CN112698096B - 一种逐束团三维位置测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种逐束团三维位置测量系统，包括若干钮扣型束流位置探头，每个束流位置探头均通过同轴电缆与一分相采样电路相连，所述分相采样电路与一数据采集系统电连接，且所述数据采集系统与一定时系统电连接。本发明的逐束团三维位置测量系统节约了测量时间并且保证了数据一致性。本发明还涉及一种逐束团三维位置测量方法，采用分相采样技术，并通过建立查找表进行模式匹配的方式获取信号幅度和相位信息，不仅避免了线性拟合带来的测量误差，还有效去除了时钟抖动和相位振荡带来的影响，提高了逐束团三维位置信息提取的精度。

Description

一种逐束团三维位置测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及粒子加速器物理束流诊断技术，更具体地涉及一种逐束团三维位置测量系统及测量方法。

背景技术

对于多电极的束流位置探测器，以图1所示的电子储存环上的带有四个电极A、B、C、D的钮扣型束流位置探测器(探头)(BPM)为例，为获得逐束团三维位置信息(横向位置、纵向相位)，当前的测量方法为先对四个电极输出的信号分别进行处理，再用数据采集板卡进行采样。具体地，测量原理如图2所示，先搭一套横向位置采集系统，利用峰值检测技术分别获取四个电极信号的峰值点，通过差比和算法提取位置信息。然后搭一套纵向相位采集系统，利用过零检测技术获取四个电极信号的过零点的附近两点，再通过线性拟合提取相位信息。其中，差比和算法公式如下：

式中，U表示水平位置，V表示垂直位置。

上述两套系统的信号采样点需通过采集系统的外部时钟控制，在横向位置系统中，需保证每个电极信号的采样点都位于峰值点处，但外部时钟的抖动和束团相位的振荡均会造成峰值点采样的偏移，从而导致测量存在误差。而在纵向相位系统中，需保证两个存在固定相位差(T)的采样点位于信号上升沿线性区，但外部时钟的抖动同样会带来采样点相位偏移，造成测量误差。并且，由于每个电极获得的感应电压信号为类正弦信号，而正弦信号过零点处是近似线性而并非正常的线性关系，所以拟合得到的过零点相位存在偏差。另外，这种测量方法需要用到更多的实验仪器，而且对于逐束团三维位置测量的同步采样要求很高。

发明内容

为解决上述现有技术中的问题，本发明提供一种逐束团三维位置测量系统及测量方法，能够减小测量误差，并且提高逐束团三维位置信息提取的精度。

本发明提供的一种逐束团三维位置测量系统，包括若干钮扣型束流位置探头，每个束流位置探头均通过同轴电缆与一分相采样电路相连，所述分相采样电路与一数据采集系统电连接，所述数据采集系统与一定时系统电连接，并且所述数据采集系统包括时钟信号接口，所述定时系统具有时钟信号，所述时钟信号通过移相器与所述时钟信号接口相连。

进一步地，所述分相采样电路包括若干功分器，每个功分器的输出端均与第一电缆和第二电缆相连，所述第一电缆和所述第二电缆之间具有固定延迟时间。

优选地，所述固定延迟时间为300ps。

进一步地，所述数据采集系统包括若干通道，每个第一电缆和第二电缆均与其中一个通道相连。

进一步地，所述数据采集系统还包括触发信号接口，所述定时系统还具有触发信号，所述触发信号与所述触发信号接口相连。

本发明还提供一种逐束团三维位置测量方法，包括：

步骤S1，提供如权利要求1-5所述的逐束团三维位置测量系统。

步骤S2，将模式选择为单束团填充模式，每个束流位置探头对束团进行感应，并将感应到的束团电压信号输入至分相采样电路，利用所述分相采样电路对束团电压信号进行分相，利用数据采集系统采集具有固定相位差的两个采样点的数据。

步骤S3，利用所述逐束团三维位置测量系统的移相器对时钟信号进行调节，构建束团响应函数。

步骤S4，根据所述束团响应函数，建立束团电压信号的相位查找表和幅度查找表。

步骤S5，选择新的束团填充模式，每个束流位置探头对新束团进行感应，并将感应到的新束团电压信号输入至所述分相采样电路，利用所述分相采样电路对新束团电压信号进行分相，利用所述数据采集系统采集具有固定相位差的两个新的采样点的数据。

步骤S6，根据两个新的采样点的数据以及所述相位查找表和幅度查找表，通过模式匹配找出对应的相位和幅度信息，并根据所述相位和幅度信息获取逐束团三维位置信息。

进一步地，所述步骤S3中构建束团响应函数的方法为：对所述时钟信号每次增加固定相移，并记录所述数据采集系统采集到的数据，直至遍历整个束团，再通过数据拼接的方式构建完整的束团响应函数。

进一步地，所述步骤S4包括：

步骤S41，对所述束团响应函数进行固定相移的延迟扫描，每次扫描均采集具有固定相位差的两个采样点(V_1,i,V_2,i,i＝1,2,…,N)的幅度、相位，同时采集过零点的相位和峰值点的幅度。

步骤S42，计算所述两个采样点的幅度和差之比以及第一个采样点与过零点之间的相位差/>建立相位查找表/>

步骤S43，计算所述两个采样点的幅度之比以及第一个采样点与峰值点之间的幅度比/>建立幅度查找表/>

优选地，所述束团响应函数延迟扫描的固定相移采用1ps。

进一步地，所述步骤S6包括：

步骤S61，获取两个新的采样点的幅度，计算所述两个新的采样点的幅度和差之比以及幅度之比/>

步骤S62，根据两个新的采样点的幅度和差之比在相位查找表中找到对应的相位/>

步骤S63，根据两个新的采样点的幅度之比在幅度查找表中找到第一个采样点与峰值点的比值/>计算出新束团电压信号在每个束流位置探头处的峰值，利用差比和公式求出束团横向位置。

本发明的逐束团三维位置测量系统不再采用两套测量系统来分别获取幅度和相位信息，而是采用了集成度较高的同步采集系统来完成数据的获取，节约了测量时间并且保证了数据一致性。同时，本发明采用分相采样技术，通过建立查找表进行模式匹配的方式获取信号幅度和相位信息，不仅避免了线性拟合带来的测量误差，还有效去除了时钟抖动和相位振荡带来的影响，提高了逐束团三维位置信息提取的精度。

附图说明

图1是现有的钮扣型束流位置探测器的结构示意图。

图2是现有的测量束流位置和相位的方法的原理图。

图3是按照本发明的逐束团三维位置测量系统的结构示意图。

图4是按照本发明的逐束团三维位置测量方法构建的束团响应函数示意图。

图5是按照本发明的逐束团三维位置测量方法的原理图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

如图3所示，本发明一较佳实施例的逐束团三维位置测量系统，包括N个安装在隧道内束流管道上的钮扣型束流位置探头1、分相采样电路2、数据采集系统3以及定时系统4，其中，每个束流位置探头1均通过同轴电缆5与分相采样电路2相连，同轴电缆5将束流位置探头1输出的电压信号引出，输入至分相采样电路2，分相采样电路2与数据采集系统3电连接，数据采集系统3与定时系统4电连接。

分相采样电路2包括N个一分二功分器21和2N根电缆，N为正整数，功分器21用于将输入的每个电压信号分成两路，每个功分器21的输出端均与第一电缆22和第二电缆23相连，且第一电缆22和第二电缆23之间具有固定延迟时间，使得两路电压信号具有固定相位差。在本实施例中，该固定延迟时间为300ps，既能保证采样点处于线性区，又使采样点靠近峰值，能够提高信噪比。

数据采集系统3包括2N个通道31以及触发信号接口32和时钟信号接口33，其中，每根第一电缆22和第二电缆23均与其中一个通道31相连，触发信号接口32和时钟信号接口33均与定时系统4相连。

定时系统4采用现有的定时系统，例如由加速器直接引出的定时系统，其具有触发信号和时钟信号。触发信号与触发信号接口32相连，能够保证数据采集的起始位置对齐，以便多次数据采集评估。时钟信号通过相位连续可调的移相器6与时钟信号接口33相连，移相器6能够遍历整个束团，其通过调节时钟信号来控制采样点位置，使得采样点位置保持在束流信号过零点上下两端靠近峰值点处，以提高数据采集的信噪比。具体地，调节移相器6的同时对束团信号进行采样，经过数据整形可以实时观测第一圈每个束团上采集的两个采样点数值，当两个采样点处于零点上下两端时即停止移相。本发明对采样点并没有严格对称的要求只需通过肉眼判断即可。而是否靠近峰值点完全取决于上述第一电缆22和第二电缆23的相位差，第一电缆22和第二电缆23的固定延迟时间为300ps即可满足条件。

本发明还提供一种逐束团三维位置测量方法，包括以下步骤：

步骤S1，提供上述的逐束团三维位置测量系统。

步骤S2，将模式选择为单束团填充模式，每个束流位置探头1对束团进行感应，并将感应到的电压信号输入至分相采样电路2，利用分相采样电路2对电压信号进行分相，使得数据采集系统3能采集到具有固定相位差的两个采样点。该固定相位差取决于第一电缆22和第二电缆23之间的固定延迟时间。

步骤S3，利用移相器6对定时系统4中的时钟信号42进行调节，构建束团响应函数。

具体地，对时钟信号每次增加固定相移，并记录数据采集系统3采集到的数据，直至遍历整个束团，再通过数据拼接的方式构建完整的束团响应函数，构建的束团响应函数如图4所示。需要说明的是，每次增加的固定相移越小，构建的响应函数越精确，但数据处理越复杂。

对于理想的钮扣型束流位置探头，其N个电极对同一个束团的响应函数是完全相同的，因此感应到的信号波形在时域中也完全相似，因此建立的相位和幅度查找表也是唯一确定的。

步骤S4，根据束团响应函数，建立束团电压信号的相位查找表和幅度查找表。具体包括：

步骤S41，对束团响应函数进行固定相移的延迟扫描，每次扫描均采集具有固定相位差的两个采样点(V_1,i,V_2,i,i＝1,2,…,N)的幅度、相位，同时采集过零点的相位和峰值点的幅度。采集的两个采样点的数据个数与束团响应函数延迟扫描的固定相移有关，该固定相移越小，获得的测量精度越高，但同时构建的查找表越庞大从而使得数据处理的时间较长。在本实施例中，束团响应函数延迟扫描的固定相移采用1ps。

步骤S42，计算两个采样点的幅度和差之比以及第一个采样点与过零点之间的相位差/>建立相位查找表/>

举例来说，假设扫描后采集到的两个采样点的幅度数据分别为(2,3,4,5,……)和(-1,-2,-3,-4，……)，经过计算得到一组幅度和差之比与每次采集对应过零点相位的数据(1/3,1/2π)，(1/5,1/3π)，(1/7,1/4π)，(1/9,1/5π)，……，这若干组计算得到的数据则建立一张相位查找表。

步骤S43，类似地，计算两个采样点的幅度之比以及第一个采样点与峰值点之间的幅度比/>建立幅度查找表/>

步骤S5，选择新的束团填充模式，每个束流位置探头1对新束团进行感应，并将感应到的新束团电压信号输入至分相采样电路2，利用分相采样电路2对新束团电压信号进行分相，利用数据采集系统3采集具有固定相位差的两个新的采样点(V'_1,i,V'_2,i,i＝1,2,...,N)的数据。

步骤S6，根据两个新的采样点的数据以及建立的相位查找表和幅度查找表，通过模式匹配找出对应的相位和幅度信息，并根据相位和幅度信息获取逐束团三维位置信息。具体包括：

步骤S61，获取两个新的采样点的幅度，计算两个新的采样点的幅度和差之比以及幅度之比/>

步骤S62，根据两个新的采样点的幅度和差之比在相位查找表中找到对应的相位/>根据找到的相位/>可以计算出不同束团之间的相位差以及单个束团随时间的相位振荡关系，对于加速器束流纵向研究有着重要意义。

举例来说，假设加速器储存环中一共填充了5个束团，束流位置探头1一共测量1分钟，每个束团绕环走了100圈，那么本发明的三维测量系统可以测到每个束团100圈的数据。对于单个束团来说，它一共有100圈，就有100个例如(100ps、100.1ps、99.9ps、99.8ps、100.2ps……)，对于这些数值，扣除平均值100ps之后，(0ps、0.1ps、-0.1ps、-0.2ps、0.2ps……)就是随时间的相位振荡，5个束团之间的相差即为(0ps、1ps、2ps、3ps、4ps)。

步骤S63，根据两个新的采样点的幅度之比在幅度查找表中找到第一个采样点与峰值点的比值/>计算出新束团电压信号在每个束流位置探头处的峰值，然后利用差比和算法求出束团横向位置。

采用本发明的分相采样法来确定BPM电极信号的相位，即使存在时钟抖动带来的采样点相位偏差，对于两个关于过零点对称的采样点来说，其幅度值是同比缩放的，即得到的测量结果为比例系数k是相同的，计算过程中可以约掉，因此从相位查找表中得到的相位去除了时钟抖动带来的测量误差。同样地，采用本发明的分相采样法来确定BPM电极信号的峰值点，采样点幅度比/>同样可以约除比例系数，从而减小测量误差。此外，采用查找表的方式也有效避免了线性拟合带来的测量误差。

如图5所示，本发明利用分相采样技术同时处理束流位置探头的多个电极输出信号，通过构建响应函数和查找表的方法获得信号的幅度和相位，从而得到逐束团三维位置信息，不仅提高了系统的集成度，而且还能有效地去除时钟抖动和束团本身相位振荡带来的测量误差，进一步提高了逐束团三维位置的提取精度。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (5)

1.一种逐束团三维位置测量系统，包括若干钮扣型束流位置探头，其特征在于，每个束流位置探头均通过同轴电缆与一分相采样电路相连，所述分相采样电路与一数据采集系统电连接，所述数据采集系统与一定时系统电连接，并且所述数据采集系统包括时钟信号接口，所述定时系统具有时钟信号，所述时钟信号通过移相器与所述时钟信号接口相连；同轴电缆将束流位置探头输出的电压信号引出，输入至分相采样电路；所述分相采样电路包括若干功分器，功分器用于将输入的每个电压信号分成两路，每个功分器的输出端均与第一电缆和第二电缆相连，所述第一电缆和所述第二电缆之间具有固定延迟时间，使得两路电压信号具有固定相位差；所述数据采集系统包括若干通道，每个第一电缆和第二电缆均与其中一个通道相连；所述数据采集系统还包括触发信号接口，所述定时系统还具有触发信号，所述触发信号与所述触发信号接口相连，能够保证数据采集的起始位置对齐；移相器能够遍历整个束团，其通过调节时钟信号来控制采样点位置，使得采样点位置保持在电压信号过零点上下两端靠近峰值点处。

2.根据权利要求1所述的逐束团三维位置测量系统，其特征在于，所述固定延迟时间为300ps。

3.一种逐束团三维位置测量方法，其特征在于，包括：

步骤S1，提供如权利要求1-2之一所述的逐束团三维位置测量系统；

步骤S2，将模式选择为单束团填充模式，每个束流位置探头对束团进行感应，并将感应到的束团电压信号输入至分相采样电路，利用所述分相采样电路对束团电压信号进行分相，利用数据采集系统采集具有固定相位差的两个采样点的数据；

步骤S3，利用所述逐束团三维位置测量系统的移相器对时钟信号进行调节，构建束团响应函数；

步骤S4，根据所述束团响应函数，建立束团电压信号的相位查找表和幅度查找表；

步骤S5，选择新的束团填充模式，每个束流位置探头对新束团进行感应，并将感应到的新束团电压信号输入至所述分相采样电路，利用所述分相采样电路对新束团电压信号进行分相，利用所述数据采集系统采集具有固定相位差的两个新的采样点的数据；

步骤S6，根据两个新的采样点的数据以及所述相位查找表和幅度查找表，通过模式匹配找出对应的相位和幅度信息，并根据所述相位和幅度信息获取逐束团三维位置信息；

所述步骤S3中构建束团响应函数的方法为：对所述时钟信号每次增加固定相移，并记录所述数据采集系统采集到的数据，直至遍历整个束团，再通过数据拼接的方式构建完整的束团响应函数；

所述步骤S4包括：

步骤S41，对所述束团响应函数进行固定相移的延迟扫描，每次扫描均采集具有固定相位差的两个采样点的幅度、相位，其中两个采样点的幅度分别为：V_1,i,V_2,i,i＝1,2,...,N，N为正整数，同时采集过零点的相位和峰值点的幅度；

步骤S42，计算所述两个采样点的幅度和差之比以及第一个采样点与过零点之间的相位差/>建立相位查找表/>

步骤S43，计算所述两个采样点的幅度之比以及第一个采样点与峰值点之间的幅度比/>建立幅度查找表/>

4.根据权利要求3所述的逐束团三维位置测量方法，其特征在于，所述束团响应函数延迟扫描的固定相移采用1ps。

5.根据权利要求3所述的逐束团三维位置测量方法，其特征在于，所述步骤S6包括：

步骤S61，获取两个新的采样点的幅度，其中两个新的采样点的幅度分别为：V'_1,i,V'_2,i,i＝1,2,...,N，N为正整数，计算所述两个新的采样点的幅度和差之比以及幅度之比/>

步骤S62，根据两个新的采样点的幅度和差之比在相位查找表中找到对应的相位/>

步骤S63，根据两个新的采样点的幅度之比在幅度查找表中找到第一个新的采样点与对应的峰值点的比值/>计算出新束团电压信号在每个束流位置探头处的峰值，利用差比和公式求出束团横向位置。