数字束流位置信号处理算法优化

在已有束流位置信号下变频算法的设计与实现的基础上,优化了算法时序,设计实现了数字自动增益控制、慢应用信号处理等模块功能,能获得逐圈、快应用及闭轨数据。上海光源储存环上的束流测试结果显示,处理器可正确获取包含束流真实运动的多速率位置数据。在174mA储存环流强、500个束团的填充模式时,逐圈位置数据分辨力达到0.84μm,快应用位置数据分辨力达到0.44μm,闭轨位置数据分辨力达到0.23μm,性能满足设计要求。

基于BEPCⅡ数字束流位置测量系统电子学系统的设计与实现

BEPCⅡ加速器的束流位置测量系统(BPM)模拟电子学经过十余年的运行逐渐老化,故障率上升,亟需进行升级改造。本文根据该需求,自行设计了基于BEPCⅡ系统参数的数字BPM电子学系统,内容包括模拟信号处理电子学、数字信号处理电子学、BPM固件算法逻辑、数据获取软件以及系统测试等多个部分。设计的数字BPM电子学系统经实验板级性能测试、实验室系统测试以及在线束流测试,结果表明该系统能满足BEPCⅡ装置对束流位置测量的需求。

基于BEPCⅡ的数字束流位置探测器信号处理算法的FPGA实现

数字束流位置探测器(BPM)算法是数字BPM系统最核心的部分,其对束流位置测量的精度起决定作用。本文在完成数字BPM算法MATLAB模拟工作的基础上,将模拟优选出的数字BPM算法在自制的电子学硬件上进行FPGA实现。首先介绍了数字BPM算法的总体设计和实现方案;其次介绍了数字BPM算法各功能模块的设计原理及其在FPGA中的具体实现方法;最后在输入信号频率499.8MHz、强度-10dBm、BPM探头灵敏度系数23的条件下进行了实验室测试。实验结果显示:逐圈位置分辨达2.96μm,快响应位置分辨达0.65μm,闭轨位置分辨达0.33μm,验证了本算法在束流位置测量中具有良好性能。

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。

基于导频技术的数字束流位置测量系统的研制

为改善传统的束流位置测量电子学系统受电子学通道非线性、温度漂移和系统噪声等因素对位置测量精度带来的影响,介绍了一种新型的基于导频技术的数字束流位置测量电子学系统。该系统硬件包括模拟信号采集电子学、数字信号处理电子学和PTC(导频信号耦合)模块;软件包括顶层应用软件和底层驱动,束流信号与导频信号在耦合电路中耦合后,经电子学处理,在FPGA中计算得到归一化后的束流位置信息。实验室测试结果分析,经导频信号归一化处理后能够有效改善各通道随温度变化的现象,束流位置漂移从4.5μm改善至0.5μm,分辨率从57.25 nm提升到13.37 nm,并且进行导频信号开关实验更加直观观测导频信号对束流位置测量的在线校正效果。设计的基于导频信号的数字束流位置测量(DBPM)电子学可以高效、实时地实现对加速器束流位置的在线校正,提升电子学系统的实时分辨率性能。

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。

数字束流位置探测器系统的信噪比需求分析

以高能同步辐射光源(HEPS)对BPM提出的位置测量分辨率要求为出发点,介绍了BPM系统的整体架构并推导出BPM系统的信号链路中各级信号所需达到的信噪比;并根据ADC采样数据的信噪比需求,计算出ADC采样时钟的抖动需求;最后介绍了能够测量BPM信号信噪比和采样时钟抖动的BPM测试平台。各项结论可以作为判断BPM系统各部分能否达到HEPS工程要求的标准。

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。

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。

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.

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。