CN110751130B - 一种二极管激光器调谐实现主动光谱诊断采集及数据分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二极管激光器调谐实现主动光谱诊断采集及数据分析系统，包括有数据采集模块、数据重叠模块和数据分析模块，先使用数据采集模块收集数据，然后使用数据重叠模块按采集模块生成的档案号读取原始数据并进行重叠平均，最后，重叠平均完成的数据则在数据分析模块中分析成物理参数及进行速度分布的绘图。本发明的创新为通过扫描触发及FP干涉仪的共同修正获得一个以实测的激光瞬间波长作为重叠校准的参考点的重叠平均方式，从而增加从重叠平均的精度。本发明为实现这个实验方法提供了高效率及可行性的保障。

Description

一种二极管激光器调谐实现主动光谱诊断采集及数据分析系统

技术领域

本发明涉及使用二极可调谐管激光器实现的激光诱导荧光或主动光谱诊断数据处理技 术领域，具体是一种适用利用二极管激光器进行的等离子体主动光谱的数据处理的分析系 统。

背景技术

过去等离子体的主要诊断方式为朗缪尔探针及减速场探针分别实现电子分布和离子分 布测量。这些测量工具虽然成熟且效费比高，但是同时存在着鞘层效应、磁通管效应等对等 离子体参数的干扰，尤其是在受诊断等离子体小、等离子体非完全电解、或机械结构难以抵达的诊断空间，都限制了探针的使用。因此，对于诊断区域无需进行机械干涉的光谱诊断， 在过去数十年间日益流行。

激光诱导荧光利用激光照射等离子体中的离子、中性原子或气体分子来激发跃迁，进而 收集其发射荧光作为信号。这个过程的常用实现方式如下：使用一个激光器将激光发射至诊 断区，然后使用一套光学装置(一般是一个望远镜)将荧光收集至传感器中。为了避免激光 对于采集造成干扰，激光进入诊断区的光路与收集荧光的光路通常是垂直的。

以往激光诱导荧光普遍用于等离子体的密度测量，这种测量方式依赖展宽远大于受诊断 粒子激发能。随着窄频、可调谐激光器的普及化，通过激光器的调谐扫描，可以测量激发波 长(频率)的多普勒位移，从而实现粒子速度分布测量。由于共振激发的跃迁能及激光器的 输出光都可以达到非常低的展宽(～MHz)，故此激光诱导荧光在目前技术上最多可以达到数 十米每秒甚至更低的速度解析度，对于粒子速度分布实现接近室温热速度量级的细致刻画。

在多数的等离子体中，激光诱导荧光的信噪比较低，尤其热阴极放电及电子温度高或气 体的特殊混合造成的高离子或中性气体发射光谱较强的等离子体中，这些背景光源造成了激 光诱导荧光的杂信，除了光学滤波片、锁相、甚至在诊断区收集荧光的光路中加入防反光面等减噪手段以外，利用多次采集重叠平均也是难以避免的降噪方法。

将多次扫描的信号平均需要一个用于对准每一次激光波长扫描的参考信号。过去的类似 诊断一般使用激光器本身的触发信号触发示波器进行重叠，在重叠足够的次数以后再从示波 器收集数据。过去数据存储媒介包括硬盘、闪存、内存等成本较高的年代，这种直接使用示波器进行数据处理的方法有助于减少数据存储量，节省数据处理算力以及存储成本。但是激 光器随着时间推移，其扫描波长会由于温控及其他因素出现频移，造成每次扫描之间的波长 区间出现误差。二极管可调谐激光器普遍没有同时锁频和调谐扫描的功能，所以激光器自身 的触发并不会修正其频移效应，这导致多次扫描重叠以后信号激光的有效展宽及对应的粒子速度分布展宽假高，降低重叠后数据的精度。

随着计算机运算能力的发展以及存储成本的下降，采集完整的原始实验数据，再利用后 端处理减噪成为可能。在这个处理过程中，一个比起仅用激光器触发信号更能真正代表每次 扫描波长区间的重叠对准及扫描幅度校正方法，可以客观的增加重叠平均之后信号的精度及解析度。这种方法的自动化，更可以大幅节省人员的工作时间，并使需要大量重复扫描的数 据(上百甚至上千次扫描)成为可能。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种二极管激光器调谐实现主动光谱诊 断采集及数据分析系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种二极管激光器调谐实现主动光谱诊断采集及数据分析系统，包括有数据采集模块、 数据重叠模块和数据分析模块，先使用数据采集模块收集数据，然后使用数据重叠模块按采 集模块生成的档案号读取原始数据并进行重叠平均，最后，重叠平均完成的数据则在数据分析模块中分析成物理参数及进行速度分布的绘图。

所述的数据采集模块以Labview为平台，设有一个用户介面，用户自行设定采集总时长 并手动触发数据采集，触发后，数据采集模块在既定采集时间中同步采集时间以及来自FP 干涉仪(Etalon)、碘池光谱、激光调制、激光扫描触发及荧光收集五个来源的信号。当中， 激光扫描触发是激光器每次进行波长调谐扫描的触发信号、激光调制信号是斩波器或是调制器将连续激光切成脉冲激光的同步信号、碘池光谱是气态碘针对激光波长的吸收频谱反应、 Etalon是一个激光频率每改变特定范围即给出一个峰值信号的干涉仪，最后荧光收集是受诊 断粒子受激光激发后发射的荧光。当中，Etalon及碘池光谱为实测激光波长的信号，扫描触 发是激光器每次进行波长(频率)调谐扫描的同步信号，调制信号是激光被斩波的脉冲同步 信号，最后应荧光信号是受诊断粒子相对于激光器速度造成的多普勒位移分布，即激光诱导荧光诊断最终分析的目标信号。

所述的数据重叠模块以matlab为平台，首先，用户输入档案号选取所需处理的信号，此 时，数据重叠模块读取采集时间、Etalon信号、碘池光谱信号、激光调制信号、激光扫描触 发信号及荧光收集信号六道数据，然后，按调制信号对数据进行门平均处理或是锁相处理，其中门平均是一种通过选取特定时间门并排除门以外时间信号的选择性平均方法，适用于提 高脉冲信号的信噪比及时间或相位分辨测量，调制处理完成后，数据重叠模块读取激光每次 进行调谐扫描的触发信号，并按每一个触发信号的时间作为参考点将每一次扫描调谐扫描时 间之内的数据分成一个数据小段，分段以后，寻找每一段扫描中所有Etalon信号的峰值，已 知每一个Etalon峰之间的间距为Etalon的自由频率(波长)区，因此Etalon峰代表固定频 移(波长改变)的时间间距，通过将数据中的时间长度按Etalon峰的分布拟合，可以将数据 中的时间长度化为固定频移幅度，从而修正每个扫描段中激光器调谐的非线性及调谐范围的 误差，进而，按照用户设定锁定第一段扫描中的其中一个Etalon峰，然后通过这一个峰附近 的时间范围内寻找所有分段中同一个Etalon峰的时间位置进行对准，之后，数据重叠模块按用户选择追踪的一个Etalon峰进行平移校正，即以选定的Etalon峰作为时间参考点取代激光 扫描的触发信号，进行以往以激光扫描触发信号实现的重叠平均降噪。

所述的数据分析模块以matlab为平台，在数据重叠模块完成数据的处理之后，利用数据 分析模块按档案号呼出，此时，数据分析模块首先以相对频差为x轴绘出碘分子参考池光谱， 用户在图中决定碘池光谱中代表零速度离子的激发波长的位置，然后，绘出Etalon光谱，供 用户决定选定峰值的基线高度，进而数据分析模块按照多普勒效应原理，利用碘池光谱选定 的零点和Etalon光谱的峰值距离拟合数据中光的相对频率差与离子速度的关系，进而以速度 为x轴绘出荧光光谱(信号)，此时，用户在图中辨认离子速度分布有效信号的范围，数据 分析模块按用户选择范围以外的平均值决定速度分布的基线，进而分析出离子的流体速度、 热速度、温度、平均动能、最高相对信号强度及信号总强度六个数值，并将处理所得速度分 布以荧光信号为y轴、以速度为x轴在matlab界面中生成一个数字矩阵，供用户进行绘图及 处理。

激光器每次扫描的波长(频率)范围会受环境影响而出现平移及幅度变化，由于激光器 自身一般并不设有绝对波长的测量手段，这些变化并不反映在其扫频触发信号上。利用法布 里-珀罗干涉仪(下称Etalon)的光谱信号先将每次扫描采集的数据进行扫描幅度的拟合，修正逐次扫描时激光器呈现的波长扫描非线性，进而通过锁定其中一个Etalon峰的时间位置的 变化，可以校准激光器每一次波长(频率)扫描的频率频移及范围误差。最后，以选定的 Etalon峰代替激光触发信号及以Etalon峰分布修正后的调谐范围代替时间轴对已重复采集的 荧光及碘池光谱数据进行重叠降噪，从而抵消每次扫描直接因频移所造成的误差。

设计有采集系统模块及数据重叠模块两个部分。数据采集系统按照实验方法的需求采集 必要的信息，然后在重叠模块中通过用户选择采集的档案号读取，自动进行重叠平均工作。 重叠模块输出重叠平均后的数据档案供数据分析软件进行实际数据分析，并将按重叠的结果绘制数据图形供用户检查重叠平均的结果。最后，数据分析模块对已重叠的数据按用户需求 进行分析，数据采集、重叠及分析模块三个模块是独立分开的。

所述数据采集模块设有主界面，用户可在界面中设定采集时长，然后触发采集。采集模 块自动采集必要的信号，即时间、Etalon信号、碘池光谱信号、激光调制信号、激光扫描触 发信号及荧光收集信号六种数据。采集模块自行根据触发时间(年月日时分秒)生成档案号 供记录。

所述重叠模块及分析模块运作过程如下：

步骤1：首先由用户选择需要处理的档案号；

步骤2：重叠模块会自动根据激光的调制情况进行门平均或锁相处理，如激光无调制， 用户可通过关闭此门平均模块；

步骤3：重叠模块将调制处理后的信号根据激光扫描信号剪切成上升及下降段，进而将 每一段信号根据其Etalon信号进行扫描波长非线性的修正；

步骤4：重叠模块按照每一个分段数据中的同一个Etalon峰的位置确切校准每次扫描之 间相对的波长变化，从而实现精确的重叠平均；

步骤5：重叠模块将Etalon、碘气池信号及荧光诱导信号按校正后的相对波长(频率) 绘制成图，供用户查核结果；

步骤6：重叠模块将个个必要数据输出成一个数据档，供数据分析软件使用；

步骤7：分析模块将重叠后的数据按照原子参考光谱及多普勒位移原理的方法将重叠后 的数据分析，得出离子的速度分布。

本发明的优点是：

本发明提供一种按Etalon干涉仪实测波长差对每次激光扫描进行波长校准，从而提高重 叠精度的数据处理方法，本发明可有效压制重叠平均多次激光波长扫描数据时因激光器的频 移及扫描幅度变化而造成的误差，从而实现更高的精度。同时，根据本发明的实验方法所搭建的软件能有效实现相关实验的自动化，能大幅减少实现相关实验方法所需的人力时间，令 上百甚至上千次扫描重叠平均的实验操作在实现上变得可能。

附图说明

图1为分析模块操作示意图；

图1(a)为碘池光谱中代表零速度离子的激发波长的位置的选取界面，十字标为选取游 标(只有x数据被读取)；

图1(b)为Etalon光谱基线高度的选取界面，十字标为选取游标(只有y数据被读取)；

图1(c)为数据分析模块根据Etalon光谱间距及碘池频谱零点拟合激光器频率在扫描 时间内的频率范围之后，进而通过多普勒效应原理将频移转化为离子与激光器之间的相对速 度，最后以速度为x轴绘出离子荧光光谱(信号)；

图2为激光诱导荧光数据系统整体处理过程流程图；

图3为数据重叠模块执行多次扫描所得数据冲得方法流程图；

图4(a)为两种重叠方法重叠后FP干涉仪(Etalon)峰分布对比；

图4(b)为图4(a)的局部放大，可见本发明重叠后的Etalon峰重叠后比示波器重叠明显收窄；

图4(c)两种方法重叠后的所测得离子速度展宽，可见本发明所测展宽精度更高。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述， 显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图 中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅 表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的 前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的具体实施方式如下：

如图2所示，适用于激光诱导荧光的数据处理系统，设有数据采集模块1、数据重叠模 块2和数据分析模块3。实验时先使用数据采集模块1收集数据，然后使用数据重叠模块2按数据采集模块1生成的档案号读取原始数据并进行重叠，最后，重叠完成的数据则在数据分析模块3中分析成物理参数及进行速度分布的绘图。

数据采集模块1实施例以Labview为平台，设有一个用户介面，其具体步骤如下：

步骤1：用户可以自行设定采集总时长并手动触发数据采集；

步骤2：系统在既定采集时间中同步采集时间、Etalon信号、碘池光谱信号、激光调制 信号、激光扫描触发信号及荧光收集信号六种数据；

步骤3：数据采集系统输出一个以六行数据同步记录上述六种信号的档案；

数据重叠模块2实施例以matlab为平台，其具体的处理程序如图3所示。其具体步骤如 下：

步骤1：用户输入数据档案号选取所需处理的信号，此时，重叠模块读取采集时间、Etalon 信号、碘池光谱信号、激光调制信号、激光扫描触发信号及荧光收集信号六道数据；

步骤2：重叠模块首先按调制信号对数据进行门平均处理或是锁相处理。如果激光发射端没有调制、或者采集信号时已经经过一个锁相放大器，则此部分计算可以通过关闭相关模 块略过。同理，如果用户需要针对固定频率的周期性变化实施诊断，可以将周期现象的相关 信号替代调制信号进行门平均处理，实现测量周期内粒子速度分布变化的诊断；

步骤3：重叠模块自动按激光扫描触发信号将所有信号按每次波长扫描的时间段分段。 分段以后，重叠模块自动寻找每一段扫描中所有Etalon信号的峰值，然后针对每一段扫描的 Etalon分布自动进行相对跳谐扫描的拟合，修正每个扫描段中激光器跳谐的非线性及跳谐范 围的误差；

步骤4：重叠模块按照用户设定锁定第一段扫描中的其中一个Etalon峰，然后它通过这 一个峰附近的时间范围内寻找所有分段中同一个Etalon峰的时间位置进行对准。在诊断过程 的数十分钟以至数小时内，在一般情况下，Etalon信号不会因为环境条件而出现比起激光 器本身频移更大的变化，同时激光器在每次扫描之间的频移是线性而且幅度是远小于一个 Etalon自由频谱区的宽度(如实现例所用的Etalon自由频谱区为1.5GHz)，因此可以相信在 实验进行的时间尺度内，Etalon峰值的位置代表着激光器在该时点达到同一个绝对波长(只 是Etalon并不提供这个绝对波长本身的波长值)。因此，通过上述Etalon信号的校准，本发 明在重叠平均过程中可以得出一个比激光器扫描触发更接近激光器真实的波长绝对值的扫 描段对准方式。完成了校准之后，重叠模块自动按用户选择追踪的一个Etalon峰校正每一个 扫描段的重叠参考位置，然后实现重叠平均降噪。

图4展示了利用示波器触发重叠平均信号及利用本发明重叠平均信号效果的差异。如图 4(a)、图4(b)可见，利用本发明方法自动重叠后的Etalon光谱的信号展宽比示波器重叠 的信号展宽明显收窄，这是由于传统示波器只能通过激光器的扫描触发及Etalon峰信号进行 双触发将重叠的对准点锁定在单一Etalon峰上，无法解决扫描波长的整体幅度改变的问题， 所以即便按照本发明中以Etalon及扫描信号共同触发的实验方法锁定一个Etalon峰对准，示波器重叠仍然在其他波长(速度)区间出现重叠误差。由于每一次扫描之间的误差被减小了， 本发明的重叠方法也成功压制了重叠误差带来的粒子速度分布展宽假高，有效提高实际测量 的分析度。这种压制粒子分布展宽假高的效果展示于图4(c)。图4(c)中使用示波器平均 及本发明重叠平均所得的离子速度分布的热展宽分别为490m/s和400m/s，可见本发明算法 对于因为激光器频移重叠造成速度分布展宽假高的有效抑制；

步骤5：重叠模块将重叠处理过后的数据输出成一个档案供数据分析模块使用。

数据分析模块3实施例以matlab等为平台搭建，其具体步骤如下：

步骤1：在重叠模块完成数据的处理之后，利用分析模块按档案号读出；

步骤2：分析模块会首先以相对频差为x轴绘出碘分子参考池光谱，用户须在图中人工 决定碘池光谱中代表零速度离子的激发波长(频率)的位置；

步骤3：分析模块会绘出Etalon光谱，供用户决定选定峰值的基线高度；

步骤4：分析模块会进而按照多普勒效应原理，利用碘池光谱选定的零点和Etalon光谱 的峰值距离自动拟合数据中光的相对频率差(x轴)与离子速度的关系，进而以速度为x轴 绘出荧光光谱；

步骤5：用户在图中人工辨认离子速度分布有效信号的范围；

步骤6：分析模块自动按用户选择范围以外的平均值决定速度分布的基线(零线)，进而 自动分析出离子的流体速度、热速度、温度、平均动能、最高相对信号强度及信号总强度六 个数值，并将用基线修正后的速度分布(以荧光信号为y、以速度为x)在matlab介面中生 成一个数字矩阵，供用户进行绘图及其他处理。

利用FP干涉仪数据作为激光器多次波长扫描数据重叠的触发信号，该算法可以有效消 除采集多次波长扫描平均数据时激光温控或其他因素造成的固定频移导致的误差。相对于传 统单纯使用激光器触发信号触发采集重叠的方法可以在维持精度不变的前提下大幅加长平均时间，从而实现更精确的诊断。因此，本发明可在确保诊断精度的前提下取代激光调制手 段以及锁相放大器，从而大幅降低相关诊断搭建的成本。

所述数据采集及处理的软件系统包括采集模块、重叠模块及分析模块三个部分。

所述数据重叠模块中首先选择需要读取的激光诱导荧光数据，然后重叠模块会自动按照 激光调制信号的触发点截出相应信号作门平均处理，并自动按激光器的扫描信号或触发信号 将激光器的每一次上、下波长扫描切割成分段，进而将自动利用FP干涉仪数据校准每一个 波长扫描分段的波长频移。最后，将校正后的数据重叠平均并存储，输出供分析模块处理。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理 解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员 来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种二极管激光器调谐实现主动光谱诊断采集及数据分析系统，其特征在于：包括有数据采集模块、数据重叠模块和数据分析模块，先使用数据采集模块收集数据，然后使用数据重叠模块按采集模块生成的档案号读取原始数据并进行重叠平均，最后，重叠平均完成的数据则在数据分析模块中分析成物理参数及进行速度分布的绘图；

所述的数据采集模块以Labview为平台，设有一个用户介面，用户自行设定采集总时长并手动触发数据采集，触发后，数据采集模块在既定采集时间中同步采集时间、Etalon信号、碘池光谱信号、激光调制信号、激光扫描触发信号及荧光收集信号六种数据；

所述的数据重叠模块以matlab为平台，首先，用户输入档案号选取所需处理的信号，此时，数据重叠模块读取采集时间、Etalon信号、碘池光谱信号、激光调制信号、激光扫描触发信号及荧光收集信号六道数据，然后，按调制信号对数据进行门平均处理或是锁相处理，调制处理完成后，数据重叠模块按激光扫描触发信号将所有信号按每次波长扫描的时间段分段，分段以后，寻找每一段扫描中所有Etalon信号的峰值，然后针对每一段扫描的Etalon分布进行相对调谐扫描的拟合，修正每个扫描段中激光器调谐的非线性及调谐范围的误差，进而，按照用户设定锁定第一段扫描中的其中一个Etalon峰，然后通过这一个峰附近的时间范围内寻找所有分段中同一个Etalon峰的时间位置进行对准，之后，数据重叠模块按用户选择追踪的一个Etalon峰校正每一个扫描段的重叠参考位置，然后实现重叠平均降噪；

所述的数据分析模块以matlab为平台，在数据重叠模块完成数据的处理之后，利用数据分析模块按档案号读出，此时，数据分析模块首先以相对频差为x轴绘出碘分子参考池光谱，用户在图中决定碘池光谱中代表零速度离子的激发波长的位置，然后，绘出Etalon光谱，供用户决定选定峰值的基线高度，进而数据分析模块按照多普勒效应原理，利用碘池光谱选定的零点和Etalon光谱的峰值距离拟合数据中光的相对频率差与离子速度的关系，进而以速度为x轴绘出荧光光谱，此时，用户在图中辨认离子速度分布有效信号的范围，数据分析模块按用户选择范围以外的平均值决定速度分布的基线，进而分析出离子的流体速度、热速度、温度、平均动能、最高相对信号强度及信号总强度六个数值，并将用基线修正后的速度分布以荧光信号为y轴、以速度为x轴在matlab介面中生成一个数字矩阵，供用户进行绘图及处理。

2.一种二极管激光器调谐实现主动光谱诊断采集及数据分析的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：数据采集模块针对数据重叠模块需求收集所需数据；

步骤2：数据重叠模块按数据采集模块生成的档案号读取原始数据，利用当中的Etalon信号及激光扫描触发信号共同作为参考并进行重叠；

步骤3：重叠完成的数据在数据分析模块中分析成物理参数及进行速度分布的绘图；

所述步骤1具体包括：

步骤1.1：用户设置并触发数据采集；

步骤1.2：系统在既定采集时间中同步采集时间、Etalon信号、碘池光谱信号、激光调制信号、激光扫描触发信号及荧光收集信号六种数据；

步骤1.3：数据采集模块输出一个以六行数据同步记录上述六种信号的档案；

所述步骤2具体包括：

步骤2.1：用户输入数据档案号选取所需处理的信号，重叠模块读取采集模块所收集的数据；

步骤2.2：重叠模块首先按调制信号对数据进行门平均处理或是锁相处理，若信号采集时无调制，由用户关闭本步骤略过；

步骤2.3：重叠模块自动按激光扫描触发信号将所有信号按每次波长扫描的时间段分段；分段以后，重叠模块自动寻找每一段扫描中所有Etalon信号的峰值，然后针对每一段扫描的Etalon分布自动进行相对跳谐扫描的拟合，修正每个扫描段中激光器跳谐的非线性及跳谐范围的误差；

步骤2.4：重叠模块按照用户设定锁定第一段扫描中的其中一个Etalon峰，然后通过这一个峰附近的时间范围内寻找所有分段中同一个Etalon峰的时间位置进行对准；完成了校准之后，重叠模块自动按用户选择追踪的一个Etalon峰校正每一个扫描段的重叠参考位置，然后实现重叠平均降噪；

步骤2.5：重叠模块将重叠处理过后的数据输出成一个档案供数据分析模块使用；

所述步骤3具体包括：

步骤3.1：分析模块按档案号读出重叠模块处理过后数据；

步骤3.2：分析模块会首先以相对频差为x轴绘出碘分子参考池光谱，用户须在图中人工决定碘池光谱中代表零速度离子的激发波长的位置；

步骤3.3：分析模块会绘出Etalon光谱，供用户决定选定峰值的基线高度；

步骤3.4：分析模块会进而按照多普勒效应原理，利用碘池光谱选定的零点和Etalon光谱的峰值距离自动拟合数据中光的相对频率差与离子速度的关系，进而以速度为x轴绘出荧光光谱；

步骤3.5：在图中辨认离子速度分布有效信号的范围；

步骤3.6：分析模块自动按用户选择范围以外的平均值决定速度分布的基线，进而自动分析出离子的流体速度、热速度、温度、平均动能、最高相对信号强度及信号总强度六个数值，并将用基线修正后的速度分布，以荧光信号为y、以速度为x，在matlab介面中生成一个数字矩阵，供用户进行绘图及处理。

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