采用估值修正获取伽玛能谱的新方法
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【摘要】数字放射性能谱测井仪是用于测试各个地层深度的辐射强度，有被动的自然射线能谱采集和主动的射源接收两种方式。各种能谱采集方式不同，电路也根据接收脉冲的方式不同各异。本文采用了高速采样和数值修正等数字化处理方法简化了电路处理，统一个各能谱仪器的电路。
一、几种需要测试能谱的放射性测井技术
1、自然伽马能谱测井（NGS）通过测量地层中天然的铀（U）、钍（Th）、钾（K）组分作为确定地层岩性、识别裂缝层、计算黏土矿物微观成分、识别高自然伽玛储层、评价沉积环境及储层厚度和对地层渗透性做出定性评价。
测井过程中来自地下的自然伽玛射线由岩层穿过钻井液、仪器外壳进入自然伽玛能谱仪的探测器。探测器中光电倍增管将射线转换成为负脉冲信号并放大后送到仪器电路。仪器对信号进行再次放大并删除干扰噪声后，再将脉冲信号转换成连续的电流，该电流与单位时间内电脉冲数（射线强度）成正比。当下井仪器在井内从下向上连续移动时，地面仪器就可以连续记录出一条反映井剖面的自然伽玛曲线，就是自然伽玛测井曲线，并且完成实测能谱的谱解析。
2、地层体积密度测井就是用距γ源一定距离的探测器，探测从源发射出来的中能γ射线穿过岩石，经康普顿效应散射γ射线计数率从而求得地层体积密度的方法。为了消除井壁泥饼的础进行修正，即ρb=ρL+?ρ， ?ρ=a（ρL-ρS）。在测补偿密度项目时，除了显示一条地层体积视密度外，同时还要显示一条?ρ曲线，以便对视密度曲线进行补偿校正。除了利用康普顿效应外还要利用光电效应，测出反映地层岩性变化的光电吸收指数Pe，这就是目前用得较多的岩性密度测井。
二、传统的能谱采集电路和新的采集电路对比
基本上前级电路对来自光电倍增管原始信号的处理方式，包括放大电路、移相电路、基线电压调整电路，对于两种电路都是相同的；对于各种能谱仪器，前级的处理也基本上相同。
后面的电路各种仪器的处理有较大差异，但是基本结构都是放大信号，比较触发，采用CD4538调整触发保持运放电路的延时，通过调整延时使模拟信号的脉冲峰值被采样保持运放芯片获取，这种调整其实这能保证一小部分峰值幅度在脉冲顶部触发，其余的都会有1%到5%的偏差，最后是ADC采样电路采样峰值，并通过FIFO传送采集到的数据。不管是伽玛能谱还是岩性密度，基本方式都是如此，当然对于主动放射源，由于输入信号强并且密度高，处理的时候还要有脉冲宽度裁减电路。
然而对于采用了高速采样元件的电路来说，以上后级处理电路就只使用一片采样频率达到60Msps的ADC完成，通过FPGA控制的高速ADC，保证在每个输入脉冲信号上采集到足够多的样点值，FPGA把连续60个样点缓存起来，对这些样点值通过FIR低通滤波，用滤波后的数值完成对脉冲的判断，对脉冲的起点和终点计算和估值恢复的计算。
三、脉冲判断
要进行计算首先要判断脉冲产生，对于每个脉冲最简单的判断就是样点的幅值降低到了4道触发电平以下时，认为脉冲结束。但是还有一种特殊情况，就是一个脉冲的放电周期没有结束下一个脉冲已经开始，为了包含所有的情况，我们采用了斜率判断的方法。当一组上升斜率结束下降斜率开始时，样点n-1就是和样点n就是峰值两侧的临近点。其中样点n-2和样点n-1构成上升斜率，样点n和样点n+1构成下降斜率，n-1和n之间的斜率忽略。
四、估值修正的方法
一般光电倍增管的输出脉冲尖峰部分频谱大约1M到5M左右，采样电路60Msps的采样率，可以保证在滑变脉冲上采集到10个样点以上。
估值修复考虑两种情况，一种是脉冲幅度很低，位于20道以下，则上升和下降斜率都不大，采样噪声有可能导致相邻点斜率计算出错。所以，采用了相邻点、隔1点，隔两点三种斜率同时计算，保证了斜率判断的准确性。
一种是脉冲幅度很高，上升速度快，在上升范围只能采集到几个样点，则所有样点的最大数曲线，所以宽度要大得多。我们采用对数样点值查表法和斜率法同时补偿，保证了修正值的正确性。
首先判断样点n和样点n-1中电平高的更接近峰值，对于判断上升时间大于1us的脉冲，直接使用峰值误差就小于2%，针对样点n-2和样点n-1构成上升斜率，样点n和样点n+1构成下降斜率，构成的两条斜线的交叉点，完成粗匹配。
根据交叉点的幅度，查询对应峰值上下5道的曲线斜率分段表，就配样点幅值和斜率的关系，查询出最佳匹配峰值，完成精确匹配。
五、刻度方法
放电曲线的斜率变化特性和光电倍增管以及放大调整电路相关，对每只仪器都不完全相同，当然也不会有非常大的差异，开机先调用训练指令进行一次幅度和斜率表采集，把对应的峰值和斜率采集到比对表中，注意采集训练时间越长结果越准确，最少不要少于3分钟。然后，使用标准镅源进行稳谱，校正增益电源和放大倍数，再调用一次训练指令进行幅度和斜率表采集纠正第一次采集的结果。然后再确认稳谱结果正确，如果有个别谱道不正确，采用谱道训练指令，重新修正谱道。在采用标准刻度筒，确认能谱采集结果。
六、修正效果
试验证明，采用了估值修正方法的高速采集电路，对峰顶的分辨率高，信号间隔小于1us的时候，不会丢峰；峰值采样值和实际峰值的电平偏差小于2%，输出能谱准确。
七、结论
采用了估值修正方法的电路板，应用于自然伽玛能谱和补偿岩性密度两种仪器之中，实际现场实井应用效果良好，能谱准确。电路板电路简单，元件少，体积小，成本低，通用性强。实现老仪器的小型化，降成本，统一多种仪器电路提供了条件，降低了仪器电路技术支持和维护保养的成本。