CN108815723A - 高频腔失谐检测单元及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种高频腔失谐检测单元及其检测方法，本公开提供的高频腔失谐检测单元包括数据采集模块和处理器组件；数据采集模块直接采集高频腔腔体的取样信号；处理器组件包括FPGA；处理器组件与数据采集模块相连，对数据采集模块采集的取样信号进行数字鉴相获得相位参数，并将相位参数进行线性拟合，以计算得到失谐相角。本公开用于脉冲模式下的质子或重离子束治癌装置直线加速器自动调谐系统，使高频腔工作在谐振状态。

Description

高频腔失谐检测单元及其检测方法

技术领域

本公开涉及加速器低电平控制技术领域，尤其涉及一种高频腔失谐检测单元及其检测方法。

背景技术

谐振腔作为质子或重离子束治癌装置直线加速器高频系统的重要组成部分，在粒子加速的过程中起着重要的作用。谐振腔的关键特性是固有谐振频率和腔体阻抗，加速器正常工作时谐振腔处于谐振状态下，固有频率和高频参考频率基本一致，腔体阻抗与发射机基本匹配，发射机输出功率传输到谐振腔，在腔体中建立满足物理加速电压要求的加速电场，实现对带电粒子的加速。在实际运行当中，由于高频输出功率的大小、束流的强弱、腔体损耗发热引起物理形变、机械振动等因素的影响，谐振腔的固有频率会发生变化，使腔体固有频率和高频参考频率不一致，造成腔体失谐。因此需要腔体失谐检测单元对失谐情况进行检测，并根据失谐情况控制腔体调谐装置，使腔体的失谐保持在允许的范围内。

现有技术利用高频腔体的输入输出信号测量腔体失谐角，失谐角定义为腔体取样信号和输入信号的相位差，依据腔体输入输出特性，在腔体谐振状态下，失谐角为零、输出幅度最大；通过鉴相环节测量腔体输入和取样信号的相位参数，然后进行比相，同时通过检波环节测量取样信号幅度，对比相结果依据取样信号幅度参数进行相位校正，获得腔体失谐角。

但目前现有技术中还存在以下问题，首先，依据腔体输入输出特性，需要同时测量前向信号和取样信号的稳态相位参数，对于质子或重离子束治癌装置直线加速器一般工作在脉冲模式下的，射频脉冲宽度一般为几百个微秒，现有技术需要剔除脉冲上下沿的瞬态响应过程；其次现有技术需要测量失谐角，对取前向信号和取样信号的进行比相，但由于存在线缆长度等因素引起的相移，比相结果需要依据取样信号幅度参数进行相位校正，不同输出功率下需要重新校相；最后，现有技术在鉴相检波时，前向信号和取样信号需要通过模拟射频前端变频至中频信号，而模拟视频前端容易受温度等因素影响，需要放置在恒温箱中。因此，现有技术还亟有待于改进和发展。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种高频腔失谐检测单元及其检测方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种高频腔失谐检测单元包括：数据采集模块和处理器组件；数据采集模块直接采集高频腔腔体的取样信号；处理器组件包括FPGA；处理器组件与数据采集模块相连，对数据采集模块采集的取样信号进行数字鉴相获得相位参数，并将相位参数进行线性拟合，以计算得到失谐相角。

在本公开的一些实施例中，FPGA包括：IQ解调模块、数字鉴相模块和失谐计算模块；IQ解调模块获取IQ参数；数字鉴相模块根据获取的IQ参数获取相位参数；失谐计算模块将相位参数进行线性拟合计算，获取高频腔腔体失谐信息Δω；根据失谐信息Δω计算失谐频率Δf；根据失谐频率Δf和已知参数Q1计算失谐相角。

在本公开的一些实施例中，处理器组件还包括DSP，DSP与FPGA相连，对FPGA进行辅助运算处理。

在本公开的一些实施例中，数据采集模块为模数转换器。

在本公开的一些实施例中，模数转换器的分辨率为8位、10位、12位和/或16位中的任一种。

根据本公开的一个方面，还提供了一种高频腔失谐检测方法包括：步骤A：在高频腔取样信号通过数据采集模块采集样本点；步骤B：样本点通过处理器组件中的FPGA进行数字鉴相，并将相位参数进行线性拟合，求得高频腔腔体失谐信息Δω；步骤C：根据高频腔腔体失谐信息Δω，计算获得失谐频率Δf；步骤D：根据高频腔腔体已知参数Q1和失谐频率Δf，计算失谐相角。

在本公开的一些实施例中，步骤A包括：根据高频腔腔体取样信号采集样本点；高频腔腔体取样信号表达式为：

其中，V(t)为高频腔腔体取样信号，A为幅度，f为频率，t为时间，为相位。

在本公开的一些实施例中，步骤B包括：子步骤B1：通过IQ解调模块获取IQ参数，IQ参数的表达式为：

其中，I为同相分量，Q为正交分量，A为幅度，为相位；子步骤B2：通过数字鉴相模块，在高频腔取样信号相位曲线的下降沿获取相位参数，相位参数表达式为：

其中，为相位，I为同相分量，Q为正交分量；子步骤B3：通过失谐计算模块，将N个相位参数进行线性拟合计算，获取高频腔腔体失谐信息Δω。

在本公开的一些实施例中，步骤C中根据高频腔腔体失谐信息Δω，计算获得失谐频率Δf，失谐频率Δf表达式为：

其中，Δω为失谐信息，Δf为失谐频率。

在本公开的一些实施例中，步骤D中失谐相角表达式为

其中，θ为失谐相角，Δf为失谐频率，f为频率，Q_l为腔体品质因数。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开高频腔失谐检测单元及其检测方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)数据采集模块直接采集高频腔腔体的取样信号，有效提高了信号取样的效率。

(2)在FPGA中完成数字鉴相，充分利用FPGA快速定点处理的优势。

(3)在高频腔取样信号相位曲线的下降沿期间通过样本点线性拟合，能够更加准确的检测腔体失谐，适用于加速器高频腔谐振频率控制系统，进而应用于生物(医疗)、航天和工业等领域。

(4)DSP与FPGA连接，通过采用DSP对FPGA进行辅助运算处理，以充分发挥DSP的浮点运算能力和FPGA的快速定点处理的优势。

附图说明

图1为本公开实施例高频腔失谐检测单元的结构示意图。

图2为本公开实施例高频腔失谐检测方法的流程框图。

图3为本公开实施例高频腔输入输出幅度相位特性。

图4为本公开实施例高频腔取样信号相位曲线。

图5为本公开另一实施例中高频腔失谐检测单元的结构示意图。

具体实施方式

本公开提供了一种高频腔失谐检测单元及其检测方法。本公开提供的高频腔失谐检测单元包括数据采集模块和处理器组件；数据采集模块直接采集高频腔腔体的取样信号；处理器组件包括FPGA；处理器组件与数据采集模块相连，对数据采集模块采集的取样信号进行数字鉴相获得相位参数，并将相位参数进行线性拟合，以计算得到失谐相角。本公开用于脉冲模式下的质子或重离子束治癌装置直线加速器自动调谐系统，使高频腔工作在谐振状态。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种高频腔失谐检测单元。图1为本公开实施例高频腔失谐检测单元的结构示意图。如图1所示，本公开高频腔失谐检测单元，包括：数据采集模块和处理器组件。数据采集模块直接采集高频腔腔体的取样信号；处理器组件包括FPGA；处理器组件与数据采集模块相连，对数据采集模块采集的取样信号进行数字鉴相获得相位参数，并将相位参数进行线性拟合，以计算得到失谐相角。FPGA包括：IQ解调模块、数字鉴相模块和失谐计算模块；IQ解调模块获取IQ参数。数字鉴相模块根据获取的IQ参数获取相位参数。失谐计算模块将相位参数进行线性拟合计算，获取高频腔腔体失谐信息Δω；根据失谐信息Δω计算失谐频率Δf；根据失谐频率Δf和已知参数Q_l计算失谐相角。数据采集模块为模数转换器。模数转换器的分辨率为8位、10位、12位和/或16位中的任一种，这里优选用16位。

在本公开的第一个示例性实施例中，还提供了一种高频腔失谐检测方法。图2为本公开实施例高频腔失谐检测方法的流程框图。如图2所示，包括：步骤A：在高频腔取样信号通过数据采集模块采集样本点；步骤B：样本点通过处理器组件中的FPGA进行数字鉴相，并将相位参数进行线性拟合，求得高频腔腔体失谐信息Δω；步骤C：根据高频腔腔体失谐信息Δω，计算获得失谐频率Δf；步骤D：根据高频腔腔体已知参数Q1和失谐频率Δf，计算失谐相角。

图3为本公开实施例高频腔输入输出幅度相位特性。如图3所示，在谐振状态下，失谐角为零，输出幅度最大。图4为本公开实施例高频腔取样信号相位曲线。如图4所示，步骤A中，根据高频腔腔体取样信号表达式中高频腔腔体取样信号与时间t间的线型关系，采集样本点；高频腔腔体取样信号表达式为：

其中，V(t)为高频腔腔体取样信号，A为幅度，f为频率，t为时间，为相位。

步骤B还包括：

子步骤B1：通过IQ解调模块获取IQ参数，IQ参数的表达式为：

其中，I为同相分量，Q为正交分量，A为幅度，为相位。

子步骤B2：通过数字鉴相模块，在高频腔取样信号相位曲线的下降沿获取相位参数，相位参数表达式为：

其中，为相位，I为同相分量，Q为正交分量。

子步骤B3：通过失谐计算模块，将相位参数进行线性拟合计算，获取高频腔腔体失谐信息Δω。

步骤C中，根据高频腔腔体失谐信息Δω，计算获得失谐频率Δf，失谐频率Δf表达式为：

其中，Δω为失谐信息，Δf为失谐频率。

步骤D中，失谐相角表达式为

其中，θ为失谐相角，Δf为失谐频率，f为频率，Q_l为腔体品质因数。

在本公开的第二个示例性实施例中，图5为本公开另一实施例中高频腔失谐检测单元的结构示意图。如图5所示，本示例性实施例与第一个示例性实施例的区别在于高频腔失谐检测单元的处理器组件中还包括DSP，DSP与FPGA相连，对FPGA进行辅助运算处理，充分发挥DSP的浮点运算能力和FPGA的快速定点处理的优势。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开高频腔失谐检测单元及其检测方法有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供的高频腔失谐检测单元及其检测方法，适用于脉冲模式下的质子或重离子束治癌装置直线加速器自动调谐系统，使高频腔工作在谐振状态。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高频腔失谐检测单元，包括：

数据采集模块，直接采集高频腔腔体的取样信号；

处理器组件，所述处理器组件包括FPGA；所述处理器组件与所述数据采集模块相连，对所述数据采集模块采集的取样信号进行数字鉴相获得相位参数，并将相位参数进行线性拟合，以计算得到失谐相角。

2.根据权利要求1所述的高频腔失谐检测单元，所述FPGA包括：

IQ解调模块，获取IQ参数；

数字鉴相模块，根据获取的IQ参数获取相位参数；

失谐计算模块，将相位参数进行线性拟合计算，获取高频腔腔体失谐信息Δω；根据失谐信息Δω计算失谐频率Δf；根据失谐频率Δf和已知参数Q1计算失谐相角。

3.根据权利要求1所述的高频腔失谐检测单元，所述处理器组件还包括DSP，所述DSP与所述FPGA相连，对所述FPGA进行辅助运算处理。

4.根据权利要求1所述的高频腔失谐检测单元，所述数据采集模块为模数转换器。

5.根据权利要求4所述的高频腔失谐检测单元，所述模数转换器的分辨率为8位、10位、12位和/或16位中的任一种。

6.一种高频腔失谐检测方法，包括：

步骤A：在高频腔取样信号通过数据采集模块采集样本点；

步骤B：样本点通过处理器组件中的FPGA进行数字鉴相，并将相位参数进行线性拟合，求得高频腔腔体失谐信息Δω；

步骤C：根据高频腔腔体失谐信息Δω，计算获得失谐频率Δf；

步骤D：根据高频腔腔体已知参数Q1和失谐频率Δf，计算失谐相角。

7.根据权利要求6所述的一种高频腔失谐检测方法，步骤A包括：根据高频腔腔体取样信号采集样本点；高频腔腔体取样信号表达式为：

其中，V(t)为高频腔腔体取样信号，A为幅度，f为频率，t为时间，为相位。

8.根据权利要求6所述的一种高频腔失谐检测方法，步骤B包括：

子步骤B1：通过IQ解调模块获取IQ参数，IQ参数的表达式为：

其中，I为同相分量，Q为正交分量，A为幅度，为相位；

子步骤B2：通过数字鉴相模块，在高频腔取样信号相位曲线的下降沿获取相位参数，相位参数表达式为：

其中，为相位，I为同相分量，Q为正交分量；

子步骤B3：通过失谐计算模块，将N个相位参数进行线性拟合计算，获取高频腔腔体失谐信息Δω。

9.根据权利要求6所述的一种高频腔失谐检测方法，步骤C中根据高频腔腔体失谐信息Δω，计算获得失谐频率Δf，失谐频率Δf表达式为：

其中，Δω为失谐信息，Δf为失谐频率。

10.根据权利要求6所述的一种高频腔失谐检测方法，步骤D中失谐相角表达式为

其中，θ为失谐相角，Δf为失谐频率，f为频率，Q_l为腔体品质因数。