一种实现加速器腔体谐振频率自动调谐的方法与流程

本发明涉及核系统的，特别是指粒子加速器的低电平控制系统的应用技术，具体涉及一种实现加速器腔体谐振频率自动调谐的方法。

背景技术：

1、在粒子加速器的低电平控制系统加电的到出束的过程中，加速器腔体的谐振频率需要调谐到工作频率并维持，该调谐过程可分为初始加电阶段、脉冲加(高)压的粗调谐阶段与腔体锻炼阶段、脉冲转连续阶段与工作时的闭环自动调谐阶段(工作阶段)。在调谐过程的前四个阶段，当前采用的调谐方法是用示波器等仪器显示腔体采样信号的波形，由人工根据示波器等显示信号的波形一步一步的将腔体谐振频率调谐到工作频率，最后转为工作时的闭环自动调谐阶段。受限于每个操作人员的技术水平，人工调谐的过程具有需要耗费较多人力资源、调谐过程复杂、所需时间长、调谐精度不稳定、可操作性差等固有的缺点。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提出一种实现加速器腔体谐振频率自动调谐的方法，该方法根据腔体谐振频率调谐的阶段自动产生相应的调制信号，并从腔体反馈信号中自动检测信号的幅度、腔体谐振频率与工作频率的频率偏差，据此可产生相应的调谐控制指令，分阶段的逐步将腔体谐振频率精确的调谐到工作频率，实现了腔体谐振频率控制分系统从初始加电到工作所有阶段的全自动调谐，达到了节省人力、调谐速度快、调谐精度高的目的。

2、基于上述目的，本发明提供的技术方案是：

3、一种实现加速器腔体谐振频率自动调谐的方法，基于低电平数字控制系统实现，低电平数字控制系统由依次连接的参考信号产生模块、相位与幅度pid、调制模块、数字上变频模块、数模转换模块和功放进行腔体射频信号高压驱动；由功放与腔体输出的采样信号分别经过模数转换模块和数字下变频模块与幅频检测模块连接，幅频检测模块的输出送到腔体谐振频率控制模块，腔体谐振频率控制模块控制调谐装置和调制信号产生模块，调谐装置调整腔体的自谐振频率，调制信号产生模块输出信号到调制模块；具体包括以下步骤：

4、(1)低电平数字控制系统加电并稳定后，腔体谐振频率控制模块控制调谐装置到腔体工作频率对应的调谐位置；

5、(2)进入脉冲加压的初始调谐阶段，腔体谐振频率控制模块控制调制信号产生模块工作在脉冲状态，并依据腔体的类型控制调制信号产生模块输出相适应的粗调谐信号，并根据幅频检测模块的输出控制调谐装置；

6、(3)进入脉冲加压的腔体锻炼阶段，腔体谐振频率控制模块控制调制信号产生模块输出精调谐信号，并在每个脉冲的信号稳定期间检测幅频检测模块输出的频率差，驱动调谐装置使得幅频检测模块输出的频率差在设定的精度范围；

7、(4)腔体谐振频率控制模块控制调制信号产生模块工作在连续状态，并控制调制信号产生模块输出精调谐信号，以及根据幅频检测模块输出的频率差进行闭环处理后驱动调谐装置，并在环路稳定后调节幅频检测模块输出的工作阶段的频率差的均值为零；

8、(5)腔体谐振频率控制模块控制调谐信号产生模块输出常值1，并根据幅频检测模块输出的工作阶段的频率差进行闭环处理后驱动调谐装置，进入工作阶段的腔体谐振频率闭环自动调谐。

9、进一步的，所述步骤1的调制信号产生模块的具体实现方式为：

10、调制信号产生模块包括粗调谐信号模块、精调谐信号模块、常数1、选择开关、脉冲/连续信号模块与乘法器；

11、粗调谐信号模块产生粗调谐信号，包括零中频的复数线性调频信号和零中频的复数正弦信号，复数线性调频信号的扫频带宽大于等于腔体谐振频率可能存在的频率范围，复数线性调频信号的调频斜率设置为在一个或多个脉冲周期的信号有效期内完成一次全频段扫频；

12、精调谐信号模块产生精调谐信号，精调谐信号为am调制的包络信号，包络信号中低频正弦信号的最佳频率为腔体谐振滤波幅频特性的最大斜率对应的频率与中心频率的频差，am调制度依据腔体实际需求确定；

13、选择开关模块受腔体谐振频率控制模块控制，输出粗调谐信号、精调谐信号或定值1中的一个；

14、脉冲/连续信号模块受腔体谐振频率控制模块的控制，在脉冲加压阶段产生符合需求的脉冲信号，在脉冲转连续阶段和工作阶段产生定值1；

15、乘法器完成选择开关模块输出信号与脉冲/连续信号模块输出信号的复数乘法，乘法器的输出送调制模块。

16、进一步的，调制模块完成由相位与幅度pid输出的射频信号与调制信号产生模块输出信号的复数乘法，在调制信号产生模块输出不同信号时调制模块的具体实现方式为：

17、对粗调谐信号进行复数混频；

18、对精调谐信号进行复数am调制；

19、对定值1信号使相位与幅度pid的输出信号直接通过。

20、进一步的，幅频检测模块的计算包括：

21、脉冲加压的腔体锻炼阶段和脉冲转连续阶段，依据公式计算腔体谐振频率与射频工作频率之间的频率差δf1，其中k1为固定的增益，ii、qi分别为当前腔体输出采样次序i的基带信号ui的实部与虚部，ii-r、qi-r分别为ii、qi经过延时r个采样周期的值；

22、环路稳定后工作阶段，依据公式计算腔体谐振频率与射频工作频率之间的频率差δf2，其中k2为固定的增益，im()是取括号内复数值的虚部，re()是取括号内复数值的实部，为当前腔体输入采样的基带信号ai的共轭；

23、依据公式计算腔体输出采样的瞬时功率pi；

24、依据公式计算腔体输入采样的平均功率其中n为平均次数，pai是腔体输入采样的瞬时功率

25、依据公式计算腔体谐振效率η。

26、进一步的，步骤(2)中根据幅频检测模块的输出控制调谐装置，具体过程为：

27、在脉冲有效期间幅频检测模块输出的平均功率pa大于信号存在门限后，在腔体输出信号稳定后的脉冲有效期间，控制过程分别如下：

28、粗调谐信号为复数线性调频信号时，在一个或多个脉冲周期的信号有效期内完成一次扫频周期，每个扫频周期内比较幅频检测模块输出的瞬时功率pi，得到扫频周期内的最大瞬时功率pimax，驱动调谐装置使pimax对应频率差δf1的绝对值减小，直到δf1的绝对值小于腔体谐振滤波的最小3db带宽的一半频率；

29、粗调谐信号为复数正弦信号时，以小于腔体谐振滤波的最小3db带宽的一半频率，即bw/2为步进，从腔体谐振频率可能存在的最低频率开始，在检测出每个频率对应的腔体效率值η后复数正弦信号的频率依次增加步进频率，在复数正弦信号频率增加到可能存在的最高腔体谐振频率后，判断其中腔体效率最大值ηmax的对应频率为腔体谐振频率，并计算出需要的调谐位置，驱动调谐装置到计算出的调谐位置；更改复数正弦信号的步进频率为bw/4，重新进行当前位置的ηmax判断，然后驱动调谐装置到计算出的修正后的调谐位置；直到ηmax对应的频率与工作频率的差的绝对值小于bw/2为止；其中，bw为腔体谐振滤波的最小3db带宽；

30、粗调谐信号为常数1时，选择位置步距为小于腔体谐振滤波的3db带宽对应的最小位置增量的一半，驱动调谐装置从当前位置以位置步距为增量搜寻腔体工作频率对应的位置，同时检测每一个位置的腔体效率值η，直到搜寻覆盖了腔体工作频率对应位置可能存在的范围后得到的腔体效率值的最大值ηmax，驱动调谐装置到ηmax对应的位置。

31、从上面的叙述可以看出，本发明的有益效果在于：

32、1、在加速器腔体加载高压过程中，本发明在不同调谐阶段使用专用的腔体调谐信号，然后使用幅频检测模块完成腔体谐振频率与射频工作频率之间的频率差与采样信号功率的检测，在此基础上实现了腔体谐振频率调谐全过程的自动化，舍弃了传统的需要人工观测仪器进行人工调谐的繁琐的过程，节省了加速器系统的使用成本；

33、2、本发明采用专用的精调谐信号实现了快速、精确的加速器腔体谐振频率的自动调谐，克服了人工调谐的调谐速度慢、调谐精度不稳定的缺陷；

34、3、本发明可与相位稳定分系统与幅度稳定分系统一体化设计，所有的控制算法在fpga与cpu内以软件实现，调试与升级方便，可以降低设备的成本与复杂度，提高系统的可靠性。