一种基于监督自编码器的中子少道解谱方法

本发明涉及中子能谱测量，特别涉及一种基于监督自编码器的中子少道解谱方法。

背景技术：

1、中子能谱是核能系统设计与安全中的关键参数，对反应堆临界性、辐射屏蔽、燃料损耗分析及等离子体诊断等具有重大影响。然而，中子与周围材料间的复杂相互作用使得能谱测量变得困难。

2、大多数传统中子能谱测量技术无法直接获得中子能谱结果，需借助解谱程序进行后续分析。因此，中子解谱算法对提升能谱测量的准确度与效率至关重要。传统的中子解谱算法基于不同的数学原理，计算过程相对透明，但都各自存在不同的局限性，比如，迭代法依赖初始谱的持续优化，常面临准确度与计算效率的权衡；最小二乘法在测量数据呈现高度离散性或包含大量异常值时容易产生显著误差；蒙特卡罗算法将确定性问题转化为随机问题，其计算效率高度依赖模型复杂度，且通常不适用于动态场景。

3、人工神经网络（ann）由多个人工神经元构成，能够模拟输入与输出数据间的复杂非线性关系，从而根据给定输入预测输出结果。这类网络通常采用自适应系统结构，在训练过程中通过调整内部参数来最小化预测输出与实际输出之间的偏差。然而，基于传统多层感知器（mlp）的ann架构在将低维输入映射至高维输出时易出现过拟合问题，同时常面临训练数据有限、收敛困难等挑战。相比之下，监督式自编码器模型不仅能够支持降维处理，还展现出更强的特征提取能力，同时能够有效识别并利用数据内在结构与模式。

4、不同类型核能系统采用的构造方式、冷却方法和布局材料截然不同，其中子能谱也大相径庭，且覆盖能域范围差别很大，反应堆内部环境多变且空间有限，探测器体积应尽可能地小，同时为了减少探测器对原始辐射场的干扰，宜采用少道解谱方式对进行宽能域能谱的测量。

技术实现思路

1、为了提升宽能域中子能谱在线测量的准确度和效率，本发明提出一种基于监督自编码器的中子少道解谱方法，实现探测位置处中子能谱的精准反演。通过蒙特卡罗程序模拟多样化中子能谱构建能谱数据集，通过预标定探测器响应函数生成对应的模拟计数值，运用编码器、监督检测器和解码器对能谱数据进行编码与解码。训练完成的监督自编码器中的解码器组件可直接基于探测器计数值实现中子能谱的快速精准重构，为核能系统物理分析提供关键运行参数，同时为新型核技术应用的中子学实验提供有力支撑。

2、本发明的技术方案为：一种基于监督自编码器的中子少道解谱方法，其包括：编码器、监督检测器和解码器，其中，

3、预处理后的中子能谱通过编码器编码输出，获取潜在特征计数值；将所述潜在特征计数值输入监督检测器模块，经监督检测器模块约束后得到经过约束的潜在特征计数值；将经过约束的潜在特征计数值输入解码器以重构中子能谱；

4、将实际探测得到的特征计数值作为重构中子能谱的解码器的输入，实现探测位置处中子能谱的反演。

5、在一个实施例中，编码器的输入层维度对应中子能谱的能群个数，输出层维度对应可获取的探测器计数值的个数。

6、在一个实施例中，中子能谱通过编码器编码输出，获取潜在特征计数值方法为：

7、

8、其中，分别为编码器第一层、第二层、第三层输出的编码向量，权重的维度为，l表征中子能谱的能群个数，64表征编码器第一层的神经元个数，偏置的维度为64；权重的维度为，32表征编码器第二层的神经元个数，64表征编码向量的维度，偏置的维度为32；权重的维度为，16表征编码器第三层的神经元个数，32表征编码向量的维度，偏置的维度为16；()、、表征归一化和激活函数；

9、根据探测器可获取的计数值个数为k，将编码器第三层网络输出的编码向量压缩至对应的潜在特征计数值维度k，编码器的输出的计算方法如下：

10、

11、其中，表征通过编码器获得的长度为k的隐藏层向量并作为潜在特征计数值，权重的维度为，k表征编码器的输出层个数，16表征编码向量的维度，偏置的维度为k；表征激活函数。

12、在一个实施例中，将所述潜在特征计数值输入监督检测器模块，经监督检测器模块约束后得到经过约束的潜在特征计数值，具体方法为：对编码器的输出应用huber损失函数进行约束得到经过约束的潜在特征计数值，计算方法为：

13、

14、其中，表征真实的探测器计数值，表征通过编码器获得的长度为k的隐藏层向量，是huber损失的超参数；当趋于0时，huber损失趋于均方根误差mae；当趋于∞时，huber损失趋于均方误差mse；通过交叉验证获得最优值。

15、在一个实施例中，将经过约束的潜在特征计数值输入解码器以重构中子能谱，具体方法为：解码器的神经网络各层之间的计算方法为：

16、

17、其中，权重的维度为，16表征解码器第一层的神经元个数，为经过约束的潜在特征计数值，偏置的维度为16；权重的维度为，32表征解码器第二层的神经元个数，16表征解码向量的维度，偏置的维度为32；权重的维度为，64表征解码器第三层的神经元个数，32表征解码向量的维度，偏置的维度为64；、、表征归一化和激活函数；

18、根据中子能谱的能群个数为l，将解码器第三层网络的输出扩充至对应的中子能谱能群个数l以重构中子能谱，解码器的输出计算方法如下：

19、

20、其中，权重的维度为，l表征解码器的输出层个数，64表征解码向量的维度，偏置的维度为l；表征激活函数。

21、在一个实施例中，将实际探测得到的特征计数值作为重构中子能谱的解码器的输入，实现探测位置处中子能谱的反演，方法为：

22、保留训练完成的监督自编码器的解码器，将实际探测得到的特征计数值作为重构中子能谱的解码器的输入，解码器的输出即为探测位置处的中子能谱。

23、在一个实施例中，()

、

、归一化和激活函数为leaky relu函数；激活函数为relu函数。

24、在一个实施例中，、、归一化和激活函数为leaky relu函数；激活函数为relu函数。

25、本发明与现有技术相比的优点在于：

26、(1) 在本发明的一种基于监督自编码器的中子少道解谱方法，利用少道解谱原理，基于监督自编码器方法实现中子能谱的精准反演，有助于解决核能系统中宽能域中子能谱的快速准确测量难题。

27、(2) 在本发明的一种基于监督自编码器的中子少道解谱方法中，探测器采用复合式中子探头的高响应能域覆盖范围宽，响应速率快，结构紧凑，有助于解决狭小空间下的宽能谱在线测量难题。

1.一种基于监督自编码器的中子少道解谱方法，其特征在于，其包括：编码器（a）、监督检测器（b）和解码器（c），其中，

2.根据权利要求1所述的解谱方法，其特征在于，编码器（a）的输入层维度对应中子能谱的能群个数，输出层维度对应可获取的探测器计数值的个数。

3.根据权利要求1所述的解谱方法，其特征在于，中子能谱通过编码器（a）编码输出，获取潜在特征计数值方法为：

4.根据权利要求3所述的解谱方法，其特征在于，将所述潜在特征计数值输入监督检测器（b）模块，经监督检测器（b）模块约束后得到经过约束的潜在特征计数值，具体方法为：对编码器（a）的输出应用huber损失函数进行约束得到经过约束的潜在特征计数值，计算方法为：

5.根据权利要求4所述的解谱方法，其特征在于，将经过约束的潜在特征计数值输入解码器（c）以重构中子能谱，具体方法为：解码器（c）的神经网络各层之间的计算方法为：

6.根据权利要求5所述的解谱方法，其特征在于，将实际探测得到的特征计数值作为重构中子能谱的解码器（c）的输入，实现探测位置处中子能谱的反演，方法为：

7. 根据权利要求3所述的解谱方法，其特征在于，()、、归一化和激活函数为leaky relu函数；激活函数为relu函数。

8. 根据权利要求5所述的解谱方法，其特征在于，、、归一化和激活函数为leaky relu函数；激活函数为relu函数。