基於數學對比法的光纖雷射幹涉電子密度測量系統及方法與流程

2023-04-25 20:52:01 1

本發明涉及磁化靶聚變研究中關於反場構形預加熱磁化等離子體產生的關鍵診斷測試技術領域，具體涉及一種基於數學對比法的光纖雷射幹涉電子密度測量系統及方法。

背景技術：

測量等離子體電子密度常用的方法有朗繆爾探針(靜電探針)、光譜學、雷射幹涉等方式。朗繆爾探針是最早用來測定等離子體特性的一種診斷工具，其理論相當複雜，在簡化條件下，利用其伏安特性可推導出等離子體電子溫度、密度與空間電位等參數，朗繆爾探針結構簡單且具有一定的空間分辨能力，主要適用於低溫等離子體、或高溫等離子體的低溫低密度區研究中，但其必須深入到等離子體內部進行測量的使用方式，導致其與等離子體會發生強烈的相互作用，加之強磁場對其伏安特性影響嚴重，限制了其在高溫等離子體診斷中的應用。光譜學測量等離子體密度信息主要適用於高溫高密度等離子體研究中，利用光譜的絕對強度及其線譜輪廓可對其密度與溫度進行測量估算。但高溫等離子體的發光機制多種多樣，實驗室中產生的等離子體通常並不處於完全平衡狀態，各組分粒子一般處於不同狀態，其密度溫度等各不相同且都會隨時空變化，尤其是在出現不穩定狀態時，情形更為複雜，甚至導致等離子體的宏觀參數完全失去意義。故從光譜學測量中推斷等離子體有關密度溫度等參數時，需要相當慎重分析考慮。

雷射幹涉作為一種非接觸式無擾診斷手段，如今已被廣泛用於各種等離子體研究中。雷射幹涉測量等離子體電子密度的基本原理是利用雷射在等離子體中傳播時因介質(等離子體)折射率的變化導致雷射相位的變化，通過求解幹涉信號相位，而等離子體的折射率與等離子體的電子密度密切相關，從而可得到等離子體電子密度信息。目前普遍採用的雷射幹涉方式是雙光束超外差方法，利用圓柱形旋轉光柵產生都卜勒頻移、聲光布拉格盒產生差頻信號、或波長相近的兩個雷射光源進行幹涉實現差頻，相移解調方式多採用正交電路解調方式或數幹涉條紋的方法進行相位信息解調。採用正交電路解調方式，電路系統繁雜，包含本振(聲光布拉格盒差頻提供)、功分、帶通濾波、i/q解調器、低通濾波等元器件組成，且各功能元器件性能限制，造成解調精度局限；採用數幹涉條紋相移解調方式，需採用分幅/掃描相機輔助、ccd/cmos/膠片記錄等幹涉條紋，記錄幹涉條紋解析度有限，造成可解調相移精度受限。通常採用的雷射幹涉系統是由傳統光學元器件通過空間光路搭建的方式實現，光路受周圍空間環境影響極大，同時每次實驗前均需進行繁瑣的光路對光調節，時間成本較高，嚴重影響實驗(時間)效率。

因此如何利用雷射幹涉方法高效便捷地診斷高溫高密度磁化等離子體電子密度信息，成為磁化靶聚變研究的強烈訴求。

技術實現要素：

本發明克服了現有技術的不足，提供一種基於數學對比法的光纖雷射幹涉電子密度測量系統及方法。以期待解決如何高效便捷地診斷高溫高密度磁化等離子體(反場構形frc)的電子密度信息問題。

為解決上述的技術問題，本發明採用以下技術方案：

一種基於數學對比相移解調法的光纖雷射幹涉系統，包括：雷射器、隔離器、第一分束器、可調衰減器、第二分束器、第一合束器、第二合束器、第一光電探測器、第二光電探測器、示波器、第一光功率計、第二光功率計、發射探頭、接收探頭、光纖窄帶濾波器和第三分束器；所述雷射器與所述隔離器連接；所述隔離器與所述第一分束器連接；所述第一分束器與所述可調衰減器連接；所述可調衰減器與所述第二分束器連接；所述第二分束器分別與所述第一合束器、第二合束器連接；所述第一合束器與所述第一光電探測器連接；所述第二合束器與所述第二光電探測器連接；所述第一分束器同時與所述發射探頭連接；所述發射探頭與所述接收探頭通過經由等離子體待測試區的自由空間光連接；所述接收探頭與所述光纖窄帶濾波器連接；所述光纖窄帶濾波器與所述第三分束器連接；所述第三分束器分別與所述第一分束器、第二分束器連接；所述第一光電探測器、第二光電探測器分別與所述示波器連接；所述第三分束器與所述第一光功率計連接；所述第二分束器與所述第二光功率計連接；且各器件之間均通過光纖進行連接。

更進一步的技術方案是提供一種基於數學對比法的光纖雷射幹涉電子密度測量方法，所述的方法包括以下步驟：

步驟一、通過所述的基於數學對比相移解調法的全光纖雷射幹涉系統採用數學對比法對電子密度所致相移進行解調；

步驟二、利用所述基於數學對比相移解調法的全光纖雷射幹涉系統採用abel反演數據處理方法獲取等離子體電子密度的時空分布信息。

更進一步的技術方案是所述的步驟一包括：

步驟a、物光光束穿越等離子體後分成兩束物光，並與經過不同光纖長度的同一參考光進行幹涉，得到含有同一等離子體電子密度信息的兩幹涉信號；

步驟b、對步驟a中的所述兩幹涉信號進行數據採樣，得到兩幹涉信號獨自的觸發時刻初始相位差及各自幹涉系統初始相位差隨時間漂移的周期性信號；

步驟c、利用三角函數和差化積公式對步驟b中兩幹涉信號餘弦表達式分別進行和差化積處理，得到含有零時刻不同初始相位差、初始相位差隨時間漂移周期性信號及電子密度所致相位的正、餘弦混合表達式；

步驟d、對步驟c中得到的兩個正、餘弦混合表達式進行運算得到僅含有電子密度所致相位的正、餘弦函數，再利用所述正、餘弦函數在0～2π弧度範圍內的正負性，並結合自編程序代碼對電子密度所致相位進行求解，確定出反場構形磁化等離子體電子密度所引起的實時相移；

步驟e、利用步驟d中得到的實時相移，通過雷射幹涉測量電子密度基本原理與基本公式得到線積分電子密度實時信息。

更進一步的技術方案是所述的步驟二包括：

步驟1、利用所述基於數學對比相移解調法的全光纖雷射幹涉系統對等離子體靶團進行不同弦心距位置處進行穿越等離子體區同時測量，得到不同弦心距位置處的多弦實時相移信息；

步驟2、對步驟1中得到的多弦實時相移信息再利用abel反演數據處理方法進行反演，得到等離子體橫截面不同半徑位置處的電子密度隨時間變化信息。

更進一步的技術方案是所述的步驟a包括：物光光束穿越等離子體後分束成兩束物光並與經過不同光纖長度的同一參考光進行幹涉，得到含有同一等離子體電子密度信息的兩幹涉信號，從而確保兩幹涉信號中的初始相位差0時刻不同，即

更進一步的技術方案是所述的步驟b包括：對步驟a中的兩幹涉信號進行示波器數據採樣，得到兩幹涉信號獨自的觸發時刻初始相位差及各自幹涉系統初始相位差隨時間漂移的周期性信號ω(1)、ω(2)。

更進一步的技術方案是所述的步驟c包括：對於步驟a中的兩幹涉信號分別寫為其中下角標(1)、(2)分別表示屬於不同的幹涉信號，i1、i2分別表示第1條幹涉信號的直流分量幅度與時變分量幅度，i′1、i′2分別表示第2條幹涉信號的直流分量幅度與時變分量幅度；

對兩幹涉信號表達式進行三角函數和差化積數學變換得到僅含有的正、餘弦混合表達式為：

其中

更進一步的技術方案是所述的步驟d包括：利用正、餘弦函數在0～2π弧度範圍內的正負性並結合自編程序代碼對步驟c中表達式進行求解，確定出反場構形磁化等離子體電子密度所引起的相移實時變化

更進一步的技術方案是所述的步驟e包括：通過雷射幹涉測量電子密度基本

原理與基本公式得到線積分實時電子密度信息。

與現有技術相比，本發明實施例的有益效果之一是：本發明可極大降低雷射幹涉系統複雜度，且不受電路功能元器件性能限制與解調精度局限，可更為精確地求解電子密度所致相移。該全光纖雷射幹涉系統相比於傳統光學元器件所搭建系統，可極大提高實驗效率(節約時間)與系統可靠性並免除了傳統光學光路幹涉系統每發次實驗前繁雜的對光調節過程。

附圖說明

圖1為本發明一個實施例基於數學對比法的光纖雷射幹涉電子密度測量系統的結構原理框圖。

圖2為本發明一個實施例中基於數學對比法的光纖雷射幹涉電子密度測量系統初始相位差隨時間漂移的周期性變化圖。

圖3為本發明另一個實施例中利用abel反演法獲得離散時刻電子密度徑向分布圖所用到的各弦假定實時相移曲線圖。

圖4為本發明另一個實施例中利用abel反演法獲得的離散時刻電子密度徑向分布圖。

具體實施方式

本說明書中公開的所有特徵，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特徵和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。

本說明書(包括任何附加權利要求、摘要和附圖)中公開的任一特徵，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特徵加以替換。即，除非特別敘述，每個特徵只是一系列等效或類似特徵中的一個例子而已。

下面結合附圖及實施例對本發明的具體實施方式進行詳細描述。

在下面的詳細描述中，出於解釋的目的描述了許多具體描述以便能夠徹底理解所公開的實施方案，然而，很明顯一個或多個實施方式可以在不使用這些具體描述的情況下實施，在其他實例中，示意性地顯示已知結構和裝置，以便簡化附圖。

實施例1

如圖1所示，根據本發明的一個實施例，本實施例公開一種基於數學對比相移解調法的光纖雷射幹涉系統，具體的，該基於數學對比相移解調法的光纖雷射幹涉系統包括：雷射器、隔離器、第一分束器、可調衰減器、第二分束器、第一合束器、第二合束器、第一光電探測器、第二光電探測器、示波器、第一光功率計、第二光功率計、發射探頭、接收探頭、光纖窄帶濾波器和第三分束器；所述雷射器與所述隔離器連接；所述隔離器與所述第一分束器連接；所述第一分束器與所述可調衰減器連接；所述可調衰減器與所述第二分束器連接；所述第二分束器分別與所述第一合束器、第二合束器連接；所述第一合束器與所述第一光電探測器連接；所述第二合束器與所述第二光電探測器連接；所述第一分束器同時與所述發射探頭連接；所述發射探頭與所述接收探頭通過經由等離子體待測試區的自由空間光連接；所述接收探頭與所述光纖窄帶濾波器連接；所述光纖窄帶濾波器與所述第三分束器連接；所述第三分束器分別與所述第一分束器、第二分束器連接；所述第一光電探測器、第二光電探測器分別與所述示波器連接；所述第三分束器與所述第一光功率計連接；所述第二分束器與所述第二光功率計連接；且各器件之間均通過光纖進行連接。

其中，第一分束器-可調衰減器-第二分束器至第一合束器，第一分束器-可調衰減器-第二分束器至第二合束器，以及第一分束器-可調衰減器-第二分束器至第二光功率計的信號傳輸光路代表參考光第一分束器-發射探頭-等離子體待測試區-接收探頭-光纖窄帶濾波器-第三分束器至第一合束器，第一分束器-發射探頭-等離子體待測試區-接收探頭-光纖窄帶濾波器-第三分束器至第二合束器，第一分束器-發射探頭-等離子體待測試區-接收探頭-光纖窄帶濾波器-第三分束器至第一光功率計的信號傳輸光路代表物光(探測光)(若物光參考光均由同一光源輸出則ω1＝ω2＝ω0，ω0為雷射頻率)。第一合束器至第一光電探測器，以及第二光束器至第二光電探測器的信號傳輸光路為幹涉信號；第一光電探測器至示波器，以及第二光電探測器至示波器的信號傳輸光路為由幹涉信號通過光電轉換探測器後的電信號((其中e1、e2分別為物光、參考光光強幅度，為幹涉系統初始相位差且隨時間漂移呈現周期性變化，而反映的是電子密度實時變化引起的物光相移變化)。第一光功率計和第二光功率計分別用於監測物光、參考光功率大小，通過調節參考光光路中的可調衰減器進行參考光功率調節，以期與物光功率大致相同。

具體的，本實施例基於數學對比相移解調法的光纖雷射幹涉系統初始相位差隨時間漂移的周期性緩慢變化如圖2所示，則幹涉系統初始相位差可處理(其中ω′表示初始相位差的緩慢變化周期頻率(周期為數ms至數十ms)，表示實驗時觸發時刻(0時刻)的幹涉系統初始相位差)。

本實施例基於數學對比相移解調法的光纖雷射幹涉系統相比於傳統光學元器件所搭建系統，可極大提高實驗效率(節約時間)與系統可靠性並免除了傳統光學光路幹涉系統每發次實驗前繁雜的對光調節過程。

實施例2

根據本發明的另一個實施例，本實施例公開基於數學對比法的光纖雷射幹涉電子密度測量方法，該方法包括以下步驟：

步驟一、通過所述基於數學對比相移解調法的全光纖雷射幹涉系統採用數學

對比法對電子密度所致相移進行解調；其中，該數學對比相移解調法包括以

下步驟：

步驟a、在物光光束不穿越等離子體時幹涉系統的初始相位差隨時間漂移的周期性信號是一慢信號(周期數ms至數十ms)。

步驟b、物光光束穿越等離子體後分成兩束物光，並與經過不同光纖長度的同一參考光進行幹涉，得到含有同一等離子體電子密度信息的兩幹涉信號。

步驟c、對步驟b中的兩幹涉信號進行數據採樣，得到兩幹涉信號獨自的觸發時刻(0時刻)初始相位差及各自幹涉系統初始相位差隨時間漂移的周期性慢信號(周期相同或不同)。

步驟d、利用三角函數和差化積公式對步驟c中兩幹涉信號餘弦表達式分別進行和差化積處理得到含有零時刻不同初始相位差初始相位差隨時間漂移周期性慢信號(ω1t、ω2t)及電子密度所致相位的正、餘弦混合表達式。

步驟e、對步驟d中得到的兩個正、餘弦混合表達式進行運算得到僅含有電子密度所致相位的正、餘弦函數，再利用正、餘弦函數在0～2π弧度範圍內的正負性並結合自編程序代碼對進行求解，可唯一確定出反場構形磁化等離子體電子密度所引起的相移實時變化

步驟f、利用步驟e中得到的實時相移通過雷射幹涉測量電子密度基本原理與基本公式可得到線積分電子密度實時信息。

步驟二、利用所述基於數學對比相移解調法的全光纖雷射幹涉系統採用abel反演數據處理方法獲取等離子體電子密度的時空分布信息。具體的，基於數學對比相移解調法結合abel反演數據處理方式獲取某一剖面處的電子密度時刻分布信息，包括以下步驟：

步驟1，利用多通道全光纖雷射幹涉系統對近似圓柱形截面的等離子體靶團進行不同弦心距位置處進行穿越等離子體區同時測量，結合權利要求2.中的相移解調方法得到不同弦心距位置處的多弦實時相移信息(下角標(1)、...，(n)表示不同的弦心距位置)。

步驟2，對步驟1中得到的多弦實時相移信息再利用abel反演數據處理方法進行反演，即可得到近似圓柱形橫截面構形的不同半徑位置處電子密度隨時間變化信息(ne(r,t))，具體方法及流程在實施例中所述。

具體的，本實施例中數學對比相移解調方法的核心思想是通過對比含有同一電子密度所致相移變化但有不同初始相位差(0時刻)的兩幹涉信號利用正餘弦函數在0～2π弧度範圍內的正負性可唯一解調出等離子體的電子密度所致相移變化，具體實現方式如下：

step1、物光光束穿越等離子體後分束成兩束物光並與經過不同光纖長度的同一參考光進行幹涉，得到含有同一等離子體電子密度信息的兩幹涉信號，從而確保兩幹涉信號中的初始相位差(0時刻)不同，即

step2、對step1中的兩幹涉信號進行示波器數據採樣，得到兩幹涉信號獨自的觸發時刻(0時刻)初始相位差及各自幹涉系統初始相位差隨時間漂移的緩慢變化信號的周期ω(1)、ω(2)(周期相同或不同)。

step3、對於step1中的兩幹涉信號可分別寫為其中下角標(1)、(2)分別表示屬於不同的幹涉信號，i1、i2分別表示第1條幹涉信號的直流分量幅度與時變分量幅度，i′1、i′2分別表示第2條幹涉信號的直流分量幅度與時變分量幅度，以示與第1條幹涉信號不同，兩幹涉信號的直流分量、時變分量幅度以及ω(1)與ω(2)相同與否不影響後續數據解調處理。

step4、對step3中的兩幹涉信號表達式進行三角函數和差化積數學變換得到僅含有的正、餘弦表達式如下所示：

其中

step5、利用正、餘弦函數在0～2π弧度範圍內的正負性並結合自編程序代碼對step4中表達式進行求解，可唯一確定出反場構形磁化等離子體電子密度所引起的相移實時變化再通過雷射幹涉測量電子密度基本原理與基本公式即可得到線積分實時電子密度信息。

step6、利用基於數學對比法的多通道全光纖雷射幹涉系統對近似圓柱形截面的等離子體靶團進行不同弦心距位置處進行穿越等離子體區同時測量，得到不同弦心距位置處的多弦實時相移信息

step7、對step6中得到的多弦實時相移信息利用abel反演法進行反演，可得到圓柱形橫截面不同半徑位置處的電子密度隨時間變化信息，即電子密度時空分布(ne(r,t))。下面給出了假定不同弦心距位置處(0cm、0.7cm、1.8cm、2.4cm、2.9cm、3.5cm、3.7cm、4.1cm)的實時相移分別為a(i)＝{π，π，π，π，0.7π,0.45π,0.18π,0.04π}，b(i)＝{2π,1.7π,1.5π,1.2π.0.8π,0.5π,0.2π,0.05π}，利用abel反演法得到的圓柱形橫截面不同半徑位置處的電子密度隨時間變化如圖3和圖4所示。

本實施例中數學對比相移解調方法不同於傳統的正交電路解調實現方式，可極大降低雷射幹涉系統複雜度，且不受電路功能元器件性能限制與解調精度局限，可更為精確地求解電子密度所致相移。

在本說明書中所談到的「一個實施例」、「另一個實施例」、「實施例」等，指的是結合該實施例描述的具體特徵、結構或者特點包括在本申請概括性描述的至少一個實施例中。在說明書中多個地方出現同種表述不是一定指的是同一個實施例。進一步來說，結合任一個實施例描述一個具體特徵、結構或者特點時，所要主張的是結合其他實施例來實現這種特徵、結構或者特點也落在本發明的範圍內。

儘管這裡參照發明的多個解釋性實施例對本發明進行了描述，但是，應該理解，本領域技術人員可以設計出很多其他的修改和實施方式，這些修改和實施方式將落在本申請公開的原則範圍和精神之內。更具體地說，在本申請公開權利要求的範圍內，可以對主題組合布局的組成部件和/或布局進行多種變型和改進。除了對組成部件和/或布局進行的變型和改進外，對於本領域技術人員來說，其他的用途也將是明顯的。