一种6MW 4.6GHz低杂波系统总功率的计算输出方法

摘要

本发明公开了一种6MW 4.6GHz低杂波系统总功率的计算输出方法，其多路入射功率和反射功率的采集是同步的，每路的采集点可以在时刻上严格对齐，采用软硬件集合的方法，可以灵活计算总功率并连续输出。本发明方法输出的入射反射功率时间上严格同步，可以连续工作，而且支持线性和非线性检波器，功率计算方法也可灵活多变，是一种性价比很高的总功率计算和输出方法。

说明书

技术领域

本发明涉及EAST托卡马克装置的功率输出方法领域，具体是一种6MW 4.6GHz低杂波系统总功率的计算输出方法。

背景技术

低杂波是EAST托卡马克上驱动效率最高的非感应辅助加热方式之一，常用于等离子的预电离、加热和电流驱动，具有控制等离子体参数的能力。低杂波向EAST输出功率时，EAST需要实时采集低杂波的总入射功率和总反射功率，以完成相应的控制工作。EAST 6MW/4.6 GHz低杂波共有24只速调管，低杂波工作时会同时有24路入射功率和24路反射功率，需要分别汇总成总入射功率和总反射功率，送给EAST控制系统。之前对2.45 GHz低杂波功率汇总采用了硬件汇总的方式，这是因为2.45 GHz低杂波的检波电压与功率是线性的关系，因此硬件功能简单，易于实现。4.6 GHz低杂波检波器输出电压与功率之间不满足简单的线性关系，由定标数据拟合知是多项式关系，五次多项式才能满足精度要求，纯硬件电路汇总不仅设计复杂，而且无法满足灵活性的要求。

发明内容 本发明的目的是提供一种6MW 4.6GHz低杂波系统总功率的计算输出方法，以电压形式实时输出4.6GHz共 24只速调管的总入射功率和总反射功率，兼具灵活性特点。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种6MW 4.6GHz低杂波系统总功率的计算输出方法，其特征在于：首先利用每路传输线波导上的双定向耦合器，将波导上入射和反射两个方向的功率耦合输出分别形成入射小功率微波信号、反射小功率微波信号，入射小功率微波信号、反射小功率微波信号分别由检波器检波为检波电压信号，两路检波电压信号对应与入射小功率微波信号、出射小功率微波信号之间为非线性的5次多项式关系；

两路检波电压信号经线性隔离放大器放大后分别由两张PXI采集卡采集，在两张PXI采集卡中分别创建模拟输入任务，其中一张PXI采集卡中模拟输入任务定义为aitask1，另一张PXI采集卡中模拟输入任务定义为aitask2；aitask1和aitask2设置工作在连续采集模式并采用同样的外部参考时钟，且将aitask1的开始触发作为aitask2的数字边沿触发；

在aitask1对应的PXI采集卡中创建模拟输出任务aotask，为aitask1的每N个采样采集至缓冲区事件注册callback函数；首先启动aitask2，然后启动aitask1，这样两个模拟输入任务便同步启动，入射功率与反射功率同步采集；

在采集过程中每采样10个点，aitask1对应的PXI采集卡会自动发射EveryNSamplesEvent并调用callback函数，在callback函数中，把采集到的电压拟合为功率值，24路入射功率和反射功率分别相加，计算出总入射、反射功率，然后按照比例关系转换为电压值，使用aotask输出，实现了总入射功率和反射功率的同步输出。

本发明的优点

1.通过PXI背板总线同步技术，多张采集卡可以同步工作，各个通道采集的数据可以在时刻上严格对齐，可以进行功率相加等其它运算；对于48路或者更多通道需要时间同步的数据，可以使用多张相对便宜的扫描式采集卡代替昂贵的同步卡完成采集。

2.总入射、反射功率是浮点数多项式运算，FPGA等硬件模块很难直接支持浮点数运算，由软件完成则简单易行，而且灵活性非常高。功率用五次多项式计算，准确度和精度高。

3.采集的电压值可以通过多种拟合方法求得对应的功率值，因此该方法对线性和非线性检波器均能适用，扩大了对检波器的支持范围。

4.只要确保输出电压的范围可以在-10V~10V范围内，总入射反射、功率对应的输出电压比例关系可以灵活修改。

5.由于采用了event-callback机制，采集和总功率输出可以连续模式进行。

附图说明

图1为4.6GHz低杂波总入射反射功率输出硬件框图。

图2为4.6GHz低杂波总入射反射功率输出软件工作流程图。

具体实施方式

参见图1、图2所示，一种6MW 4.6GHz低杂波系统总功率的计算输出方法，首先利用速调管1每路传输线波导8上的双定向耦合器2，将波导8上入射和反射两个方向的功率耦合输出分别形成入射小功率微波信号、反射小功率微波信号，入射小功率微波信号、反射小功率微波信号分别由检波器3检波为检波电压信号，两路检波电压信号对应与入射小功率微波信号、出射小功率微波信号之间为非线性的5次多项式关系；

两路检波电压信号经线性隔离放大器4放大后分别由两张PXI采集卡6、7采集，在两张PXI采集卡6、7中分别创建模拟输入任务，其中一张PXI采集卡6中模拟输入任务定义为aitask1，另一张PXI采集卡7中模拟输入任务定义为aitask2；aitask1和aitask2设置工作在连续采集模式并采用同样的外部参考时钟，本实施例中都采用PXI机箱5的背板时钟，且将aitask1的开始触发作为aitask2的数字边沿触发；

在aitask1对应的PXI采集卡6中创建模拟输出任务aotask，为aitask1的每N个采样采集至缓冲区事件注册callback函数；首先启动aitask2，然后启动aitask1，这样两个模拟输入任务便同步启动，入射功率与反射功率同步采集；

在采集过程中每采样10个点，aitask1对应的PXI采集卡6会自动发射EveryNSamplesEvent并调用callback函数，在callback函数中，把采集到的电压拟合为功率值，24路入射功率和反射功率分别相加，计算出总入射、反射功率，然后按照比例关系转换为电压值，使用aotask输出，实现了总入射功率和反射功率的同步输出。

本发明解决的是4.6 GHz 24只速调管总入射功率和反射功率计算和输出的方法，具体的实施方案如下：

1.速调管的输出功率经高功率环形器、WR-229标准传输线至天线，在24路传输线上分别安装双定向耦合器，速调管单管最大输出功率是250kW，双定向耦合系数设定在59±2dB范围内，确保满功率输出时耦合出来的波导功率在检波器的输入范围之内。

2.双定向耦合器耦合输出端接检波器，检波器将耦合出来的小功率信号转为检波电压，每只双定向耦合器接两只检波器，输出入射和反射两路电压信号。

3.检波电压经过线性隔离放大器，放大为可供计算机采集的0~10V范围的电压信号，称放大后的信号为功率电压。在检波器输入量程范围内，平均选取6个输入功率值，测得相应的功率电压值，然后用五次多项式拟合出功率电压与波导功率的函数关系，记录下每只检波器的多项式系数。

4.使用两张NI 6259采集卡采集功率电压，称为Dev1和Dev2。，对Dev1和Dev2进行软件配置，流程如图2所示，首先分别为Dev1和Dev2创建模拟输入任务aitask1和aitask2，并分配aitask1的ai0:11,ai15:26通道采集1-24路入射功率电压，aitask2的ai0:11,ai15:26通道采集1-24路反射功率电压，aitask1和aitask2配置为连续采集模式，扫描速率设为10 kSamples/s。

5.将aitask1和aitask2的参考时钟统一设为PXI背板时钟，并将aitask1的开始触发（Start Trigger）作为aitask2的数字边沿触发，这样Dev1在工作逻辑上成为主卡，Dev2成为从卡，实现了Dev1和Dev2的总线时钟同步。

6.在Dev1上创建模拟输出任务aotask，aotask有两个通道，用来以模拟电压的形式输出总入射功率和总反射功率。aotask的参考时钟也设为PXI背板时钟。

7.为Dev1 aitask1的每N个采样采集至缓冲区事件（EveryNSamplesEvent）注册callback函数，其中N设置为10。在callback中读取分别aitask1和aitask2的240采样点。以入射功率的240个点为例，这240个点是一个24×10的二维数据，行代表同一通道所有时刻的采样，列代表所有通道同一时刻的采样。将数组中的每个元素用已知的多项式系数计算出功率值，然后24行数据逐行相加，生成1×10的总入射功率数组，按照1V对应1MW的比例关系转化为-10-10V以内的电压值，对aitask2的采样数据也做同样的处理，得到总反射功率对应的电压值数组，然后将两个电压值数组用aotask分别从两个通道输出。

8.首先启动aitask2，aitask2会等待aitask1的开始触发，启动aitask1后，aitask1和aitask2同步开始工作，随着采集的进行，实现了总入射功率和总反射功率的同步输出。