一种测量粒子加速器束流位置的方法
【专利摘要】本发明涉及一种测量粒子加速器束流位置的方法，其包括：步骤S1，通过N个通道对条带束流位置探头的N个电极在束流通过所述探头时输出的N个电极信号进行采样；步骤S2，将所述N个电极信号组成一M*N的矩阵X，并对所述矩阵X进行主成分分析；步骤S3，计算得到所述N个电极分别对应的束流信号感应幅度，并通过所述N个通道分别输出N个所述束流信号感应幅度；步骤S4，对所述N个通道输出的N个所述束流信号感应幅度进行差比和运算，以获得束流的位置信号。本发明通过综合多个电极探头的电极信号组成矩阵，以利用主成分分析法对这些电极信号同时进行处理，从而不仅能够有效消除各电极信号中的噪声，而且还能有效提高束流位置的测量精度。
【专利说明】一种测量粒子加速器束流位置的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及加速器物理束流诊断领域，尤其涉及一种测量粒子加速器束流位置的方法。
【背景技术】
[0002]对于多电极的束流位置探测器，以图1所示直线电子加速器上的带有四个电极A、B、C、D的条带束流位置探测器I (探头)(BPM)为例(图1中标记“I”表示沿穿过纸面方向的束流)，其设计频率达到几百兆赫兹，为获得束团通过时的位置信号，需要对探头的四个电极输出的信号先分别进行处理之后再做如式(I)、(2)的差比和运算，从而获得水平和垂直方向的位置信息X、Y。
[0003]X=kx (B-D)/(B+D) (I);
[0004]Y=ky(A-C)/(A+C) (2)；
[0005]其中，kx、ky为标定系数。
[0006]当前处理电极信号的处理方法是先利用由射频器件搭建的前端(即主要进行放大、衰减、混频、滤波等处理，使信号适合进行数字化采样处理的处理模块，其为探头输出之后的第一个处理模块)对各个探头的电极信号分别进行带通滤波处理，然后以一百多兆采样率进行带通欠采样，接着用正交解调提取信号幅度包络并计算积分，从而得到用于进行后续差比和运算的数值。
[0007]由于四通道不可避免存在信号网络的插损和对信号的采集处理增益的不一致性问题，而以上处理方法是对各通道分别进行信号处理，因此无法解决该问题，从而会导致位置计算结果存在误差。

【发明内容】

[0008]为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种经济、简单且现实可行的测量粒子加速器束流位置的方法，以提高束流位置的测量质量及精度。
[0009]本发明所述的一种测量粒子加速器束流位置的方法，其包括以下步骤:
[0010]步骤SI，通过N个通道对条带束流位置探头的N个电极在束流通过所述探头时输出的N个电极信号进行采样，其中，每个电极信号包含M个不同的基模信号；
[0011]步骤S2，将所述N个电极信号组成一 M*N的矩阵X，其中，以所述每个电极信号的M个不同的基模信号为列向量，并对所述矩阵X进行主成分分析，以获得由各个所述基模信号的强度组成的M*N的对角线矩阵S、以及由各个所述电极对各个基模信号的感应强度系数组成的N*N的矩阵V ；
[0012]步骤S3，根据以下公式计算得到所述N个电极分别对应的束流信号感应幅度，并通过所述N个通道分别输出N个所述束流信号感应幅度，
_3]机Ud2)2，[0014]其中，和\2为所述矩阵V中第i列向量前两个数据，I≤i≤N，和S2，2为所述对角线矩阵S中对角线上最大的前两个数据；
[0015]步骤S4，对所述N个通道输出的N个所述束流信号感应幅度进行差比和运算，以获得束流的位置信号；
[0016]其中，M为自然数，N为偶数，M大于N。
[0017]在上述的测量粒子加速器束流位置的方法中，所述步骤SI包括:先通过射频前端对所述N个电极信号进行带通滤波，然后对经过带通滤波后的信号进行带通采样。
[0018]在上述的测量粒子加速器束流位置的方法中，所述步骤S2包括:对所述矩阵X进行矩阵奇异值分解，以获得所述对角线矩阵S和所述矩阵V。
[0019]由于采用了上述的技术解决方案，本发明并不是对每个电极探头采样的数字信号单独处理，而是充分利用了多探头带来的系统处理增益，通过综合多个电极探头的电极信号组成矩阵，以利用主成分分析法对这些电极信号同时进行处理，从而不仅能够有效消除各电极信号中的噪声，而且仅需要对经过主成分分析后获得的数据进行常规的幅度计算，即可直接获得束流通过时各电极探头所对应的束流信号感应幅度，进而有效了提高束流位置的测量精度。
【专利附图】

【附图说明】
[0020]图1是现有技术中条带束流位置探测器的原理图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
[0022]本发明，即一种测量粒子加速器束流位置的方法，其包括以下步骤:
[0023]步骤SI，通过N个通道对条带束流位置探头的N个电极在束流通过探头时输出的N个电极信号进行带通采样，并且在采样前，先通过射频前端对N个电极信号进行带通滤波，其中，每个电极信号包含M个不同的基模信号；
[0024]步骤S2，将N个电极信号组成一 M*N的矩阵X，其中，以每个电极信号的M个不同的基模信号为列向量，并对矩阵X进行主成分分析，即，对矩阵X进行矩阵奇异值分解(SVD分解)，以获得由各个基模信号的强度组成的M*N的对角线矩阵S、以及由各个电极对各个基模信号的感应强度系数组成的N*N的矩阵V ；
[0025]步骤S3，根据以下公式计算得到N个电极分别对应的束流信号感应幅度，并通过N个通道分别输出N个束流信号感应幅度，
[0026]VW+(W(3)
[0027]其中，和\2为矩阵V中第i列向量前两个数据，I≤i≤N，和S2，2为对角线矩阵S中对角线上最大的前两个数据；
[0028]步骤S4，对N个通道输出的N个束流信号感应幅度进行差比和运算，以获得束流的位置信号；
[0029]其中，M为自然数，N为偶数，M大于N。
[0030]下面对本发明的原理进行详细说明。[0031]由于理想的电极对同一个束团(或束团串)的响应是完全相同的，因此所有电极在时域中获得的信号波形应该完全相似。有束团通过时，各电极由于相对于束团位置的不同、信号网络插损或通道增益的不同，输出信号可以表示为一个基矢量与不同比例系数的乘积，而信号中与基矢量不一致的部分均可以认为是系统测量误差引入的噪声。
[0032]以带有N (例如N=4)个电极的条带束流位置探头(BPM)为例，首先，经过射频前端带通滤波处理和带通采样之后，输出的N个电极信号组成了矩阵X=K1, X2，…，Xn]，其中，X1,X2,…，Xn分别是N个电极在束流(束团)通过探头时采样到的一组数据组成的行向量，假设每组数据包含有M (例如M=1024)点，即M个不同的基模信号，则矩阵X为M*N矩阵(例如1024*4 矩阵)。
[0033]然后，对矩阵X进行矩阵奇异值分解(SVD)分解(SVD分解是数学上经常使用一种现有方法)，即:
[0034]X=U*S*V’ (4)
[0035]式(4)中，矩阵U为M*M矩阵(例如1024*1024矩阵)，是由矩阵X分解出的时间向量，矩阵U中的M个列向量代表电极信号的M个不同的基模信号，其中前N个基模信号是从电极信号分解出的有效信号，而后M-N个(例如1020个)基模信号则是无意义的数学计算信号；矩阵S为M*N对角线矩阵(1024*4对角线矩阵)，其具有N个按从大到小顺序排列的特征值，其他位都为0，特征值的大小代表了该基模信号的强度，根据特征值大小即可分析出电极信号中的主成分基模信号(即，特征值大的为主成分);矩阵V’是矩阵V的转置矩阵，矩阵V为N*N矩阵(例如4*4矩阵)，是由矩阵X分解出的空间向量，矩阵V中的N个列向量代表前N个基模信号在个N个电极上的感应强度系数。
[0036]在N个有效的基模信号中，信号强度最大的第一、二个基模信号是主成分信号，SP分别为束流通过时探头感应信号的正弦和余弦部分，两者强度大小是由信号的相位决定的，而其他的基模信号(例如第三、第四个基模信号)则分别是噪声信号和反射信号。因此，第i个通道(I ^ i ^N)感应的束流信号强度可通过上式(3)得出。
[0037]最后，采用常用的差比和运算处理方法即可获得束流的位置信号，此处不再赘述。
[0038]在本发明中，主成分分析法是一种已有的分析方法，被广泛应用在模式识别、数据挖掘等领域。但在加速器领域，现有技术中技术人员仅利用该方法进行全环的BPM数据相关性分析，而从未用于各BPM的信号处理。BPM各通道的信号处理最常用的还是软件无线电中的正交解调，该方法有些噪声无法消除，在算法研究过程中发现四通道之间可以利用主成分分析算法提取出主成分信号，有效消除噪声的干扰。由于各学术领域之间的交流并不是很及时，有些在其他领域广泛应用的算法在加速器领域很可能还没有发现它的用处。
[0039]综上所述，本发明针对经过射频前端处理后的数字信号在原有设备基础上利用现有的主成分分析法对多电极探头输出的信号组成的矩阵进行主成分分析处理，而没有采用通常的IQ解调方法计算信号幅度包络，因此不需要做正交解调、滤波、抽取、幅度计算等一系列数字信号处理，而只需实现SVD分解和幅度计算就可获得束流通BPM过时探头感应的信号幅度，从而有效消除了噪声和反射信号等对系统性能的影响，提高了信号处理质量，进而有效了提高束流位置的 测量精度。
[0040]以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
【权利要求】
1.一种测量粒子加速器束流位置的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: 步骤SI，通过N个通道对条带束流位置探头的N个电极在束流通过所述探头时输出的N个电极信号进行采样，其中，每个电极信号包含M个不同的基模信号； 步骤S2，将所述N个电极信号组成一 M*N的矩阵X，其中，以所述每个电极信号的M个不同的基模信号为列向量，并对所述矩阵X进行主成分分析，以获得由各个所述基模信号的强度组成的M*N的对角线矩阵S、以及由各个所述电极对各个基模信号的感应强度系数组成的N*N的矩阵V ； 步骤S3，根据以下公式计算得到所述N个电极分别对应的束流信号感应幅度，并通过所述N个通道分别输出N个所述束流信号感应幅度，
2.根据权利要求1所述的测量粒子加速器束流位置的方法，其特征在于，所述步骤SI包括:先通过射频前端对 所述N个电极信号进行带通滤波，然后对经过带通滤波后的信号进行带通采样。
3.根据权利要求1所述的测量粒子加速器束流位置的方法，其特征在于，所述步骤S2包括:对所述矩阵X进行矩阵奇异值分解，以获得所述对角线矩阵S和所述矩阵V。
【文档编号】G01T1/29GK103809198SQ201410080631
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年3月6日 优先权日:2014年3月6日
【发明者】赖龙伟, 冷用斌, 阎映炳, 陈之初 申请人:中国科学院上海应用物理研究所