基于直方图的数字化束流位置处理器检测方法

数字化束流位置处理器(DBPM)是基于北京正负电子对撞机(BEPCⅡ)和高能同步辐射光源(HEPS)等工程需求研发的束流位置测量核心设备之一。针对DBPM模拟数字转换(ADC)模块的批量测试需求,提出了用直方图检验ADC性能的方法。直方图的形状可确定ADC的锁相功能和输入信号幅值。使用分离算法获取直方图中每个峰对应的数据,并计算统计量。建立每个峰的统计量与时钟抖动和信噪比(SNR)的映射关系。分别用仿真和实验的方式验证该方法的有效性。直方图法是一种简单、快速且准确的测量DBPM-ADC性能的方法,该方法已植入DBPM自动测试平台,成功应用于DBPM产品的批量检测。

数字束流位置处理器在合肥光源束流诊断中的应用

数字束流位置处理器Libera可直接用于测量宽带束流位置信号,在束流参数测量与诊断中得到广泛应用。本工作利用Libera在合肥光源储存环上完成了工作点、相空间和横向振荡阻尼时间常数等的测量,并给出测量结果。

利用数字束流位置处理器Libera测量BEPCII储存环束流阻尼时间和残余振荡

数字束流位置处理器Libera可以直接用来测量宽带的束流位置信号,由于其出色的硬件和软件性能,它可以在束流参数测量与诊断中得到广泛的应用。文章介绍了利用Libera在BEPCII储存环上进行的一些实验:利用逐圈(Turn-by-turn)束流位置测量数据计算横向阻尼时间和测量注入冲击磁铁引起的束流位置残余振荡,实验主要目的是使BEPCII储存环的束流调试和参数优化更方便快捷,并取得了初步的成效。

Libera Brilliance Single Pass束流位置处理器性能测试

在合肥光源(HLS)升级改造中,为了增强注入器的束流位置检测器(BPM)系统的整体性能,采用单次通过数字束流位置处理器(Libera Brilliance Single Pass)构成信号处理系统。首先对Libera BrillianceSingle Pass进行了离线的性能测试,然后用它对条带BPM进行实验台标定,最后在合肥光源现有200MeV直线加速器上进行了在线测试。结果显示其离线分辨力为4～17μm,优于原有对数比处理系统。在线水平和垂直分辨力分别好于26μm和19μm,优于原有系统的58μm和33μm。

基于导频的储存环束流位置测量处理器研制

稳定的束流轨道对于同步辐射光源的性能至关重要,规划中的合肥先进光源是第四代衍射极限储存环,其亚微米级的束流轨道稳定度需要束流位置测量精度达到100 nm级别。本文基于国产化芯片,研制了带有导频补偿机制的束流位置测量处理器,主要包括导频模块、模拟前端模块、数字处理模块和嵌入式工控模块。输入信号经过导频模块和模拟前端模块调理,在数字处理模块通过带通欠采样原理实现模数转换,数字信号在现场可编程门阵列(FPGA)内经过下变频、滤波抽取、坐标旋转数字计算(CORDIC)模块以及差比和算法等处理后获得束流位置信息,嵌入式工控模块实时传输束流位置信号,与加速器控制系统通信。目前设计的束流位置处理器完成了实验室离线测试和束流测试,测试结果表明,当输入信号幅度在-55~5 dBm范围时,束流位置测量处理器的快获取数据(FA data)和慢获取数据(SA data)分辨率分别好于120 nm和70 nm,满足设计要求。

自由电子激光装置数字化束流位置信号处理器研制及应用

针对自由电子激光装置(Free Electron Laser,FEL)对束流位置测量的需求,研制了可同时用于条带束流位置检测器(Stripline Beam Position Monitor,SBPM)和腔式束流位置检测器(Cavity Beam Position Monitor,CBPM)信号处理的数字化束流位置信号处理器(Digital Beam Position Measurement processor,DBPM)。该处理器为一体化的嵌入式结构,以现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)为系统核心,采用分布式的实验物理及工业控制系统(Experiment Physics and Industrial Control System,EPICS)进行远程数据交互。处理器对SBPM和CBPM系统的测试分辨率在0.5 n C流强时分别达到4μm和0.4μm,达到设计指标,成功应用于大连相干光源(Dalian Coherent Light Source,DCLS),并将应用于上海软X射线自由电子激光装置(Shanghai X-ray Free Electron Laser,SXFEL),是国内首台自主研制成功并实现工程应用的DBPM处理器。

数字化束流位置信号处理器

束流位置测量（Beam Position Monitor, BPM）系统是粒子加速器中极为重要的诊断设备之一，在加速器的调试、运行、以及机器研究中扮演非常重要角色，系统中BPM信号处理器是决定系统性能非常关键的设备。

上海光源数字化束流位置信号处理器测试平台研制

数字化束流位置信号处理器(Digital Beam Position Monitor Processor,DBPM)是上海光源自主研发作为束流位置监测(Beam Position Monitor,BPM)的主要设备。针对DBPM电子学处理器产品化测试需求开发了一套基于MATLAB和程控技术的自动化测试平台,用于处理器批量测试验收和性能评估。平台使用Agilent MXG信号源和一分四功分器模拟4路真实探头信号,经过处理器采集处理后被上位机接收。测试仪器的设置和实验数据的获取,整个系统是基于客户端和服务器架构实现的。采用物理实验与工业控制系统(Experimental Physics and Industrial Control System,EPICS)的通道访问Lab CA接口实现数据的实时采集。目前该测试平台已经成功应用于大连自由电子激光装置和上海软X射线自由电子激光装置的DBPM处理器验收测试,处理器幅频响应曲线,不同衰减下模数变换器(Analog to Digital Converter,ADC)噪声水平测试、衰减步长一致性、通道间串扰及信噪比测试结果均达到设计指标。

新型数字BPM信号处理器研制进展

介绍了采用Arm微处理器技术、FPGA数字信号处理技术、高速带通欠采样技术的新型BPM信号处理器研制进展情况;对两类主要的原理样机进行了评估测试。信号处理算法评估样机基于商业评估板搭建,用于测试包含数字下变频、低通滤波、抽取降速等信号处理算法功能模块。自主开发的硬件评估样机用于测试不同硬件功能模块及整机集成后的硬件性能。在上海光源储存环上进行的束流实验表明,两个样机的逐圈位置分辨率均好于2μm,可正确获取包含束流实时信息的逐圈位置信号,可用于相关机器研究。

数字BPM系统中模拟调理电路的研究

全数字化束流位置测量系统(Digital Beam Position Monitor,DBPM)将应用于上海同步辐射光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility,SSRF),其中模拟调理电路是DBPM系统重要组成部分。BPM探头输出的4路高频窄脉冲信号(重复频率499.654 MHz,脉宽200 ps)通过模拟调理电路进行滤波及自动增益调整,然后送至ADC进行模数变换,在系统中的数字处理模块进行处理后最终得到束流X、Y方向位置信息。系统电子学测试表明:此DBPM系统在输入信号动态范围为-40～10 dBm情况下,X、Y方向位置分辨率好于10μm,满足逐圈(694 kHz数据更新率)位置分辨要求。

上海光源储存环束流位置监测系统

本文简述了上海光源储存环位置测量系统的物理需求、基本设计思想以及软硬件结构,对其中采用的数字束流位置信号处理器、高精度纽扣型束流位置探头、信号传输网络等关键部件的研制、安装情况进行了详细介绍。该系统经一年调试优化现已投入日常运行,结果表明位置分辨率达到亚微米量级,优于上海光源设计要求。

上海光源工作点在线监测系统

上海光源储存环运行在恒流注入(top-up)模式下每10min注入一次,注入引起的β振荡为测量工作点提供了有利条件。通过数字束流位置处理器采集储存环注入时的逐圈数据,对数据进行快速傅里叶变换计算获得工作点,以此搭建了刷新间隔为10min的工作点在线监测系统。2014年上半年的运行结果表明,该系统能够有效检测工作点变化并评估加速器工作点可达到的最优性能。利用该系统能够及时发现加速器运行异常,并结合各设备运行状态可有效定位异常原因。

合肥光源束测系统的最新研究进展

介绍了合肥光源束测系统的最新进展及其研究工作,包括200MeV直线加速器BPM系统的研制和测量,利用交流K调制的基于束流准直测量研究,基于对数比处理技术的同步光位置测量系统的研制以及数字束流位置处理器的应用研究.直线加速器BPM系统已安装,并做了在线的束流位置测量实验,给出了测量结果.在合肥光源储存环上利用双向固态继电器开关可以对32块四极铁进行交流K调制,采用数字锁相放大和插值快速傅立叶分析算法进行了基于束流准直的交流K调制测量实验和研究,给出了实验结果.利用高精度对数运算放大器LOG112研制了基于对数比处理技术的同步光位置测量系统,其性能优于常用的差比和处理技术.利用数字束流位置处理器Libera在合肥光源储存环上完成了工作点、相空间和横向振荡阻尼时间常数等的测量,并取得了很好的结果.