摘  要： 能譜平滑是能譜分析過程中必不可少的環(huán)節(jié)，對消除數(shù)據(jù)的統(tǒng)計漲落以減少后續(xù)分析誤差有著重要的意義。圍繞能譜平滑的典型頻域平滑算法，即離散傅里葉變換（DFT）平滑法，在LabVIEW平臺下對其進行了仿真實現(xiàn)，并討論了平滑參數(shù)對平滑輸出的影響。運行結(jié)果表明，截斷頻率取值越低，降噪后能譜光滑效果越好，截斷頻率取值越高，光滑作用減弱，但降噪后的譜形與原始譜形越接近。在實際應(yīng)用中，通過調(diào)整該平滑參數(shù)，能夠使能譜取得理想的平滑效果。

　　關(guān)鍵詞： 能譜平滑；離散傅里葉變換；LabVIEW

0 引言

　　不同核素放射出具有不同能量的射線，因此顯現(xiàn)的能譜也不同。能譜橫軸為道址，道址越高，其表征的能量越高；縱軸為計數(shù)值，計數(shù)與射線強度呈正比。對能譜的處理和分析可用于判定核素的種類及含量。由于電子系統(tǒng)本身存在的噪聲影響，能譜數(shù)據(jù)會有比較大的統(tǒng)計漲落，進而導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理的誤差。因此，譜數(shù)據(jù)處理與分析的首要步驟就是譜平滑，利用該方法來減少統(tǒng)計漲落對分析結(jié)果產(chǎn)生的負(fù)面影響[1]。本文利用LabVIEW在支持用戶計算機仿真、數(shù)據(jù)處理與分析、人機交互等方面的優(yōu)勢，設(shè)計了離散傅里葉變換平滑法的譜平滑器，在實現(xiàn)能譜的平滑功能的同時，為譜數(shù)據(jù)處理與分析的軟件設(shè)計提供了參考。

1 離散傅里葉變換平滑算法原理

　　多道譜數(shù)據(jù)的平滑，從實現(xiàn)本質(zhì)上都可視為數(shù)字濾波的范疇，要求平滑后的數(shù)據(jù)應(yīng)盡可能保留平滑前數(shù)據(jù)中有意義的特征，尤其是峰的形狀和面積不能產(chǎn)生很大的變化[2]。常用的平滑方法總體上可歸為時域法或頻域法，而傅里葉變換法是一種最典型的頻域譜平滑法[3]。

　　傅里葉變換的實質(zhì)是將信號表示為各個頻率諧波函數(shù)分量的疊加，對信號函數(shù)的研究可轉(zhuǎn)變?yōu)閷ΟB加權(quán)系數(shù)的研究。該方法作為一種頻域平滑法，其基本思想是通過傅里葉變換后的信息抑制高頻系數(shù)，即濾去高頻噪聲，進而達到譜圖平滑效果[4]。對于連續(xù)函數(shù)的傅里葉變換如式（1）所示。

　　由于譜數(shù)據(jù)的道數(shù)為整數(shù)值，譜線以對應(yīng)的離散化數(shù)據(jù)序列出現(xiàn)，需對連續(xù)傅里葉變換進行離散變形。在時間、頻率都不連續(xù)的情況下，離散傅里葉變換式（DFT）及逆變換式（IDFT）分別如式（2）和式（3）所示。

　　在式（2）和式（3）中，m為DFT輸出序列號（m=0~N-1），n為輸入的時間信號序列號，N為輸入（輸出）序列總數(shù)。對能譜平滑的具體步驟為：（1）將原始能譜數(shù)據(jù)進行逐一DFT，獲取其頻譜序列（輸出具有對稱性），其分解頻率為其分解頻率為fa（m）=mfs/N（fs為采樣頻率）；（2）根據(jù)得到的頻譜對不需要的頻率量抑制；（3）對頻譜做IDFT，得到平滑后的能譜[5]。

2 仿真實現(xiàn)與分析

　　2.1 前面板設(shè)計

　　平滑器的設(shè)計包括前面板與程序框圖兩個部分的設(shè)計[6]。前面板運行效果如圖1所示。波形圖控件用于顯示讀取的能譜數(shù)據(jù)以及經(jīng)快速傅里葉變換（FFT，離散傅里葉變換的一種快速算法）后的能譜信號頻譜。輸入控件供用戶根據(jù)信號頻譜輸入截斷頻率，為平滑提供參數(shù)。此外，面板還包括顯示格式、平滑狀態(tài)、文件數(shù)據(jù)信息。

　　2.2 程序框圖設(shè)計

　　按下“讀取數(shù)據(jù)”、“平滑”、“停止”按鈕可激活相應(yīng)的事件?！白x取數(shù)據(jù)”的響應(yīng)為打開格式是二進制的譜數(shù)據(jù)文件，計算能譜信號頻譜并送顯示控件[7]?！捌交钡捻憫?yīng)為按照截斷頻率對信號頻譜進行抑制，再對頻譜作快速傅里葉逆變換（IFFT）得到平滑后的譜數(shù)據(jù)送顯[8]。平滑算法的程序?qū)崿F(xiàn)如圖2所示。

　　2.3 運行結(jié)果及分析

　　讀取的譜數(shù)據(jù)樣本以及進行離散傅里葉變換后的頻譜序列（序列總數(shù)為1 024，采樣頻率默認(rèn)為1 000）如圖3、圖4所示，由于頻譜序列具有對稱性，因此圖上給出了完整頻譜圖的左半部分。由圖可知，能譜數(shù)據(jù)噪聲集中在高頻部分，因此從理論上對能譜進行低通濾波便可達到平滑效果。

　　根據(jù)離散傅里葉變換平滑法的原理，低通濾波后的效果與選取的截斷頻率有關(guān)。由頻譜圖可知，當(dāng)頻率大于20 Hz后能量迅速衰減，大于100 Hz后其頻譜分量幾乎為零。分別選取截止頻率為75 Hz、150 Hz、250 Hz，對大于截止頻率的頻段進行抑制，再進行離散傅里葉反變換后得到的平滑效果如圖5所示。從總體效果來看，離散傅里葉變換平滑法通過高頻抑制能夠?qū)δ茏V起到平滑作用[9]。

　　從不同截斷頻率下的平滑降噪效果來看，截斷頻率取得越小，其光滑效果越好，但與原始譜的差異也就越大，在消除噪聲的同時過濾掉了一些有用的高頻信息；截斷頻率取得越大，光滑能力也越弱，其平滑后的譜形與原譜保持的相似性越強；截斷頻率取得過大則可能導(dǎo)致平滑失效。由此，在實際應(yīng)用時應(yīng)該針對不同特征的譜數(shù)據(jù)選取合適的截斷頻率，例如對于統(tǒng)計漲落很大且峰形單一清晰的能譜，截斷頻率可取得稍小一些；對于形狀復(fù)雜、弱峰較多的能譜宜將截斷頻率取得大一些，以降低原始能譜形狀在平滑后發(fā)生畸變的可能性。

3 結(jié)論

　　通過對平滑器的仿真實驗，離散傅里葉變換法能夠起到能譜平滑作用。由于平滑前需要知道截止頻率，采用人工判斷的方式不利于平滑功能的快速實現(xiàn)，因此后續(xù)可在自動判別能譜平滑參數(shù)方面對平滑器進行優(yōu)化。同時，基于LabVIEW在圖形化編程方面的簡單、直觀與高效性[9]，在能譜平滑器中可適當(dāng)添加平滑算法，根據(jù)不同特征的能譜擇優(yōu)選取平滑方法，以達到最佳的平滑效果。

　　參考文獻

　　[1] 夏文明，賈銘椿，郭智榮.基于LabVIEW的γ能譜降噪處理[J].核電子學(xué)與探測技術(shù)，2009，29（5）：959-961.

　　[2] 覃章健.基于FPGA的便攜式數(shù)字核譜儀研制[D].成都：成都理工大學(xué)，2008.

　　[3] Argonne National Laboratory. Report of workshop on digial electronics for nuclear structure physics[R]. 2001.

　　[4] 袁新宇，劉良軍，周劍良.γ能譜濾波方法比對研究[J].南華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，25（2）：1-5.

　　[5] 史東生，弟宇鳴，周春林.小波變換與傅里葉變換在γ能譜降噪處理中的比較研究[J].核電子學(xué)與探測技術(shù)，2006，26（6）：134-137.

　　[6] 吳成東，孫秋野，盛科.LabVIEW虛擬儀器程序設(shè)計及應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2008.

　　[7] 王亞凡，張秉仁，閆立東.基于LabVIEW的多功能虛擬頻譜儀的設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2014，40（12）：101-103.

　　[8] 陳樹學(xué)，劉萱.LabVIEW寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

　　[9] 藍賢桂.γ能譜儀的初步研發(fā)及基于Labview的譜處理技術(shù)[D].撫州：東華理工大學(xué)，2012.