СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫДЕЛЕНИЯ СИГНАЛОВ В ДАННЫХ
METHOD AND APPARATUS FOR RESOLVING SIGNALS IN DATA

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение, в общем, относится к способу и устройству для определения параметров сигналов из (как правило, зашумленных) выходных данных устройства обнаружения (детектора) для применения, более конкретно, но не исключительно, при восстановлении данных от устройства обнаружения излучения, которые были подвержены наложению импульсов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Точное определение и измерение излучения, вибрации и других типов энергии применяют во многих отраслях промышленности, включая национальную безопасность, научные приборы, медицинскую диагностику, анализ материалов, метеорологию, перевозки и логистику, технологию (ICT) информации и связи и в обработке минералов. Эти и другие типы промышленности используют такое обнаружение и измерение для анализа материалов, структур, продуктов, информации, сигналов или других образцов. Визуализация на основании передачи, спектроскопический анализ или другие способы можно использовать для выполнения такого анализа.
При разведке полезных ископаемых и нефти, способы каротажа скважины используют гамма-лучи и нейтроны для определения приповерхностного содержимого месторождения каменных пород и полезных ископаемых. Данные о пористости и плотности формирований каменных пород можно определить с помощью способов ядерного каротажа скважины, которые затем используют для помощи в обнаружении присутствия геологических залежей и их содержимого (например, нефть, газ или вода).
В перевозках и логистике, рентгеновское сканирование используют не только для сканирования груза в целях безопасности (то есть, обнаружение запрещенных субстанций или взрывчатых веществ), но также могут использовать для измерения массы, объема и распределения нагрузки, чтобы определить цену и сформировать декларации.
Определение (SONAR) местоположения и дальности с помощью звуковых волн может быть использовано при навигации и определении местоположения объектов внутри водного пространства. Звуковая локация (SODAR) может быть использована для измерения распространения звуковых волн с помощью атмосферной турбулентности и, например, измерения скорости ветра на различных высотах выше уровня моря, а также термодинамической структуры нижнего слоя атмосферы.
Ультразвук можно использовать для медицинской визуализации или других целей, как, например, для формирования изображений плода, для определения местоположения трещин и/или измерения толщины конкретных типов объектов, или для выполнения определения местоположения объектов в реальном времени (например, в производственной среде).
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к способу цифровой обработки сигналов, способному точно оценить в реальном времени параметры входящих событий обнаружения излучения, что обеспечивает восстановление информации из наложенных событий.
В соответствии с первым аспектом изобретения, обеспечен способ и устройство для выделения отдельных сигналов в выходных данных устройства обнаружения. Способ содержит: прием выходных данных устройства обнаружения; преобразование выходных данных устройства обнаружения для формирования ступенчатых данных; обнаружение, по меньшей мере, одного сигнала, по меньшей мере, частично на основании ступенчатых данных; и оценку параметра, связанного с сигналом. Устройство содержит схему обработки, выполненную с возможностью выполнять этапы способа.
В соответствии со вторым аспектом изобретения, обеспечен способ и устройство для выделения отдельных сигналов в выходных данных устройства обнаружения. Способ содержит: прием ступенчатых выходных данных устройства обнаружения; обнаружение, по меньшей мере, одного сигнала, по меньшей мере, частично на основании ступенчатых данных; и оценку параметра, связанного с сигналом. Устройство во втором аспекте также содержит схему обработки, выполненную с возможностью выполнять этапы способа.
В некоторых вариантах осуществления, оцененный параметр является одним или более из энергии сигнала или времени прибытия сигнала.
В некоторых вариантах осуществления, способ дополнительно содержит: определение амплитуды сигнала в ступенчатых данных, по меньшей мере, частично на основании разности между средним значением потока ступенчатых данных, следующего за сигналом, и средним значением ступенчатых данных до сигнала; и оценку энергии сигнала, по меньшей мере, частично на основании амплитуды сигнала.
Следует понимать, что может быть невозможно адекватно охарактеризовать все данные (неохарактеризованные данные называют «испорченными данными»): такие испорченные данные можно опционально отклонить. В таком случае, в некоторых вариантах осуществления, способ дополнительно содержит: формирование модели выходных данных устройства обнаружения, по меньшей мере, частично на основании оцененной энергии сигнала; определение разницы между моделью и выходными данными устройства обнаружения; и отклонение частей модели, которые отличаются от выходных данных устройства обнаружения более, чем на пороговое значение.
В одном примерном варианте осуществления изобретения, способ включает в себя создание модели вывода устройства обнаружения с использованием параметров сигналов в комбинации с импульсным откликом устройства обнаружения. Способ может включать в себя отбрасывание оценок энергии, которые считаются недостаточно точными. В одном варианте осуществлении, способ включает в себя представление всех достаточно точных оценок энергии в виде гистограммы.
В некоторых вариантах осуществления, в которых выходные данные устройства обнаружения содержат множество образцов, представляющих, по меньшей мере, один сигнал, способ дополнительно содержит преобразование выходных данных устройства обнаружения, по меньшей мере, частично на основании преобразования сигнала в ступенчатый сигнал, причем преобразование сигнала в преобразованный сигнал содержит: моделирование сигнала, по меньшей мере, частично, на основании переменной переднего фронта и переменной заднего фронта; преобразование переменной переднего фронта так, что время нарастания сигнала, по существу, равно нулю; и преобразование переменной заднего фронта так, что время затухания сигнала, по существу, бесконечно.
В некоторых вариантах осуществления, способ дополнительно содержит моделирование сигнала, по меньшей мере, частично на основании двойного экспоненциального колебания, причем двойное экспоненциальное колебание задано посредством:
где p(t) является сигналом,
А является энергией сигнала,
а является переменной переднего фронта, и
b является переменной заднего фронта.
В некоторых вариантах осуществления, способ дополнительно содержит выполнение преобразования сигнала с помощью следующей операции:
где x(n) является значением входящего потока данных в образце ʹnʹ,
a, b определяют задний и передний фронты формы сигнала,
y(n) является потоком ступенчатых данных, который может требовать дополнительного масштабирования.
В некоторых вариантах осуществления, способ дополнительно содержит удаление, по меньшей мере, одного из образцов внутри окна, окружающего передний фронт сигнала.
В некоторых вариантах осуществления, способ дополнительно содержит обнаружение, по меньшей мере, одного сигнала путем определения одной или нескольких метрик обнаружения, причем одну или несколько метрик обнаружения определяют путем подбора ожидаемой формы сигнала к одному или нескольким окнам переменной длительности образцов в ступенчатых данных и оценки подбора параметра между ожидаемой формой сигнала и ступенчатыми данными для каждого окна; анализ одной или нескольких метрик обнаружения; и определение того, есть ли сигналы в ступенчатых данных на основании упомянутого анализа одной или нескольких метрик обнаружения.
В некоторых вариантах осуществления, способ дополнительно содержит сравнение одной или нескольких метрик обнаружения с пороговым значением; или, моделирование одной или нескольких метрик обнаружения с помощью квадратичной аппроксимации, применяемой к одному или нескольким окнам переменной длительности данных метрики обнаружения, и сравнение квадратичных коэффициентов множества окон переменной длительности метрик обнаружения.
В некоторых вариантах осуществления, способ дополнительно содержит определение одной или нескольких метрик обнаружения, по меньшей мере, частично на основании подбора способом наименьших квадратов ожидаемой формы сигнала со ступенчатыми данными, где метрики обнаружения заданы с помощью:
где k является образцом,
x(k) является метрикой обнаружения для образца k,
b(k) является сегментом ступенчатых данных, центрированных по образцу k, и
А является вектором центрированной ожидаемой формы сигнала.
В некоторых вариантах осуществления, способ дополнительно содержит поступательное обновление одной или нескольких метрик обнаружения, по меньшей мере, частично на основании предыдущей метрики обнаружения, используя сложение, вычитание и/или масштабирование.
В некоторых вариантах осуществления, способ дополнительно содержит отбрасывание сигналов, которые отделены, по меньшей мере, от одного сигнала менее, чем на пороговое число образцов.
В некоторых вариантах осуществления, способ дополнительно содержит преобразование выходных данных устройства обнаружения, по меньшей мере, частично на основании свертки фильтра (FIR) с конечным импульсным откликом с помощью выходных данных устройства обнаружения.
Способ опционально содержит оценку дисперсии оценок энергии в данных и проверку правильности смоделированных данных.
В некоторых вариантах осуществления, устройство содержит схему обработки, выполненную с возможностью выполнять каждый из этапов способа. В других вариантах осуществления, устройство содержит другие средства для выполнения этапов способа.
Устройство может содержать любое подходящее устройство, к которому применимо восстановление наложения импульсов. Например, оно может быть устройством обнаружения металла, устройством обнаружения мин, устройством медицинской визуализации, устройством обнаружения полезных ископаемых, устройством каротажа нефтяного колодца, устройством обнаружения неразорвавшихся боеприпасов, устройством досмотра грузов, устройством рентгеновской флуоресценции или устройством рентгеновской дифракции. Устройство настоящего аспекта содержит устройство обработки для приема данных в цифровой форме, адаптированное для выполнения способа обработки сигналов, описанного выше. Устройство может включать в себя аналогово-цифровое устройство (ADC) преобразования, адаптированное для приема данных, преобразования данных в цифровую форму и направления цифровых данных устройству обработки. Это конкретно особенно полезно, когда устройство обнаружения выводит аналоговые данные, но необязательно, когда устройство обнаружения выводит цифровые данные.
Устройство обработки (процессор), например, может содержать программируемую пользователем вентильную матрицу (или их матрицу), цифровое сигнальное устройство обработки (или их матрицу) или их комбинацию. Устройство может включать в себя аналоговую входную часть, которая включает в себя аналого-цифровое устройство (ADC) преобразования.
Устройство, например, может включать в себя электронное вычислительное устройство в передаче данных с помощью устройства обработки, для управления устройством обработки и для отображения вывода устройства обработки. Устройство может включать в себя устройство обнаружения излучения.
Необходимо понимать, что термин «сигнал» взаимозаменяем в данном контексте с термином «импульс», так как он относится к выводу, соответствующему отдельным событиям обнаружения, а не к общему выходному сигналу, содержащему сумму отдельных сигналов. Также необходимо понимать, что временное положение (или тайминг) сигнала можно измерить или выразить различными способами, как, например, в соответствии со временем (или положением на оси времени) максимального сигнала или ведущего фронта сигнала. Как правило, это описывают как время прибытия («время прибытия») или время обнаружения.
Также необходимо понимать, что термин «данные устройства обнаружения» относится к данным, которые исходят от устройства обнаружения, обработаны ли они последовательно связанной или другой электроникой внутри или за пределами устройства обнаружения.
Изобретение применимо к широкому диапазону реализаций с использованием разнообразных типов устройств обнаружения и форматов выходных данных устройства обнаружения, которые позволяют производить диапазон выводов. Например, в одном варианте осуществления, выходные данные устройства обнаружения можно сформировать с помощью устройства рентгеновского досмотра грузов, содержащего множество устройств обнаружения LYSO, и выделение отдельных сигналов позволяет формирование трехмерного рентгеновского изображения затухания объекта, проходящего через устройство досмотра. В другом варианте осуществления, выходные данные устройства обнаружения можно сформировать с помощью устройства обнаружения энергодисперсионной спектроскопии в сканирующем электронном микроскопе, и выделение отдельных сигналов позволяет размещение каждого рентгеновского импульса, измеренного устройством обнаружения, в бине энергии в спектральной гистограмме, который затем может проходить дополнительную программную обработку для определения количественного состава материала образца.
Ключевые метрики, которые значительны в отраслях промышленности, в которых применимо настоящее изобретение, включают в себя:
скорость счета (ICR) ввода, которую можно поддерживать с помощью технологии;
пропускная способность технологии (то есть, взаимоотношение между числом входных подсчетов по сравнению с числом выходных подсчетов);
наилучшее разрешение энергии, достижимое технологией (при низкой скорости счета);
ухудшение разрешения энергии при увеличении скорости счета;
наилучшее разрешение энергии, которое может быть достигнуто при очень высоких скоростях счета вывода;
стабильность пикового положения и пикового разрешения при изменении скорости счета;
стабильность пикового положения и пикового разрешения во времени;
обнаружение импульсов с низкой энергией;
динамический диапазон (то есть, обнаружение как событий с низкой энергией, так и с высокой энергией); и
способность технологии обрабатывать изменяемость формы импульса.
Очевидно, что различные реализации настоящего изобретения направлены на одну или несколько из этих метрик путем обеспечения инновационных улучшений по сравнению с существующими в уровне техники способами обработки сигнала.
Во всем описании (включая любые нижеследующие пункты формулы изобретения), если только контекст не требует обратного, слово «содержать» и вариации, как, например, «содержит» и «содержащий», необходимо понимать, как подразумевающее включение упомянутого числа или этапа или группы чисел или этапов, но не исключение любого другого числа или этапа, или группы чисел или этапов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Чтобы настоящее изобретение можно было более ясно понять, будут описаны предпочтительные варианты осуществления, путем примерных реализаций, со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг. 1 изображает пример спектроскопического устройства, адаптированного для выполнения восстановления наложения импульсов в соответствии с одним вариантом осуществлением изобретения.
Фиг. 2 является схематическим видом в разрезе кремниевого дрейфового диодного (SDD) устройства обнаружения на Фиг. 1.
Фиг. 3 является графиком, изображающим примерно 100 мкс примерных данных, выведенных от кремниевого дрейфового диодного (SDD) устройства обнаружения типа, изображенного на Фиг. 2.
Фиг. 4 изображает пример устройства рентгеновского микроанализа, адаптированного для выполнения восстановления наложения импульсов в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 5 является схематическим видом электронного микроскопа с прикрепленной системой EDS, который можно использовать в устройстве рентгеновского микроанализа на Фиг. 4.
Фиг. 6 изображает пример рентгеновского спектра энергии, собранного с использованием устройства обнаружения SDD, выполненного с возможностью измерять флуоресцентное рентгеновское излучение, излученное образцом.
Фиг. 7 является схематической диаграммой функциональных элементов устройства спектроскопии на Фиг. 1.
Фиг. 8а, 8b и 8с изображают примеры колебаний, возникших при оцифровке выходных данных устройства обнаружения, во временных диапазонах 1000 микросекунд, 100 микросекунд и 10 микросекунд, соответственно.
Фиг. 9а, 9b и 9с изображают примеры форм наложения импульсов, а именно: «наложение окончания», «наложение пика» и «наложение множества пиков», соответственно.
Фиг. 10 изображает пример моделирования способа обнаружения сигнала, в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения.
Фиг. 11 изображает более подробную математическую модель способа обнаружения энергии, изображенного на Фиг. 10.
Фиг. 12 изображает пример способа определения гистограммы, изображающей параметры данных устройства обнаружения с использованием преобразования формы импульса, в соответствии с вариантом осуществления.
Фиг. 13 изображает пример формы импульса для излучения, принятого в устройстве обнаружения.
Фиг. 14а и 14b изображают пример результата преобразования данных импульсного отклика устройства обнаружения в ступенчатые данные (также называемые интегральными данными) в способе преобразования формы импульса.
Фиг. 15 изображает передний фронт примера преобразованного импульса.
Фиг. 16а и 16b изображают производительность примера метрики обнаружения на данных, собранных от устройства обнаружения SDD.
Фиг. 17 изображает пример способа проверки правильности модели вывода устройства обнаружения, сформированной из способов восстановления наложения импульсов, в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения.
Фиг. 18а, 18b и 18с изображают один пример, на котором фильтр конечного отклика сворачивают с помощью интегрированных данных устройства обнаружения.
Фиг. 19 изображает пример графика скорости счета вывода по сравнению со скоростью счета входа по мере изменения длины интеграции и коэффициента интеграции в способе восстановления наложения импульсов, в соответствии с вариантом осуществления.
Фиг. 20 показывает пример оптимизации полной ширины (FWHM) главного пика при половине его максимального значения, которую можно достигнуть путем изменения числа удаленных образцов в способе восстановления наложения импульсов, в соответствии с вариантом осуществления.
Фиг. 21 изображает пример структуры импульсов.
T
T
Фиг. 22 изображает пример матричной структуры (AA), связанной с прибытием множества импульсов в данных устройства обнаружения, например, как изображено на Фиг. 16а, где системная матрица представлена в виде А. Матрица, которая требует инверсии, (AA), является квадратной матрицей, где число строк равно числу сигналов в заданном кадре данных.
T
Фиг. 23 изображает структуру, обратную (AA).
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Преимущества и признаки изобретения и способов его выполнения можно более легко понять при ссылке на последующее подробное описание предпочтительных вариантов осуществлений и сопровождающих чертежей. Однако, изобретение можно осуществить в многих различных формах и не следует ограничивать его только упомянутыми в настоящей заявке вариантами осуществлениями. Напротив, эти варианты осуществления раскрыты для того, чтобы настоящее раскрытие было ясным и полным и полностью передавало идею изобретения специалистам в данной области техники, а изобретение определяется только приложенной формулой изобретения. Одинаковые ссылочные номера относятся к одинаковым элементам во всем описании.
Чертежи и описание следует рассматривать как иллюстративные и не ограничивающие. Одинаковые ссылочные номера обозначают одинаковые элементы во всем описании.
Дополнительно, так как размер и толщина составляющих частей, изображенных на сопровождающих чертежах, условно заданы для лучшего понимания и простоты описания, изобретение не ограничено изображенными размерами и толщиной.
Способы медицинской диагностики и лечения, полагающиеся на точное обнаружение и измерение излучения, вибрации или других типов энергии, включают в себя проточную цитометрию, гематологию, онкоиммунологию и химиотерапию, пренатальную диагностику, генетику, диагностику лейкоза, генетическое секвенирование и костную денситометрию. Более конкретно, SPECT (однофотонная эмиссионная компьютерная томография), PET (позитронно-эмиссионная томография) и рентгеновская CT (рентгеновская компьютерная томография) сканирование позволяют улучшенную медицинскую визуализацию.
Спектроскопию можно использовать для анализа материалов. Знание о материале получают с помощью анализа эмиссии и поглощения излучения от элементов внутри образца. Эта эмиссия излучения может быть стимулированной эмиссией вследствие формы случайного излучения или результата естественной эмиссии от составляющих элементов.
Двумя способами спектроскопии вынужденной эмиссии являются рентгеновская флуоресценция (XRF) и эмиссия рентгеновского излучения, индуцированного частицами. Эти примеры используют при анализе материалов в ICT и поиске полезных ископаемых, и обрабатывающих отраслях промышленности. В этих способах, знание о материале получают путем обнаружения и анализа вторичного рентгеновского излучения, испущенного материалом после того, как материал был заряжен энергией с помощью стимуляции фотонами высокой энергии или частицами.
Гамма-спектроскопия, например, является формой спектроскопии, при которой испущенное электромагнитное излучение является формой гамма-лучей. При гамма-спектроскопии обнаружение итогового излучения можно выполнить с помощью сцинтиллирующего кристалла (как, например, йодид натрия, активированный таллием, NaI(Tl)), хотя есть ряд других типов устройств обнаружения, которые также можно использовать. Кристаллы NaI(Tl) формируют ультрафиолетовые фотоны, согласно падающему гамма-излучению. Эти фотоны затем можно направить в фотоэлектронный умножитель (PMT), который формирует соответствующий электрический сигнал или импульс. В результате, взаимодействие между фотонами и устройством обнаружения приводит к подобным импульсам сигналам, форма которых определена падающим гамма-излучением, кристаллом обнаружения и PMT. Фундаментальную форму этих подобных импульсам сигналов называют импульсным откликом устройства обнаружения.
Выводом от фотомультиплексора является электрический сигнал, представляющий сложение входных сигналов определенной формы, сформированных в ответ на дискретные гамма-лучи, прибывающие в сцинтиллирующий кристалл. С помощью изучения вывода устройства обнаружения во времени и, более конкретно, амплитуды составляющих сигналов, возможно извлечь информацию относительно химического состава материала.
Анализ с помощью всех вышеуказанных способов требует характеристику отдельных сигналов, сформированных в ответ на падающее излучение, вибрацию или другие формы энергии. Параметры сигнала, представляющие особый интерес, включают в себя амплитуду сигнала, число и время возникновения или временное положение (измеренное как время прибытия, время максимума или по-другому). Если моменты времени прибытия двух обнаруженных случайных событий отличаются более чем на время отклика устройства обнаружения, то анализ вывода устройства обнаружения относительно прямолинейный. Однако, во многих применениях невозможно избежать случайных событий с высокой плотностью потока, или может быть желательно, чтобы анализ можно было выполнить в разумные сроки. По мере уменьшения времени между прибытиями, характеристика всех результирующих сигналов становится затруднительной.
Более конкретно, на анализ сигналов влияет феномен, известный как наложение импульсов [G.F. Knoll, Radiation Detection and Measurement, 3е издание, глава 17, с. 632-634, 658 и 659, изд. John Wiley and Sons, Нью-Йорк, 2000], из-за чего множество обнаруженных случайных событий, прибывающих более или менее одновременно в пределах временного периода определения устройства обнаружения, производит сигналы, которые суммируются и могут быть подсчитаны как один сигнал. Устройство обнаружения не имеет достаточно времени, чтобы восстановиться от первого обнаружения (то есть, для возвращения сигнала к базовой линии) для точного обнаружения последующих событий.
Энергия падающего гамма-луча или рентгеновского излучения отражается в амплитуде подобного импульсу сигнала, производимого устройством обнаружения. Присутствие конкретных энергий внутри сигнала устройства обнаружения указывает на конкретные элементы в материале, из которого прибыли гамма-лучи или рентгеновское излучение. Таким образом, неспособность различить сигнал с большой амплитудой, вызванный единственным сцинтиллирующим событием, из наложения множества событий может иметь серьезный эффект на точность последующего спектроскопического анализа.
Аналоговая схема формирования импульсов (то есть, усилители формирования импульсов, схемы, построенные на линии задержки и устройства распознавания) может быть использована для анализа вывода от устройств обнаружения излучения. Однако, может быть желательно использование прямой оцифровки вывода устройства обнаружения, за которой следуют способы анализа цифрового импульса. При разработке и реализации оптимальных способов фильтрации для обработки цифровых импульсов, подход для работы с импульсным наложением в выводе устройств обнаружения излучения может быть одинаковыми как для цифровых, так и для аналоговых систем.
γ
Конкретная электроника формирования импульсов может сократить время отклика устройства обнаружения, что приводит к уменьшенному распространению наложения в конечном спектре [A. Pullia, A. Geraci and G. Ripamonti, Quasioptimum and X-Ray Spectroscopy Based on Real-Time Digital Techniques, Nucl. Inst. and Meth. А 439 (2000) 378-384]. Этот способ, однако, как правило, ограничен временем отклика устройства обнаружения.
Другой подход заключается в «отказе наложению импульсов», который использует быстрые цифровые фильтры и логические схемы для обнаружения наложенных событий и отбрасывания испорченных данных. Сигналы, свободные от импульсного наложения, используют в анализе. Однако, по мере увеличения скорости излучения, падающего на устройство обнаружения, увеличивается и вероятность того, что наложение импульсов произойдет, и тем больше необходимо отбросить данных. Соответственно, отказ наложению импульсов ограниченно полезен, так как быстро достигается состояние, за которым падающее излучение с более высокой плотностью потока не способно сократить время, требуемое для спектроскопического анализа, и увеличивающийся процент данных приходится отклонять. Во многих применениях можно потерять до 80% информации из-за эффектов времени простоя и наложения импульсов [D. M. Scates and J. K. Hartwell, Appl. Radiat. Isot. 63, 465-473 (2005)].
Более сложный подход заключается в использовании знания о профиле единственного импульса от устройства обнаружения или математическом моделировании параметров сигнала. Затем в принципе возможно различить сигналы или импульсы, которые исходят от единственного события, от тех, которые вызваны наложением импульсов. При одном таком способе анализа [R.J. Komar and H.-B. Mak, Digital signal processing for BGO detectors, Nucl. Inst. and Meth. Ф336 (1993) 246-252], сигналы, которые отходят от простого профиля, выбирают для последующего анализа. Этот анализ включает подбор посредством итеративного способа двух импульсов различного разделения и амплитуды. Как только подбор определен, характеристики отдельных импульсов известны из параметров подбора, и, следовательно, импульс, возникающий из двух близко случившихся сигналов, можно разложить на соответствующие дискретные сигналы. Однако, этот подход не способен приспособиться к условиям, когда наложение импульсов вызвано наложением более чем двух сигналов. Итеративная оптимизация требует больших затрат вычислительных ресурсов, и время, потраченное на выполнение этой процедуры, делает ее нецелесообразной во многих ситуациях.
Наложение импульсов также является проблемой при сборе сейсмических данных; Наоки Саито (в Super resolution of Noisy Band-Limited Data by Data Adaptive Regularization and its Application to Seismic Trace Inversion, CH2847-2/90/0000-123, 1990) ссылается на определение близко расположенных резких пиков в сейсмической трассе. Этот способ может использовать адаптивную регуляризацию передачи данных для восстановления недостающей частотной информации в присутствии шума и, с помощью повторяемой итерации, получить улучшенное определение. Однако, этот подход является затратным с вычислительной точки зрения.
Существует интерес в реализации более сложных способов обработки сигналов для дополнительного улучшения разрешения устройства обнаружения, времени и скорости обработки при высоких скоростях счета [R. Novak and M. Venclj, IEEE Trans. Nucl. Sci. 56(6), 3680-3687 (2009)]. Однако, производительность более продвинутых способов «оптимальной» цифровой обработки импульсов сильно зависит от основополагающих предположений таких способов [S. Riboldi, R. Abbiati, A. Geraci and E. Gatti, IEEE Trans. Nucl. Sci. 52(4), 954-958 (2005)].
Способы, которые требуют больших вычислительных усилий, могут ограничивать скорость обработки и представляют трудность для практической реализации способа обработки в конкретных окружениях.
Фиг. 1 изображает пример спектроскопического устройства, адаптированного для выполнения восстановления наложения импульсов, в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения. На Фиг. 1, обеспечено спектроскопическое устройство, адаптированное для выполнения восстановления наложения импульсов, в соответствии с одним примерным вариантом осуществления изобретения. Спектроскопическое устройство 100 включает в себя устройство 110 обнаружения, в форме кремниевого дрейфового диодного (SDD) устройства обнаружения типа, используемого для обнаружения и измерения рентгеновского излучения в дисперсионной рентгеновской спектрометрии, блок 114 обработки сигналов, компьютер 116 для отображения и кабели 112 для соединения вывода блока 114 обработки сигналов с компьютером 116.
2
Фиг. 2 является схематическим видом в разрезе кремниевого дрейфового диодного (SDD) устройства 110 обнаружения типа на Фиг. 1. Устройство 100 обнаружения состоит из сверхчистого кремния 174 с высоким удельным сопротивлением и с электронной проводимостью, который имеет порядка 450 мкм в глубину и имеет активную площадь поверхности от 10 до 150 мм. Активная площадь падающей лицевой стороны 222 устройства 110 обнаружения (а именно, стороны окна, на которое, как правило, падает используемое рентгеновское излучение) покрыта тонким соединением 224 равномерного кремния с дырочной проводимостью. Задняя сторона 280 устройства 110 обнаружения (а именно, сторона устройства) имеет концентрические дрейфовые кольцевые электроды 282а, 228b с дырочной проводимостью с интегрированными разделителями напряжения (не изображены).
Поперечное электрическое поле потенциалов создано поперек толщины устройства 110 обнаружения с помощью структуры равноудаленных электродов на его передней и задней поверхностях. Дополнительно, сильное радиальное поле сбора создано с помощью формирования структуры концентрических кольцевых электродов 282а, 282b. Эти электроды создают как радиальное, так и поперечное электрическое поле для формирования «канала сбора».
Рентгеновское излучение 284, падающее на и взаимодействующее в устройстве 110 обнаружения, производит пары электрон-дырка; число созданных пар пропорционально энергии падающего рентгеновского излучения. Свободные электроны дрейфуют через устройство 110 обнаружения вдоль канала 286 сбора, определенного электрическим полем потенциалов внутри устройства 110 обнаружения, и собираются в центральном, собирающем электроны аноде 288. Электрический заряд, собранный в центральном аноде 288, усиливают, на первом этапе способа усиления, с помощью полевого транзистора 190 (FET), интегрированного в устройство 110 обнаружения. Сигнал, выведенный анодом 288, затем усиливают и формируют с помощью блока 114 обработки сигналов в качестве цифровых выходных данных устройства обнаружения (см. Фиг. 3).
Желаемое преимущество структуры кремниевого дрейфового диодного устройства 110 обнаружения заключается в низкой емкости анода 288, что приводит к низкому электронному шуму. Это позволяет лучшее определение энергии и более высокие скорости счета, в отличие от некоторых других устройств рентгеновского обнаружения, как, например, Si-PIN фотодиоды или Si(Li) кристаллы.
Фиг. 3 является графиком, изображающим приблизительно 100 мкс примерных данных, выведенных от кремниевого дрейфового диодного устройства обнаружения типа, изображенного на Фиг. 2. Заряд, собранный на аноде 188, был усилен и сформирован с помощью электроники формирования и усиления импульса, как описано выше; Фиг. 3 изображает итоговый сигнал. Колебание, которое получается из обнаружения единственного рентгеновского луча, очевидно в этом цифровом выводе устройства обнаружения на 300. Однако, существуют обстоятельства, при которых множество событий рентгеновского излучения будут взаимодействовать с устройством обнаружения в быстрой последовательности. При таких обстоятельствах, как видно на 302а, 302b, устройство 110 обнаружения не восстанавливает из одного события (то есть, сигнал не возвращается к базовой линии) до того, как происходит следующее событие, что ведет к наложению импульсов. Следовательно, будет видно, что устройство 100 спектроскопии подвержено наложению импульсов, так что блок 114 обработки сигналов используют, как описано выше, для определения местоположения и амплитуды импульсов в выводе устройства 110 обнаружения.
В некоторых примерах реализации, устройство спектроскопии принимает ряд различных форм в зависимости от реализации, например, устройство обнаружения металла, устройство обнаружения мин, устройство визуализации (как, например, устройство медицинской визуализации), устройство обнаружения полезных ископаемых, устройство нефтяного каротажа, устройство обнаружения неразорвавшихся боеприпасов, устройство досмотра грузов, устройство досмотра багажа, устройство рентгеновской флуоресценции, устройство рентгеновской дифракции, устройство спектроскопии рентгеновского поглощения, рентгеновское устройство с обратным рассеянием, устройство с рассеиванием нейтронов малого угла, порошковый дифрактометр, нейтронный рефлектометр, устройство нефтеразведки, устройство сканирующего электронного микроскопа, полупроводниковое устройство обнаружения излучения (как, например, кремниевое дрейфовое устройство обнаружения, устройство обнаружения на кадмиево-цинковом теллуриде, или устройство обнаружения на сверхчистом германии (HPGe)), устройство обнаружения вибрации, как, например, устройство сейсмического отражения, устройство обнаружения (RADAR) и определения дальности с помощью радиоволн, устройство определения (SONAR) местоположения и дальности с помощью звуковых волн, устройство элементарного обнаружения и измерения, устройство обнаружения безопасности излучения, устройство биологической пробы (как, например, устройство проточной циклометрии или радиоиммунопробы) или сверхпроводящее устройство (как, например, устройство сверхпроводящего туннельного перехода или сверхпроводящий калориметр).
В соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения, Фиг. 4 изображает пример устройства рентгеновского микроанализа, адаптированного для выполнения восстановления наложения импульсов, в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения, изображенным схематически на 410. Устройство 410 рентгеновского микроанализа включает в себя устройство обнаружения в форме электронного микроскопа 412 (с прикрепленной системой 414 дисперсионной спектрометрии (EDS) энергии), блок 404 обработки сигналов (сравнимый с блоком на Фиг. 1), компьютер 406 для отображения и кабели 402 для соединения вывода блока 404 обработки сигналов с компьютером 406. Блок 404 обработки сигналов определяет местоположение и амплитуду импульсов в выводе электронного микроскопа 412, как описано выше.
Фиг. 5 является схематическим видом примера электронного микроскопа 412 с прикрепленной системой 514 EDS, который можно использовать в устройстве рентгеновского микроанализа на Фиг. 4. Электронная пушка 520 может производить луч электронов, который сфокусирован парой последовательных линз 522а, 522b конденсатора. Итоговый сфокусированный луч электронов 524 проходит через апертуру 526 в вакуумную камеру 528 электронного микроскопа, электронный луч 524 которого падает на образец 530, монтированный на ступени 532 внутри камеры 528. Сфокусированный электронный луч 524 может быть сканирован вдоль образца 530 с использованием отклоняющих катушек 584.
Когда электронный луч 524 падает на образец 530, электроны испускаются из образца 530, что приводит к каскаду электронов от более высокой к более низкой орбите энергии и рентгеновскому излучению. Эти рентгеновские лучи имеют длины волн, уникальные для элементов, составляющих образец 530, так что их можно использовать для характеристики этих элементов.
Анализ испущенных рентгеновских лучей начинается с системы 514 EDS, которая монтирована вне электронного микроскопа 412. Система 514 EDS содержит кремниевое дрейфовое диодное (SDD) устройство 536 обнаружения, прикрепленное к концу «холодного пальца» 538. Холодный палец 538 используют для охлаждения поверхности устройства 536 обнаружения до -25°C в некоторых реализациях. Выходной сигнал от SDD устройства 536 обнаружения усиливают и обрабатывают с помощью электроники формирования импульсов (не изображена), расположенной в корпусе 540 системы 514 EDS. В конечном итоге, энергию флуоресцентного рентгеновского излучения определяют с помощью блока 404 обработки сигналов. Система 514 EDS монтирована на автоматизированной ступени 542 движения, чтобы позволить автоматизированное управление на расстоянии между SDD устройством 536 обнаружения и образцом 530.
Фиг. 3 изображает цифровые временные последовательности, сформированные из рентгеновского излучения, испущенного системой 514 EDS и захваченного кремниевым дрейфовым диодным (SDD) устройством 536 обнаружения. Площадь под отдельными импульсами 300 определяет энергию, размещенную на устройстве обнаружения испущенными рентгеновскими лучами.
Фиг. 6 изображает пример рентгеновского спектра энергии, собранного с использованием SDD устройства обнаружения (на Фиг. 2, 4 и 5), выполненного с возможностью измерять флуоресцентное рентгеновское излучение, испущенное образцом. Рентгеновская трубка может стимулировать эмиссию флуоресцентного рентгеновского излучения. Относительная энергия флуоресцентного рентгеновского излучения указана по оси Х; общее число каналов энергии в этом спектре равно 8192 каналов. Ось Y указывает на логарифмической шкале число сигналов, записанных на каждом канале энергии.
Спектр на Фиг. 6 представляет собой сбор общих данных за 60 секунд; скорость (ICR) счета ввода SDD устройства обнаружения (число событий, взаимодействующих c устройством обнаружения каждую секунду) была примерно 153200 событий в секунду. Скорость (OCR) счета вывода SDD устройства обнаружения (число событий, исходящих из системы EDS каждую секунду) было примерно 131700 событий в секунду; время простоя системы (разница между ICR и OCR) была 14%. Определение энергии этого рентгеновского спектра, определенное как полная ширина (FWHM) главного пика на половине его максимального значения, было 159 электронных вольт (эВ) или 2,48%.
Наиболее распространенное флуоресцентное рентгеновское излучение от естественного железа (которое преимущественно является 55Fe) имеет энергию в 6,40 кэВ. В спектре энергии на Фиг. 6, этот пик эмиссии рентгеновского излучения изображен на 650, на приблизительном канале 2550. Другое флуоресцентное рентгеновское излучение, известное как характеристика 55Fe, является пиком эмиссии на 7,06 кэВ, видимом на 652 в рентгеновском спектре энергии на Фиг. 6. Менее распространенное флуоресцентное рентгеновское излучение от других элементов в образце (или окружающем воздухе) также можно видеть в спектре энергии на 654.
Два дополнительных различимых пика видны (на 656 и 658) между каналами 5000 и 5500. Эти пики произошли не вследствие флуоресцентного рентгеновского излучения высокой энергии, а скорее вследствие наложения сигналов от характерных пиков 55Fe низкой энергии, 6,40 кэВ и 7,06 кэВ (на 650 и 652), соответственно. Наложение этих пиков, вследствие наложения импульсов, происходит в выводе SDD устройства обнаружения, когда события излучения прибывают в устройство обнаружения в такой быстрой последовательности, что устройство обнаружения не может адекватно восстановиться от первого события (выходной сигнал устройства обнаружения не возвращается к базовой линии) до прибытия последующего сигнала.
Импульсное наложение в цифровом выводе SDD устройства обнаружения ведет к пикам наложения в рентгеновском спектре энергии, эти пики могут мешать точной характеристике материала, так как они могут маскировать спектральные пики от другого флуоресцентного рентгеновского излучения в образце. Следовательно, блок 114 обработки сигналов используют, как описано выше, для определения местоположения и амплитуды импульсов в выводе SDD устройства обнаружения.
Подход настоящего изобретения можно применить во многих других областях. В некоторых реализациях, наложение импульсов является проблемой при обработке сейсмических данных. Некоторые подходы являются затратными с вычислительной точки зрения (даже если и дают хорошие результаты); способ настоящего изобретения можно применить к обработке сейсмических данных без излишних вычислительных нагрузок, чтобы обеспечить относительно быстрый и недорогой альтернативный подход, даже если в некоторых применениях результаты не столь хороши, как обеспеченные некоторыми способами.
В другом варианте осуществления изобретения, систему сейсмологии на отраженных волнах используют для применения энергии звуковой волны для выполнения глубинного исследования грунта для нефти в качестве неограничивающего примера. Отражение звуковой волны, или сейсмология на отраженных волнах, является способом геофизического исследования с использованием принципов сейсмологии для определения качеств вмещающих пород. Сейсмология на отраженных волнах выполняется путем запуска сейсмических волн в грунт земли в точке запуска с использованием взрыва, вибраторов или специально разработанной пневматической пушки. Таким образом, сформированные сейсмические волны являются типом эластичной волны, которая проходит сквозь землю. Различные типы приповерхностного материала, как, например, гранит, глинистый сланец, газ или нефть, имеют различные акустические полные сопротивления, поэтому, когда запущенные сейсмические волны встречают границу между материалами (то есть, между материалами и с различным акустическим полным сопротивлением), часть энергии волны будет передана по границе, а часть энергии волны будет отражена от границы. Амплитуда отраженной волны зависит от величины волны, входящей в границу, угла, под которым волна пересекает границу, и различия в полном сопротивлении между двумя материалами.
Часть сейсмической волны, которая отражается обратно от границы к поверхности земли, обнаруживают с помощью решетки сейсмоприемников. Решетка сейсмоприемников содержит множество отдельных сейсмографов, которое преобразуют движение на поверхности, вызванное отраженными сейсмическими волнами, в электрические сигналы. При использовании сейсмографы соединены с поверхностью земли и соединены вместе с помощью кабелей. Электрические сигналы, выводимые сейсмографами, затем записывают в записывающей станции для дальнейшего анализа и обработки. Записывающая станция включает в себя блок обработки импульсов, сравнимый с блоком 114 обработки импульсов на Фиг. 1, выполненный с возможностью принимать и обрабатывать электрические сигналы, выводимые сейсмографами, выделять отдельные сигналы в выводе сейсмографов.
Следует отметить, что в некоторых приложениях этого способа может существовать единая точка детонации со множеством ультразвуковых устройств обнаружения для записи отраженных сейсмических колебаний. В других приложениях множество мест детонации могут быть использованы в объединении с множеством мест ультразвукового обнаружения, чтобы определить более надежную модель подповерхностного окружения.
Сравнимая система, в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения может быть использована для выполнения исследований в океанических окружениях. В этом варианте осуществления система содержит корабль, везущий набор пневматических воздушных пушек в качестве источника возбуждения. Эти пушки излучают низкочастотные звуковые импульсы (до 300 Гц и 250 дБ) в океан, чтобы стимулировать сейсмические волны в морском дне внизу. Система также включает в себя множество сейсмических кабелей для обнаружения отраженных сейсмических волн; кабели - которые обычно устанавливаются параллельно - имеют в этом варианте осуществления по меньшей мере 6 километров в длину и разнесены на 150 метров друг от друга, и обеспечены гидрофонами на равных интервалах вдоль каждого кабеля, чтобы записывать звуковые сигналы, отраженные от элементов под морским дном. Система в соответствии с этим вариантом осуществления включает в себя схему обработки импульсов (на корабле), сравнимую со схемой (114) обработки импульсов на Фиг. 1 для приема и обработки вывода гидрофонов, чтобы определить отдельные сигналы в выводе этих гидрофонов.
Сейсмология отражения является первичной формой исследования для углеводородов в окружениях земли и океана и может быть использована для поиска других ресурсов, включая уголь, руды, минералы и геотермальную энергию. Для большего обнаружения мелких подповерхностных элементов до нескольких десятков метров в глубину могут быть использованы электромагнитные волны вместо эластичных волн, способ, называемый радаром, проникающим в землю. Все такие системы могут, в соответствии с другими вариантами осуществления настоящего изобретения, включать в себя схему обработки импульсов, сравнимую со схемой 114 обработки импульсов на Фиг. 1 для обработки вывода звуковых устройств обнаружения или устройств обнаружения радаров, чтобы определить отдельные сигналы в выводе этих соответствующих устройств обнаружения.
Способ настоящего изобретения может также быть использован во множестве областей анализа материалов или продуктов. В некоторых реализациях обработка и изготовление полупроводников использует устройства и способы измерения с высоким разрешением для оценки параметров образцов; выполняют различные измерения, в которых тонкие пленки - такие как оксиды, металлы или диэлектрики - помещают на подложки полупроводника из, например, кремния. Неразрушающие способы являются особенно полезными для оценки толщины, определения нечистот и определения коэффициента рефракции пленок, чтобы обеспечить высокую выработку во время изготовления. Одним типом данных, который является особенно полезным в изготовлении полупроводников, является тот, который связывает дозу и профиль имплантации ионов примесей, таких как мышьяк, фосфор и бор; эти данные могут быть получены с помощью измерений рентгеновской флуоресценции, выполненных при меняющихся малых углах, и собранных с использованием бесконтактных устройств обнаружения, рассеивающих энергию, таких как устройство обнаружения Si(Li). Способ настоящего изобретения может быть использован для обработки вывода такого устройства обнаружения в данной области.
В автоматической расшифровке дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) проблема наложения импульсов (и, следовательно, простоя) может быть устранена путем удостоверения в том, что только один нуклеотид присутствует в области обнаружения в любой данный момент времени. Однако необходимость делать так должна быть существенно уменьшена - позволяя намного более быстрый сбор данных - путем использования способа настоящего изобретения.
Схожим образом, широкое использование миниатюрных электронных схем создает необходимость в сложных аналитических способах, способных проводить измерения с высоким разрешением. В некоторых реализациях, спектроскопию времени жизни фотолюминесценции используют для измерения фотолюминесценции в полупроводниках, особенно состоящих из соединений таких как галлий-мышьяк, которые подвержены возникновению структурных неоднородностей вследствие локальных дефектов кристаллизации. В другой реализации, такие дефекты обнаруживают в качестве изменений в фотолюминесцентном выводе, измеренном с помощью устройств обнаружения однофотонных лавинных диодов (SPAD). Вывод таких устройств обнаружения обрабатывают, чтобы позволить измерение характеристик задержки времени жизни фотолюминесценции исследуемого образца. В некоторых реализациях, быстрое ухудшение фотолюминесценции в субстратах GaA позволяет использовать пульсирующие лазерные источники с высокой скоростью повторения, теоретически позволяя скорость сбора данных 500000 счетов в секунду. Практически, наложение импульсов ограничивает максимальную скорость сбора данных в таких приложениях 100000 счетами в секунду вследствие конечного времени простоя даже более быстрого коммерчески доступного преобразователя времени в амплитуду. Способ настоящего изобретения, используемый для обработки данных от таких устройств обнаружения, позволят существенно более высокие скорости сбора данных в этих приложениях.
Специалист в данной области техники поймет, что устройство обнаружения излучения, описанное выше, является всего лишь примерным вариантом осуществления. Настоящее изобретение может быть схожим образом применено к любой системе обнаружения для излучения, вибрации или других типов энергии, например, как описано в настоящей заявке.
В некоторых реализациях другие различные устройства, к которым применимо настоящее изобретение, но не ограничивается ими, включают в себя:
2
2
4
2
2
3
3
4
3
4
1) Обнаружение излучения с несколькими другими типами органических или неорганических сцинтилляторов, например, но не ограничиваясь, фторидом бария (BaF), фторидом кальция (CaF), германатом висмута (BGO), вольфраматом кадмия (CdWO), йодидом цезия CsI или покрытый таллием CsI(Tl), покрытый натрием CsI(Na). Сероокись гадолиниума (GdOS), бромид лантана (LaBr), хлорид лантана (LaCl), вольфрамат свинца (PbWO), йодид лютеция (LuI), оксиортосиликат лютеция (LSO), йодид натрия, покрытый таллием NaI(Tl), ортосиликат итрия алюминия (YAG), сульфид цинка (ZnS), вольфрамат цинка (ZnWO).
2) Обнаружение излучения с помощью твердотельных (полупроводниковых) устройств обнаружения, которые полагаются на обнаружение несущих заряда (электронов и дырок), сформированных в полупроводниках энергией, помещенной фотонами гамма-лучей. Например, устройства обнаружения, сделанные из покрытого литием кремния и германия, теллурида кадмия или теллурида цинка кадмия.
3) Обнаружение электронов в сканирующей электронной микроскопии (SEM). Два типа устройств обнаружения электронов могут быть использованы для формирования изображения SEM: устройства обнаружения типа сцинтиллятора (Everhart-Thornley) используют для вторичного формирования изображения электронов, в котором устройство обнаружения заряжают положительным напряжением, чтобы привлечь электроны на устройство обнаружения для улучшенного соотношения сигнал-шум, в то время как устройства обнаружения для рассеянных электронов могут быть сцинтиллятором или твердотельным устройством обнаружения.
4) Оптическое обнаружение излучения в поточной цитометрии. В поточной цитометрии устройства обнаружения обычно включают в себя кремниевые фотодиоды или фотоэлектронные умножители (PMT). Кремневые фотодиоды могут быть использованы для измерения прямого рассеивания, когда оптический сигнал является сильным. PMT являются более чувствительными инструментами, которые идеальны для рассеянных и флуоресцентных считываний.
Фиг. 7 является схематической диаграммой функциональных элементов устройства спектроскопии на Фиг. 1, и обеспечена для более подробного объяснения способа обработки сигнала для восстановления импульсного наложения, используемого устройством на Фиг. 1. Со ссылкой на Фиг. 7, устройство (750) обнаружения излучения соединено со схемой (752) обработки импульсов через аналоговый препроцессор (AFE) (754). Целью AFE (754) является оцифровка сигнала, сформированного устройством (750) обнаружения излучения путем выполнения аналого-цифрового преобразования при, в этом варианте осуществления, 125 МГц с 12-битной точностью преобразования.
Как только вывод излучения оцифрован AFE (754), реализуют способ обработки сигнала для восстановления импульсного наложения. Цифровой сигнал, сформированный AFE (754), передают в обрабатывающую импульс программируемую пользователем вентильную матрицу (FPGA) (756). Обрабатывающая импульс FPGA (756) затем реализует способ обработки импульса настоящего варианта осуществления; сопроцессор (758) цифровой обработки сигналов (DSP) может быть использован для помощи обрабатывающей импульс FPGA (756) в реализации способа обработки импульса. Переменные, необходимые обрабатывающей импульс FPGA (756) и данные, получаемые на промежуточных этапах способа обработки сигнала, хранятся в памяти (760). Обработкой сигнала управляют через интерфейс (762) данных/управления, который, совместно с процессором (764) управления, может быть использован для изменения реализации обработки сигнала. Выходные данные из способа обработки сигнала могут быть отображены на устройстве (766) отображения через интерфейс (762) данных/управления. Устройство (766) отображения обеспечено в компьютере, который может, при желании, быть использован для выполнения пост-процессинга и управления системой.
Фиг. 8а, 8b и 8с иллюстрируют примеры колебаний, возникших при оцифровке выходных данных устройства обнаружения, во временных диапазонах 1000 микросекунд, 100 микросекунд и 10 микросекунд, соответственно. Различные пики на этих фигурах соответствуют обнаружению соответствующих гамма-лучей. Некоторые пики появляются в качестве дискретных сигналов или импульсов (870, 872), которые могут указывать присутствие только единого гамма-луча. Другие пики являются следствием наложения или двух пиков (876) или трех или более пиков (874).
Фиг. 9а, 9b и 9с изображают примеры форм наложения импульсов, а именно: «наложение окончания», «наложение пика» и «наложение множества пиков», соответственно, в соответствии с примерным вариантом осуществления изобретения. Как показано на Фиг. 9а, 9b и 9c, эффект наложения импульсов показан посредством иллюстративных сигналов или импульсов, изображенных как энергия E в зависимости от времени t (оба в произвольных единицах). Фиг. 9а иллюстрирует так называемое «наложение окончания», где, в зависимости от используемого типа обработки импульса, окончание (980) одного импульса (981) может обеспечить значительное положительное или отрицательное смещение (положительное в проиллюстрированном варианте осуществления) амплитуды последующего импульса (982). Несмотря на то, что смещение во времени между двумя импульсами, Δt, является относительно большим (если сравнивать с общим интервалом времени, в течение которого преобладают импульсы), огибающая сигнала или результирующее колебание (984) существенно выше нуля при прибытии второго импульса (982).
Отсутствие настоящего нулевого состояния сигнала между двумя импульсами портит анализ окончания первого, ложно увеличивает амплитуду второго импульса. Фиг. 9b иллюстрирует вторую форму наложения импульса, «наложение пика». Здесь два импульса (986) и (988) приходят близко во времени (то есть смещение во времени Δt между импульсами является малым по сравнению с общим интервалом времени, в течение которого преобладают импульсы). Результирующее выходное колебание (990) появляется более или менее в качестве единого импульса, имеющего несколько большую амплитуду, чем любой из импульсов-компонентов. В ситуациях, когда поток событий через устройство обнаружения является огромным, не является необычным прибытие множества событий в пределах времени отклика устройства обнаружения, что ведет к наложению множества пиков. Такой случай показан на Фиг. 9с. Множество сигналов или импульсов (таких, как показаны на 992) прибывают со случайными интервалами времени Δt и суммируются для получения результирующего колебания (994), из которого трудно извлечь параметры сигналов-компонентов.
Одним компонентом способа решения наложения импульсов, в соответствии с этим вариантом осуществления является оценка некоторых параметров сигналов или импульсов; эти параметры являются числом, временем прибытия и энергией всех гамма-лучей в потоке данных устройства обнаружения. Эти параметры оценивают, в соответствии с этим варианте осуществления, путем моделирования сигналов в потоке данных математически.
Моделирование сигнала
Фиг. 10 является диаграммой, которая изображает пример моделирования способа обнаружения сигнала, в соответствии с примерным вариантом осуществления изобретения. Излучение или другие события энергии g(t) (1000) попадают на устройство (1002) обнаружения, представленное способом m(t) измерения, имеющим результатом выходные данные от устройства y(t) (1004) обнаружения. Добавление способа (1006) дискретизации производит данные цифрового устройства обнаружения или «временные последовательности» x(n) (1008).
Является возможным добавить к вышеописанной модели некоторые знания о физических способах обнаружения события энергии. Фиг. 11 иллюстрирует более детальную математическую модель способа обнаружения энергии, показанного на Фиг. 10, в соответствии с примерным вариантом осуществления изобретения. Ввод устройства g(t) обнаружения описывается Уравнением 1, в котором ввод g(t) предполагается неизвестным числом (N) похожих на дельта-функцию импульсов случайной амплитуды (α) и времени прибытия (τ). Примерная реализация такого ввода показана на (1110).
(1)
Предполагается, что устройство обнаружения имеет конкретный отклик на входящие события, называемый импульсным откликом d(t) устройства обнаружения, который показан на (1112). Оцифрованная версия импульсного ответа устройства обнаружения обозначена d[n].
Вывод из устройства обнаружения показан на (1116) и описан Уравнением 2, в котором вывод y(t) устройства обнаружения является суммой неизвестного числа сигналов заранее определенной формы d(t), с неизвестной энергией (α) и неизвестным временем прибытия (τ). Рассматриваются источники случайного шума ω(t) (1114). Данные x[n] цифрового устройства обнаружения показаны на (1118) и формируются аналого-цифровым преобразователем.
(2)
Оцифрованный сигнал x[n] на выходе аналого-цифрового преобразователя (306), как показано на (1118), следовательно, задан:
(3)
i
где d[n] является формой дискретного времени заранее определенной формы сигнала d(t), Δявляется задержкой в образцах i-го сигнала и ω(n) является формой дискретного времени шума. Оцифрованный сигнал x[n] может быть также записан в форме матрицы в качестве:
x=Aα+ω, (4)
где А является матрицей m x N, записи которой заданы следующим:
(5)
Также T является длиной d[n] в образцах, m является общим числом образцов в оцифрованном сигнале x[n], α является вектором N энергий сигналов и ω является вектором шума длины m. Матрица А может быть также изображена следующим образом:
(6)
Таким образом, столбцы матрицы А содержат множество версий формы сигнала. Для каждого из отдельных столбцов начальную точку формы сигнала определяют посредством временного положения сигнала. В некоторых реализациях, если сигналы в данных приходят в положениях 2, 40, 78 и 125, столбец 1 матрицы А будет иметь «0» в первой строке, первую точку данных формы сигнала во второй строке, вторую точку данных формы сигнала в третьей строке и так далее. Второй столбец будет иметь «0» до строки 40, а дальше будет следовать форма сигнала. Третий столбец будет иметь «0» до строки 78; четвертый столбец будет иметь «0» до строки 125 и далее форму сигнала. Следовательно, размер матрицы А определяется числом идентифицированных сигналов (которое становится числом столбцов), в то время как число строк зависит от числа образцов во «временной последовательности».
Способ обработки сигнала настоящего варианта осуществления, таким образом, имеет своей целью обеспечить точную оценку некоторых неизвестных параметров данных устройства обнаружения, включающих в себя не только число компонентов сигналов (N) в выводе устройства обнаружения, но также энергию (α) и время прибытия (τ) каждого из компонентов сигналов.
Преобразование импульсной формы
До настоящего момента, обработка отказа наложения импульсов содержала использование всей формы импульсного отклика устройства обнаружения, чтобы попытаться оценить энергии отдельных импульсов. В результате, вычисление использовало систему матричных уравнений, включая разложение (более или менее) полной матрицы размера 45×45.
Настоящее изобретение избегает трудностей вычисления и реализации способов уровня техники путем сначала удостоверения того, что сигнал уже пришел или преобразуется в более простую форму для дальнейшей обработки, что по существу напоминает ступенчатую функцию, что контрастирует с колебанием скругленного пика данных типичного устройства обнаружения. Это значительно снижает вычислительную нагрузку способов уровня техники и позволяет обработку сигналов, принятых на значительно более высоких скоростях счета входа, и, будучи обработанными, вывод сигналов с более высокими скоростями счета выхода.
Цифровой сигнал, формируемый AFE, передают в обрабатывающую импульс программируемую пользователем вентильную матрицу (FPGA) (756), которая содержит блок преобразования формы импульса. Фиг. 12 изображает пример способа определения гистограммы, изображающей параметры данных устройства обнаружения с использованием преобразования формы импульса, в соответствии с вариантом осуществления. Этапы, изображенные на Фиг. 12, могут быть выполнены обрабатывающей импульс FPGA 756 или любым другим компонентом, таким как сопроцессор 758 DSP и/или процессор 764 управления. На этапе 1220, обрабатывающая импульс FPGA 756 обрабатывает данные устройства обнаружения с использованием алгоритма формы импульса для увеличения времени затухания импульса до бесконечности. На этапе 1222, обрабатывающая импульс FPGA 756 дополнительно обрабатывает данные устройства обнаружения, чтобы обнаружить присутствие импульсов. На этапе 1224, обрабатывающая импульс FPGA 756 оценивает энергию и/или другие интересующие параметры обнаруженных импульсов. На этапе 1226, обрабатывающая импульс FPGA 756 проверяет точность оценок через способ удостоверения, описанный в подробностях ниже. Наконец, на этапе 1228 обрабатывающая импульс FPGA 756 использует удостоверенные оценки энергии для формирования гистограммы, которая может быть использована пользователем для дальнейшей пост-обработки.
Фиг. 13 изображает пример формы импульса для излучения, принятого в устройстве обнаружения. Как описано выше и со ссылкой на Фиг. 13, поток данных содержит импульсы 1330, форма которых, как правило, состоит из быстрого переднего фронта (1332), достижения пика (1334), затем более плавного заднего фронта, который падает обратно до начального уровня (1336). Модуль преобразователя импульсной формы служит для сжатия переднего фронта и продления заднего фронта каждого импульса во временном интервале. В идеале, передний фронт будет сжат, чтобы стать мгновенным, и задний фронт будет продлен до бесконечности, однако характеристики формы импульса устройства обнаружения определят, насколько близко этот идеал может быть достигнут.
Устройство преобразования формы импульса способно преобразовывать любое число диапазонов форм импульсов к колебанию с желаемым шагом с помощью уместных операций преобразования, например, Гауссовых или форм импульсов с одной экспонентой. Однако предпочтительное осуществление, описанное ниже, моделирует импульсы сигналов с помощью двойного экспоненциального колебания, которое наиболее близко представляет физический процесс обнаружения события в устройстве обнаружения, обеспечивая наиболее сложную и точную характеристику событий обнаружения.
Реализация 1 - двойная экспоненциальная:
Примерная форма импульса устройства обнаружения, как показано на Фиг. 13, может быть моделирована колебанием с двойной экспонентой:
(7)
где p(t) является импульсом,
А является энергией импульса и
a, b определяют передний и задний фронты формы импульса.
Для двойной экспоненциальной формы импульса, устройство преобразования формы импульса выполняет следующее действие над потоком входных данных:
(8)
где x(n) является значением потока входных данных в образце «n»,
a, b определяют передний и задний фронты формы импульса,
y(n) является ступенчатым потоком данных, который может требовать дальнейшего масштабирования.
Это может быть реализовано с помощью стандартной структуры фильтра бесконечного импульсного отклика (IIR).
Использование преобразования формы импульса в прошлом было с целью снижения появления наложения импульсов для улучшения пропускной способности, обычно путем попытки изолировать каждый отдельный импульс. Напротив, результатом расширения заднего фронта в сторону бесконечности, как описано выше, является то, что наложение импульсов существенно увеличивается. Для данного импульса, каждый импульс, который приходит после него, будет наложен на его бесконечно длинный отклик импульса. В то время как этот способ обработки будет, следовательно, казаться контрпродуктивным и не интуитивным специалисту в данной области техники, этот промежуточный этап обработки позволяет значительно более простой вычислительный анализ данных устройства обнаружения на следующих этапах обработки, когда он представлен в этом преобразованном состоянии.
Фиг. 14а и 14b изображают пример результата преобразования данных импульсного отклика устройства обнаружения в ступенчатые данные (также называемые интегральными данными) в способе преобразования формы импульса.
Удаление образцов:
Преобразование первоначального импульсного потока в идеальную ступенчатую форму (путем сжатия времени переднего фронта в ноль и расширения времени затухания заднего фронта до бесконечности) не всегда является достижимым вследствие ограничений моделирования, эффектов второго порядка или ограничений на ресурсы, доступные для реализации преобразования форм импульса. В частности, Фиг. 15 изображает пример переднего фронта преобразованных импульсов, появляющихся в нескольких образцах.
Чтобы получить преимущество в уменьшении вычислений, что, в идеале, будет обеспечено преобразованной формой импульса, вычисления могут быть несколько изменены. Одно желаемое изменение удостоверяет, что область переднего фронта каждого импульса (где настоящие преобразованные данные импульса отличаются от идеально преобразованного импульса) исключается из вычислений. В то время как теоретически может быть смоделирована кривая форма, это будет вычислительно дорого и, в качестве более желаемого варианта, удаление образцов в пределах установленного окна вокруг переднего фронта позволяет избежать проблем, возникающих от не моделированного времени восхождения импульса, и также любых ошибок во время оценки прибытия. Если слишком много образцов удалены, наложение может снова стать проблемой, и, если слишком мало образцов удалены, в вычисление по-прежнему могут быть включены импульсные переходы, что приведет к ошибкам оценки. Путем удаления этих частей потока данных, оценки амплитуды могут быть выполнены, словно преобразование было идеальным, в то время как любое ухудшение в результате является малым. Если одно или несколько событий приходят во время удаленной области первого события, то удаленную область расширяют, чтобы она покрывала все перекрывающиеся удаленные области событий в группе. Группа рассматривается в качестве единого события, но указывается в качестве наложения.
Обнаружение сигнала
Преобразованные данные данных потока затем анализируются на предмет присутствия импульсов. Обнаружение сигналов в оцифрованном колебании устройства обнаружения достигается путем подбора модели «метрики обнаружения» к фиксированному числу точек данных. Эта фиксированная длина «окна обнаружения» постоянно двигается через оцифрованные данные устройства обнаружения. Размеры окна обнаружения могут меняться от четырех до более чем 128 образцов, однако, оптимальный размер окна расположен между четырьмя и 64 образцами вследствие затрат на обработку при использовании более чем 64 образцов.
Обнаружение реализовано путем выполнения подбора наименьших квадратов ожидаемой формы импульса с помощью одного или нескольких сегментов скользящего окна данных. Термин «скользящее окно», в общем, относится к итеративному способу выполнения математических вычислений на сегментах конечной длины (например, окнах) данных. Математические вычисления последовательно выполняют на окнах и каждое окно может перекрываться со смежными окнами. В некоторых вариантах осуществления, два смежных окна могут отличаться всего лишь на один образец в их начальной и конечной точках. В настоящем варианте осуществления, оцененный параметр совпадения (в каждом местоположении окна) может быть использован в качестве метрики обнаружения:
(9)
где x(k) является метрикой обнаружения для образца «k»,
T
b(k)=[y(k-N/2), …, y(k),…y(k+N/2-1)] то есть сегментом ступенчатого потока данных, центрированного на образце «k»,
А является вектором центрированной ожидаемой формы импульса.
В качестве последствия более раннего способа преобразования формы импульса, преобразованная форма импульса близко аппроксимируется ступенчатой функцией. Предположение, что форма импульса уже имеет или была преобразована в идеальную ступенчатую функцию, позволяет существенно уменьшить вычислительную нагрузку реализации, в то же время достигая небольшого снижения в производительности. Если ожидаемый вектор А формы импульса является ступенчатой функцией с нулевым средним значением длины «N», например:
(10),
то может быть замечено, что:
T
-1
терм (AA)является постоянным,
T
T
терм A.b(k) близко связан с термом A.b(k-1) и задан:
(11)
Следовательно, устройство оценки наименьших квадратов для подбора идеального импульса к потоку ступенчатых данных может быть последовательно обновлено из предыдущей оценки с использование сложения или вычитания и простого масштабирования.
Метрику обнаружения импульса анализируют для определения присутствия или отсутствия импульса. В случае, когда импульс не присутствует, метрика определения просто равна нулю, означая шум. Как только импульс попадает в окно метрики определения импульса, метрика обнаружения увеличивается с нуля и достигает максимума, когда импульс центрирован в окне, падая обратно до нуля, как только импульс покидает окно. Если в окне присутствуют несколько импульсов, метрика обнаружения показывает несколько пиков. Существуют два теста, которые объединяют, чтобы обнаружить присутствие импульса:
1) Первым тестом является простой тест порогового значения шума, чтобы исключить ошибочный запуск вследствие шума. Метрику обнаружения сравнивают с простым пороговым значением. Если метрика меньше порогового значения, то считается, что в настоящий момент импульсы отсутствуют. Если она превышает пороговое значение, то один или несколько импульсов могут присутствовать. Пороговое значение устанавливают на уместный уровень, чтобы гарантировать, что вероятность ошибочного запуска вследствие шума является допустимо низкой. Обрабатывающая импульс FPGA 756 может определять вероятность ошибочного срабатывания, основываясь на, например, дисперсии шума в сигнале. Когда обрабатывающая импульс FPGA 756 устанавливает пороговое значение на основании дисперсии, вероятность может быть установлена на приемлемом уровне.
2) Вторым тестом является поиск значительных пиков в метрике обнаружения. Это происходит, когда угол наклона пика изменяется от положительного к отрицательному. В окрестности пика, метрика обнаружения может быть моделирована с помощью квадратичной аппроксимации. Квадратичную аппроксимацию выполняют на сегменте скользящего окна потока метрики обнаружения. Конечный автомат может быть использован для отслеживания квадратичных коэффициентов, чтобы определить, когда метрика обнаружения встретила пик. Дополнительная обработка квадратичных коэффициентов обеспечивает оценку времени прибытия импульса подобразца.
Если тесты указывают, что пик присутствует и является маловероятным, что его вызвал шум, то объявляют событие обнаружения сигнала. Местоположение импульса в ступенчатых данных помечается флагом и передается в блок оценки энергии.
DW
DW
Производительность метрики обнаружения на данных, собранных с устройства обнаружения SDD, показана на Фиг. 16а и 16b. Метрика обнаружения быстро отвечает на прибытие нового сигнала и ухудшается обратно к значению стабильного состояния вскоре после того, как прошел задний фронт гамма-луча. Пределом обнаружения для двух импульсов схожего размера, прибывающих рядом друг с другом, является (N/2-1), где Nявляется длиной окна обнаружения в образцах. Использование окна обнаружения в 8 образцов и с частотой оцифровки в 60 Гц может дать ограничение обнаружения пары импульсов порядка 50 нс.
Алгоритм обнаружения подбирает квадратичную модель к скользящему окну пяти образцов метрики обнаружения. Чтобы пик был объявлен, алгоритм анализирует разложение и объявляет пик, если кривая находится в пределах разрешенного диапазона, константа выше порогового значения и линейный терм изменился с положительного на отрицательный. Один вариант осуществления использует пять образцов для окна обнаружения, потому что это дает особенно простую операцию FPGA: с коэффициентами (-2, -1, 0, 1, 2) и (4, 1, 0, 1, 4), может быть использован сдвиг битов, который является тривиальным в FPGA. Однако любое число образцов может быть использовано для окна обнаружения.
Оценка энергии импульса
Оценка амплитуд группы импульсов (с или без наложения) выполняют путем разложения меньших квадратов секции потока ступенчатых данных в соответствии с уравнением:
(12)
где b является сегментом потока ступенчатых данных
А является системной матрицей формы, описанной выше в Уравнении 6, столбцы которой содержат формы импульсов, выровненные по ожидаемым местоположениям импульсов, как выявлено обработкой определения импульсов, и
х является оценкой амплитуд импульсов.
T
-1
T
-1
Когда передний фронт импульса был сжат практически до нулевого времени и время затухания формы импульса расширено до бесконечности, системная матрица А имеет форму такую, чтобы (A.A)являлась ленточной матрицей с узкой шириной полосы, как показано на Фиг. 23. Термы наложения главным образом отделяют от всех, кроме наиболее соседних импульсов. Ненулевые термы (A.A)могут быть определены аналитически. Это обеспечивает существенное снижение вычислительной нагрузки и сложности реализации.
Результирующая оценка амплитуды для данного импульса становится равной среднему значению потока ступенчатых данных после того, как прибыл импульс (но до следующего импульса), менее чем среднему значению потока ступенчатых данных до переднего фронта импульса (но после прибытия предыдущего импульса).
Длина накопления:
Есть преимущества в ограничении числа образцов, включенных в вычисление оценки амплитуды, вместо использования полной длины данных между данным импульсом и его двумя немедленными соседями, чтобы оценить амплитуду импульса. Ухудшение разрешения вследствие низкочастотного шума, смещений DC и скорости счета снижается путем ограничения данных, используемых в оценке максимального числа образцов («N») немедленно на каждой стороне сигнала.
Если сигнал появляется ближе, чем «N» образцов на каждой стороне интересующего сигнала, то число образцов, доступных для этой части вычисления, будет меньше, чем «N». В одном варианте осуществления, чтобы оценка амплитуды сигнала рассматривалась, как допустимая, должно быть более чем минимальное число образцов, включенных в вычисление. Это обеспечивает то, что дисперсия оценки вследствие шума уменьшается до желаемого уровня. Импульсы, которые прибывают ближе, чем минимальное пороговое значение, отбрасываются с целью сохранить разрешение выходного спектра. Это может иметь эффект увеличения времени простоя по мере того, как увеличивается скорость счета.
Как только сделаны оценки амплитуды, дополнительная проверка правильности, отклонение, форматирование и представление данных могут быть выполнены.
Проверка правильности
Последним этапом алгоритма обработки сигналов в реальном времени является этап проверки правильности. На этом этапе все параметры, которые были оценены предыдущими этапами алгоритма (форма импульса, число событий, время прибытия и энергия события), объединяют для воссоздания «бесшумной» модели данных устройства обнаружения. Обрабатывающая импульс FPGA 756 формирует бесшумную модель путем помещения вычисленных параметров в модель вывода y(t) устройства обнаружения. Например, в одном варианте осуществления обрабатывающая импульс FPGA 756 объединяет импульсный отклик d(t) устройства обнаружения, неизвестную энергию (α) и неизвестное время прибытия (τ), чтобы моделировать вывод y(t) устройства обнаружения, используя уравнение (2). В другом варианте осуществления обрабатывающая импульс FPGA 756 моделирует форму ответа d(t) импульса устройства обнаружения на основании p(t), показанного в уравнении (7), который обрабатывающая импульс FPGA 756 затем подставляет в уравнение (2), чтобы восстановить модель y(t). Путем вычитания этой модели данных устройства обнаружения из фактической оцифрованной временной последовательности устройства обнаружения обрабатывающая импульс FPGA 756 может определять точность оцененных параметров. Во многом схоже с оценкой остатков от подбора прямой линии под множества данных, если уровень остатков мал, параметры будут хорошо описывать данные. Однако, если в любой точке наблюдаются большие остатки, данные устройства обнаружения будут оценивать плохо и эта часть данных может быть отброшена.
Наиболее частой формой ошибок, обнаруженных на этапе проверки правильности, являются ошибки в оценке числа событий в потоке данных. Когда два события прибывают с разделением менее 50 нс, они будут зарегистрированы в качестве единого события. Однако эта ошибка побудит «выброс» в остаточном сигнале, и плохо оцененные события могут быть отброшены.
Формирование спектра
Как только обработка данных устройства обнаружения закончена, данные собирают в гистограмму, представляющую спектр энергий, оцененных для всех событий обнаружения, обнаруженных в данных.
Способ изобретения оценки дисперсии по сравнению с подлежащим шумом, чтобы принять или отклонить каждое событие обнаружения, является более точным и управляемым, чем способы уровня техники. В некоторых реализациях является возможным отсортировать все оценки дисперсии от конкретного периода сбора данных и использовать только лучшие 80%. Это фиксирует время простоя на 20% и обеспечивает то, что только лучшие оценки (для данной пропускной способности) используют в спектре. Путем изменения дисперсии или допустимых событий, очень просто регулировать время простоя и достичь улучшенного спектра.
T
Важным преимуществом обработки в интегральном пространстве является структура системной матрицы А. Простая ленточная сущность inv(AA) (с узкой шириной полосы, как показано на Фиг. 23) может позволить более точную и/или надежную инверсию через QR-разложение или сингулярное разложение (SVD). Альтернативно, может быть возможным вычислить обратную матрицу и/или использовать таблицы подстановки, как только форма, число и относительное положение событий определены. Этот подход будет очень эффективным с точки зрения аппаратного обеспечения.
T
Важным преимуществом выполнения полной инверсии матрицы SVD является возможность извлечения оценки дисперсии или «степеней уверенности» об энергии обнаруживаемых гамма-лучей. Амплитуды элементов inv(AA) являются иллюстративными для дисперсии оценки энергии гамма-лучей. События, когда энергия гамма-лучей является известной с более высокой уверенностью, будут иметь результатом маленькие элементы в диагонали.
Преимущества обработки сигналов
Реализация настоящего алгоритма имеет ряд преимуществ, включающих в себя:
Более низкую вычислительную нагрузку с использование того же аппаратного обеспечения, чтобы достичь большего;
Позволяет более высокую скорость формирования образцов ADC или выполнение нескольких каналов;
Более высокая скорость счета входа и выхода;
Возможность обнаруживать события с очень низкой энергией;
Планки погрешностей на оценках энергии, чтобы помочь обеспечить постоянное разрешение;
Лучшая производительность энергии разрешения/скорости, и;
Решение множества форм в больших устройствах обнаружения.
Альтернативный способ обработки сигналов
Варианты осуществления, описанные выше, представляют один способ обработки сигнала в соответствии с настоящим изобретением. Однако альтернативные способы могут быть реализованы, которые используют схожие концепции с той, которая подробно описана в вышеописанных вариантах осуществления с различными реализациями.
На этапе обработки первоначальных данных, может быть выполнен вариант этапа преобразования импульса, который имеет своим результатом схожий вывод ступенчатых данных, однако с более сложной обработкой. Фиг. 17 изображает пример способа для проверки правильности модели вывода устройства обнаружения, сформированной из способов восстановления наложения импульсов, в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения. Фильтр (FIR) с конечным импульсным откликом сворачивают с интегрированными данными устройства обнаружения, как показано на Фиг. 17. Эта операция может выполнять по меньшей мере одной из, а желательно оба, из расширения экспоненциально снижающегося заднего фронта до времени затухания «бесконечность», и сжатие компонента переднего фронта до времени затухания ноль. Это имеет своим результатом более острую ступень, на которой можно получить точные оценки времени прибытия импульса, и ведет к общему улучшению в оценке энергии импульса через точный под-образец времени оценки прибытия.
Со ссылкой на Фиг. 17, будет описан способ формирования модели вывода устройства обнаружения и проверки правильности модели. На этапе 1702, ADC 1006 формирует оцифрованные данные x[n] (см. Фиг. 10). На этапе 1704, обрабатывающая импульс FPGA 756 калибрует устройство 750 обнаружения излучения. На этапе 1706, обрабатывающая импульс FPGA 756 интегрирует оцифрованные данные x[n]. На этапе 1708, обрабатывающая импульс FPGA 756 сворачивает интегрированный сигнал с фильтром (FIR) с конечным импульсным откликом, чтобы отменить компоненты заднего и переднего фронта сигнал. На этапе 1710, обрабатывающая импульс FPGA 756 локализует импульсы с использованием метрики обнаружения, чтобы совместить ступенчатую волну с интегральными данными. На этапе 1712, обрабатывающая импульс FPGA 756 оценивает энергию и/или другие интересующие параметры обнаруженных импульсов. На этапе 1714, обрабатывающая импульс FPGA 756 оценивает модель на основании параметров и проверяет правильность модели.
Обработка данных, в которых либо затухающая экспонента может быть расширена до бесконечности и/или передний фронт может быть сжат, ведет к существенной экономии эффективности в вычислении матрицы по сравнению со способами уровня техники. Этот способ может быть реализован с помощью попытки достичь наибольшего возможного упрощения в алгоритме оценки энергии импульса, однако, он не может быть настолько же эффективным, насколько вариант осуществления, описанный выше.
В качестве мгновенной альтернативы обработки сигнала, следующие параметры, могут, например, быть изменены для управления характеристиками выходных данных:
1) Окно интеграции: максимальное число образцов, для которых интегрируют энергию. Окно интеграции уменьшают там, где промежутки между импульсами не позволяют полное окно.
2) Множитель интеграции, который управляет максимальной дисперсией.
Максимальная дисперсия установлена в множитель интеграции >= 1. Множитель интеграции=1, максимальная дисперсия равна 2/IntLength, и такие импульсы принимают, только если энергия на каждой стороне переднего фронта могут быть интегрированы для ровно IntеgrationLength образцов. По мере того, как множитель увеличивается, импульсы, для которых окно интеграции, короче, могут быть включены в проверяемые данные. Это увеличивает доступную скорость счета выхода с вероятным штрафом в разрешении энергии, и также штрафом, который, вероятно, будет меняться со скоростью счета - при более высокой скорости счета является более вероятным, что импульсы будут слишком близко, чтобы достичь упомянутой максимальной длины интеграции.
Фиг. 18 показывает примерные колебания, сформированные на разных этапах импульсной обработки данных устройства обнаружения, выполненной обрабатывающей импульс FPGA 756. Фиг. 18а иллюстрирует примерный вывод обрабатывающей импульс FPGA 756 на этапе 1706 интеграции импульса. Фиг. 18b иллюстрирует примерные коэффициенты в фильтре FIR, используемом обрабатывающей импульс FPGA 756 на этапе 1708. Фиг. 18с иллюстрирует примерный вывод обрабатывающей импульс FPGA 756 на этапе 1708 после того, как обрабатывающая импульс FPGA 756 свертывает интегрированный сигнал с коэффициентами фильтра FIR на Фиг. 18b. Можно увидеть, что последовательность обработки, выполняемая обрабатывающей импульс FPGA 756 имеет тот же эффект, что и сжатие переднего фронта, в то же время расширяя задний фронт в сторону бесконечности.
Фиг. 19 изображает пример графика скорости счета вывода по сравнению со скоростью счета входа по мере изменения длины интеграции и коэффициента интеграции в способе восстановления наложения импульсов, в соответствии с вариантом осуществления. Присутствуют по меньшей мере два тренда: по мере того, как длина интеграции увеличивается, доступная скорость счета снижается, и по мере того, как множитель интеграции увеличивается, доступная скорость счета увеличивается.
Следует отметить, что, даже для умеренных длин интеграции, время простоя быстро достигает 50%. Это, по существу, худший результат, чем если бы длина интеграции не была ограничена, и время простоя было бы ограничено 10%. Кроме того, по мере того, как увеличивается длина интеграции, FWHM также увеличивается (что дает ухудшение разрешения энергии) и смещения в местоположении пика. Это является существенным, поскольку длина интеграции может влиять на разрешение энергии, но она может требовать калибровки для корректировки сдвигов пиков.
Что касается множителя интеграции, FWHM меняется слабо, по мере того, как множитель интеграции увеличивается с 1 до 1,5, позволяя принимать большее число импульсов. Результат подсказывает, что множитель, больший, чем 1,0, должен рассматриваться для повышения скорости счета без драматического ухудшения в FWHM.
Относительно удаления образцов в пределах установленного окна вокруг переднего фронта, Фиг. 20 показывает пример оптимизации FWHM, которую можно достигнуть путем изменения числа удаленных образцов в способе восстановления наложения импульсов, в соответствии с одним вариантом осуществления. Ухудшение FWHM является явным в случае удаления четырех образцов, следовательно, оптимальное число для удаления находится в пределах от шести до десяти. Больше 10, получается незначительное улучшение в FWHM и максимальная доступная скорость счета ухудшается.
Оба расширение заднего фронта и сжатие переднего фронта являются желательными для обеспечения максимального упрощения сигнала для аппроксимации ступенчатой функции; однако, существуют ситуации, когда одно или несколько не будут обязательными. В некоторых реализациях, если передний фронт ухудшается быстро по сравнению со скоростью образца - такой как для кристалла устройства обнаружения LYSO, импульсов с одиночным экспоненциальным ухудшением, или медленных скоростей образца ADC - то сжатие переднего фронта может быть необязательным. Аналогично, для импульсов с очень медленным убыванием - таких как устройства обнаружения, находящихся в жидком азоте, или с очень большой емкостью - задний фронт будет уже очень длинным и может не нуждаться в расширении до бесконечности, учитывая его схожесть с желаемой формой импульса.
T
T
Отмена затухающей экспоненты ведет к аппроксимации формы импульса в качестве ступенчатой функции, но время восхождения, управляемое заранее существующим времени восхождения устройства обнаружения и электроники. Это по-прежнему может быть много десятков образцов и приводить к перекрытию. Фиг. 21 изображает пример структуры импульсов. В этом примере время восхождения равно порядка 50 образцов, что по-прежнему ведет к значительной вероятности перекрытия импульса и отказу в различении наложенных импульсов. В этом случае, структура AA проиллюстрирована на Фиг. 22. Данные в каждой строке слева от главной диагонали являются примерно постоянными, немного снижаясь на диагонали и затем падая после диагонали. Однако в некоторых реализациях, когда импульсы перекрываются (находятся ближе, чем около 50-60 образцов), по-прежнему присутствуют много вне-диагональных элементов. Инверсия AA имеет ленточную диагональную структуру, показанную на Фиг. 23 с шириной полосы порядка 2-5, в зависимости от того, сколько импульсов перекрываются.
Является удобным описывать изобретение по отношению к особенно предпочтительным вариантам осуществления. Однако изобретение применимо к широкому диапазону реализаций и следует понимать, что другие конструкции и компоновки также рассматриваются как попадающие в объем изобретения. Различные модификации, изменения, вариации и дополнения к конструкции и компоновкам, описанных в настоящем документе, будут также рассматриваться как попадающие в границы и объем настоящего изобретения.
Информация и сигналы могут быть представлены с использованием множества различных технологий и способов. Например, данные, команды, информация, сигналы, биты, символы и чипы, которые могут упоминаться в вышеуказанном описании могут быть представлены напряжениями, токами, электромагнитными волнами, магнитными полями или частицами, оптическими полями или частицами, или их любой комбинацией.
Различные иллюстративные логические блоки, модули, схемы и этапы алгоритма, описанные в связи с вариантами осуществления, раскрытыми в настоящем описании, могут быть реализованы в качестве электронного аппаратного обеспечения, компьютерного программного обеспечения или комбинации обоих. Чтобы ясно проиллюстрировать эту взаимозаменяемость аппаратного и программного обеспечения, различные иллюстративные компоненты, блоки, модули, схемы и этапы были описаны выше в общем в терминах их функционала. То, реализован ли этот функционал в качестве аппаратного или программного обеспечения, зависит от конкретного применения и ограничений дизайна, наложенных на систему в целом. Описанный функционал может быть реализован различными способами для каждого конкретного приложения, но такие решения по реализации не должны быть интерпретированы в качестве побуждающих отход от области вариантов осуществления изобретения.
Различные иллюстративные блоки, модули и схемы, описанные в связи с вариантами осуществления, описанными в настоящем документе, могут быть реализованы или выполнены с помощью процессора общего назначения, цифрового сигнального процессора (DSP), специализированной интегральной схемы (ASIC), программируемой пользователем вентильной матрицы (FPGA) или другого устройства с программируемой логикой, дискретным вентилем или логикой транзистора, дискретных компонентов аппаратного обеспечения или любой их комбинации, назначенной выполнять функции, описанные в настоящем документе. Процессор общего назначения может быть микропроцессором, но в альтернативном варианте, процессор может быть любым традиционным процессором, контроллером, микроконтроллером или машиной состояний. Процессор может быть также реализован в качестве комбинации вычислительных устройств, например, комбинации DSP и микропроцессора, множества микропроцессоров, одного или нескольких микропроцессоров в объединении с ядром DSP или любой другой такой комбинации.
Этапы способа или алгоритма и функции, описанные в связи с вариантами осуществления, описанными в настоящем документе, могут быть воплощены напрямую в аппаратном обеспечении, в модуле программного обеспечения, выполняемом процессором, или в их комбинации. При реализации в программном обеспечении, функции могут быть сохранены или переданы в качестве одной или нескольких команд, или кода на некратковременном компьютерно-читаемом носителе. Программный модуль может находиться в памяти со случайным доступом (RAM), флэш-памяти, постоянном запоминающем устройстве (ROM), электрически программируемом ROM (EPROM), электрически стираемом программируемом ROM (EEPROM), регистрах, жестком диске, съемном диске, CD ROM, или любой другой форме компьютерно-читаемого носителя, известного из уровня техники. Компьютерно-читаемый носитель соединен с процессором, так что процессор может считывать информацию из и записывать информацию в компьютерно-читаемый носитель. В качестве альтернативы, компьютерно-читаемый носитель может быть встроенным в процессор. Диск (disk) и диск (disc), как использованы в настоящем описании, включают в себя компакт-диск (CD), лазерный диск, оптический диск, цифровой гибкий диск (DVD), дискету и диск Blu-ray, где диски (disk) обычно воспроизводят данные магнитным способом, а диски (disc) обычно воспроизводят данные оптически с помощью лазеров. Комбинации вышеуказанного должны быть также включены в объем компьютерно-читаемого носителя. Процессор и компьютерно-читаемый носитель могут также находиться в ASIC. ASIC может находиться в пользовательском терминале. Альтернативно, процессор и компьютерно-читаемый носитель могут находиться в пользовательском терминале в качестве отдельных компонентов.
С целью резюмировать, раскрытие, конкретные аспекты, преимущества и новые признаки изобретений были описаны в настоящей заявке. Следует понимать, что не обязательно все такие преимущества могут быть достигнуты в соответствии с любым конкретным вариантом осуществления изобретения. Таким образом, изобретение может быть осуществлено или создано способом, который достигает или оптимизирует одно преимущество или группу преимуществ, как описано в настоящей заявке, не обязательно достигая других преимуществ, которые могут быть описаны или предложены в настоящей заявке.
Различные модификации вышеописанных вариантов осуществления будут очевидны, и общие принципы, описанные в настоящем документе, могут быть применены к другим вариантам осуществления без отступления от духа или объема изобретения. Таким образом, настоящее изобретение не имеет целью быть ограниченным вариантами осуществления, показанными в настоящем документе, но должно рассматриваться в наиболее широком объеме, согласующемся с принципами и новыми признаками, описанными в настоящем документе.