доклад - Кафедра физики элементарных частиц физического

Московский государственный университет
имени М.В. Ломоносова
Физический факультет
Кафедра физики элементарных частиц
Применение современных методов обработки
сигналов для время-пролетных измерений
Выполнил:
Зотеев Вадим
Научные руководители:
д.ф.м.н. Ольшевский А.Г.
н.с. ЛЯП ОИЯИ Анфимов Н.В.
Измерение времени пролета с
использованием сэмплинг-АЦП
D1
D2
Stop
SADC
PC
Time
Start
Принципиальная схема измерения времени с
использованием сэмплингового АЦП
D1, D2 – стартовый и стоповый детекторы.
SADC – сэмплинг-АЦП.
PC – компьютер.
2
Применение TOF в NICA MPD
Общий вид детектора MPD (слева) и его центральная часть (справа).
3
Схема экспериментальной установки
Delay 1
Gen
Ch 1
DRS4
splitter
Delay 2
Ch 2
Trigger
Было записано 12 тестовых наборов событий с генератора импульсов
длительностью 6.25 нс с различными частотами дискретизации АЦП и
различными временными задержками.
Частоты дискретизации DRS4:
1) 0.698 ГГц
2) 1.007 ГГц
3) 1.982 ГГц
4) 5.12 ГГц
Задержки (Delay 1 – Delay 2):
1) (0 – 0) нс
2) (0 – 1) нс
3) (4 – 1) нс
4
Обработка событий
Аппроксимация линейной функцией
Аппроксимация нулевой линии: y = C
Аппроксимация фронта сигнала: y = A*t + B
Определяем относительное время по формуле: t = (C - B) / A
При использовании порога (Thr) получаем формулу: t = (C + Thr - B) / A
5
Определение точности метода
Набор событий длительностью 6.25 нс при частоте дискретизации
5.12 Gs и задержке 0 нс.
Mean (среднее) – временная задержка, Sigma (корень
квадратный из дисперсии) – погрешность метода.
6
Анализ наборов событий
Поиск оптимальных значений параметров
Графики, используемые для поиска оптимальных значений параметров
to_start, to_end (начальная и конечная точки области аппроксимации
фронта сигнала) и threshold (порог).
7
Применение фильтра нижних частот (ФНЧ)
Сигнал до (слева) и после (справа) обработки с помощью ФНЧ. После применения ФНЧ
сигналы не содержат частот больше 700 МГц (соответствует полосе пропускания частот
АЦП).
8
Увеличение точности метода
Полученные результаты показывают, что применение ФНЧ позволяет
значительно повысить точность метода.
Результаты обработки тестовых данных без (слева) и с
(справа) применением ФНЧ.
0ns
5 .1 2 G s
0 .0 1 5
1 .9 8 2 G s 0 .0 2 1
1 .0 0 7 G s 0 .0 2 6
0 .6 9 8 G s 0 .0 6 3
1ns
0 .0 1 8
0 .0 3 6
0 .0 8 9
0 .1 9 8
1 -4 n s
0 .0 2 6
0 .0 4 5
0 .1 0 8
0 .2 8 2
0ns
5 .1 2 G s
0 .0 1 3
1 .9 8 2 G s 0 .0 1 5
1 .0 0 7 G s 0 .0 2 3
0 .6 9 8 G s 0 .0 4 3
1ns
0 .0 1 9
0 .0 2 6
0 .0 6 2
0 .1 4 2
Увеличение точности при использовании ФНЧ.
0ns
5 .1 2 G s
0 .0 0 7
1 .9 8 2 G s 0 .0 1 5
1 .0 0 7 G s 0 .0 1 2
0 .6 9 8 G s 0 .0 4 6
1ns
0 .0 2 5
0 .0 6 4
0 .1 3 8
1 -4 n s
0 .0 1
0 .0 2 2
0 .0 5 1
0 .1 7 4
9
1 -4 n s
0 .0 2 4
0 .0 3 9
0 .0 9 5
0 .2 2 2
Увеличение эффективности метода
В некоторых случаях применение ФНЧ позволяет также повысить
эффективность метода.
Обработка набора событий при частоте дискретизации 1.007 Gs и
задержке 0 нс без (слева) и с (справа) применением ФНЧ.
10
Выводы
1). Был разработан и применен алгоритм нахождения времени
прихода сигнала на основе аппроксимации линейной функцией
нулевой (базовой) линии и переднего фронта сигнала.
2). Была отработана процедура анализа наборов событий для
определения оптимальных значений параметров обработки.
3). Для повышения точности алгорима был реализован фильтр
нижних частот.
Полученный результат показывает, что используемый метод
позволяет достичь разрешения лучше, чем 20 пс, что
удовлетворяет требованиям многих экспериментов.
Также было показано, что применение ФНЧ позволяет
значительно повысить точность метода в большинстве случаев, а
также повысить эффективность метода.
11