随着核能在军事、生产和生活中的广泛应用,如何安全利用核能以及处理核废料成为各国科学家们研究的热点。加速器驱动次临界洁净核能系统(ADS：Accelerator Driven Sub-critical System,),因其核能产生过程的安全性以及可以嬗变核废料的特点,被认为是最具前景的解决能源和核废料安全处理问题的措施之一。强流质子直线加速器(LINAC:Linear Accelerator)是ADS的关键组成部分,其束流诊断方法是整个系统的关键科学技术之一。本课题即是针对LINAC的束流测量需求,对高精度束流位置和相位测量进行的研究。质子直线加速器的BPM探测器输出4路电极检测信号,用于束流位置和相位测量；另外加速器还输出一路MO信号作为束流相位测量的参考。电极检测信号是162.5MHz的周期窄脉冲信号,幅度为0.01～1V,经过电缆衰减后对应本系统的输入幅度范围为-44-4dBm；MO参考信号是恒定幅度的162.5MHz正弦波信号。ADS束测指标要求为：在-38～-4dBm输入范围内,位置和相位测量精度分别为0.2mm和±0.5°。为了减小加速器射频(RF:Radio Frequency)场对电子学的影响,本课题设计了基于二次谐波信号的测量系统,同时设计了基频信号测量系统用于系统性能对比测试。传统的束测方法基于全模拟电路实现,由于噪声和非线性的影响,很难实现高精度测量；随着数字模拟转换技术和数字信号处理技术的发展,全数字化成为束测技术的发展方向,但主流的数字IQ解调方案数字信号处理非常复杂；本课题采用新型射频信号正交欠采样技术,同时简化模拟电路设计和数字信号处理复杂度。本课题在单系统同时实现束流位置和相位的测量,简化束测系统结构,提高了系统的集成度。由于单电极信号的相位存在束流位置依赖性,为了避免此问题,本系统通过四路电极信号的和信号进行束流相位的测量。在实验室环境下,对二次谐波系统和基频系统进行了电子学联合测试,测试结果表明系统的指标好于应用需求。本论文第一章介绍了加速器束流测量的概念、分类和意义,以及ADS的概念、意义和目前国内外的研究进展,并引出了束流位置和相位测量的重要性。第二章主要对束流位置和相位测量技术进行探讨,包括其前端探测器、信号处理电子学等环节的讨论,通过对数比、幅度相位转换及差和比方法的比较,确定了本课题的电子学信号处理方法。接着回顾了加速器束流位置和相位测量的发展历史并给出了其发展方向；最后介绍了国际上典型的加速器束流测量系统,作为系统方案设计的参考。第三章详述了系统输入信号的特点以及ADS束流位置和相位测量指标需求；通过第二章的技术对比,本课题采用基于新型RF信号正交欠采样方法的全数字化技术,并针对输入信号特点进行了仿真分析,验证了该技术的可行性。在确定了基本测量技术后,分析了系统的设计难点,并给出了系统的总体设计方案。第四章和第五章介绍了具体的系统方案设计,硬件电路设计和实现。研究工作中进行了低噪声射频信号处理电路和高精度时钟系统的设计；探讨了ADC前端耦合电路对高速高精度模数转换性能的影响,并根据信号频率特点设计了优化的前端耦合匹配电路；考虑到信号完整性,对高速数据传输和PCB布局布线进行了仔细设计；同时对模数电路电源系统的隔离以及系统的散热设计进行了分析。第五章详细介绍了数字信号处理算法和数据传输接口逻辑的设计。第六章给出了关键电路模块和实验室电子学系统测试结果。测试结果表明：在12.5MHz更新率下,在设计指标要求的-44--4dBm的输入动态范围内,二次谐波系统的束流相位、位置以及流强的测量精度分别好于0.03。、5um和0.02%,基频系统对应的测量精度分别好于0.03。、3um和0.012%,好于应用需求。此外,系统的工作动态范围最大可以达到60dB(对应-60～0dBm输入信号动态范围),在此范围内二次谐波系统对应的精度分别好于0.14。、30um和0.1%,基频系统对应精度也分别好于0.15。、15um和0.06%。最后在第七章中对本论文工作进行了总结,并给出了下一步工作的展望。