Brevet FR3039020A1 — publié le 20170120

SYSTÈME, PROCÉDÉ ET PROGRAMME D'ORDINATEUR POUR LA NUMÉRISATION D'IMPULSIONS RAPIDES SANS TEMPS MORT DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE Le domaine de l'invention est celui de la numérisation d'un signal analogique portant des portions d'intérêt, par exemple des impulsions d'amplitudes et de durées différentes, dans l'objectif de réaliser un traitement numérique de ces portions d'intérêt. L'invention trouve en particulier application dans le domaine de l'instrumentation nucléaire (notamment en spectrométrie gamma et X, en discrimination neutron-gamma ou en comptage neutronique), dans le domaine de l'analyse de signaux médicaux (électrocardiogrammes, électro-encéphalogrammes), ou encore dans le domaine de la détection radar. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE L'instrumentation nucléaire se caractérise par l'analyse d'un signal spécifique composé d'impulsions d'amplitudes et de durées aléatoires dont les occurrences suivent un processus poissonnien homogène. Une chaine de mesure de radioactivité est composée d'un détecteur qui convertit les rayonnements afin de produire ces impulsions. Selon le détecteur et l'origine de(s) l'interaction(s), l'impulsion peut avoir des formes et des durées différentes. Le signal issu du détecteur est traditionnellement pré-amplifié pour ensuite être numérisé et traité par des calculateurs de traitement des impulsions. La numérisation du signal est problématique lorsque la durée des impulsions est trop faible pour que les convertisseurs analogique-numérique puissent acquérir suffisamment d'échantillons pour répondre aux exigences de résolution énergétique et/ou temporelle imposées par les traitements. 3039020 2 A titre d'exemple, les scintillateurs organiques peuvent produire des impulsions de l'ordre de la nanoseconde. Avec cette résolution temporelle, il est possible de travailler à très haut taux de comptage (jusqu'à 107 impulsions/seconde) ce qui les rend ces détecteurs très attractifs pour des expérimentations à basse ou haute énergie en 5 instrumentation nucléaire. De plus, ces détecteurs possèdent également la capacité de discriminer les neutrons et les gammas puisque les impulsions issues de ces deux différentes interactions n'ont pas la même forme. Cependant, et contrairement aux scintillateurs liquides, la qualité de discrimination naturelle de ces détecteurs est faible. Pour augmenter la qualité de lecture de ces différences de forme, il est 10 donc nécessaire d'utiliser des algorithmes performants et donc d'avoir un maximum d'échantillons sur ces impulsions. Or pour une impulsion de 10 ns, un échantillonnage à 1Ghz ne permet que d'acquérir 10 échantillons, ce qui est insuffisant pour certaines applications du fait notamment de la présence de bruit. De plus la résolution énergétique ne doit pas être négligée compte tenu de la résolution énergétique intrinsèque des 15 détecteurs (12 bits minimum selon l'étude des différents détecteurs existants). Les convertisseurs analogique-numérique traditionnels ne peuvent donc pas être utilisées car ils ne permettent pas de numériser en continu le signal à des fréquences élevées (>1Ghz) pour des résolutions dépassant les 12 bits. Une solution pour numériser à haute fréquence des impulsions courtes 20 consiste à utiliser des convertisseurs analogique-numérique à acquisition discontinue (ou déclenchée) utilisant des mémoires analogiques à réseau de condensateurs commutés. Si ces convertisseurs permettent d'atteindre des fréquences d'échantillonnage élevées (> 5 GSPS), ils présentent toutefois l'inconvénient que la mémoire analogique est gelée lors de la lecture du signal mémorisé, ce qui empêche de mémoriser le signal entrant. Cette 25 période pendant laquelle le convertisseur ne peut traiter de nouvelles impulsions est appelée temps mort. Si le temps mort n'est pas problématique dans le cadre d'analyse en laboratoire ou pour des applications ayant un faible taux de comptage, ce n'est pas le cas pour des applications temps réel en ligne à haut taux de comptage. 3039020 3 Le numériseur DT5743 proposé par la société CAEN permet ainsi l'échantillonnage à 3,2 GSPS pour une résolution de 12 bits. Le signal analogique est numérisé en continu à des intervalles pouvant atteindre 312,5 picosecondes dans une mémoire analogique circulaire à base de condensateurs commutés d'une profondeur de 5 1024 cellules. Lorsqu'un signal de déclenchement intervient, la mémoire analogique est gelée et numérisée avec une résolution de 12 bits dans un tampon numérique. Durant cette conversion, le numériseur DT5743 ne peut pas recevoir d'autre signal de déclenchement sur une période de 125 microsecondes. Ce temps mort de lecture (« readout deatime ») implique qu'à haut taux de comptage, où la probabilité d'avoir un 10 grand nombre d'impulsions consécutives augmente, le nombre d'impulsions perdues durant ce temps mort est très grand proportionnellement au nombre d'impulsions acquises. Par exemple, à 107 impulsions par seconde, d'une taille moyenne de 10 nanosecondes, il est possible de perdre statistiquement jusqu'à 1250 impulsions durant la lecture d'une seule impulsion. 15 Afin de contourner cette difficulté, il a été proposé par le brevet US 8,159,379 B2 de de ne lire qu'une partie de la portion du signal contenant l'impulsion dans la mémoire analogique pour réduire le temps de numérisation. Cette solution, dite ROI (pour « Region Of Interest »), permet de réduire l'impact du temps mort de lecture de la totalité des cellules, tout en conservant la profondeur de celles-ci, ce qui est 20 avantageux compte tenu de la grande variabilité de taille des impulsions. Si cette solution offre un temps de lecture de la mémoire analogique réduit, elle ne permet pas le supprimer totalement. La possibilité de perdre plusieurs impulsions consécutives persiste donc. En outre, cette solution repose sur un système de déclenchement exploitant un fenêtrage de taille fixe. Elle ne permet donc pas d'extraire 25 dynamiquement les impulsions en fonction de leurs tailles, ce qui est limitant pour des systèmes de discrimination de forme des impulsions. D'autres variantes ont été proposées afin de compenser les problématiques de temps mort de lecture de mémoire analogique, par exemple une lecture d'un canal possible lors d'une écriture simultanée sur un autre canal. Mais d'une manière générale, cette compensation se fait au détriment de la simplicité du fait de 3039020 4 l'utilisation de dispositifs techniques sur le réseau de condensateurs et de la complexité de la manière dont il est lu par le convertisseur. EXPOSÉ DE L'INVENTION Un objectif de l'invention est de permettre un échantillonnage à fréquence élevée, et ce sans temps mort lié à la lecture d'une mémoire analogique, y compris à haut taux de comptage, pour ne pas perdre d'impulsions et répondre ainsi aux exigences de résolution énergétique et/ou temporelle imposées par les traitements numériques. Elle propose pour ce faire un procédé tel que décrit ci-après.. 10 BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à -la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en 15 référence aux dessins annexés sur lesquels : là figure 1 est un schéma illustrant un système de traitement d'un signal analogique conforme à l'invention ; la figure 2 est un ordinogramme illustrant un procédé de traitement d'un signal analogique conforme à l'invention. 20 EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS L'inve-ntion concerne la numérisation d'un signal analogique, et plus particulièrement la numérisation de portions d'intérêt contenues dans le signal analogique. On prendra dans ce qui suit l'exemple de portions d'intérêt présentant la 25 forme d'impulsions, sans pour autant que cela ne soit limitatif de l'invention. 3039020 5 L'invention vise plus particulièrement des applications à fréquence d'échantillonnage élevée avec mémorisation, ainsi qu'à taux de comptage élevé et durée de mesure courte qui nécessitent d'être exhaustif en termes de nombre d'impulsions traitées. A titre purement illustratif, l'invention trouve notamment application à la 5 détection temps réel de neutrons dans un bruit de fond gamma au moyen d'un scintillateur organique. Le terme impulsion correspond dans le domaine de l'instrumentation nucléaire à un évènement de type charge et décharge d'un circuit équivalent résistance-condensateur dont la décroissance peut être approximée par une exponentielle 10 décroissante. La forme d'une impulsion varie selon le système et le type d'évènement rencontré par le détecteur et les potentiels déficits engendrés par la combinaison détecteur et préamplificateur. De même, la relation de proportionnalité entre charge et décharge peut être corrompue par l'apparition d'évènements de réactions retardées. En référence à la figure 1, l'invention porte sur un système de 15 traitement d'un signal analogique Sa portant des impulsions. Le signal analogique Sa est issu directement d'un dispositif de détection ou de pré-amplification. Le système 1 comporte une unité d'extraction 2 configurée pour segmenter le signal analogique Sa en séparant des impulsions la du reste du signal analogique. Le système comporte par ailleurs une pluralité de chaînes de numérisation en 20 parallèle 3a, 3b, 3c, 3d comprenant chacune un convertisseur analogique-numérique 4a, 4b, 4c, 4d, ainsi qu'une unité de distribution 5 configurée pour distribuer une impulsion la séparée du reste du signal analogique par l'unité d'extraction 2 sur l'une au moins des chaînes de numérisation en vue de sa numérisation. Comme cela sera détaillé par la suite, le convertisseur analogique- 25 numérique 4a-4d de chacune des chaînes de numérisation 3a-3d peut être un convertisseur à haute fréquence d'échantillonnage introduisant un temps mort lié à la lecture d'une mémoire analogique sans pour autant que le système 1 selon l'invention n'introduise nécessairement de temps mort. On notera par ailleurs que l'on prend ici l'exemple de quatre chaînes de 30 numérisation en parallèle 3a-3d. L'invention n'est toutefois aucunement limitée par le 3039020 6 nombre de chaînes de numérisation et s'étend ainsi à un nombre quelconque N de chaînes de numérisation. Par ailleurs, une impulsion la séparée du reste du signal analogique peut être distribuée sur une ou plusieurs chaînes de numérisation. L'invention s'étend ainsi au 5 cas où une impulsion la séparée du reste du signal analogique est distribuée sur plusieurs chaînes de numérisation, par exemple en vue de traitements numériques différenciés sur chacune de chaînes où elle est distribuée. L'unité d'extraction 2 comprend plus particulièrement une première voie V1 et une deuxième voie V2 sur chacune desquelles le signal analogique Sa est 10 transmis. La première voie V1 constitue un déclencheur numérique apte à repérer une impulsion et à provoquer la segmentation du signal analogique pour venir isoler les impulsions du reste du signal analogique. On retiendra que si la problématique de numérisation rapide des impulsions est cruciale pour les applications qui analysent ses 15 impulsions, ce n'est pas le cas pour les déclencheurs qui peuvent se permettre de n'avoir que très peu d'échantillons sur une impulsion pour différencier des valeurs d'amplitude par exemple. De plus, les déclencheurs numériques ont la capacité d'extraire dynamiquement les impulsions en fonction de leurs tailles, et même de s'adapter au bruit comme présenté dans l'article' de Y.Moline et al. intitulé « Auto-Adaptive Trigger and 20 Pulse Extraction for Digital Processing", in Nuclear Instrumentation Journal, Article D01: 10.1109/TNS.2015.2411857. La deuxième voie V2 comprend une ligne à retard 23 et un commutateur 24. Le délai provoqué par la ligne à retard est connu du déclencheur. La première voie V1 constituant un déclencheur numérique comprend 25 plus particulièrement un convertisseur analogique-numérique 21 et une unité de détection d'impulsion 22 en aval du convertisseur analogique-numérique 21. Le convertisseur analogique-numérique 21 peut notamment être un convertisseur capable de fonctionner en flux continu sans introduire de temps mort lié à 1 Le brevet n'est pas encore publié 3039020 7 la lecture d'une mémoire. Il s'agit alors d'un convertisseur ayant une fréquence d'échantillonnage plus faible que celle des convertisseurs 4a-4d des chaînes de numérisation 3a-3d qui eux permettent une haute fréquence d'échantillonnage au détriment de l'introduction d'un temps mort de lecture. 5 L'unité de détection d'impulsion 22 est configurée pour élaborer un signal Dc de déclenchement du commutateur 24 de la deuxième voie V2 de telle manière que la deuxième voie fournit en sortie une impulsion la séparée du reste du signal analogique. L'unité de détection d'impulsion 22 est plus particulièrement configurée 10 pour déterminer un instant de début d'impulsion et un instant de fin d'impulsion, et le signal Dc de déclenchement du commutateur est élaboré pour segmenter le signal analogique sur une période comprise entre l'instant de début d'impulsion et l'instant de fin d'impulsion. L'unité de détection d'impulsion 22 peut notamment être configurée 15 pour détecter le pic de l'impulsion et pour déterminer l'instant de fin de l'impulsion à partir d'une durée séparant le pic de l'impulsion et un instant où l'amplitude de l'impulsion correspond à un ratio prédéterminé de l'amplitude du pic de l'impulsion. L'unité de détection d'impulsion peut notamment être configurée pour calculer la dérivée numérique du signal en sortie du convertisseur analogique-numérique 20 de la première voie. Un passage de cette dérivée numérique au-dessus d'un seuil est alors synonyme du début d'une impulsion, tandis qu'un passage à zéro de cette dérivée est synonyme du pic de l'impulsion. Dans un mode de réalisation privilégié de l'invention, l'unité de détection d'impulsion est conforme à celle présentée dans l'article suscité. Ainsi, la première voie V1 numérise le signal afin d'identifier la présence 25 de portions d'intérêt dans le signal telles que des impulsions. La seconde voie retarde quant à elle le signal pour une utilisation ultérieure. Le déclencheur a ainsi temporellement une vue d'avance sur l'impulsion qui arrive au niveau du commutateur, ce qui permet de segmenter le signal analogique sans avoir à tronquer l'impulsion comme c'est par exemple le cas avec des dispositifs de déclenchement à seuil. 3039020 8 On a vu que l'utilisation d'un déclencheur numérique n'est pas contraint par la problématique de numérisation à haute fréquence d'une impulsion contrairement aux algorithmes de traitement des impulsions. Cependant, les fréquences atteignables par un déclencheur numérique sont faibles par rapport à la durée d'une impulsion courte 5 ( REVENDICATIONS1. Système de traitement d'un signal analogique (Sa) portant des portions d'intérêt, comprenant : une unité d'extraction (2) configurée pour segmenter le signal analogique en séparant des portions d'intérêts du reste du signal analogique ; une pluralité de chaînes de numérisation en parallèle (3a, 3b, 3c, 3d) comprenant chacune un convertisseur analogique-numérique (4a, 4b, 4c, 4d); une unité de distribution (5) configurée pour distribuer une portion d'intérêt séparée du reste du signal analogique (la) par l'unité d'extraction (2) sur une chaîne de numérisation parmi ladite pluralité de chaînes de numérisation en parallèle. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel l'unité d'extraction (2) comprend une première (V1) et une deuxième voie (V2) sur chacune desquelles le signal analogique (Sa) est transmis, la première voie comprenant un convertisseur analogique-numérique (21) et une unité de détection de portion d'intérêt (22) en aval du convertisseur analogique-numérique, la deuxième voie (V2) comprenant une ligne à retard (23) et un commutateur (24), l'unité de détection de portion d'intérêt (22) de la première voie étant configurée pour élaborer un signal (Dc) de déclenchement du commutateur de la deuxième voie de telle manière que la deuxième voie fournit en sortie une portion d'intérêt séparée du reste du signal analogique. 3. Système selon la revendication 2, dans lequel le convertisseur analogique- numérique (21) de la première voie (V1) est un convertisseur capable de fonctionner en flux continu sans temps mort. 3039020 13 4. Système selon l'une des revendications 2 et 3, dans lequel l'unité de détection de portion d'intérêt (22) est configurée pour déterminer un instant de début et un instant de fin d'une portion d'intérêt. 5 5. Système selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel l'unité de distribution (5) comprend un démultiplexeur (51) configuré pour répartir une portion d'intérêt (la) séparée du reste du signal analogique sur l'une des chaînes de numérisation (3a, 3b, 3c, 3d) et un ordonnanceur (52) configuré pour élaborer un signal (Cm) de commande du multiplexeur. 10 6. Système selon la revendication 5, dans lequel l'ordonnanceur (52) comprend une banque de registres (53) dans laquelle un statut de chacune des chaînes de numérisation est renseigné. 15 7. Système selon l'une des revendications 5 et 6, dans lequel l'ordonnanceur (52) est configuré pour transmettre un nouveau signal de commande du multiplexeur (Cm) à l'issue de l'extraction d'une portion d'intérêt par l'unité d'extraction (2). 8. Système selon l'une des revendications 5 à 7, dans lequel l'ordonnanceur (52) est 20 en outre configuré pour prendre en compte la taille d'une portion d'intérêt séparée du reste du signal analogique par l'unité d'extraction (2) lors de l'élaboration du signal (Cm) de commande du multiplexeur. 9. Système selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le convertisseur analogique-numérique (4a, 4b, 4c, 4d) de chacune des chaînes de numérisation (3a, 3b, 3c, 3d) est un convertisseur introduisant un temps mort de lecture d'une mémoire analogique. 10. Système selon la revendication 9, dans lequel chacune des chaînes de numérisation (3a, 3b, 3c, 3d) comprend, en amont du convertisseur analogique-numérique (4a, 4b, 4c, 4d), une mémoire analogique (6a, 6b, 6c, 6d) sous la forme d'un circuit à réseau de condensateurs commutés. 3039020 14 11. Système selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel chacune des chaînes de numérisation comprend, en amont du convertisseur analogique-numérique, un amplificateur analogique. 12. Système selon l'une des revendications 1 à 11, dans lequel chacune des chaînes de numérisation (3a, 3b, 3c, 3d) comprend, en aval du convertisseur analogique-numérique (4a, 4b, 4c, 4d), une unité de traitement numérique (7a, 7b, 7c, 7d). 13. Procédé de traitement d'un signal analogique portant des portions d'intérêt, 5 comprenant les étapes suivantes : extraction (E1-E5) d'une portion d'intérêt du signal analogique ; distribution (E6) de la portion d'intérêt extraite du signal analogique sur une chaîne de numérisation parmi une pluralité de chaînes de numérisation en parallèle ; numérisation (E7) de la portion d'intérêt extraite du signal analogique après 10 distribution sur une chaîne de numérisation. 14. Procédé selon la revendication 13, dans lequel l'étape d'extraction d'une portion d'intérêt depuis le signal analogique comprend les opérations consistant à : séparer (El) le signal analogique sur une première et une deuxième voie, numériser (E3) le signal analogique sur la première voie et détecter (E4) la portion 15 d'intérêt dans le signal numérisé ; retarder (E2) le signal analogique sur la seconde voie et segmenter (E5) le signal analogique retardé pour extraire une portion correspondant à la portion d'intérêt détectée dans le signal numérisé. 20 15. Programme d'ordinateur comprend des instructions de code de programme pour l'exécution, lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur, de l'étape de détection de la portion d'intérêt dans le signal numérisé du procédé selon la revendication 14 et d'une étape d'élaboration d'un signal de mise en oeuvre de l'étape de distribution du procédé selon la revendications 13.