自1945年核武器问世以来,核武器的存在和发展严重地威胁着全球的安全和人类的生存,如何防范和控制核武器扩散(核军控核查),一直是国际社会关心的一个严峻课题。美国总统奥巴马获得了2009年度诺贝尔和平奖!诺贝尔奖评审委员会透露,奥巴马总统“无核(武器)世界”的畅想,既为获奖的关键也为国际政治带来了“新气象”。在国际政治战略格局的新变化中,如何有效防范和控制核武器扩散,军备控制条约是否得到有效的执行,关键在于核查。核裁军、武器级核燃(材)料的生产监督、核扩散等都有赖于相应的核查技术及方法。因此,能否掌握有效的核查手段,争得在军控、裁军条约核查中平等的权力,这不仅关系到维护一个国家的主权,而且还攸关一个国家的安全利益。有鉴于此,本文着眼于核军控(核军备控制,即,防范核武器及核材料的潜在核扩散)进行核查的理论、仪器及方法技术,且侧重于方法技术的研究,研究力求追踪国外该领域前沿,依托总装备部“十二·五”军工预研项目等课题,率先在国内构建了面向核军控核查的基于252Cf中子源频谱分析系统研究系统(平台)。基此,开展了基于PC平台的高速、实时频谱分析的几个关键技术的研究工作。本研究主要内容是：　　 (1)率先在国内构建了面向核军控核查的基于252Cf中子源频谱分析系统研究平台。本论文基于的252Cf中子源为自发裂变中子源,每自发裂变一次,产生约3.5个中子(n),形成弱中子脉冲,且弱中子脉冲信号是随机的。论文在阐述脉冲中子源测量法、Rossi-α测量法的基础上,从在核查现场快速提交核查结果的仪器技术及方法出发,引出了基于252Cf中子源的核噪声分析法(也称功率谱密度分析法),探讨了252Cf中子源驱动噪声分析测量法的分析测量原理。论文在详细研究功率谱密度分析法的基础上,针对系统采样率高(高达1GHz)、数据量巨大(1×109 Block,每个Block长度最大为4096),且实时进行分析处理的要求,依据在分辨率达lns的时间仓内,如果有裂变信号记为“1”,没有裂变信号则记为“0”,构成了具有“0、1”特殊结构的中子脉冲序列,基此,本论文建立了频谱分析系统的测量模型。针对国外频谱分析系统的某些不足,研究采用“PC平台+高速采集卡”的架构,完成了系统的总体设计。此可在确保高速、实时性的前提下,存储测量数据的中间结果以实现后续回访处理等工作。　　 (2)开展了基于252Cf中子源频谱分析系统的时频分析研究。论文在基于252Cf中子源的频谱测量中,第1探测器通道设为源通道,其它两个探测器系测量通道,分别设为第2通道和第3通道。252Cf中子源裂变所产生的中子,进入反应堆或核材料后会发生散射、吸收、诱发裂变,诱发裂变产生的中子又被散射或引起下一代诱发裂变,多代诱发裂变形成一个中子裂变链。采集裂变链的数据,可以得到不同测量通道测得的粒子在时间上自相关和互相关的特性,以及信号功率谱的特征。这些特性与核材料的同位素成分、量的多少及结构形状等属性有关。论文描述了与信号时间相关的特征函数,在系统中被称为时域分析标签；与此相对应的是在频域内进行特征描述的频域分析标签。基此,本文以实验实际测得的数据为例,开展了时频分析研究工作。计算分析了三个通道中各通道的自相关函数、通道之间的互相关函数、各通道的多重性以及总的多重性等时域分析参数。通过功率谱密度分析模型,计算获得了三个通道中各通道的自功率谱密度、通道间的互功率谱密度、相干性和功率谱密度比等频域分析参数。功率谱的计算尤为关键,它不仅要满足后续参数计算的需要,更重要的是,还应满足频谱系统对实时性分析的要求。　　 (3)研究了基于252Cf源的功率谱密度计算及优化的关键技术。针对经典功率谱直接计算时,估计量不是一致估计的问题,论文采用了分段平均的修正方法——对每段分别估计其功率谱,然后求其平均值作为最后的谱估计。为满足系统对频谱实时性分析的需要,论文在分析了FFT提升效率有限的情况下,采用自相关法计算功率谱。利用傅立叶变换的线性特性,对所有Block自相关序列的FFT变换求和,可以简化为先对自相关序列求和,然后对求和后的序列进行FFT变换,从而达到优化功率谱计算的目的,这为实时性频谱分析创造了条件。　　 (4)开展了基于252Cf中子源频谱分析系统实时性关键技术研究。论文从系统本身的中子脉冲序列的特点出发,研究并设计了傅立叶变换和自(互)相关的算法。针对傅立叶变换的实时性问题,设计了基于中子脉冲序列的DFT快速算法。该算法针对中子脉冲序列信号本身所具有特殊的“0、1”结构特点,通过构造旋转因子表,仅利用加法和寻址运算实现了一种中子脉冲序列的DFT快速算法。同时,论文针对自(互)相关算法的实时性问题,充分利用了中子脉冲序列的特点,设计了快速偏移的方法,仅考虑相关序列在两者均为“1”时才计算,其余点可以不参与计算,由此可以大大提高计算效率。系统测试表明,算法的计算时间与计数率成正比。在计数率为3×106s-1,Block长度为1024时,设计的DFT算法的计算时间为5.65μs,相应的FFTW的计算时间为11.53μs,计算效率提高204％；设计的相关算法的计算时间为0.52μs,相应的Intel Math Kernel Library的相关计算时间为129.95μs,计算效率提高250倍。　　 (5)开展了基于252Cf源频谱分析系统关键参数的分析测定研究。论文构造的频谱分析测量平台,与其他核探测系统一样,总是存在着使某些核事件丢失的死时间。死时间越短,测量结果越具有真实性。为此,论文针对基于时域测量开展核辐射探测系统死时间修正工作盼复杂性,提出并研究了利用系统自相关图谱测量系统死时间的新方法,该方法可以直观、准确、便捷地测量核系统的死时间。在实验中,测得系统的死时间为40ns,测量精度高,达到了ns级。对系统增殖标签进行了死时间修正,提高了系统测试的准确性。同时,论文研究了一种实时虚拟多道系统,并利用得到的多道数据进行拟合求得了瞬发中子衰减常数。该方法在数据采集的过程中,以252Cf源信号为起始信号,将另一探测通道的数据进行实时转换,模拟数据进入多道的方式,实现了模拟多道方式测量。该方法具有测量精度高、实时性强的优点。同时,利用多道测得的瞬发中子衰减曲线,借助最小二乘法进行指数拟合,得到瞬发中子衰减常数。　　 (6)研究设计了实时频谱分析系统的应用软件。本论文在构建了面向核军控核查的基于252Cf中子源频谱分析硬件平台后,应用软件设计也是系统的关键技术之一。论文研究了多核PC平台的软件设计方法。为充分发挥多核CPU的作用,系统采用多线程并行计算。论文从任务分解、数据分解以及数据流分解出发,进行线程的划分以及多线程的设计,使得任务之间可以协同、并行地进行频谱信号的处理与分析。系统在线程并行处理的同时,还对关键线程中的计算进行了内存管理和SSE优化设计,即,系统在基于中子脉冲序列的FFT和自(互)相关计算时,充分利用SSE进行优化。系统性能测试表明,利用SSE优化,其优化效果十分明显,计算效率提升超过了100％,这为系统的实时计算提供了保证。本论文的上述研究成果,不仅已在项目研制系统(平台)移交甲方的工程实践中得到了实际应用,而且系统的主要性能指标如同步精度、分析频率、高低频脉冲及连续信号采集、Block大小等方面,优于国外已解密的类似系统NWIS(Nuclear Weapon Identification System),这为面向核军控核查的基于252Cf中子源频谱分析系统的进一步研究,奠定了良好的理论和实践应用研究基础。