CN107205306A - 基于数学对比法的光纤激光干涉电子密度测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数学对比法的光纤激光干涉电子密度测量系统及方法。该方法包括以下步骤：一、通过基于数学对比相移解调法的全光纤激光干涉系统采用数学对比法对电子密度所致相移进行解调；二、利用所述基于数学对比相移解调法的全光纤激光干涉系统采用Abel反演数据处理方法获取等离子体电子密度的时空分布信息。本发明可极大降低激光干涉系统复杂度，且不受电路功能元器件性能限制与解调精度局限，可更为精确地求解电子密度所致相移。该全光纤激光干涉系统相比于传统光学元器件所搭建系统，可极大提高实验效率(节约时间)与系统可靠性并免除了传统光学光路干涉系统每发次实验前繁杂的对光调节过程。

Description

基于数学对比法的光纤激光干涉电子密度测量系统及方法

技术领域

本发明涉及磁化靶聚变研究中关于反场构形预加热磁化等离子体产生的关键诊断测试技术领域，具体涉及一种基于数学对比法的光纤激光干涉电子密度测量系统及方法。

背景技术

测量等离子体电子密度常用的方法有朗缪尔探针(静电探针)、光谱学、激光干涉等方式。朗缪尔探针是最早用来测定等离子体特性的一种诊断工具，其理论相当复杂，在简化条件下，利用其伏安特性可推导出等离子体电子温度、密度与空间电位等参数，朗缪尔探针结构简单且具有一定的空间分辨能力，主要适用于低温等离子体、或高温等离子体的低温低密度区研究中，但其必须深入到等离子体内部进行测量的使用方式，导致其与等离子体会发生强烈的相互作用，加之强磁场对其伏安特性影响严重，限制了其在高温等离子体诊断中的应用。光谱学测量等离子体密度信息主要适用于高温高密度等离子体研究中，利用光谱的绝对强度及其线谱轮廓可对其密度与温度进行测量估算。但高温等离子体的发光机制多种多样，实验室中产生的等离子体通常并不处于完全平衡状态，各组分粒子一般处于不同状态，其密度温度等各不相同且都会随时空变化，尤其是在出现不稳定状态时，情形更为复杂，甚至导致等离子体的宏观参数完全失去意义。故从光谱学测量中推断等离子体有关密度温度等参数时，需要相当慎重分析考虑。

激光干涉作为一种非接触式无扰诊断手段，如今已被广泛用于各种等离子体研究中。激光干涉测量等离子体电子密度的基本原理是利用激光在等离子体中传播时因介质(等离子体)折射率的变化导致激光相位的变化，通过求解干涉信号相位，而等离子体的折射率与等离子体的电子密度密切相关，从而可得到等离子体电子密度信息。目前普遍采用的激光干涉方式是双光束超外差方法，利用圆柱形旋转光栅产生多普勒频移、声光布拉格盒产生差频信号、或波长相近的两个激光光源进行干涉实现差频，相移解调方式多采用正交电路解调方式或数干涉条纹的方法进行相位信息解调。采用正交电路解调方式，电路系统繁杂，包含本振(声光布拉格盒差频提供)、功分、带通滤波、I/Q解调器、低通滤波等元器件组成，且各功能元器件性能限制，造成解调精度局限；采用数干涉条纹相移解调方式，需采用分幅/扫描相机辅助、CCD/CMOS/胶片记录等干涉条纹，记录干涉条纹分辨率有限，造成可解调相移精度受限。通常采用的激光干涉系统是由传统光学元器件通过空间光路搭建的方式实现，光路受周围空间环境影响极大，同时每次实验前均需进行繁琐的光路对光调节，时间成本较高，严重影响实验(时间)效率。

因此如何利用激光干涉方法高效便捷地诊断高温高密度磁化等离子体电子密度信息，成为磁化靶聚变研究的强烈诉求。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种基于数学对比法的光纤激光干涉电子密度测量系统及方法。以期待解决如何高效便捷地诊断高温高密度磁化等离子体(反场构形FRC)的电子密度信息问题。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于数学对比相移解调法的光纤激光干涉系统，包括：激光器、隔离器、第一分束器、可调衰减器、第二分束器、第一合束器、第二合束器、第一光电探测器、第二光电探测器、示波器、第一光功率计、第二光功率计、发射探头、接收探头、光纤窄带滤波器和第三分束器；所述激光器与所述隔离器连接；所述隔离器与所述第一分束器连接；所述第一分束器与所述可调衰减器连接；所述可调衰减器与所述第二分束器连接；所述第二分束器分别与所述第一合束器、第二合束器连接；所述第一合束器与所述第一光电探测器连接；所述第二合束器与所述第二光电探测器连接；所述第一分束器同时与所述发射探头连接；所述发射探头与所述接收探头通过经由等离子体待测试区的自由空间光连接；所述接收探头与所述光纤窄带滤波器连接；所述光纤窄带滤波器与所述第三分束器连接；所述第三分束器分别与所述第一分束器、第二分束器连接；所述第一光电探测器、第二光电探测器分别与所述示波器连接；所述第三分束器与所述第一光功率计连接；所述第二分束器与所述第二光功率计连接；且各器件之间均通过光纤进行连接。

更进一步的技术方案是提供一种基于数学对比法的光纤激光干涉电子密度测量方法，所述的方法包括以下步骤：

步骤一、通过所述的基于数学对比相移解调法的全光纤激光干涉系统采用数学对比法对电子密度所致相移进行解调；

步骤二、利用所述基于数学对比相移解调法的全光纤激光干涉系统采用Abel反演数据处理方法获取等离子体电子密度的时空分布信息。

更进一步的技术方案是所述的步骤一包括：

步骤A、物光光束穿越等离子体后分成两束物光，并与经过不同光纤长度的同一参考光进行干涉，得到含有同一等离子体电子密度信息的两干涉信号；

步骤B、对步骤A中的所述两干涉信号进行数据采样，得到两干涉信号独自的触发时刻初始相位差及各自干涉系统初始相位差随时间漂移的周期性信号；

步骤C、利用三角函数和差化积公式对步骤B中两干涉信号余弦表达式分别进行和差化积处理，得到含有零时刻不同初始相位差、初始相位差随时间漂移周期性信号及电子密度所致相位的正、余弦混合表达式；

步骤D、对步骤C中得到的两个正、余弦混合表达式进行运算得到仅含有电子密度所致相位的正、余弦函数，再利用所述正、余弦函数在0～2π弧度范围内的正负性，并结合自编程序代码对电子密度所致相位进行求解，确定出反场构形磁化等离子体电子密度所引起的实时相移；

步骤E、利用步骤D中得到的实时相移，通过激光干涉测量电子密度基本原理与基本公式得到线积分电子密度实时信息。

更进一步的技术方案是所述的步骤二包括：

步骤1、利用所述基于数学对比相移解调法的全光纤激光干涉系统对等离子体靶团进行不同弦心距位置处进行穿越等离子体区同时测量，得到不同弦心距位置处的多弦实时相移信息；

步骤2、对步骤1中得到的多弦实时相移信息再利用Abel反演数据处理方法进行反演，得到等离子体横截面不同半径位置处的电子密度随时间变化信息。

更进一步的技术方案是所述的步骤A包括：物光光束穿越等离子体后分束成两束物光并与经过不同光纤长度的同一参考光进行干涉，得到含有同一等离子体电子密度信息的两干涉信号，从而确保两干涉信号中的初始相位差0时刻不同，即

更进一步的技术方案是所述的步骤B包括：对步骤A中的两干涉信号进行示波器数据采样，得到两干涉信号独自的触发时刻初始相位差及各自干涉系统初始相位差随时间漂移的周期性信号ω(₁)、ω(₂)。

更进一步的技术方案是所述的步骤C包括：对于步骤A中的两干涉信号分别写为其中下角标(1)、(2)分别表示属于不同的干涉信号，I₁、I₂分别表示第1条干涉信号的直流分量幅度与时变分量幅度，I′₁、I′₂分别表示第2条干涉信号的直流分量幅度与时变分量幅度；

对两干涉信号表达式进行三角函数和差化积数学变换得到仅含有的正、余弦混合表达式为：

其中

更进一步的技术方案是所述的步骤D包括：利用正、余弦函数在0～2π弧度范围内的正负性并结合自编程序代码对步骤C中表达式进行求解，确定出反场构形磁化等离子体电子密度所引起的相移实时变化

更进一步的技术方案是所述的步骤E包括：通过激光干涉测量电子密度基本

原理与基本公式得到线积分实时电子密度信息。

与现有技术相比，本发明实施例的有益效果之一是：本发明可极大降低激光干涉系统复杂度，且不受电路功能元器件性能限制与解调精度局限，可更为精确地求解电子密度所致相移。该全光纤激光干涉系统相比于传统光学元器件所搭建系统，可极大提高实验效率(节约时间)与系统可靠性并免除了传统光学光路干涉系统每发次实验前繁杂的对光调节过程。

附图说明

图1为本发明一个实施例基于数学对比法的光纤激光干涉电子密度测量系统的结构原理框图。

图2为本发明一个实施例中基于数学对比法的光纤激光干涉电子密度测量系统初始相位差随时间漂移的周期性变化图。

图3为本发明另一个实施例中利用Abel反演法获得离散时刻电子密度径向分布图所用到的各弦假定实时相移曲线图。

图4为本发明另一个实施例中利用Abel反演法获得的离散时刻电子密度径向分布图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

下面结合附图及实施例对本发明的具体实施方式进行详细描述。

在下面的详细描述中，出于解释的目的描述了许多具体描述以便能够彻底理解所公开的实施方案，然而，很明显一个或多个实施方式可以在不使用这些具体描述的情况下实施，在其他实例中，示意性地显示已知结构和装置，以便简化附图。

实施例1

如图1所示，根据本发明的一个实施例，本实施例公开一种基于数学对比相移解调法的光纤激光干涉系统，具体的，该基于数学对比相移解调法的光纤激光干涉系统包括：激光器、隔离器、第一分束器、可调衰减器、第二分束器、第一合束器、第二合束器、第一光电探测器、第二光电探测器、示波器、第一光功率计、第二光功率计、发射探头、接收探头、光纤窄带滤波器和第三分束器；所述激光器与所述隔离器连接；所述隔离器与所述第一分束器连接；所述第一分束器与所述可调衰减器连接；所述可调衰减器与所述第二分束器连接；所述第二分束器分别与所述第一合束器、第二合束器连接；所述第一合束器与所述第一光电探测器连接；所述第二合束器与所述第二光电探测器连接；所述第一分束器同时与所述发射探头连接；所述发射探头与所述接收探头通过经由等离子体待测试区的自由空间光连接；所述接收探头与所述光纤窄带滤波器连接；所述光纤窄带滤波器与所述第三分束器连接；所述第三分束器分别与所述第一分束器、第二分束器连接；所述第一光电探测器、第二光电探测器分别与所述示波器连接；所述第三分束器与所述第一光功率计连接；所述第二分束器与所述第二光功率计连接；且各器件之间均通过光纤进行连接。

其中，第一分束器-可调衰减器-第二分束器至第一合束器，第一分束器-可调衰减器-第二分束器至第二合束器，以及第一分束器-可调衰减器-第二分束器至第二光功率计的信号传输光路代表参考光第一分束器-发射探头-等离子体待测试区-接收探头-光纤窄带滤波器-第三分束器至第一合束器，第一分束器-发射探头-等离子体待测试区-接收探头-光纤窄带滤波器-第三分束器至第二合束器，第一分束器-发射探头-等离子体待测试区-接收探头-光纤窄带滤波器-第三分束器至第一光功率计的信号传输光路代表物光(探测光)(若物光参考光均由同一光源输出则ω₁＝ω₂＝ω₀，ω₀为激光频率)。第一合束器至第一光电探测器，以及第二光束器至第二光电探测器的信号传输光路为干涉信号；第一光电探测器至示波器，以及第二光电探测器至示波器的信号传输光路为由干涉信号通过光电转换探测器后的电信号((其中E₁、E₂分别为物光、参考光光强幅度，为干涉系统初始相位差且随时间漂移呈现周期性变化，而反映的是电子密度实时变化引起的物光相移变化)。第一光功率计和第二光功率计分别用于监测物光、参考光功率大小，通过调节参考光光路中的可调衰减器进行参考光功率调节，以期与物光功率大致相同。

具体的，本实施例基于数学对比相移解调法的光纤激光干涉系统初始相位差随时间漂移的周期性缓慢变化如图2所示，则干涉系统初始相位差可处理(其中ω′表示初始相位差的缓慢变化周期频率(周期为数ms至数十ms)，表示实验时触发时刻(0时刻)的干涉系统初始相位差)。

本实施例基于数学对比相移解调法的光纤激光干涉系统相比于传统光学元器件所搭建系统，可极大提高实验效率(节约时间)与系统可靠性并免除了传统光学光路干涉系统每发次实验前繁杂的对光调节过程。

实施例2

根据本发明的另一个实施例，本实施例公开基于数学对比法的光纤激光干涉电子密度测量方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、通过所述基于数学对比相移解调法的全光纤激光干涉系统采用数学

对比法对电子密度所致相移进行解调；其中，该数学对比相移解调法包括以

下步骤：

步骤A、在物光光束不穿越等离子体时干涉系统的初始相位差随时间漂移的周期性信号是一慢信号(周期数ms至数十ms)。

步骤B、物光光束穿越等离子体后分成两束物光，并与经过不同光纤长度的同一参考光进行干涉，得到含有同一等离子体电子密度信息的两干涉信号。

步骤C、对步骤B中的两干涉信号进行数据采样，得到两干涉信号独自的触发时刻(0时刻)初始相位差及各自干涉系统初始相位差随时间漂移的周期性慢信号(周期相同或不同)。

步骤D、利用三角函数和差化积公式对步骤C中两干涉信号余弦表达式分别进行和差化积处理得到含有零时刻不同初始相位差初始相位差随时间漂移周期性慢信号(ω₁t、ω₂t)及电子密度所致相位的正、余弦混合表达式。

步骤E、对步骤D中得到的两个正、余弦混合表达式进行运算得到仅含有电子密度所致相位的正、余弦函数，再利用正、余弦函数在0～2π弧度范围内的正负性并结合自编程序代码对进行求解，可唯一确定出反场构形磁化等离子体电子密度所引起的相移实时变化

步骤F、利用步骤E中得到的实时相移通过激光干涉测量电子密度基本原理与基本公式可得到线积分电子密度实时信息。

步骤二、利用所述基于数学对比相移解调法的全光纤激光干涉系统采用Abel反演数据处理方法获取等离子体电子密度的时空分布信息。具体的，基于数学对比相移解调法结合Abel反演数据处理方式获取某一剖面处的电子密度时刻分布信息，包括以下步骤：

步骤1，利用多通道全光纤激光干涉系统对近似圆柱形截面的等离子体靶团进行不同弦心距位置处进行穿越等离子体区同时测量，结合权利要求2.中的相移解调方法得到不同弦心距位置处的多弦实时相移信息(下角标(1)、...，(n)表示不同的弦心距位置)。

步骤2，对步骤1中得到的多弦实时相移信息再利用Abel反演数据处理方法进行反演，即可得到近似圆柱形横截面构形的不同半径位置处电子密度随时间变化信息(n_e(r,t))，具体方法及流程在实施例中所述。

具体的，本实施例中数学对比相移解调方法的核心思想是通过对比含有同一电子密度所致相移变化但有不同初始相位差(0时刻)的两干涉信号利用正余弦函数在0～2π弧度范围内的正负性可唯一解调出等离子体的电子密度所致相移变化，具体实现方式如下：

Step1、物光光束穿越等离子体后分束成两束物光并与经过不同光纤长度的同一参考光进行干涉，得到含有同一等离子体电子密度信息的两干涉信号，从而确保两干涉信号中的初始相位差(0时刻)不同，即

Step2、对Step1中的两干涉信号进行示波器数据采样，得到两干涉信号独自的触发时刻(0时刻)初始相位差及各自干涉系统初始相位差随时间漂移的缓慢变化信号的周期ω₍₁₎、ω₍₂₎(周期相同或不同)。

Step3、对于Step1中的两干涉信号可分别写为 其中下角标(1)、(2)分别表示属于不同的干涉信号，I₁、I₂分别表示第1条干涉信号的直流分量幅度与时变分量幅度，I′₁、I′₂分别表示第2条干涉信号的直流分量幅度与时变分量幅度，以示与第1条干涉信号不同，两干涉信号的直流分量、时变分量幅度以及ω₍₁₎与ω₍₂₎相同与否不影响后续数据解调处理。

Step4、对Step3中的两干涉信号表达式进行三角函数和差化积数学变换得到仅含有的正、余弦表达式如下所示：

其中

Step5、利用正、余弦函数在0～2π弧度范围内的正负性并结合自编程序代码对Step4中表达式进行求解，可唯一确定出反场构形磁化等离子体电子密度所引起的相移实时变化再通过激光干涉测量电子密度基本原理与基本公式即可得到线积分实时电子密度信息。

Step6、利用基于数学对比法的多通道全光纤激光干涉系统对近似圆柱形截面的等离子体靶团进行不同弦心距位置处进行穿越等离子体区同时测量，得到不同弦心距位置处的多弦实时相移信息

Step7、对Step6中得到的多弦实时相移信息利用Abel反演法进行反演，可得到圆柱形横截面不同半径位置处的电子密度随时间变化信息，即电子密度时空分布(n_e(r,t))。下面给出了假定不同弦心距位置处(0cm、0.7cm、1.8cm、2.4cm、2.9cm、3.5cm、3.7cm、4.1cm)的实时相移分别为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反演法得到的圆柱形横截面不同半径位置处的电子密度随时间变化如图3和图4所示。

本实施例中数学对比相移解调方法不同于传统的正交电路解调实现方式，可极大降低激光干涉系统复杂度，且不受电路功能元器件性能限制与解调精度局限，可更为精确地求解电子密度所致相移。

在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一个实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

尽管这里参照发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (9)

1.一种基于数学对比相移解调法的光纤激光干涉系统，其特征在于：包括：激光器、隔离器、第一分束器、可调衰减器、第二分束器、第一合束器、第二合束器、第一光电探测器、第二光电探测器、示波器、第一光功率计、第二光功率计、发射探头、接收探头、光纤窄带滤波器和第三分束器；所述激光器与所述隔离器连接；所述隔离器与所述第一分束器连接；所述第一分束器与所述可调衰减器连接；所述可调衰减器与所述第二分束器连接；所述第二分束器分别与所述第一合束器、第二合束器连接；所述第一合束器与所述第一光电探测器连接；所述第二合束器与所述第二光电探测器连接；所述第一分束器同时与所述发射探头连接；所述发射探头与所述接收探头通过经由等离子体待测试区的自由空间光连接；所述接收探头与所述光纤窄带滤波器连接；所述光纤窄带滤波器与所述第三分束器连接；所述第三分束器分别与所述第一分束器、第二分束器连接；所述第一光电探测器、第二光电探测器分别与所述示波器连接；所述第三分束器与所述第一光功率计连接；所述第二分束器与所述第二光功率计连接；且各器件之间均通过光纤进行连接。

2.一种基于数学对比法的光纤激光干涉电子密度测量方法，其特征在于所述的方法包括以下步骤：

步骤一、通过如权利要求1所述的基于数学对比相移解调法的全光纤激光干涉系统采用数学对比法对电子密度所致相移进行解调；

步骤二、利用所述基于数学对比相移解调法的全光纤激光干涉系统采用Abel反演数据处理方法获取等离子体电子密度的时空分布信息。

3.根据权利要求2所述的基于数学对比法的光纤激光干涉电子密度测量方法，其特征在于所述的步骤一包括：

步骤A、物光光束穿越等离子体后分成两束物光，并与经过不同光纤长度的同一参考光进行干涉，得到含有同一等离子体电子密度信息的两干涉信号；

步骤B、对步骤A中的所述两干涉信号进行数据采样，得到两干涉信号独自的触发时刻初始相位差及各自干涉系统初始相位差随时间漂移的周期性信号；

步骤C、利用三角函数和差化积公式对步骤B中两干涉信号余弦表达式分别进行和差化积处理，得到含有零时刻不同初始相位差、初始相位差随时间漂移周期性信号及电子密度所致相位的正、余弦混合表达式；

步骤D、对步骤C中得到的两个正、余弦混合表达式进行运算得到仅含有电子密度所致相位的正、余弦函数，再利用所述正、余弦函数在0～2π弧度范围内的正负性，并结合自编程序代码对电子密度所致相位进行求解，确定出反场构形磁化等离子体电子密度所引起的实时相移；

步骤E、利用步骤D中得到的实时相移，通过激光干涉测量电子密度基本原理与基本公式得到线积分电子密度实时信息。

4.根据权利要求3所述的基于数学对比法的光纤激光干涉电子密度测量方法，其特征在于所述的步骤二包括：

步骤1、利用所述基于数学对比相移解调法的全光纤激光干涉系统对等离子体靶团进行不同弦心距位置处进行穿越等离子体区同时测量，得到不同弦心距位置处的多弦实时相移信息；

步骤2、对步骤1中得到的多弦实时相移信息再利用Abel反演数据处理方法进行反演，得到等离子体横截面不同半径位置处的电子密度随时间变化信息。

5.根据权利要求3所述的基于数学对比法的光纤激光干涉电子密度测量方法，其特征在于所述的步骤A包括：物光光束穿越等离子体后分束成两束物光并与经过不同光纤长度的同一参考光进行干涉，得到含有同一等离子体电子密度信息的两干涉信号，从而确保两干涉信号中的初始相位差0时刻不同，即

6.根据权利要求5所述的基于数学对比法的光纤激光干涉电子密度测量方法，其特征在于所述的步骤B包括：对步骤A中的两干涉信号进行示波器数据采样，得到两干涉信号独自的触发时刻初始相位差及各自干涉系统初始相位差随时间漂移的周期性信号ω₍₁₎、ω₍₂₎。

7.根据权利要求6所述的基于数学对比法的光纤激光干涉电子密度测量方法，其特征在于所述的步骤C包括：对于步骤A中的两干涉信号分别写为

其中下角标(1)、(2)分别表示属于不同的干涉信号，I₁、I₂分别表示第1条干涉信号的直流分量幅度与时变分量幅度，I′₁、I′₂分别表示第2条干涉信号的直流分量幅度与时变分量幅度；

对两干涉信号表达式进行三角函数和差化积数学变换得到仅含有的正、余弦混合表达式为：

其中

8.根据权利要求7所述的基于数学对比法的光纤激光干涉电子密度测量方法，其特征在于所述的步骤D包括：利用正、余弦函数在0～2π弧度范围内的正负性并结合自编程序代码对步骤C中表达式进行求解，确定出反场构形磁化等离子体电子密度所引起的相移实时变化

9.根据权利要求8所述的基于数学对比法的光纤激光干涉电子密度测量方法，其特征在于所述的步骤E包括：通过激光干涉测量电子密度基本原理与基本公式得到线积分实时电子密度信息。