一种实现提高束流位置测量精度的快速校准和计算方法及快速校准系统技术方案

本发明专利技术公开了一种实现提高束流位置测量精度的快速校准和计算方法及快速校准系统包括：所述方法包括：步骤1、开始全自动校准过程，信号发生器产生激励信号，利用反射信号对信号进行采样，获得采样结果，并校准电缆的相位和幅度；步骤2、基于快速采样方法，采取欠采样的方式，实现快速幅相提取；步骤3、加入旋转矩阵，对IQ数据进行归一化；步骤4、其中参考时钟，采取和束流信号相参的方式，可以移相，进行实现最大幅度的检测，确保最大限度提高信噪比。确保最大限度提高信噪比。

【技术实现步骤摘要】
一种实现提高束流位置测量精度的快速校准和计算方法及快速校准系统


[0001]本专利技术涉粒子加速器束流诊断
，具体是一种实现提高束流位置测量精度的快速校准和计算方法及快速校准系统。

技术介绍

[0002]束流位置探测器(BPM)是加速器运行、调试必需的测量元件，准确的束流位置测量，对于加速器的调试、优化具有重要的意义。
[0003]当高能束流穿过探测器内部管道时，根据电磁感应原理，探测器内部的电极会感应出相应电流，形成电动势。当高能束流向某一方向偏移时，该方向的电极产生的感应电势会增大，同时反方向电极的感应电势就会减小，故通过比对电极采集到的电信号即可测出束流的偏移方向及偏移的程度，从而提供对束流的位置进行校正的依据。
[0004]在粒子加速器领域中，数字BPM(Beam Position Monitor，束流位置探测器)是进行束流位置测量的关键设备。其系统硬件以完成高分辨率的束流位置测量为目的进行设计，硬件结构通常主要包括：BPM探头、同轴传输线缆、射频调理电路和数字处理电路等。
[0005]对于粒子加速器系统中使用的BPM测量系统，需要准确的标定BPM探头，获得准确的幅度、相位信息，进而反演出准确的束流位置等关键粒子加速器参数，是一个亟需提高解决的难题。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：提供一种实现提高束流位置测量精度的快速校准和计算方法及快速校准系统，以解决现有技术存在的上述问题。
[0007]技术方案：一种实现提高束流位置测量精度的快速校准和计算方法，包括：
[0008]准备工作，将BPM探头与提高束流位置测量精度的快速校准系统连接；
[0009]步骤1、开始全自动校准过程，信号发生器产生激励信号，利用反射信号对信号进行采样，获得采样结果，并校准电缆的相位和幅度；
[0010]步骤2、基于快速采样方法，采取欠采样的方式，实现快速幅相提取；通过欠采样辅以快速算法的方式，避免过于复杂的射频前端的设计，以及这个复杂射频前端设计带来的噪声、延时、幅度相应的不确定性。
[0011]步骤3、加入旋转矩阵，对IQ数据进行归一化；
[0012]步骤4、其中参考时钟，采取和束流信号相参的方式，可以移相，进行实现最大幅度的检测，确保最大限度提高信噪比；
[0013]由于输入的信号频率较高，从工程实现难度、ADC的成本造价等角度出发，我们不选择过高的ADC采样率。
[0014]在进一步实施例中，采取射频直接采样的方式：
[0015]接收前端部分输出的数字正交I，Q序列，因为束流响应取样信号为正弦信号，采用
正交分析的方法获得IQ结果。
[0016]实际校准产生的信号为窄脉冲信号给BPM探头的采集端口，电缆采用实际系统使用的电缆。因为BPM探头的终端为一个极板，信号会反射回来。
[0017]这个反射的信号和发射信号之间的时间差就是整个BPM测量电缆的延时。
[0018]通过这种方式，我们不仅可以计量出电缆的延时时间，也可以计量出电缆的延时时间差异。
[0019]校准电缆的相位和幅度时，由于BPM探头不同通道(A,B,C,D)之间的相位延迟可以通过计算，测量得到的相位延迟由束流的延迟、不同传输电缆之间的延迟差、采样电路的延迟差异组成，即
[0020]对采样电路的延迟差异进行消除，公式如下：
[0021][0022]不同传输电缆之间的延迟差，通过采用等长电缆的方式获得最大化的消除，同时对于物理电缆的长度细微差异造成的相位残差，可以用校准的方式解决，公式如下：
[0023][0024]通过这种方式，我们可以校准出射频电缆的差异，包括幅度相应和频率响应的差异，差异补偿后，形成正式BPM工作时的校准系数，优化BPM的探测精度；
[0025]上述探测过程，采取全自动的方法完成。
[0026]在进一步实施例中，利用AD采集代表束流的射频信号，当选择的采样率满足如下关系时，可以直接得到输入信号频率的I，Q正交序列。
[0027]基于采样点得到的采样结果数据即可直接表示出IQ信号。
[0028]采样过程中由于f
s
和f
RF
的频率差异，每两个采样点之间的相位间隔为θ，为保证采样结果不混叠，f
s
不能低于信号的调制带宽B，连续两次采样量化后的采样结果为：
[0029][0030]其中，y
i
、y
i+1
为前后两个采样周期，第i次采样和第i+1次采样的采样结果数据；
[0031]进一步的，IQ信号与采样结果数据之间的矩阵表达式为：
[0032][0033]该矩阵表达式可进一步换算为：
[0034][0035]其中，D可以简化为sinθ，若仅考虑i为奇数，那么上式可进一步简化为：
[0036][0037]即IQ采样单次结果，该情况下，IQ信号可表示为：
[0038][0039]基于上述方式，基于采样结果数据即可表示出IQ信号，从而提高系统的计算速度、精度、降低计算量，进而提高系统的重复一致性和稳定性，并且可以降低直流偏置误差、时钟抖动误差、模数转换的量化误差和系统噪声等，提高解调精度。
[0040]在进一步实施例中，采样获得的I/Q数据，通过旋转矩阵进行矫正，实现IQ数据的归一化操作；
[0041]IQ结果再经过数字滤波器后，转换为信号的幅度和相位。
[0042]在进一步实施例中，针对采样结果的相位，调整采样时钟信号的相位，实现对射频信号的幅度峰值的采样，进而提高信号的信噪比计算结果。
[0043]在进一步实施例中，利用幅度、相位计算单元计算得到的四个束流位置探测器探头的信号的幅度，使用差和比计算束流的X，Y坐标位置。
[0044]相应的差和比算法为本领域的常规实现方法，在本专利技术里头不在赘述。
[0045]一种实现提高束流位置测量精度的快速校准系统，包括：
[0046]与BPM探头连接的射频电缆，以及与所述射频电缆连接的信号发生器、环形器、AD采样器及控制器；
[0047]加入收发双工器(环形器)，来实现产生射频信号和射频反射信号的采集处理。
[0048]信号发生器产生射频信号，通过射频电缆+环形器，信号发生器产生的激励信号，通过射频电缆和环形器，并通过BPM极板取得反射信号。
[0049]反射的信号通过环形器取样回来，通过AD芯片采集获得相应信号的幅度、相位(延时)信息；
[0050]射频电缆与BPM探头的A通道连接；
[0051]同样的，B通道、C通道、D通道，均可以通过上述方式连接。
[0052]有益效果：本专利技术公开了一种实现提高束流位置测量精度的快速校准和计算方法及快速校准系统，本专利技术通过信号发生器产生激励信号，利用反射信号对信号进行采样，获得采样结果，并校准电缆的相位和幅度，使用欠采样辅以快速算法的方式，避免过于复杂的射频前端的设本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种实现提高束流位置测量精度的快速校准和计算方法，其特征在于，包括：步骤1、开始全自动校准过程，信号发生器产生激励信号，利用反射信号对信号进行采样，获得采样结果，并校准电缆的相位和幅度；步骤2、基于快速采样方法，采取欠采样的方式，实现快速幅相提取；步骤3、加入旋转矩阵，对IQ数据进行归一化；步骤4、其中参考时钟，采取和束流信号相参的方式，进行实现最大幅度的检测，确保最大限度提高信噪比。2.根据权利要求1所述的一种实现提高束流位置测量精度的快速校准和计算方法，其特征是：校准电缆的相位和幅度时，由于BPM探头不同通道之间的相位延迟可以通过计算，测量得到的相位延迟由束流的延迟、不同传输电缆之间的延迟差、采样电路的延迟差异组成，即差、采样电路的延迟差异组成，即表示某个探头通道的相位测量值；表示另外一个探头通道的相位测量值；对采样电路的延迟差异进行消除，公式如下：对采样电路的延迟差异进行消除，公式如下：为某个通道的测量相位；为另外一个通道的测量相位；不同传输电缆之间的延迟差，通过采用等长电缆的方式获得最大化的消除，同时对于物理电缆的长度细微差异造成的相位残差，可以用校准的方式解决，公式如下：物理电缆的长度细微差异造成的相位残差，可以用校准的方式解决，公式如下：表示2号通道的相位测量值，表示1号通道的相位测量值。3.根据权利要求1所述的一种实现提高束流位置测量精度的快速校准和计算方法，其特征是：采样过程中由于f
s
和f
RF
的频率差异，每两个采样点之间的相位间隔为θ，为保证采样结果不混叠，f
s
不能低于信号的调制带宽B，连续两次采样量化后的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王志宇，蔡晓葳，付浩然，雷钰，万宏，赵夏青，卢晓通，刘学锋，冯雨，吕银龙，
申请(专利权)人：国电投核力电科无锡技术有限公司，
类型：发明
国别省市：