基于matlab的信号仿真,一种基于Matlab的核信号产生及处理的仿真方法与流程

本发明属于核电子学领域，并具体针对一种基于Matlab平台实现的核信号生成与处理的仿真实验方法

背景技术：

伴随着核技术的广泛应用，在本科阶段培养相关专业人才的需求规模持续扩大。就目前而言，在本科阶段的专业课程中，《核电子学》课程难度较高，并且实验室条件较为严格、教学设备投入较大。这些因素导致了学生的学习成本增大以及知识点较为抽象的问题，并且实验操作具有一定难度。相应的人才培养工作面临诸多挑战。

虚拟仿真是解决实验风险及设备成本的有效途径之一，并非完美解决方案。现有的核信号仿真软件如蒙特卡洛模拟工具在应用过程中存在较高的操作复杂度问题。为了实现教学目标而发展出一套完整的基于核信号全生命周期管理的建模与仿真方案是当务之急。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的一些缺陷, 本发明提出了一种基于Matlab语言实现的核信号生成与处理仿真方案, 该方案有效降低了传统仿真工具或方法在应用时所需的门槛, 并简化了操作流程, 同时能够有效弥补传统仿真实验系统在功能上的不足, 其主要特点在于能够同时实现核信号生成过程与处理过程的模拟功能

为了实现上述目标，本发明所采用的技术方案是：一种基于Matlab开发出一种核信号生成与处理的仿真系统，并具体包含以下哪些步骤

s1、确定入射γ射线光子的数量n以及各个入射γ射线光子的能量参数eγ_i，并规定这些能量参数对应于从1到n的整数值i；

s2、基于Matlab平台并采用蒙特卡洛粒子输运模型对放射性粒子的传输过程进行数值模拟，在碘化钠探测器中引入单个入射γ射线光子的能量eγi变化规律的基础上分析其在探测器内的反应特性；研究并得出单个入射光子在其传输路径上所累积的能量ei分布特征及其能量损失规律；

s3、通过高斯展宽处理每个入射γ射线光子在探测器内沉积的能量ei，并经过处理后得到采用高斯函数对其进行展宽处理后的γ射线光子能量edi。

s4、判定入射γ射线光子的数量n是否超过20？如果是，则执行步骤s5；否则执行步骤s6。

s5、统计从i=1至n累加过程中各项ei值及其频次；并绘制以各项ei值为横轴、其对应频次为纵轴的一维分布图；获得能谱特征曲线；通过matlab软件实现图形界面展示；完成整个仿真系统的设计与实现；

s6、设置每个高斯展宽的γ射线光子能量edi为每个γ射线光子各自对应的脉冲信号曲线vi(t)的峰值，并使用双指数函数拟合方法完成完整的脉冲信号曲线vi(t)。

通过将每个γ射线光子的脉冲信号曲线vi(t)的时间分布遵循泊松分布进行叠加计算,从而获得核信号v(t).

s8、基于matlab/simulink平台搭建信号处理系统，并对该输入核信号v(t)实施数字滤波与特征提取操作；最终输出终端核信号vout(t)。

此外，在步骤s2中，在碘化钠探测器内部发生的是入射γ射线光子的反应过程

进一步地：步骤s6中双指数函数拟合方法遵循下式：

其中τ代表时间常数，在该模型中其取值等于碘化钠探测器等效电阻r与等效电容c之积；λ则表示荧光衰减常数值的倒数；而变量t则用于表示随著系统运行的时间参数

进一步地：步骤s8包括以下步骤：

基于Simulink工具的放大器控件搭建了前置放大子系统，并对该核信号v(t)进行了处理以输出得到放大后的信号vg(t)

s82、采用simulink工具的极零相消控件对该放大信号vg(t)实施极零相消处理,生成第一次极零相消信号vx1(t);

s83、基于Simulink平台开发的控制器模块搭建了跟随器子系统模块，并针对一阶极点和零点相消的信号vx1(t)，应用阻抗匹配技术实现目标响应信号vz(t)的成功跟踪。

采用Simulink工具中的零点消除装置对响应信号vz(t)进行二次零点消除操作，生成二次零点消除信号vx2(t)

s85、通过Simulink工具中的滤波放大量器搭建滤波放大子系统，并对输入信号vx2(t)施加滤波放大处理,从而输出终端核信号vout(t)

在后续步骤中：其中第85步中所涉及的滤波放大装置具体包括基于积分反馈的滤波放大装置以及采用s-k低通滤波的放大装置。

此外，该积分调节装置作用于第二极零相消信号vx2(t)，对其进行滤波放大处理后得到终端核信号vout(t)。

在进一步分析中，在s-k型低通滤波放大电路中使用该控件对第二极零相消信号vx2(t)施加了相应的放大学生，并经过处理后获得了输出信号vout(t)

本发明的主要功效在于利用Matlab结合蒙特卡洛粒子传输模型开发了一种只需输入γ射线光子的能量及数量即可直接得出探测器内部沉积能量的简便仿真方案。该方案通过运用高斯扩展分析统计涨落及噪声的影响情况，并采用双指数函数匹配探测器物理特性和核信号波形。同时利用Simulink搭建了一套以放大与滤波为核心的电子电路系统用于核信号处理。该创新性技术成功解决了现有仿真工具或方法在门槛高低、操作复杂度以及综合功能（如同时具备模拟生成过程与处理过程）方面的局限性

附图说明

图1为基于matlab的核信号产生及处理的仿真方法流程示意图

具体实施方式

详细阐述了对本发明的具体实施方式进行说明，并旨在使本领域技术人员能够更好地理解其 inventive concept. 但需要明确指出的是, 该发明并不局限于上述具体实施方式, 而是适用于所有在此权利要求限定范围内并符合现有技术方案基本精神的技术方案. 因此, 所述的变化均应视为显而易见且自然可及, 任何基于现有技术构思出的新颖应用自然受到该发明的保护.

如图1所示，一种基于matlab的核信号产生及处理的仿真方法的步骤为：

确定入射γ射线光子的总数n以及每个入射γ射线光子的能量eγi（其中i为区间(0,n]中的整数）。

s2、利用matlab平台，并基于蒙特卡洛方法建立粒子输运模型；通过分别输入不同能量值eγi来计算并分析每个入射γ射线光子在其碘化钠探测器内的行为或过程；从而得出每个入射光子在探测器内沉积的能量ei值

步骤s2中入射γ射线光子在其碘化钠探测器内的反应类型涵盖光电效应、康普顿效应以及电子对效应。

s3、通过对其每个入射的γ射线光子在其探测器内吸收并储存在其对应的能量值ei进行高斯型扩展处理后得到其对应的高斯展宽后的能量值edi。

s4、首先检测入射γ射线光子数量n是否超过20值；若满足条件，则执行步骤s5的操作；否则跳转至步骤s6进行处理。具体而言，在检测结果为真时（即n > 20），系统会生成能谱数据；而当n \leq 20时（即未达到上限），则记录终端核信号v_{out}(t)的状态信息

s5、收集从i=1到n求和过程中e_i值及其出现频率，并以e_i值为横坐标、频率为纵坐标绘制二维坐标系中的曲线，即形成能谱；然后利用Matlab软件进行图形界面展示以实现仿真效果；

s6、对于经过高斯函数处理后的γ射线光子能量edi，我们将其赋值为对应单个γ射线光子脉冲信号曲线vi(t)的最大峰值值，并通过双指数函数拟合的方法构建完整的脉冲信号曲线vii(t)；

其中步骤s6中双指数函数拟合方法遵循下式：

其中τ代表时间常数，在本研究中被定义为其值等于模拟碘化钠探测器等效电阻r与等效电容c之积。λ则被设定为空间点源扩散模型中荧光衰减常数的倒数值，在实验条件下用于表征物质发射性能特性参数。t则代表测量过程中所经历的时间变量。

s7、通过将每个γ射线光子的脉冲信号曲线vi(t)在时间维度上遵循泊松分布的方式进行累加处理,生成核心信号序列v(t);

s8、基于Matlab平台搭建Simulink仿真环境，在此平台上对核信号v(t)展开处理，并经过一系列算法运算后成功获取终端核信号vout(t)

其中步骤s8包括以下步骤：

s81、采用Simulink工具中的放大器控件搭建前置放大子系统，并将核信号v(t)作为输入施加于该系统中；其输出结果即为经过处理后的放大信号vg(t)。

s82、由Simulink平台提供的极点零点消除模块对被放大后的信号vg(t)实施了消除极点和零点的操作，生成第一阶段的极点零点消除信号vx1(t)；

步骤83中使用Simulink平台中的跟随器控件来构建后续控制系统，并对一阶零消除信号vx1(t)进行阻抗匹配以获得后续信号vz(t)

s84, 采用Simulink工具中的极零相消模块对追踪信号vz（t）实施第二次消除操作以获得第二消除后的信号vx2（t）；

s85、基于Simulink平台开发的滤波放大模块用于搭建相应的滤波放大子系统，并对该系统的第二极零相消信号vx2(t)进行滤波放大处理，最终输出终端核信号vout(t)。

在第85步中涉及的滤波放大组件包括以下几种：基于积分反馈的滤波放大组件以及基于s-k低通设计的相应组件

积分反馈滤波放大控件的工作模式能够有效地将第二极零相消信号vx2(t)经过处理后得到其滤波放大的结果vout(t)

s-k型低通滤波放大装置完成对二次零相消信号vx2(t)的低通滤波放大处理后,经处理后获得终端核信号vout(t)

不同级别的电子学控制单元可以选择性地输出信号；可以选择让电子学控制单元对核信号v(t)进行处理；从而生成符合用户需求的最终核信号vout(t)。

本发明利用MATLAB平台构建了一个基于蒙特卡洛粒子输运模型的仿真系统