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一種基于全數(shù)字化技術(shù)的束流位置和相位測(cè)量系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于全數(shù)字化技術(shù)的束流位置和相位測(cè)量系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包括模擬前端部分和數(shù)字處理部分，模擬前端部分利用欠采樣技術(shù)對(duì)來自束流位置探測(cè)器的輸入信號(hào)進(jìn)行欠采樣，通過數(shù)字化控制的鎖相環(huán)精確調(diào)節(jié)采樣率，使之為束流位置探測(cè)器輸入信號(hào)欠采樣后數(shù)字中頻信號(hào)頻率的4倍，直接獲取束流位置探測(cè)器輸入信號(hào)的數(shù)字正交序列；數(shù)字處理部分對(duì)模擬前端部分采樣獲取的數(shù)字正交序列進(jìn)行數(shù)字處理，同時(shí)測(cè)量加速器束流位置和相位，并實(shí)現(xiàn)相位的實(shí)時(shí)在線修正。本發(fā)明將數(shù)字處理模塊集中在單片F(xiàn)PGA中，大大簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。同時(shí)恰當(dāng)?shù)牟蓸勇剩沟媒?jīng)過ADC采樣后直接得到輸入信號(hào)的正交序列，大大簡化了信號(hào)的相位和幅度的數(shù)字處理算法。
【專利說明】一種基于全數(shù)字化技術(shù)的束流位置和相位測(cè)量系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及加速器束流診斷領(lǐng)域，尤其涉及一種基于全數(shù)字化技術(shù)的加速器束流位置和相位測(cè)量系統(tǒng)及方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著人們對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)以及對(duì)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(shí)驗(yàn)要求，于是粒子加速器應(yīng)運(yùn)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(shù)各不相同。為了使束流達(dá)到所需的特性，需要對(duì)其進(jìn)行束流監(jiān)控和進(jìn)行反饋控制。因此，束流測(cè)量系統(tǒng)(也可稱為束流診斷系統(tǒng))是加速器不可或缺的一部分，國內(nèi)外的加速器實(shí)驗(yàn)裝置均有配套的束流測(cè)量系統(tǒng)。
[0003]束流測(cè)量系統(tǒng)由各種束流探測(cè)器、信號(hào)處理電子學(xué)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。
[0004]束流橫截面的位置是加速器必須關(guān)心的束流參數(shù)，其測(cè)量方式根據(jù)不同的物理效應(yīng)有多重類型的探測(cè)器。如非阻擋性的壁電流檢測(cè)器、位置探測(cè)器(Beam Posit1nMonitors)、同步光成像和有一定干擾的絲檢測(cè)器等。其中作為非阻擋性的探測(cè)器，基于電磁效應(yīng)BPM探測(cè)器是近年來束流加速器中最常用的位置探測(cè)器。BPM探測(cè)器電極感應(yīng)信號(hào)是窄脈沖信號(hào)，而對(duì)于固定波形的脈沖信號(hào)，其幅度與其諧波的幅度有固定比例關(guān)系，因此可以通過測(cè)量某一頻率成分的幅度來反推電極信號(hào)幅度。
[0005]BPM探測(cè)器電極引出信號(hào)需要通過電子學(xué)模塊進(jìn)行處理，才能獲得最終的相位和位置數(shù)據(jù)。常用的電子學(xué)處理方法是正交分析法。通過正交分析的方法，可以同時(shí)得到BPM探測(cè)器感應(yīng)信號(hào)的相位和幅度信息。而“差和比”算法則可以直接利用BPM探測(cè)器感應(yīng)信號(hào)通過正交分析方法得到的幅度信息，計(jì)算出束流的位置信息。所以，正交分析的方法，可以同時(shí)得到束流的位置和相位信息。將束流的位置測(cè)量和相位測(cè)量集成在一套測(cè)量系統(tǒng)中，可以大大簡化束流診斷系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高系統(tǒng)的集成度。
[0006]正交分析方法的核心就是獲得信號(hào)的正交分量。只有獲得信號(hào)的正交分量，才能計(jì)算束流信號(hào)的幅度和相位參量。正交分析的具體電子學(xué)實(shí)現(xiàn)方法，在系統(tǒng)的電子學(xué)發(fā)展進(jìn)程上可以分為三代。
[0007]第一代測(cè)量系統(tǒng)受早期模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Analog-to-digital converter,ADC)技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理器(Digital signal processor, DSP)技術(shù)的限制，需要將射頻信號(hào)降頻到低頻信號(hào)域處理。降頻模塊主要由模擬電路領(lǐng)域中的頻率變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)。最后經(jīng)過ADC，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，進(jìn)而進(jìn)行處理。典型的電子學(xué)結(jié)構(gòu)是:射頻輸入信號(hào)基于模擬正交(In-phase and Quadrature, IQ)解調(diào)的技術(shù),經(jīng)過一級(jí)或者多級(jí)模擬下變頻單元，降頻為直流，然后經(jīng)過低速的ADC進(jìn)行數(shù)字化。其降頻處理模塊和正交解調(diào)模塊均由模擬電路實(shí)現(xiàn)。這一代測(cè)量系統(tǒng)可以認(rèn)為是一種全模擬測(cè)量系統(tǒng)。由于模擬電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，且模擬器件本身存在非線性和噪聲，系統(tǒng)的集成度和性能受到限制。
[0008]第二代測(cè)量系統(tǒng)基于ADC和DSP技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，模擬數(shù)字變換速度和DSP計(jì)算速度的提高，可以對(duì)頻率更高的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化。典型的電子學(xué)結(jié)構(gòu)是:射頻輸入信號(hào)先經(jīng)過一級(jí)模擬下變頻，將信號(hào)頻率降頻為中頻信號(hào)；再直接經(jīng)過ADC對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行模數(shù)變換；然后通過數(shù)字下變頻、數(shù)字解調(diào)和數(shù)字濾波，或者直接中頻正交采樣，得到信號(hào)的數(shù)字化正交分量；最后通過DSP進(jìn)行處理。這一代測(cè)量系統(tǒng)，除了第一級(jí)模擬下變頻外，模數(shù)變換之后的處理過程都集中在數(shù)字域中?？梢哉J(rèn)為第二代測(cè)量系統(tǒng)是一種半模擬半數(shù)字化的測(cè)量系統(tǒng)。由于部分的信號(hào)處理都搬移到了數(shù)字領(lǐng)域，因此相對(duì)于第一代束測(cè)系統(tǒng)而言，簡化了系統(tǒng)的電子學(xué)結(jié)構(gòu)，但是仍包含一定的模擬電路部分，因此對(duì)于系統(tǒng)性能的提升仍有一定的限制。
[0009]隨著ADC技術(shù)朝著更高速和更高精度發(fā)展進(jìn)步，第三代測(cè)量系統(tǒng)則趨向于全數(shù)字化的方向發(fā)展。典型的電子學(xué)結(jié)構(gòu)是:射頻輸入信號(hào)直接經(jīng)過ADC進(jìn)行數(shù)字化，通過數(shù)字信號(hào)處理來計(jì)算束流參數(shù)。第三代束測(cè)技術(shù)的典型代表是數(shù)字IQ解調(diào)，其核心是基于數(shù)字信號(hào)處理方法實(shí)現(xiàn)模擬IQ解調(diào)的功能。相比于第一代的和第二代電路結(jié)構(gòu)，第三代的全數(shù)字化束測(cè)方法大大簡化了電子學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜程度，但是數(shù)字IQ解調(diào)的算法過于復(fù)雜。為了進(jìn)一步簡化數(shù)字信號(hào)處理過程，我們提出了本發(fā)明中的新型全數(shù)字化電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法:基于欠采樣實(shí)現(xiàn)頻率變換過程；同時(shí)，基于當(dāng)代的高精度鎖相環(huán)電路的發(fā)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(hào)欠采樣后數(shù)字中頻信號(hào)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(shù)字變換直接獲得正交分量，同時(shí)最大程度地簡化了模擬電路的復(fù)雜度和數(shù)字信號(hào)處理算法的復(fù)雜度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010](一)要解決的技術(shù)問題
[0011]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于全數(shù)字化技術(shù)的加速器束流位置和相位測(cè)量系統(tǒng)及方法，以采用簡單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)同時(shí)實(shí)現(xiàn)束流的位置和相位測(cè)量。
[0012](二)技術(shù)方案
[0013]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于全數(shù)字化技術(shù)的束流位置和相位測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括模擬前端部分和數(shù)字處理部分，其中:模擬前端部分，利用欠采樣技術(shù)對(duì)來自束流位置探測(cè)器的輸入信號(hào)進(jìn)行欠采樣，通過數(shù)字化控制的鎖相環(huán)精確調(diào)節(jié)采樣率，使之為束流位置探測(cè)器輸入信號(hào)欠采樣后數(shù)字中頻信號(hào)頻率的4倍，直接獲取束流位置探測(cè)器輸入信號(hào)的數(shù)字正交序列，以計(jì)算輸入信號(hào)的幅度和相位信息；數(shù)字處理部分，對(duì)模擬前端部分采樣獲取的數(shù)字正交序列進(jìn)行數(shù)字處理，同時(shí)測(cè)量加速器束流位置和相位，并通過坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的算法實(shí)現(xiàn)相位的實(shí)時(shí)在線修正。
[0014]優(yōu)選地，該模擬前端部分包括位置探測(cè)器信號(hào)模擬濾波及增益調(diào)節(jié)單元，參考信號(hào)模擬濾波及增益調(diào)節(jié)單元，時(shí)鐘產(chǎn)生單元和模擬數(shù)字變換單元，其中:
[0015]位置探測(cè)器信號(hào)模擬濾波及增益調(diào)節(jié)單元，濾除位置探測(cè)器BPM信號(hào)的帶外諧波，獲取二次諧波成分，并調(diào)節(jié)其幅度以適應(yīng)模擬數(shù)字變換單元的量程；
[0016]參考信號(hào)模擬濾波及增益調(diào)節(jié)單元，對(duì)參考信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)整及帶通濾波，濾出基頻成分，輸出給模擬數(shù)字變換單元及時(shí)鐘產(chǎn)生單元；
[0017]時(shí)鐘產(chǎn)生單元，將參考信號(hào)作為輸入時(shí)鐘，使用數(shù)字化控制的鎖相環(huán)(Phase-locked-loop,PLL)精確調(diào)整輸出時(shí)鐘的頻率，以滿足模擬數(shù)字變換采樣率的要求，并扇出給模擬數(shù)字變換單元作為采樣時(shí)鐘；
[0018]模擬數(shù)字變換單元，接收位置探測(cè)器信號(hào)模擬濾波及增益調(diào)節(jié)單元和參考信號(hào)模擬濾波及增益調(diào)節(jié)單元輸入的單頻模擬信號(hào)，通過高速高精度模擬數(shù)字變換器(ADC)，將模擬信號(hào)數(shù)字化，輸出至數(shù)字處理部分。
[0019]優(yōu)選地，該位置探測(cè)器信號(hào)模擬濾波及增益調(diào)節(jié)單元和該參考信號(hào)模擬濾波及增益調(diào)節(jié)單元均由級(jí)聯(lián)的帶通濾波器和增益調(diào)節(jié)元件構(gòu)成，輸入信號(hào)在進(jìn)行AD變換之前，先經(jīng)過該級(jí)聯(lián)的帶通濾波器和增益調(diào)節(jié)元件。在該級(jí)聯(lián)的帶通濾波器和增益調(diào)節(jié)元件中，第一級(jí)聲表面濾波器抽取輸入信號(hào)中的特征信號(hào)頻率成分，降低帶外諧波及噪聲；中間級(jí)帶通濾波器用以降低幅度調(diào)節(jié)單元的非線性帶來的諧波，同時(shí)進(jìn)一步抑制帶外噪聲；最后一級(jí)濾波器用以最終濾除前端所有模擬電路非線性帶來的諧波及帶外噪聲，進(jìn)一步提高信號(hào)的信號(hào)噪聲諧波比(Signal-to-noise and distort1n rat1, SINAD)。
[0020]優(yōu)選地，該時(shí)鐘產(chǎn)生單元提供的高精度時(shí)鐘，滿足采樣率為束流位置探測(cè)器輸入信號(hào)欠采樣后數(shù)字中頻信號(hào)頻率的4倍，直接獲取束流位置探測(cè)器輸入信號(hào)的正交IQ序列(I，Q, -1, -Q)，每個(gè)周期包含4個(gè)采樣點(diǎn)，即相鄰的采樣點(diǎn)相位相差90度。
[0021]優(yōu)選地，該數(shù)字處理部分包括ADC數(shù)據(jù)接收單元，IQ抽取單元，IQ相位修正單元，“和信號(hào)” IQ計(jì)算單元，幅度及相位計(jì)算單元，位置及相位差計(jì)算單元，有限脈沖響應(yīng)(Finite Impulse Response, FIR)濾波及平均處理單元,數(shù)據(jù)傳輸接口單元和前端控制邏輯單元，其中:
[0022]ADC數(shù)據(jù)接收單元，接收模擬前端部分采集的數(shù)據(jù),將8bit雙倍數(shù)據(jù)速率的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為16bit的單倍速率數(shù)據(jù)，并在存儲(chǔ)空間中緩存，從緩存中讀取數(shù)據(jù)輸入IQ抽取單元;
[0023]IQ抽取單元，接收從ADC數(shù)據(jù)接收單元的緩存中讀取的數(shù)據(jù)，從該數(shù)據(jù)中抽取正交IQ數(shù)據(jù)，經(jīng)過平均處理后送入IQ相位修正單元處理；
[0024]IQ相位修正單元，對(duì)正交IQ數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，消除4個(gè)BPM感應(yīng)信號(hào)通道和參考信號(hào)通道的輸入信號(hào)到ADC輸入端的延時(shí)不一致性以及ADC采樣時(shí)鐘相位不一致性，之后將IQ數(shù)據(jù)送入“和信號(hào)” IQ計(jì)算單元以及幅度及相位計(jì)算單元；
[0025]“和信號(hào)”IQ計(jì)算單元，將4個(gè)BPM感應(yīng)信號(hào)通道修正后的IQ數(shù)據(jù)通過求和運(yùn)算，得到“和信號(hào)”的IQ數(shù)據(jù)輸出至幅度及相位計(jì)算單元，以計(jì)算“和信號(hào)”的相位；
[0026]幅度及相位計(jì)算單元，使用各通道修正后的IQ數(shù)據(jù)計(jì)算出4個(gè)BPM感應(yīng)信號(hào)通道及參考信號(hào)通道共5個(gè)通道的幅度和相位值，使用“和信號(hào)”的IQ數(shù)據(jù)計(jì)算出“和信號(hào)”的相位值，送入位置及相位差計(jì)算單元；
[0027]位置及相位差計(jì)算單元，利用計(jì)算得到的4個(gè)BPM感應(yīng)信號(hào)的幅度，計(jì)算出束流截面上的X和Y方向的位置；同時(shí)，利用“和信號(hào)”的相位與參考信號(hào)的相位計(jì)算束流相位，計(jì)算得到的位置數(shù)據(jù)和相位數(shù)據(jù)被送入FIR濾波及平均單元；
[0028]FIR濾波及平均處理單元，接收位置數(shù)據(jù)和相位數(shù)據(jù)，經(jīng)過FIR數(shù)字濾波器和平均處理，降低數(shù)據(jù)更新率，同時(shí)濾除高頻噪聲，處理后的數(shù)據(jù)被傳輸至數(shù)據(jù)傳輸接口單元；
[0029]數(shù)據(jù)傳輸接口單元，對(duì)輸入的位置和相位數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，并發(fā)送到系統(tǒng)控制器存儲(chǔ)，同時(shí)，接收控制命令并將其發(fā)送到前端控制邏輯單元；
[0030]前端控制邏輯單元，接收數(shù)據(jù)傳輸接口接收的控制命令，產(chǎn)生控制信號(hào)，對(duì)模擬前端進(jìn)行控制和配置。
[0031]優(yōu)選地，該IQ抽取單元接收從ADC數(shù)據(jù)接收單元的緩存中讀取的數(shù)據(jù)，從該數(shù)據(jù)中抽取正交IQ數(shù)據(jù)，經(jīng)過平均處理后送入相位修正單元處理，具體包括:該IQ抽取單元接收從ADC數(shù)據(jù)接收單元的緩存中讀取的數(shù)據(jù)，依據(jù)模擬數(shù)字變換單元的特點(diǎn)抽取正交IQ數(shù)據(jù)；對(duì)于BPM信號(hào)通道，每4個(gè)相鄰的采樣點(diǎn)依次為1、Q、-1、-Q ;對(duì)于參考信號(hào)通道，相鄰8個(gè)采樣點(diǎn)中，間隔一個(gè)點(diǎn)抽取一個(gè)，抽出的4個(gè)點(diǎn)依次為1、Q、-1、_Q ;依此原則，分別得到BPM通道和參考信號(hào)通道的正交數(shù)據(jù)點(diǎn)；通過平均處理，調(diào)整IQ數(shù)據(jù)率，保持?jǐn)?shù)據(jù)率一致，送入相位修正單元。
[0032]優(yōu)選地，該IQ相位修正單元對(duì)正交IQ數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，是利用坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的方法實(shí)現(xiàn)的。
[0033]優(yōu)選地，該“和信號(hào)” IQ計(jì)算單元在計(jì)算“和信號(hào)”的相位時(shí)，先通過對(duì)單通道采樣得到的正交序列進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換，修正因?yàn)橥ǖ乐g相位延遲的不一致性而導(dǎo)致的相位偏差，再對(duì)旋轉(zhuǎn)后的正交序列求和，得到修正后的“和信號(hào)”的正交序列，進(jìn)而計(jì)算出修正后“和信號(hào)”的相位。
[0034]優(yōu)選地，該數(shù)字處理部分包括的ADC數(shù)據(jù)接收單元，IQ抽取單元，IQ相位修正單元，“和信號(hào)” IQ計(jì)算單元，幅度及相位計(jì)算單元，位置及相位差計(jì)算單元，F(xiàn)IR濾波及平均處理單元，數(shù)據(jù)傳輸接口單元和前端控制邏輯單元集成在單片現(xiàn)場可編程門陣列(Fiel d-programmab I e-gat e-array, FPGA)上。
[0035]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明還提供了一種基于全數(shù)字化技術(shù)的束流位置和相位測(cè)量方法，該方法包括:模擬前端部分利用欠采樣技術(shù)對(duì)來自束流位置探測(cè)器的輸入信號(hào)進(jìn)行欠采樣，利用數(shù)字化控制的鎖相環(huán)精確調(diào)節(jié)采樣率，使之為束流位置探測(cè)器輸入信號(hào)欠采樣后數(shù)字中頻信號(hào)頻率的4倍，直接獲取束流位置探測(cè)器輸入信號(hào)的數(shù)字正交序列，以計(jì)算輸入信號(hào)的幅度和相位信息；數(shù)字處理部分對(duì)模擬前端部分采樣獲取的信號(hào)數(shù)字正交序列進(jìn)行數(shù)字處理，同時(shí)測(cè)量加速器束流位置和相位，并利用坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的算法實(shí)現(xiàn)相位的實(shí)時(shí)在線修正。
[0036](三)有益效果
[0037]本發(fā)明提供的基于全數(shù)字化技術(shù)的加速器束流位置和相位測(cè)量系統(tǒng)及方法，具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0038]1、本發(fā)明通過欠采樣，直接將高頻信號(hào)數(shù)字化；同時(shí)，通過微調(diào)采樣率，使得采樣率恰好為輸入信號(hào)欠采樣后的數(shù)字中頻信號(hào)頻率的4倍，從而直接獲取數(shù)字化正交IQ序列。系統(tǒng)所有的信號(hào)處理過程都集中在數(shù)字域之中，避免了復(fù)雜的模擬處理過程，大大簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；同時(shí)，直接獲取數(shù)字化IQ序列，大大簡化了數(shù)字處理算法的設(shè)計(jì)。
[0039]2、本發(fā)明采用經(jīng)過布局優(yōu)化的濾波器級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，完成信號(hào)特定諧波成分的抽取，同時(shí)濾除其他諧波成分和帶外噪聲，提高信號(hào)的信號(hào)噪聲諧波比，進(jìn)而提高系統(tǒng)測(cè)量的精度性能。
[0040]3、本發(fā)明基于“和信號(hào)”相位測(cè)量來消除位置-相位依賴性，針對(duì)4個(gè)信號(hào)通道延時(shí)的不一致性，在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域中采用坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的方法進(jìn)行實(shí)時(shí)相位調(diào)整，確保獲得準(zhǔn)確的“和信號(hào)”。同時(shí)，通過數(shù)字信號(hào)處理方法來進(jìn)行實(shí)時(shí)的相位補(bǔ)償，簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。
[0041]4、本發(fā)明所有的數(shù)字信號(hào)處理都集中在一片F(xiàn)PGA中，大大提高了系統(tǒng)的集成度。同時(shí)FPGA的可編程特性，也使得系統(tǒng)數(shù)字處理算法和數(shù)據(jù)接口靈活多變，可以根據(jù)需要進(jìn)行定制。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0042]圖1為依照本發(fā)明實(shí)施例的基于全數(shù)字化技術(shù)的加速器束流位置和相位測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043]圖2為圖1中數(shù)字處理部分的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044]圖3為圖1中模擬濾波及增益調(diào)節(jié)單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0045]圖4為依照本發(fā)明實(shí)施例的325MHz射頻信號(hào)欠采樣頻域的示意圖；
[0046]圖5為依照本發(fā)明實(shí)施例的162.5MHz相位參考信號(hào)欠采樣頻域的示意圖；
[0047]圖6為依照本發(fā)明實(shí)施例的BPM信號(hào)與相位參考信號(hào)IQ采樣抽取的示意圖；
[0048]圖7為依照本發(fā)明實(shí)施例的相位修正原理的示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0049]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0050]本發(fā)明提出的基于全數(shù)字化技術(shù)的加速器束流位置和相位測(cè)量系統(tǒng)及方法，主要利用帶通濾波器，抽取探測(cè)器感應(yīng)信號(hào)的特征信號(hào)頻率成分進(jìn)行測(cè)量分析；通過欠采樣技術(shù)，選擇特殊的采樣率，直接獲得數(shù)字中頻信號(hào)的IQ數(shù)據(jù)；同時(shí)利用正弦波的IQ分析技術(shù)，計(jì)算射頻信號(hào)的幅度和相位；之后利用幅度信息，通過“差和比”的計(jì)算方法計(jì)算束流位置。具體原理如下:
[0051]1、特征頻率分量抽取
[0052]若射頻信號(hào)的重復(fù)頻率為&，則其諧波頻率為(I X f0)，f2 (2 X f0)，f3 (3 X f0)等等。選取n次諧波成分為系統(tǒng)的測(cè)量信號(hào)，則選取諧波頻率在濾波器通帶范圍之內(nèi)的帶通濾波器，通過帶通濾波器，抑制帶外其它諧波和噪聲，抽取信號(hào)的第η次諧波，同時(shí)提高信號(hào)的信號(hào)噪聲諧波比。由于輸入信號(hào)的高次諧波成分幅度較小，需要將其放大，適應(yīng)ADC的量程，以充分利用ADC的高精度性能。采用濾波器位置特別優(yōu)化的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，先經(jīng)過一級(jí)濾波器，抽取特征信號(hào)頻率，再經(jīng)過射頻放大器和衰減器構(gòu)成的幅度調(diào)節(jié)單元，將信號(hào)放大到適當(dāng)?shù)姆?。再?jīng)過一級(jí)濾波器，濾除放大器非線性帶來的諧波。再經(jīng)過一級(jí)射頻放大器和衰減器構(gòu)成的幅度調(diào)節(jié)單元，實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍的輸入信號(hào)測(cè)量。最后在ADC前端，通過一級(jí)濾波器，濾除幅度調(diào)節(jié)單元的非線性帶來的諧波和帶外噪聲，進(jìn)一步提高ADC采樣信號(hào)的質(zhì)量。本發(fā)明的測(cè)量系統(tǒng)抽取BPM輸出信號(hào)的2次諧波作為測(cè)量信號(hào)。
[0053]2、采樣頻率的選擇
[0054]對(duì)于正弦波信號(hào)，采用正交分析方法，可以很簡單的計(jì)算得到正弦波的幅度和相位。其關(guān)鍵在于得到正弦波正交的數(shù)據(jù)點(diǎn)，即相位相差90度的點(diǎn)。
[0055]對(duì)于輸入信號(hào)頻率很高時(shí)，采用一般的采樣方式，采樣率要求較高，相應(yīng)的ADC芯片的相關(guān)參數(shù)也有較高的要求，甚至難以達(dá)到。而經(jīng)過頻域的分析，對(duì)于一些滿足一定要求的輸入信號(hào)，可以選擇米樣率小于輸入信號(hào)的頻率，同樣可以完整的獲取輸入信號(hào)的幅度和相位信息。在此條件下，通過選擇特殊的采樣率，可以使得采樣率為輸入信號(hào)采樣后數(shù)字中頻信號(hào)頻率的4倍，恰好可以得到相位相差90度的IQ數(shù)據(jù)點(diǎn)。
[0056]而對(duì)于本發(fā)明的測(cè)量系統(tǒng)而言，測(cè)量信號(hào)為單頻信號(hào)，可以通過欠采樣，使用相對(duì)較低的采樣率進(jìn)行數(shù)字化。在此條件下，若要獲取輸入信號(hào)的正交數(shù)據(jù)序列，采樣頻率必須滿足一定的條件。
[0057]對(duì)于頻率為fin測(cè)量信號(hào)，則欠采樣率fs依據(jù)如下公式選取:

4
[0058]fs =TVJ-:-A

AM 土 I
[0059]其中M為自然數(shù)，也是欠采樣過程中，由輸入信號(hào)頻率到數(shù)字中頻信號(hào)頻率間頻譜搬移次數(shù)。fins測(cè)量系統(tǒng)的待測(cè)信號(hào)頻率。選取適當(dāng)?shù)膮?shù)M，即可以確定采樣率fs。選取如上公式所確定的采樣率，ADC所采樣到的數(shù)據(jù)序列，恰好每個(gè)中頻信號(hào)周期內(nèi)等間距的分布4個(gè)米樣點(diǎn)，即每個(gè)米樣點(diǎn)相位相差90度。
[0060]3、相位修正計(jì)算
[0061]BPM探測(cè)器輸出的4路感應(yīng)信號(hào)的相位與束流在BPM探測(cè)器截面的位置存在依賴關(guān)系，因此不能使用單路信號(hào)相位測(cè)量結(jié)果表征束流的相位。而4路感應(yīng)信號(hào)的“和信號(hào)”的相位值則與束流位置之間則沒有此依賴關(guān)系，所以可以通過測(cè)量“和信號(hào)”的相位值來表征束流相位。但是，在全數(shù)字化的處理方法中，在進(jìn)行數(shù)字信號(hào)求和之前，4路信號(hào)要分別輸入增益調(diào)整和濾波器級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行信號(hào)放大和濾波，而電子學(xué)通道的不一致性會(huì)對(duì)求和之前的各路信號(hào)帶來相位延遲的不一致性，因此必須進(jìn)行系統(tǒng)的標(biāo)定和修正。在本發(fā)明專利中提出一種標(biāo)定和修正方法，可以通過FPGA實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的相位修正。
[0062]如前文所述，為了正確計(jì)算“和信號(hào)”，必須使得4個(gè)通道采樣得到的IQ序列的相位和各通道信號(hào)進(jìn)入測(cè)量系統(tǒng)時(shí)的相位之間的相位差保持一致，這樣才可以通過各通道間I和Q分別求和，得到“和信號(hào)”的I和Q，即正確求得“和信號(hào)”。我們提出基于坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)原理，根據(jù)4個(gè)通道相移標(biāo)定結(jié)果分別實(shí)現(xiàn)對(duì)各通道信號(hào)的相位調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)相位修正。欠采樣得到的正交序列在每個(gè)數(shù)字中頻信號(hào)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)為1、Q、-1、_Q。將I和Q視為正交坐標(biāo)系中的一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，可以通過坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)，計(jì)算得到旋轉(zhuǎn)一定角度后的坐標(biāo)，因此IQ序列相位修正可以依據(jù)如下算法:
[0063]I' = cos θ X 1-sin Θ XQ
[0064]Q' = cos θ XQ+sin θ XI
[0065]其中Θ為相位修正值，I'和Q'為修正后的IQ序列。
[0066]分別對(duì)4個(gè)BPM信號(hào)通道的IQ序列進(jìn)行相位修正后，得到的修正后的I'Q'，再計(jì)算“和信號(hào)”的正交序列，之后就可以計(jì)算出“和信號(hào)”的相位。
[0067]4、幅度和相位計(jì)算
[0068]依據(jù)三角函數(shù)關(guān)系:cos2 Θ+sin2 Θ = 1，可以計(jì)算出正弦波的幅度d = ^//2+0。
依據(jù)反正切計(jì)算公式P = arctan —，可以計(jì)算出正弦波的相位。而Xilinx公司提供的Cordic
IPcore在Vector Translat1n模式下則可以實(shí)現(xiàn)如公式所示的幅度和相位的計(jì)算。對(duì)于相位的確定，需要選取一個(gè)參考才有意義。本發(fā)明中通過加速器系統(tǒng)提供的162.5MHz的同源高頻信號(hào)作為相位參考，通過比較BPM信號(hào)的相位和此信號(hào)的相位，來確定束流的相位。
[0069]5、位置計(jì)算方法
[0070]束流位置計(jì)算方法采用“差和比”的計(jì)算方式，如下所示:

【權(quán)利要求】
1.一種基于全數(shù)字化技術(shù)的束流位置和相位測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括模擬前端部分和數(shù)字處理部分，其中: 模擬前端部分，利用欠采樣技術(shù)對(duì)來自束流位置探測(cè)器的輸入信號(hào)進(jìn)行欠采樣，通過數(shù)字化控制的鎖相環(huán)精確調(diào)節(jié)采樣率，使之為束流位置探測(cè)器輸入信號(hào)欠采樣后數(shù)字中頻信號(hào)頻率的4倍，直接獲取束流位置探測(cè)器輸入信號(hào)的數(shù)字正交序列，以計(jì)算輸入信號(hào)的幅度和相位信息； 數(shù)字處理部分，對(duì)模擬前端部分采樣獲取的數(shù)字正交序列進(jìn)行數(shù)字處理，同時(shí)測(cè)量加速器束流位置和相位，并通過坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的算法實(shí)現(xiàn)相位的實(shí)時(shí)在線修正。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于全數(shù)字化技術(shù)的束流位置和相位測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，該模擬前端部分包括位置探測(cè)器信號(hào)模擬濾波及增益調(diào)節(jié)單元，參考信號(hào)模擬濾波及增益調(diào)節(jié)單元，時(shí)鐘產(chǎn)生單元和模擬數(shù)字變換單元，其中: 位置探測(cè)器信號(hào)模擬濾波及增益調(diào)節(jié)單元，濾除位置探測(cè)器(BPM)信號(hào)的帶外諧波，獲取二次諧波成分，并調(diào)節(jié)其幅度以適應(yīng)模擬數(shù)字變換單元的量程； 參考信號(hào)模擬濾波及增益調(diào)節(jié)單元，對(duì)參考信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)整及帶通濾波，濾出基頻成分，輸出給模擬數(shù)字變換單元及時(shí)鐘產(chǎn)生單元； 時(shí)鐘產(chǎn)生單元，將參考信號(hào)作為輸入時(shí)鐘，使用數(shù)字化控制的鎖相環(huán)精確調(diào)整輸出時(shí)鐘的頻率，以滿足模擬數(shù)字變換采樣率的要求，并扇出給模擬數(shù)字變換單元作為采樣時(shí)鐘； 模擬數(shù)字變換單元，接收位置探測(cè)器信號(hào)模擬濾波及增益調(diào)節(jié)單元和參考信號(hào)模擬濾波及增益調(diào)節(jié)單元輸入的單頻模擬信號(hào)，通過高速高精度模擬數(shù)字變換器(ADC)，將模擬信號(hào)數(shù)字化，輸出至數(shù)字處理部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于全數(shù)字化技術(shù)的束流位置和相位測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，該模擬濾波及增益調(diào)節(jié)單元均由級(jí)聯(lián)的帶通濾波器和增益調(diào)節(jié)元件構(gòu)成；在該級(jí)聯(lián)的帶通濾波器和增益調(diào)節(jié)元件中，第一級(jí)聲表面濾波器抽取輸入信號(hào)中的特征信號(hào)頻率成分，降低帶外諧波及噪聲；中間級(jí)帶通濾波器用以降低幅度調(diào)節(jié)單元的非線性帶來的諧波，同時(shí)進(jìn)一步抑制帶外噪聲；最后一級(jí)濾波器用以最終濾除前端所有模擬電路非線性帶來的諧波及帶外噪聲，進(jìn)一步提高信號(hào)的信號(hào)噪聲諧波比。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于全數(shù)字化技術(shù)的束流位置和相位測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，該時(shí)鐘產(chǎn)生單元提供的高精度時(shí)鐘，滿足采樣率為束流位置探測(cè)器輸入信號(hào)欠采樣后數(shù)字中頻信號(hào)頻率的4倍，直接獲取束流位置探測(cè)器輸入信號(hào)的正交IQ序列(I，Q，-1，-Q)，每個(gè)數(shù)字中頻信號(hào)周期內(nèi)包含4個(gè)采樣點(diǎn)，相鄰采樣點(diǎn)相位相差90度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于全數(shù)字化技術(shù)的束流位置和相位測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，該數(shù)字處理部分包括ADC數(shù)據(jù)接收單元，IQ抽取單元，IQ相位修正單元，“和信號(hào)”IQ計(jì)算單元，幅度及相位計(jì)算單元，位置及相位差計(jì)算單元，F(xiàn)IR濾波及平均處理單元，數(shù)據(jù)傳輸接口單元和前端控制邏輯單元，其中: ADC數(shù)據(jù)接收單元，接收模擬前端部分采集的數(shù)據(jù)，將Sbit雙倍數(shù)據(jù)速率的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為16bit的單倍速率數(shù)據(jù)，并在存儲(chǔ)空間中緩存，從緩存中讀取數(shù)據(jù)輸入IQ抽取單元； IQ抽取單元,接收從ADC數(shù)據(jù)接收單元的緩存中讀取的數(shù)據(jù)，從該數(shù)據(jù)中抽取正交IQ數(shù)據(jù)，經(jīng)過平均處理后送入IQ相位修正單元處理； IQ相位修正單元，對(duì)正交IQ數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，消除4個(gè)BPM感應(yīng)信號(hào)通道和參考信號(hào)通道的輸入信號(hào)到ADC輸入端的延時(shí)不一致性以及ADC采樣時(shí)鐘相位不一致性，之后將IQ數(shù)據(jù)送入“和信號(hào)” IQ計(jì)算單元以及幅度及相位計(jì)算單元； “和信號(hào)”IQ計(jì)算單元，將4個(gè)BPM感應(yīng)信號(hào)通道修正后的IQ數(shù)據(jù)通過求和運(yùn)算，得到“和信號(hào)”的IQ數(shù)據(jù)輸出至幅度及相位計(jì)算單元，以計(jì)算“和信號(hào)”的相位； 幅度及相位計(jì)算單元，使用各通道修正后的IQ數(shù)據(jù)計(jì)算出4個(gè)BPM感應(yīng)信號(hào)通道及參考信號(hào)通道共5個(gè)通道的幅度和相位值，使用“和信號(hào)”的IQ數(shù)據(jù)計(jì)算出“和信號(hào)”的相位值，送入位置及相位差計(jì)算單元； 位置及相位差計(jì)算單元，利用計(jì)算得到的4個(gè)BPM感應(yīng)信號(hào)的幅度，計(jì)算出束流截面上的X和Y方向的位置；同時(shí)，利用“和信號(hào)”的相位與參考信號(hào)的相位計(jì)算束流相位，計(jì)算得到的位置數(shù)據(jù)和相位數(shù)據(jù)被送入FIR濾波及平均單元； FIR濾波及平均處理單元，接收位置數(shù)據(jù)和相位數(shù)據(jù)，經(jīng)過FIR數(shù)字濾波器和平均處理，降低數(shù)據(jù)更新率，同時(shí)濾除高頻噪聲，處理后的數(shù)據(jù)被傳輸至數(shù)據(jù)傳輸接口單元； 數(shù)據(jù)傳輸接口單元，對(duì)輸入的位置和相位數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，并發(fā)送到系統(tǒng)控制器存儲(chǔ)，同時(shí)，接收控制命令并將其發(fā)送到前端控制邏輯單元； 前端控制邏輯單元，接收數(shù)據(jù)傳輸接口接收的控制命令，產(chǎn)生控制信號(hào)，對(duì)模擬前端進(jìn)行控制和配置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于全數(shù)字化技術(shù)的束流位置和相位測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，該IQ抽取單元接收從ADC數(shù)據(jù)接收單元的緩存中讀取的數(shù)據(jù)，從該數(shù)據(jù)中抽取正交IQ數(shù)據(jù)，經(jīng)過平均處理后送入相位修正單元處理，具體包括: 該IQ抽取單元接收從ADC數(shù)據(jù)接收單元的緩存中讀取的數(shù)據(jù)，依據(jù)模擬數(shù)字變換單元的特點(diǎn)抽取正交IQ數(shù)據(jù)；對(duì)于BPM信號(hào)通道，每4個(gè)相鄰的采樣點(diǎn)依次為1、Q、-1、-Q ;對(duì)于參考信號(hào)通道，相鄰8個(gè)采樣點(diǎn)中，間隔一個(gè)點(diǎn)抽取一個(gè)，抽出的4個(gè)點(diǎn)依次為1、Q、-1、_Q ；依此原則，分別得到BPM通道和參考信號(hào)通道的正交數(shù)據(jù)點(diǎn)；通過平均處理，送入相位修正單元。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于全數(shù)字化技術(shù)的束流位置和相位測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，該“和信號(hào)” IQ計(jì)算單元在計(jì)算“和信號(hào)”的相位時(shí)，先通過IQ相位修正單元，采用坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的算法，對(duì)單通道采樣得到的正交序列進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換，修正因?yàn)橥ǖ乐g相位延遲的不一致性而導(dǎo)致的相位偏差，再對(duì)旋轉(zhuǎn)后的正交序列求和，得到修正后的“和信號(hào)”的正交序列，進(jìn)而計(jì)算出修正后“和信號(hào)”的相位。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于全數(shù)字化技術(shù)的束流位置和相位測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，該數(shù)字處理部分包括的ADC數(shù)據(jù)接收單元，IQ抽取單元，IQ相位修正單元，“和信號(hào)” IQ計(jì)算單元，幅度及相位計(jì)算單元，位置及相位差計(jì)算單元，F(xiàn)IR濾波及平均處理單元，數(shù)據(jù)傳輸接口單元和前端控制邏輯單元集成在單片F(xiàn)PGA上。
9.一種基于全數(shù)字化技術(shù)的束流位置和相位測(cè)量方法，應(yīng)用于權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，該方法包括: 模擬前端部分利用欠采樣技術(shù)對(duì)來自束流位置探測(cè)器的輸入信號(hào)進(jìn)行欠采樣，利用數(shù)字化控制的鎖相環(huán)精確調(diào)節(jié)采樣率，使之為束流位置探測(cè)器輸入信號(hào)欠采樣后數(shù)字中頻信號(hào)頻率的4倍，直接獲取束流位置探測(cè)器輸入信號(hào)的數(shù)字正交序列，以計(jì)算輸入信號(hào)的幅度和相位信息； 數(shù)字處理部分對(duì)模擬前端部分采樣獲取的信號(hào)數(shù)字正交序列進(jìn)行數(shù)字處理，同時(shí)測(cè)量加速器束流位置和相位，并利用坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的算法實(shí)現(xiàn)相位的實(shí)時(shí)在線修正。
【文檔編號(hào)】G01T1/29GK104181577SQ201410440504
【公開日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2014年9月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月1日
【發(fā)明者】趙雷, 高興順, 胡曉芳, 劉樹彬, 安琪 申請(qǐng)人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)