一种基于扫频模式的自动频率跟踪方法及系统 |
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| 申请号 | CN202310870100.9 | 申请日 | 2023-07-14 | 公开(公告)号 | CN117040490A | 公开(公告)日 | 2023-11-10 |
| 申请人 | 西安空间无线电技术研究所; | 发明人 | 薛沛雯; 周钦; 黄惠军; 方进勇; 蒙继东; 李巧; 袁帅; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种基于扫频模式的自动 频率 跟踪 方法及系统，通过“粗扫+精扫”相结合的方式扫频，首先通过大步进行“粗扫”，“粗扫”是采用相邻频点反射 电压 求差的方法判断扫频方向，确定一个包含拐点的较小 频率范围 ，在这个频率范围内采用小步进“精扫”，对比每一频点反射电压大小，反射电压最小值对应的频点即为 加速 管的谐振频点。本发明相较于传统鉴频式自动频率跟踪方法，在保证了扫频 精度 的 基础 上，提高了扫频效率，能够快速得出加速管的实际谐振频率。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于扫频模式的自动频率跟踪方法，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 一种基于扫频模式的自动频率跟踪方法及系统技术领域背景技术[0002] 电子直线加速器是利用微波功率源产生微波电场，沿直线轨道加速电子到较高能量，然后打靶产生X射线的装置，现已广泛应用于辐射治疗、辐照加工、工业无损检测、环境治理等领域。在应用过程中，电子直线加速器系统性能的稳定可靠是非常重要的。驻波加速管实际上是由一系列以一定方式耦合起来的谐振腔链组成，谐振腔的中央有小孔以供电子束通过，驻波加速管固有谐振频率在其生产加工后已经决定。如果加速电子到达每一个加速腔时，相位关系合适，即在驻波加速电场场强峰值时，电子正好通过谐振腔中央，那么电子就能被持续加速并不断地获取能量。当电子到达加速管末端时已具有相当高的能量，然后打靶产生一定剂量的X射线。 [0003] 为了使得加速器输出的电子束能量最大即达到最大剂量率输出，微波源输出微波的谐振频率必须与加速管固有谐振频率保证一致，此时磁控管输入到加速管的微波功率几乎全部馈入加速管，反射很小；而当二者的谐振频率不一致时，加速管会反射一定功率的微波能量，这将导致加速管中形成的驻波加速电场场强与电子束能的下降。由于温度、电压、磁场等环境因素的影响，加速管实际谐振频率会与设计的谐振频率有所偏差，当微波功率源的频率f偏离驻波加速管的谐振频率时，不仅会引起能量及剂量率的下降，而且会产生功率反射，甚至不能工作。 [0004] 通过对国内外文献和专利库进行关键字检索，未见有针对加速管谐振频率自动跟踪方面的专利或文献。通过相关资料推测，国外正在大力研究这一技术，一些方面的研究已有所成果。国内的研究相对落后，还处于探索起步的阶段。 发明内容[0005] 本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种基于扫频模式的自动频率跟踪方法及系统，通过“粗扫+精扫”相结合的扫频模式对加速管的实际谐振频率进行自动跟踪，输出满足加速管工作的微波信号。 [0006] 本发明的技术解决方案是： [0007] 一种基于扫频模式的自动频率跟踪方法，包括： [0008] 根据加速管设计参数，确定扫频范围，进行如下扫频操作： [0009] 从所述扫频范围的起始频点开始进行粗扫，获取每一频点下加速管反射信号电压；计算当前频点与相邻的前一频点对应的反射信号电压差，若差值为负，继续进行粗扫；否则停止扫频，更新扫频范围为当前频点以及当前频点之前的第二个频点之间的范围，从扫频范围的起始频点开始进行精扫，获取每一频点下加速管反射信号电压，选择最小反射电压对应的频点为谐振频点； [0010] 将得到的谐振频点作为加速管的输入频率，监测加速管的反射电压值，当反射电压值超过设定阈值时，重复上述扫频操作，获得新的谐振频点并作为加速管的输入频率。 [0011] 优选的，所述粗扫、精扫的区别为扫描步进值不同，粗扫的扫描步进值大于精扫的扫描步进值。 [0012] 优选的，粗扫的扫描步进值根据扫频范围确定，将扫频范围等分，选择40～60个频点。 [0013] 优选的，精扫的扫描步进值通过在ASTRA中进行频偏后加速管束团能量及能散仿真得到。 [0014] 优选的，根据加速管设计参数，确定扫频范围的方法为： [0015] 计算最大频差： [0016] △f＝1.7e‑5*f0*△T [0017] 式中，f0是设计中心频率，△T是温度分布达到稳态时与初始温度之差； [0018] 扫频范围为f0±△f。 [0020] 优选的，在每个频点进行粗扫或精扫时，要驻留一定时间直至加速管达到稳定状态后，获取每一频点下加速管反射信号电压。 [0021] 一种基于扫频模式的自动频率跟踪系统，包括粗扫模块、精扫模块、反射信号电压监测模块； [0022] 所述粗扫模块根据加速管设计参数，确定扫频范围，从所述扫频范围的起始频点开始进行扫描，将当前频点输入至反射信号电压监测模块，获取每一频点下加速管反射信号电压；计算当前频点与相邻的前一频点对应的反射信号电压差，若差值为负，继续扫描；否则停止扫频，更新扫频范围为当前频点以及当前频点之前的第二个频点之间的范围，将更新后的扫频范围发送至精扫模块； [0023] 所述精扫模块根据接收到的扫频范围，从扫频范围的起始频点开始进行扫描，将当前频点输入至反射信号电压监测模块，获取每一频点下加速管反射信号电压；选择最小反射电压对应的频点为谐振频点，输出所述谐振频点作为加速管的输入频率。 [0024] 优选的，反射信号电压监测模块接收频点信息，获取以当前频点为输入下加速管的反射信号，通过A/D采样及检波器获得反射信号电压。 [0025] 优选的，所述粗扫模块、精扫模块的扫描步进值不同，粗扫模块的扫描步进值大，精扫模块的扫描步进值小。 [0026] 本发明与现有技术相比的优点在于： [0027] (1)本发明基于扫频模式对加速管频率进行自动跟踪，相较于传统鉴频式自动频率跟踪方法可进行数字化处理，明确输出信号频率。 [0029] (3)本发明以获得的实际谐振频率为加速管提供输入，同时不断监测加速管反射功率，当反射功率大于某一设定值时，说明加速管频率发生漂移，需触发扫频机制，开始新一轮扫频，以获得频漂后谐振频点。 [0030] (4)自动频率跟踪法在国内尚属于起步阶段，但其需求已十分迫切，今后必将得到很好的应用。本发明提出了基于扫频模式的自动频率跟踪方法，具有相当的实用性，同时满足自动频率跟踪方法中高效率、高精度等要求，可以广泛应用于加速管系统，一方面能够应对加速管频率易漂移的问题，另一方面也能够提高自动频率跟踪的效率。附图说明 [0031] 通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中： [0032] 图1为本发明实施例加速管反射功率与频点的关系图； [0034] 图3为本发明实施例扫频模式流程图。 具体实施方式[0035] 下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。 [0036] 当前直线电子加速器的谐振频率易受温度、磁场等因素影响发生漂移，当微波功率源与加速管的谐振频率不一致时加速管会反射一定功率的微波，这将导致出束剂量率的显著降低，影响加速管整机性能。在深入分析其频漂规律的基础上，本发明提出了一种基于扫频模式的自动频率跟踪方法及系统，填补了国内自动频率跟踪技术空缺，可以自动调节输出微波的频率以保证其和加速管工作频率一致。 [0037] 本发明采用“粗扫+精扫”相结合的模式进行扫频以实现自动频率跟踪，如图3所示，首先进行大步进粗扫，采用相邻频点反射电压求差的方法判断扫频方向，确定一个包含拐点的较小频率范围，在这个频率范围内采用小步进“精扫”，对比每一频点反射功率大小，反射功率最小值对应的频点即为加速管的谐振频点，确定谐振频点后以此为加速管提供输入，同时不断监测反射信号电压，当反射信号电压大于某一特定值时，说明频率发生漂移，需重新扫频，获取频漂后的谐振频点。 [0038] 该方法具体包括： [0039] (1)以加速管设计的谐振频率点为中心频率，设定扫频频率范围、粗扫及精扫的步进值大小，由于加速管需要时间建场达到稳定状态，因此每个扫描频点须驻留一定时间直至达到稳定状态，加速管反射电压大小与频率的关系如图1所示； [0040] 扫频范围根据温度‑频偏经验公式：△f＝1.7e‑5*Fre*△T，Fre是设计的中心频率f0，△T是温度分布达到稳态时与初始温度之差，初始由室温T0开始变化，最终稳态温度达到一个值T1，温差△T＝T1‑T0，即可计算出可能出现的最大频差△f，扫频范围f0±△f； [0041] 粗扫扫描步进可根据频率范围确定，一般根据频率范围等分，选择50个频点。精扫扫描步进值步依据在ASTRA中频偏后加速管束团能量及能散的仿真结果，至少应设置在100KHz以下。 [0042] (2)扫描以“粗扫+精扫”相结合的方式进行。粗扫如图2所示，扫描时在频率范围内从起始频点开始进行粗扫，步进为加速管提供输入，此时步进值范围较大。监测每一频点加速管反射回的微波信号，通过A/D采样及检波器获得反射信号电压。由于加速管的反射曲线为单调下降后单调上升(见图1)，因此用每一频点与前一频点对应的反射电压求差，通过求差后正负值的变化，为下一步精扫确定一个较小的频率范围。 [0043] 差值小于0时，维持原方向扫描；差值大于等于0时，停止扫频，以此时频点f(n)以及频点f(n‑2)为新的扫频范围，之后再设定一个较小的步进值在此范围内进行精扫，步进为加速管提供输入，监测加速管反射信号，通过对比每一频点的反射电压大小，将反射电压最小值对应的频点确定为加速管的谐振频点，即DDS输出频率。 [0044] (3)以此谐振频点为加速管提供输入，同时监测加速管反射信号电压，当反射电压大于设定的临界值时，说明加速管发生频漂，重新进行步骤(2)扫描并获得新的谐振频点，实现对加速管的自动频率跟踪。 [0045] 以上所述实施例只是本发明较优选具体实施方式，本领域技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换应包含在本发明的保护范围内。 |
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