实时地测量出时延脉冲信号相较于基准脉冲信号的时间间隔。

7、一种基于随机核脉冲事件相位拟合的飞行时间高精度快速测量方法，包括以下步骤：

8、s1、将多路的核脉冲信号输入到多路核脉冲调理放大模块，将核脉冲信号经放大滤波成形转变为某种脉冲波形信号；

9、s2、产生的多路准高斯型脉冲信号经过相对低采样率模数转换模块进行采样，得到多组数字信号；

10、s3、将上一步骤采集得到的多组数字信号输入到飞行时间高精度实时提取模块进行处理、分析和计算；

11、s4、将飞行时间高精度实时提取模块首先通过脉冲事件相位处理模块对多组数字信号进行相位处理；

12、s5、经相位处理后得到的数字信号通过相位拟合算法模块进行数据拟合；

13、s6、将上一步骤得到的拟合曲线数据通过时间间隔计算模块，计算出随机核脉冲时间的时间信息。

14、优选的，步骤s3-s6中，以两个随机核脉冲事件进行分析，假设两个随机核脉冲事件的信号s1(t)和s2(t)为：

15、s1(t)＝s(t)                          (1)

16、s2(t)＝s(t-θ)                        (2)

17、其中，θ为两个随机核脉冲事件的时间间隔。

18、对这两个随机核脉冲事件信号s1(t)和s2(t)作相关运算可得：

19、

20、对上式多边取傅里叶变换，由相关定理可得：

21、

22、其中，s1(f)，s2(f)，s(f)分别为s1(t)，s2(t)，s(t)的频谱，f是信号的频率，由上式可知r(f)的相位为：

23、

24、由此可知，相角与频率f呈线性关系，上式多边对频率f求偏导，可得两个随机核脉冲事件的时间间隔为：

25、

26、在实际测量中用一定采样率的adc对信号s1(t)和s2(t)采样，设adc的采样频率为fs，则采样周期为ts：

27、

28、对信号s1(t)和s2(t)经过采样后的信号为：

29、x1(nts)＝s1(nts)+w1(nts)                    (8)

30、x1(nts)＝s1(nts)+w1(nts)                    (9)

31、其中w1(nts)和w2(nts)为附加的噪声信号，对信号x1(nts)和x2(nts)作互相关运算，并取离散傅里叶变换，由相关定理可得：

32、

33、其中，x1(k)，x2(k)，w1(k)和w2(k)分别是x1(nts)，x2(nts)，w1(nts)和w2(nts)的频谱；

34、假设噪声w1(nts)和w2(nts)相互独立且与信号x1(nts)和x2(nts)无关，则当采样点的个数n足够大时，上式可近似地表示为：

35、

36、其中，s1(k)，s2(k)和s(k)分别是s1(nts)，s2(nts)和s(nts)的频谱，k是信号的频率，由上式可知，r(k)的相角可近似地表示为：

37、

38、故相角与频率k呈线性关系，对该相频特性作拟合，实现噪声剔除，再由拟合出的直线斜率可得时间间隔θ。

39、本发明与现有技术相比，其有益效果是：通过fpga实现高精度时间测量算法，实现了使用相对低采样率的adc(例如可使用40mhz的adc，也即采样周期为25ns的adc，但并不局限于该采样率的adc)实现ps精度的时间测量，降低了硬件要求，从而大大降低了成本。

技术特征：

1.一种基于核脉冲事件相位拟合的飞行时间测量系统及方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的一种基于核脉冲事件相位拟合的飞行时间测量系统及方法，其特征在于，相对低采样率模数转换模块包括多多路相对低采样率的adc通道，每一个adc通道对应一个核脉冲调理放大模块，且adc通道用于对来自调理放大器模块的准高斯型脉冲信号进行采集，通过后续实时算法实现高精度时间间隔测量。

3.如权利要求1所述的一种基于核脉冲事件相位拟合的飞行时间测量系统及方法，其特征在于，飞行时间高精度实时提取模块中包括一系列相位拟合算法，飞行时间高精度实时提取模块将其中一个adc通道采集的数字信号作为基准脉冲信号，其他adc通道采集的数字信号作为基准脉冲信号的时延脉冲信号，通过相位拟合算法并结合时间间隔计算模块，可以高精度实时地测量出时延脉冲信号相较于基准脉冲信号的时间间隔。

4.如权利要求1-3所述的任一的一种基于随机核脉冲事件相位拟合的飞行时间高精度快速测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.如权利要求4所述的一种基于核脉冲事件相位拟合的飞行时间测量系统及方法，其特征在于，步骤s3-s6中，以两个随机核脉冲事件进行分析，假设两个随机核脉冲事件的信号s1(t)和s2(t)为：

技术总结本发明公开了一种基于核脉冲事件相位拟合的飞行时间测量系统及方法，包括：核脉冲调理放大模块、与核脉冲调理放大模块信号连接的相对低采样率模数转换模块及相对低采样率模数转换模块信号连接的飞行时间高精度实时提取模块；每个核脉冲调理放大模块对应一个脉冲信号；相对低采样率模数转换模块信号连接有脉冲事件相位处理模块，该脉冲事件相位处理模块信号连接有相位拟合算法模块，该相位拟合算法模块信号连接有时间间隔计算模块。根据本发明，通过相对低采样率模数转换模块的采样率根据核脉冲信号的脉宽和实际测量的精度需求灵活调整，可以满足不同核脉冲宽度的高精度测量需求。技术研发人员：郑其斌,卜朝晖,徐锦程,王健钧,周立国,金钻明,崔海坡,朱亦鸣受保护的技术使用者：上海理工大学技术研发日：技术公布日：2024/7/4