基于FPGA的伽瑪信號峰值檢測方法

摘要：在石油測井行業(yè)中伽瑪能譜的測量是一種很重要的測井方式，本文結(jié)合脈沖中子能譜測量，對伽瑪脈沖峰值檢測做了研究，利用微分、延時電路及FPGA器件，能很好地檢測到伽瑪信號的峰值，由實驗結(jié)果可知，峰值檢測的線性度基本滿足能譜測量的需求。

0 引言

石油作為一種戰(zhàn)略資源，越來越受到世界各國的重視;但石油又是一種不可再生的能源，隨著世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對石油的需求量也越來越大。因此為了科學(xué)合理地開采有限的石油資源，人們發(fā)明各種各樣的測井方法，其中非彈、俘獲及活化等能譜測量已成為測井的一個重要分支，這些參數(shù)能反映油田剩余油和殘余油飽和度等指標(biāo)，要想得到好的能譜，首先必須要有好的峰值檢測及保持電路，本文主要針對能譜數(shù)據(jù)測量過程中的峰值檢測及保持部分作了分析，利用微分及延時電路和Verilog語言實現(xiàn)了伽瑪信號的峰值檢測和保持，為能譜采集提供了—個好的解決方案。

1 伽瑪信號的獲取

任何信號的獲取都是要經(jīng)過傳感器的，伽瑪信號的傳感器我們稱之為伽瑪信號探測器，主要是由閃爍體、光電倍增管及高壓電源組成，目前常用的閃爍體有溴化鑭、BGO和碘化鈉等，文中選取碘化鈉晶體與光電倍增管及高壓電源組成的探測器來獲取伽瑪信號。

如圖1，當(dāng)伽瑪射線打到閃爍體上，閃爍體會產(chǎn)生光子，這些光子通過光導(dǎo)介質(zhì)送達(dá)光電倍增管處，在高壓電源的作用下，光電信號在一步一步增強(qiáng)，最終形成如圖1的A處的一個負(fù)的伽瑪電信號，這個信號經(jīng)過前放電路調(diào)整成我們需要的脈寬和幅度信號后即可進(jìn)行峰值檢測的處理。

2 伽瑪信號的調(diào)理

得到了負(fù)伽瑪信號的后，首先我們要對其進(jìn)行調(diào)理，得到我們想要的脈寬和幅度信號，如圖2，首先經(jīng)過反向放大器，在反向放大的同時對信號進(jìn)行小幅度的積分處理，把信號脈寬展寬至1.5μs左右。對于信號放大的幅度則是由我們要測量的能量及ADC器件的輸入范圍決定的。文中測量的伽瑪射線的能量是0.8 MeV～10 MeV，ADC輸入為0～8 V，因此可以將整個測量的能量區(qū)域轉(zhuǎn)換成電壓信號，即為0.64 V～8 V，要做到精確地調(diào)整放大倍數(shù)要用銫源來標(biāo)定，這不是文中重點，這里就不做過多介紹了。當(dāng)信號放大倍數(shù)調(diào)整完成后，由于信號的堆積或是運放參數(shù)的不穩(wěn)定，會出現(xiàn)信號偏離基線的現(xiàn)象，因此我們電路采用了有源的雙二極管基線恢復(fù)方法，使得信號的起始位置總在零電平的位置，為測能譜數(shù)據(jù)奠定了基礎(chǔ)。

3 峰值檢測及采樣保持電路

峰值檢測電路的電路圖如圖3，其中HOLD是保持信號，GR是前放電路放大后的伽瑪信號，Threshold用于設(shè)定檢測信號的最小值，也就是大于該門檻電壓的伽瑪信號才會被檢測峰值，否則不予檢測，該值可以同DA給出，或是接到某固定的電平上，ReHold是峰值檢測后的峰值保持值，DePeak是峰值檢測信號，其后沿就是檢測到的峰值，DeSig是伽瑪信號的檢測信號。

從GR處接入伽瑪信號，經(jīng)過跟隨器U1A分成三路信號，如圖3中所標(biāo)注的1、2、3，首先看信號1，該信號經(jīng)過電阻R12進(jìn)入了比較器U5A，與給定門檻電壓進(jìn)行比較，從而輸出伽瑪檢測信號DeSig，其次信號2經(jīng)過U3A進(jìn)行了微分處理，然后經(jīng)過U4A的過零檢測，會檢測到大于門檻電壓Threshold的伽瑪信號的峰值位置，如DePeak處所示，上升沿即是檢測到的峰值位置，這里的過零檢測是指廣義過零檢測，實際檢測的電壓是-130 mV和-150 mV的雙門檻檢測，主要為了防止檢測位置的抖動。

4 FPGA的配合時序

FPGA器件是一種可編程邏輯器件，具有集成度高、可靠性好、設(shè)計周期短、開發(fā)費用低、實時性好等特點。通過對前面得到了伽瑪檢測信號DeSig和伽瑪峰值檢測信號DePeak的處理，用FPGA給出保持信號HOLD，當(dāng)HOLD信號到來時，MOS管Q2打開，這使得Q1關(guān)閉，從而保持電容C4上一直保持了伽瑪信號的峰值，如圖3中ReHold處所示。由于信號都是微秒級信號，HOLD信號必須在DePeak信號的上升沿實時的給出，不然就無法保持到峰值位置，因此實時的HOLD信號生成是必須解決的問題。時序框圖如圖4，其中SigRflag為DeSig上升沿標(biāo)志位，SigFflag為DeSig下降沿標(biāo)志位，PeakFflag為DePeak下降沿標(biāo)志位，PeakRflag為DePeak上升沿標(biāo)志位。

5 實驗結(jié)果

用信號源產(chǎn)生一脈寬為1.5μs的伽瑪信號，其幅度從0.6 V～8 V，每隔0.1 V測試一個保持?jǐn)?shù)據(jù)，測試結(jié)果如圖5，其中Vr是信號源設(shè)定伽瑪信號幅度，Vh是峰值檢測電路保持后信號幅度，由該圖明顯看出該峰值檢測電路的線性度較好，能滿足能譜測量的需求。

6 結(jié)論

本文針對伽瑪能譜的測量設(shè)計了一種峰值檢測電路，該電路配合FPGA電路模塊，能有效的得到伽瑪信號的峰值，且具有很好的線性度，滿足能譜測量的需求。