20通道数字化仪采集阵列在大型物理实验中的应用-优快云博客

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在前沿物理研究领域，特别是与核物理、瞬态、高频电磁现象有关的大型物理实验，通常会对信号采集系统提出极高的要求，因为实验过程中复杂物理现象的精确测量和分析对于实验结果和研究结论至关重要。这类实验通常需要同时监测分布在空间不同位置的大量传感器，采集的信号具有频率高（可达GHz量级）、脉宽窄（ns至ps量级）、动态范围大等特点。更为关键的是，数百甚至上千个采集通道之间需要保持极高的时间同步精度（ps级），以确保不同物理量测量数据在时间轴上的严格关联性。

此外，大型物理实验常用的光谱分析技术是此类研究中诊断等离子体状态的重要手段之一。通过光谱分析，可以研究等离子体中的粒子运动、激发态行为等关键物理特性。然而，光谱信号本身也属于瞬态信号，其精确采集同样依赖于高性能、高同步性的数据采集系统。

因此，构建一套高性能、高同步性、可扩展性强的分布式采集系统成为解决此类实验需求的关键。为某国家级重大科研项目中的关键物理实验平台提供了定制化的高速信号采集处理解决方案。本文将探讨坤驰科技如何利用数字化仪采集阵列技术解决上述挑战。

大型物理实验装置在运行过程中会产生高速粒子的碰撞，从而产生极短的电磁脉冲，其频率极高。若采用客户最容易想到的数字示波器方案，将无法满足后端数据的实时存储与信号处理需求。此外，监测多个传感器的数据，需要数百个通道之间保持极高的同步性，这意味着即使采用大量的多通道紧凑型数字示波器组网，也会面临高昂的成本与复杂的同步问题。

另一方面，实验中的瞬态现象对多通道采集同步性提出了严苛要求。特别是实验运行时产生的高频电磁脉冲和瞬态磁场，可能导致传统电缆传输的触发信号失真。因此，需要采用光纤传输或其他信号隔离技术，确保同步信号的完整性。根据项目的实际需求，系统需要同步采集多种物理量（如电磁场、光谱辐射、粒子通量等），同时具备跨频段、跨量纲的同步触发与时间戳对齐能力。这些高要求对于数字示波器的方案而言，非常困难。

结合上述两方面的要求，可以判断需采用多台数字化仪构建分布式采集阵列，并最终形成一套复杂而庞大的数据采集系统，具体理由参见表1。数字化仪采集阵列，顾名思义由多台数字化仪构成，适用于需要多通道高精度同步采集的环境，特别适用于大型物理实验、核聚变、阵列雷达、MIMO等需要多通道采集的应用场合。

最后还有一点，即普通台式仪器通常需额外配置GPS或IEEE1588同步模块才能达到μs级同步，普通PCIe等模块化仪器在配备性能良好的时钟同步板后才能达到ns级同步，而VPX架构采用背板级参考时钟分发系统则可实现ps级同步。由于该实验所需的采集通道数以千计，通道之间的同步问题非常严峻，因此必须选择基于VPX架构的方案。事实上，VPX架构本身就具备高性能、高可靠性和模块化的特点，所以在航空航天、国防等领域得以广泛应用。

由此可见，采用基于VPX架构的数字化仪采集阵列应该可以满足本项目严苛的技术指标要求，是应对该项目技术挑战的最优解决方案。

系统方案

设计的系统采用标准上架式机柜部署（参见图1），核心组件包括：

多台采集机箱：基于高性能模块化架构（参见图2），每个槽位插入高速数字化仪模块。

集中式同步机箱：为整个系统提供统一、高精度的时钟源和触发源（参见图3）。

光纤交换网络：实现采集数据的高速、抗干扰传输至后端处理单元。

光谱信号通过光电转换设备接入采集机箱，系统通过集中式同步机箱确保所有采集通道的严格时间同步。后端采用光纤网络传输数据，用户可通过Web版统一控制软件对所有采集设备进行配置、监控和数据分析。