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腔式BPM是自由电子激光装置、国际大型粒子对撞机中重要的束流位置测量元件,其性能可满足这些装置对高位置分辨率的要求。为了满足正在建设的大连红外自由电子激光和未来的上海软X射线自由电子激光装置对束流位置分辨率优于1μm的要求,上海应用物理研究所开展了腔式BPM的研制。本论文主要对系统中的信号处理技术进行研究,为项目储备技术。论文对国际、国内的CBPM研究情况展开调研,详细分析了各大实验室的CBPM信号处理方案,多级模拟混频或者直接模拟I/Q解调是多数采用的方法。
我们尝试利用高采样率、高带宽的商业数据采集板卡对CBPM进行RF直接采样,并完成束流实验。利用前期初步束流实验数据,基于蒙特卡洛分析方法,我们对RF直接采样进行关键参数仿真,如数据长度,ADC精度,仿真结果表明,由于ADC精度的限制,利用数据采集卡对CBPM直接RF采样的方法还无法得到较高的分辨率,但是可以用来快速评估CBPM腔体基本设计参数以及CBPM束流输出信号特性。因此,基于数字中频接收机架构的IF采样信号处理方案成为本论文的研究重点。同样,我们对于IF采样也进行了参数仿真,仿真结果对后续的系统设计有指导意义。
CBPM信号处理的RF前端电子学采用数字接收机架构,CBPM输出的RF信号经过第一级带通滤波器消除基模信号的干扰,滤波后的信号经过低噪声放大器的调理,然后混频至中频10-20MHz,中频信号进入第二级低通滤波消除混频过程中的高次谐波,滤波后的中频信号经IF放大器调理幅度,最后经过第三级抗混叠滤波消除IF放大器引入的谐波,滤波后的信号输入到数据采集板卡中。RF前端电子学经过实验室测试,其噪声水平小于-90dBm,噪声系数小于12dB。
论文设计了两种CBPM信号处理算法:DDC和FFT算法,DDC算法是国际大多采用的算,而FFT算法是新采用的算法。为实现逐束团的位置测量,束团的时间间隔较小,为避免束团间的相互影响,我们利用FPGA技术来实现信号处理算,利用全硬件实现的流水线结构算法,可高速的完成信号处理。由于CBPM信号处理需要提取信号的相位信息来判断束流偏移的方向,而FFT算法中,由于这种逐束团测量的CBPM多采用低Q腔体,该腔体输出的信号时间振荡非常短,因此采集到有效数据点数较少,这种情况下,FFT算法中解调的相位由于栅栏效应存在较大的误差,因此我们只考虑了DDC算法的FPGA实现。
为完成整体系统的性能测试,我们利用商业产品搭建了高性能的CBPM测量平台,并完成了基于虚拟仪器技术的自动数据采集与控制软件,从而可以完成CBPM腔体的前期冷测,整体测量平台经过测试,实现了亚微米的步进精度。
对CBPM信号处理系统进行了系统的实验室测试,信号源通过天线馈入-16dBm的连续波的条件下,移动平台将天线从腔体中心位置以2μm步进移动100μm,我们利用商业数据采集板卡对不同位置偏移的输出信号进行采集,利用DDC算法和FFT算法处理信号,我们分别得到了0.31μm和0.10μm的位置分辨率。利用FPGA技术处理信号得到0.49μm的分辨率,冷测结果表明系统性能满足优于1μm位置分辨率的设计指标。
为实现系统集成化,我们采用表贴元件在PCB级开发CBPM前端电子学,最终集成在实验室已成功研制的基于FPGA的数字板上,从而实现专用的CBPM信号处理器。目前系统的方案设计已经完成,并第一板已经制作和调试,但是存在很多问题,有待重新调试和改进。