基于LabVIEW的批量伽玛谱线分解方法及程序优化研究

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探索月球为我们开发和利用月球资源,以及对人类社会的可持续发展有着非常重要的意义。为了探测月表主要放射性元素的分布状况,“嫦娥一号”运用伽玛射线能谱仪(CGRS)来探测其表面主要元素和微量元素的伽玛射线能谱,从探测的伽玛射线能量获得放射出该伽玛射线所对应的元素;从伽玛射线流量得到对应元素的丰度,最后得出全月元素分布图。CGRS获得的月表伽玛射线的数据量极其庞大,仅2C数据存档文件总量就有28.9G-byte。对此批量数据进行一系列的初步处理后,发现形成的能谱图中多有重叠峰现象,不利于特征峰的提取;而且计算机在处理批量数据时,会出现程序运行耗时太长,电脑内存占用太多,甚至出现无法运行的情况。这些都不利于我们快速有效的进行能谱数据的处理,为最后获得月球表面元素丰度的分布图增加了困难。准确的对重叠峰进行解析,获得各峰的相关参数信息,可以使得我们能够判断元素的信息,从而分析月表的组成,最后获得月表元素的含量与分布特征,进而了解月球,运用其资源;同时,由于绕月数据是探测器经过很长时间探测得到的,所以数据量会很庞大。在基于一个批量数据的处理上,需要在搭建数据处理软件平台后,对程序进行优化,否则会使得数据的整个处理变得举步维艰。所以在对嫦娥一号CGRS探测到的批量数据进行一系列分析处理的过程中,成功地进行重叠峰的拟合分解并同时进行程序的优化是非常重要的。本文围绕批量的伽玛能谱数据的重叠峰处理问题,结合LabVIEW软件技术,综合了国内外的重叠峰分解方法以及程序优化的情况,主要开展了以下两个方面的研究。1、在得到的谱线中,有些元素的能量峰值由于靠得太近会导致重叠峰的出现。针对这种现象,在分析国内外重叠峰处理方法的基础上,进行重叠峰的分解。采用高斯函数进行拟合,通过联合寻峰法进行寻峰。在运用小波法确定峰位时,加入高斯最小二乘迭代优化法进行联合寻峰,准确地确定峰位,极大地降低了峰位的相对误差,保证了峰位的准确度。在重叠峰分离度依次减小,以及加入噪声、不加入噪声的这几种不同的情况下,对小波寻峰法、二阶样条小波卷积法以及微分法寻峰的效果进行了对比,结果发现三种方法都有其各自的优点,其中小波寻峰法是最理想的方法,它可以较好的确定峰的个数和峰位,尤其是在含有噪声的情况下,它获得相对较好的结果,基本上不受谱线信号中噪声带来的影响。运用了二阶微分法来提高重叠峰的分辨率,并充分利用微分法对波形敏感的特点来确定半高宽值,并结合小波降噪法,对每一级的微分都进行小波降噪,保证了微分法的优势。结合L-M最小二乘法进行参数优化,分解拟合出相应的子峰。多种方法的结合,克服了传统的单一方法的缺陷,提高了重叠峰分解的精度。为了验证有效性和准确性,仿真模拟已知的单峰和重叠峰,在有噪声和无噪声的情况下,对它们进行参数估计后代入高斯函数进行拟合,并和仿真信号进行对比,通过三个参数(峰位、峰高、半高宽)估计值与实际值之间相对误差的大小对拟合效果进行评估。在拟合过程中得出,对于那些统计性比较好的放射性元素产生的特征伽玛能谱峰,用高斯函数作为拟合函数是可行的,且参数的估计值比较准确。处理时,对那些分离度较大的重叠峰来说,基本上测到的峰位就可以认为是子峰的峰位;对于分离度较小的重叠峰需要对峰位进行准确定位,尽量减小误差,因为峰位的准确度直接影响到整个重叠峰的拟合效果。此外,对分解双重叠峰时所涉及到的影响因素(分离度、峰高比、噪声等)进行了分析。最后实际对嫦娥探月谱线中能量值为662keV-1000keV的一段谱线(包含U、Fe、Th峰)进行了分解拟合,采用分段拟合的方法,完成了谱峰的参数估计,成功的提取了特征子峰。2、针对伽玛能谱数据的批量性特点,在对数据进行分析处理时,由于是批量数据的存储和提取,所以涉及到的数组会较大,采用到的程序也较为复杂;在谱图的处理中,频繁使用谱线图表会造成占用内存较多。以上这些都会导致程序运行的速度变慢,内存消耗过大。为了解决这样的问题,建立了分解重叠峰的软件平台,并从三个方面对程序进行了优化(提高程序运行速度、减少计算机内存消耗、程序规范化)。经过优化后,有效的提升了整个程序的性能,加快了对数据信息的提取及处理的速度,使程序拥有更高的运行效率和更小的出错率。在兼顾伽玛能谱数据结果准确性的同时,保证了处理批量数据的运算精度和执行速度,最终实现了对伽玛能谱批量数据的高效实时处理。
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