CN115684694B - 一种提高加速器束流强度测量信噪比的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高加速器束流强度测量信噪比的方法包括：步骤1、系统初始化，包括系统处理器内部单元初始化和外设初始化；步骤2、通过读取EEPROM读取补偿参数值，并根据对应档位配置对应补偿值；步骤3、接收上位机设置指令切换自动和手动补偿模式；步骤4、手动模式下，通过上位机完成补偿参数设置；自动模式下，通过程序自动计算完成相应补偿；步骤5、将补偿后的参数存储至EEPROM中，如果切换档位程序将自动导入相关补偿参数或者自动进行一次自动补偿。本发明运用数字信号处理技术在数字域反向叠加一个50Hz信号及其二次和三次谐波信号抵消该束流强度采样线耦合进来的工频噪声，同时通过数字逼近算法完成相关补偿信号的自动移相和自动增益调整。
Description
技术领域
本发明涉粒子加速器技术领域，具体是一种提高加速器束流强度测量信噪比的方法。
背景技术
粒子加速器的束流强度一般在nA～百mA级别不等，属于微弱的电流信号。
针对微弱电流信号检测通常有两种方法：
第一种方法是将微弱电流信号实时转换放大成电压信号，运用跨阻放大器完成IV转换；
第二种是由积分器技术发展而来的一种时间段处理方法，微弱电流在积分器电容上累计而转换成电压信号，简称积分放大器。
而无论哪一种方法，不可避免的要解决的就是类似于颤噪噪声、开关噪声、传输线工频交流耦合噪声等。
尤其在测量nA级别微弱电流信号时，传输线工频交流耦合噪声显得极为明显。
为了抑制该类噪声，我们可以通过增加限波滤波器的方法来提高工频噪声抑制比，但是增加滤波器会减小信号的带宽，没有更真实的还原原始信号的束流信息。
发明内容
发明目的：提供一种提高加速器束流强度测量信噪比的方法，以解决现有技术存在的上述问题。
技术方案：一种提高加速器束流强度测量信噪比的方法，包括：
运用数字信号处理法在数字域反向叠加一个50Hz信号及其二次和三次谐波信号抵消该束流强度采样线耦合进来的工频噪声，包括：
步骤1、系统初始化，包括系统处理器内部单元初始化和外设初始化；
步骤2、通过读取EEPROM读取补偿参数值，并根据对应档位配置对应补偿值；
步骤3、接收上位机设置指令切换自动和手动补偿模式；
步骤4、手动模式下，通过上位机完成补偿参数设置；自动模式下，通过程序自动计算完成相应补偿；
步骤5、将补偿后的参数存储至EEPROM中，如果切换档位程序将自动导入相关补偿参数或者自动进行一次自动补偿；
步骤6、如果程序运行异常，则重新返回系统初始化状态。
本发明运用数字信号处理技术在数字域反向叠加一个50Hz信号及其二次和三次谐波信号抵消该束流强度采样线耦合进来的工频噪声，同时通过数字逼近算法完成相关补偿信号的自动移相和自动增益调整。
在进一步实施例中，所述数字信号处理法包括数字处理补偿法；
数字处理补偿法包括：
通过MATLAB计算产生的50Hz、100Hz、150Hz信号mif文件存储在FPGA的ROM中，通过改变每次读取ROM中存储数据的位置从而完成相应信号的移相功能，完成移相后的信号经过FPGA内部乘法器完成信号增益的控制；
50Hz、100Hz、150Hz信号相加得到相应的补偿反馈信号，束流强度取样信号通过AD采样后和补偿反馈信号叠加完成工频噪声的滤除。
在进一步实施例中，所述数字处理补偿法还包括：
将100Hz和150Hz增益系数设置为0，单独调整50Hz增益和相位使束流强度经过AD采样进FPGA的信号工频噪声降低至能补偿的最小值，紧接着依次调节100Hz和150Hz增益和相位完成最终的补偿。
在进一步实施例中，数字处理补偿法实施过程中通过过零比较器采样交流AC220V信号，再通过锁相放大器完成和工频信号的锁相，并生成50Hz方波信号送入FPGA用作读取ROM数据的触发信号，得到与工频相参的50Hz、100Hz和150Hz信号。
在进一步实施例中，自动模式下，通过数字逼近算法完成相关补偿信号的自动移相和自动增益调整。
在进一步实施例中，对于给定值的自动生成，校准会随着档位切换后自动触发启动一次校准。
在进一步实施例中，对于不同档位的补偿参数，进行一次自动补偿后参数将自动保存到相应的档位，当外部环境没有发生变化，下次系统上电系统将切换成手动模式，并且自动根据档位切换导入相应的补偿参数值。
有益效果：本发明公开了一种提高加速器束流强度测量信噪比的方法，本发明运用数字信号处理技术在数字域反向叠加一个50Hz信号及其二次和三次谐波信号抵消该束流强度采样线耦合进来的工频噪声，同时通过数字逼近算法完成相关补偿信号的自动移相和自动增益调整。
附图说明
图1是本发明的方法流程示意图。
图2是本发明的数字处理补偿算法原理框图。
图3是本发明的补偿前信号采样波形及补偿后信号采样波形效果图。
图4是本发明的外电相参50Hz触发信号产生原理框图。
图5是本发明的自动补偿算法原理框图。
图6是本发明的现有技术系统原理框图。
图7是本发明的现有技术中束流在100nA以下时有明显50Hz工频噪声示意图。
具体实施方式
本申请涉及一种提高加速器束流强度测量信噪比的方法，下面通过具体实施方式进行详细解释。
现有技术中，束流信号通过跨阻放大器完成电流至电压转换。整个系统原理框图如图6所示；
通过上述设计原理框图设计实物测试发现束流在100nA以下时有明显50Hz工频噪声。具体测试结果如图7所示；
该工频50Hz噪声主要由束流检测信号线和电源线之间耦合造成，现场可以通过将束流检测信号线和电源线分开、增加屏蔽管线等措施弱化该耦合强度，因为检测的束流信号很弱，另外跨阻放大器的运放一般为FET型运放，具有极高的输入阻抗，所以很容易耦合一些干扰信号。
所以设计时需要充分考虑放大器本身内部噪声干扰、PCB印制板布局布线、信号线屏蔽以及印制板屏蔽等因素。但是通常情况下，想从根本上解决该工频噪声，比较困难，只能使信号质量得到改善。
为此本发明实施提供一种提高加速器束流强度测量信噪比的方法，运用数字信号处理技术在数字域反向叠加一个50Hz信号及其二次和三次谐波信号抵消该束流强度采样线耦合进来的工频噪声。
具体系统算法原理框图实施如图2所示。
一种提高加速器束流强度测量信噪比的方法，包括：
通过MATLAB计算产生的50Hz、100Hz、150Hz信号mif文件存储在FPGA的ROM中，通过改变每次读取ROM中存储数据的位置从而完成相应信号的移相功能，完成移相后的信号经过FPGA内部乘法器完成信号增益的控制；
最后50Hz、100Hz、150Hz信号相加得到相应的补偿反馈信号，束流强度取样信号通过AD采样后和补偿反馈信号叠加完成工频噪声的滤除。
其中首先可将100Hz和150Hz增益系数设置为0，单独调整50Hz增益和相位使束流强度经过AD采样进FPGA的信号工频噪声降低至能补偿的最小值，紧接着依次调节100Hz和150Hz增益和相位完成最终的补偿。
通过补偿前后的信号效果如图3所示；
为了能得到和工频相参的50Hz、100Hz和150Hz信号，通过过零比较器采样交流AC220V信号，再通过锁相放大器完成和工频信号的锁相，并生成50Hz方波信号送入FPGA用作读取ROM数据的触发信号。
图4为和外电相参50Hz触发信号产生原理框图。
为了能够让该方法完成自动补偿功能，可以通过数字逼近算法完成相关补偿信号的自动移相和自动增益调整。
对于给定值的自动生成，校准会随着档位切换后自动触发启动一次校准。
对于不同档位的补偿参数，进行一次自动补偿后参数将自动保存到相应的档位，如果外部环境没有发生变化，那么下次系统上电系统将切换成手动模式，并且自动根据档位切换导入相应的补偿参数值。
具体的自动补偿算法原理框图如图5所示；
通过该方法可以在不牺牲信号带宽的情况下，真实的还原束流强度的真实信息。
工作原理说明：系统初始化，包括系统处理器内部单元初始化和外设初始化；通过读取EEPROM读取补偿参数值，并根据对应档位配置对应补偿值；接收上位机设置指令切换自动和手动补偿模式；手动模式下，通过上位机完成补偿参数设置；自动模式下，通过程序自动计算完成相应补偿；将补偿后的参数存储至EEPROM中，如果切换档位程序将自动导入相关补偿参数或者自动进行一次自动补偿；如果程序运行异常，则重新返回系统初始化状态。
本发明运用数字信号处理技术在数字域反向叠加一个50Hz信号及其二次和三次谐波信号抵消该束流强度采样线耦合进来的工频噪声，同时通过数字逼近算法完成相关补偿信号的自动移相和自动增益调整。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种提高加速器束流强度测量信噪比的方法，其特征是，包括：
运用数字信号处理法在数字域反向叠加一个50Hz信号及其二次和三次谐波信号抵消该束流强度采样线耦合进来的工频噪声，包括：
步骤1、系统初始化，包括系统处理器内部单元初始化和外设初始化；实施过程是通过过零比较器采样交流AC220V信号，再通过锁相放大器完成和工频信号的锁相，并生成50Hz方波信号送入FPGA用作读取ROM数据的触发信号，得到与工频相参的50Hz、100Hz和150Hz信号；
步骤2、通过读取EEPROM读取补偿参数值，并根据对应档位配置对应补偿值；具体是：将100Hz和150Hz增益系数设置为0，单独调整50Hz增益和相位使束流强度经过AD采样进FPGA的信号工频噪声降低至能补偿的最小值，紧接着依次调节100Hz和150Hz增益和相位完成最终的补偿
步骤3、接收上位机设置指令切换自动和手动补偿模式；
步骤4、手动模式下，通过上位机完成补偿参数设置；自动模式下，通过程序自动计算完成相应补偿；
实施过程是通过MATLAB计算产生的50Hz、100Hz、150Hz信号mif文件存储在FPGA的ROM中，通过改变每次读取ROM中存储数据的位置从而完成相应信号的移相功能，完成移相后的信号经过FPGA内部乘法器完成信号增益的控制；
50Hz、100Hz、150Hz信号相加得到相应的补偿反馈信号，束流强度取样信号通过AD采样后和补偿反馈信号叠加完成工频噪声的滤除；
步骤5、将补偿后的参数存储至EEPROM中，如果切换档位程序将自动导入相关补偿参数或者自动进行一次自动补偿；
步骤6、如果程序运行异常，则重新返回系统初始化状态。
2.根据权利要求1所述的一种提高加速器束流强度测量信噪比的方法，其特征是：
自动模式下，通过数字逼近算法完成相关补偿信号的自动移相和自动增益调整。
3.根据权利要求2所述的一种提高加速器束流强度测量信噪比的方法，其特征是：
对于给定值的自动生成，校准会随着档位切换后自动触发启动一次校准。
4.根据权利要求2所述的一种提高加速器束流强度测量信噪比的方法，其特征是：
对于不同档位的补偿参数，进行一次自动补偿后参数将自动保存到相应的档位，当外部环境没有发生变化，下次系统上电系统将切换成手动模式，并且自动根据档位切换导入相应的补偿参数值。
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