[發明專利]一種基于全數字化技術的束流位置和相位測量系統及方法

有效

• 申請號: 201410440504.5
• 申請日: 2014-09-01
• 公開（公告）號: CN104181577B
• 公開（公告）日: 2017-02-01
• 發明（設計）人: 趙雷;高興順;胡曉芳;劉樹彬;安琪
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G01T1/29
• 分類號: G01T1/29
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司11021
• 代理人: 任巖

技術領域

本發明涉及加速器束流診斷領域，尤其涉及一種基于全數字化技術的加速器束流位置和相位測量系統及方法。

背景技術

隨著人們對物質結構的認識以及對微觀粒子研究逐漸深入，天然放射性粒子和宇宙射線不能滿足實驗要求，于是粒子加速器應運而生。粒子加速器的種類很多，不同加速器的能量、亮度等特征參數各不相同。為了使束流達到所需的特性，需要對其進行束流監控和進行反饋控制。因此，束流測量系統(也可稱為束流診斷系統)是加速器不可或缺的一部分，國內外的加速器實驗裝置均有配套的束流測量系統。

束流測量系統由各種束流探測器、信號處理電子學和數據采集系統等組成。

束流橫截面的位置是加速器必須關心的束流參數，其測量方式根據不同的物理效應有多重類型的探測器。如非阻擋性的壁電流檢測器、位置探測器(Beam?Position?Monitors)、同步光成像和有一定干擾的絲檢測器等。其中作為非阻擋性的探測器，基于電磁效應BPM探測器是近年來束流加速器中最常用的位置探測器。BPM探測器電極感應信號是窄脈沖信號，而對于固定波形的脈沖信號，其幅度與其諧波的幅度有固定比例關系，因此可以通過測量某一頻率成分的幅度來反推電極信號幅度。

BPM探測器電極引出信號需要通過電子學模塊進行處理，才能獲得最終的相位和位置數據。常用的電子學處理方法是正交分析法。通過正交分析的方法，可以同時得到BPM探測器感應信號的相位和幅度信息。而“差和比”算法則可以直接利用BPM探測器感應信號通過正交分析方法得到的幅度信息，計算出束流的位置信息。所以，正交分析的方法，可以同時得到束流的位置和相位信息。將束流的位置測量和相位測量集成在一套測量系統中，可以大大簡化束流診斷系統的復雜度，提高系統的集成度。

正交分析方法的核心就是獲得信號的正交分量。只有獲得信號的正交分量，才能計算束流信號的幅度和相位參量。正交分析的具體電子學實現方法，在系統的電子學發展進程上可以分為三代。

第一代測量系統受早期模擬數字轉換器(Analog-to-digital?converter，ADC)技術和數字信號處理器(Digital?signal?processor，DSP)技術的限制，需要將射頻信號降頻到低頻信號域處理。降頻模塊主要由模擬電路領域中的頻率變換技術實現。最后經過ADC，轉換為數字信號，進而進行處理。典型的電子學結構是：射頻輸入信號基于模擬正交(In-phase?and?Quadrature，IQ)解調的技術，經過一級或者多級模擬下變頻單元，降頻為直流，然后經過低速的ADC進行數字化。其降頻處理模塊和正交解調模塊均由模擬電路實現。這一代測量系統可以認為是一種全模擬測量系統。由于模擬電路設計復雜，且模擬器件本身存在非線性和噪聲，系統的集成度和性能受到限制。

第二代測量系統基于ADC和DSP技術的發展進步，模擬數字變換速度和DSP計算速度的提高，可以對頻率更高的信號進行數字化。典型的電子學結構是：射頻輸入信號先經過一級模擬下變頻，將信號頻率降頻為中頻信號；再直接經過ADC對中頻信號進行模數變換；然后通過數字下變頻、數字解調和數字濾波，或者直接中頻正交采樣，得到信號的數字化正交分量；最后通過DSP進行處理。這一代測量系統，除了第一級模擬下變頻外，模數變換之后的處理過程都集中在數字域中。可以認為第二代測量系統是一種半模擬半數字化的測量系統。由于部分的信號處理都搬移到了數字領域，因此相對于第一代束測系統而言，簡化了系統的電子學結構，但是仍包含一定的模擬電路部分，因此對于系統性能的提升仍有一定的限制。

隨著ADC技術朝著更高速和更高精度發展進步，第三代測量系統則趨向于全數字化的方向發展。典型的電子學結構是：射頻輸入信號直接經過ADC進行數字化，通過數字信號處理來計算束流參數。第三代束測技術的典型代表是數字IQ解調，其核心是基于數字信號處理方法實現模擬IQ解調的功能。相比于第一代的和第二代電路結構，第三代的全數字化束測方法大大簡化了電子學系統的復雜程度，但是數字IQ解調的算法過于復雜。為了進一步簡化數字信號處理過程，我們提出了本發明中的新型全數字化電子學系統設計方法：基于欠采樣實現頻率變換過程；同時，基于當代的高精度鎖相環電路的發展，通過選擇合適的采樣率，使得ADC采樣率恰好為輸入射頻信號欠采樣后數字中頻信號頻率的4倍，即可以直接通過欠采樣獲得I和Q序列。在滿足這種特殊的采樣率條件下，可以通過模擬數字變換直接獲得正交分量，同時最大程度地簡化了模擬電路的復雜度和數字信號處理算法的復雜度。

發明內容

(一)要解決的技術問題