CN111343778A - 一种测量等离子体湍流中高波数谱的方法 - Google Patents

一种测量等离子体湍流中高波数谱的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种测量等离子体湍流中高波数谱的方法，其特点是利用双通道测量等离子体密度的激光干涉的布局，来估计被测等离子体湍流的波数谱和频谱。该方法与现有常规方法相比具有：对测量的等离子体不产生额外的扰动，测量的波数谱可看成是准连续的，而且信号强等优点。该方法不仅可以用于等离子体中的湍流的测量，同时也可以用于其它流体的湍流的测量。

Description

一种测量等离子体湍流中高波数谱的方法
技术领域
本发明属于一种激光测量方法，具体涉及一种测量等离子体湍流中高波数谱的方法。
背景技术
在湍流的实验研究中，对波数谱和频率谱结构的测量一直都是非常重要的。磁约束聚变装置中等离子体湍流比普通流体中的湍流更为复杂，其波数谱和频率谱结构与等离子体的约束情况密切相关。早期为了得到波数谱和频率谱的功率密度(S(k,f))，采用实物探针对湍流场进行多空间点(一般空间点个数大于10)测量，然后将得到的原始时序数据进行时空二维傅里叶变换，从而得到S(k,f)。该方法对湍流场扰动比较大，而且造价比较高，占用空间又很大，目前已经很少使用。现在对等离子体边界采用的是两空间点测量来估计S(k,f)的方法，实验证实该方法简单有效。但该方法仍旧采用的实物探针，对湍流场还是有一定的干扰。同时聚变等离子体中的带电粒子能量都很高，实物探针不能够伸入等离子体芯部，该方法不能对芯部的湍流场进行测量。对等离子体芯部无扰动的手段，现在采用的是电磁波(激光或微波)散射的方法，主要有激光或微波的相干汤姆逊散射和激光相衬成像。这些散射的方法得到的信号都比较弱，而且要么采用很多探测器，要么采用探测器阵列，造价都非常高(每个探测器或探测单元仅能测量一个波数)；对于微波的散射还要考虑等离子体对电磁波的折射效应。
因此，不管是实物探针的两点法还是电磁波的散射法，它们都有各自比较大的缺点。本方法是综合了上述两类方法，采用的是激光干涉的两路法。它既不会给湍流场带来干扰，也不会采用很多探测单元，而且干涉得到的信号还很强，在很多方面都优与现有的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量等离子体湍流中高波数谱的方法，它能够解决实物探针的两点法会对湍流场造成影响以及电磁波散射法信号弱等问题。
本发明的技术方案如下：
一种测量等离子体湍流中高波数谱的方法，包括如下步骤，
(1)在没有等离子体的情况下，调整整个光路，并使探测器15、探测器16各自探测的信号与探测器17得到的参考信号没有相位差；
(2)在有等离子体的情况时，通过数据快速采集分别得到三个探测器随时间变化的信号；
(3)由两点估计的方法得到。
所述的步骤(2)包括，通过计算机程序比较探测器15和探测器17得到信号波形的相位移动
Figure BDA0001910971230000024
探测器16和探测器17得到信号波形的相位移动
Figure BDA0001910971230000025
所述的步骤(2)包括根据下面的计算式子，得到两个通道分别测得的平均密度ne1(t)、ne2(t)，其中f0为激光的频率；L为激光穿过等离子体的长度，
Figure BDA0001910971230000021
Figure BDA0001910971230000022
所述的步骤(3)包括由两点估计的方法得到：
Figure BDA0001910971230000023
所述的步骤(3)中，M是信号ne1(t)或ne2(t)被分成的样本个数。
所述的步骤(3)中，
Figure BDA0001910971230000031
和
Figure BDA0001910971230000032
是两路干涉的第i个样本的自功率谱。
所述的步骤(3)中，
估计的波数
Figure BDA0001910971230000033
Figure BDA0001910971230000034
是
Figure BDA0001910971230000035
和
Figure BDA0001910971230000036
的相位差频率谱,可由第i个样本的互功率谱
Figure BDA0001910971230000037
得到；
又
Figure BDA0001910971230000038
Δk为波数的间隔。
本发明的有益效果在于：不管是实物探针的两点法还是电磁波的散射法，它们都有各自比较大的缺点。本方法是综合了上述两类方法，采用的是激光干涉的两路法。它既不会给湍流场带来干扰，也不会采用很多探测单元，而且干涉得到的信号还很强，在很多方面都优与现有的方法。
附图说明
图1是应用于本发明的一种测量等离子体湍流中高波数谱的方法示意图。
图中，1激光光源，2聚焦长焦深处理单元，3分束镜，4频率调制器，5分束镜，6分束镜，7楔形反射镜，8被测湍流场，9楔形反射镜，10合束镜，11合束镜，12分束镜，13分束镜，14合束镜，15探测器，16探测器，17探测器。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提供了一种能以高信噪比、对湍流场无干扰的方法对湍流波数和频率谱进行测量的方法。下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进一步进行说明。
如图1所示，本发明的布局基础是双密度测量通道，只是两测量通道的测量光束间的距离很近。用于诊断的激光束从激光光源发出，通过聚焦和长焦深处理后，被分束镜3分光，其中一束通过频率调制器4，使激光频率略微改变Δω，它不通过等离子体，且最后被分成三束，分别用于外差测量中的本振光束。被分束片3分出的另一束被分束镜5、6分成三束，其中两束使用楔形反射镜7，使它们相距很小的距离d，一起穿过被测量的等离子体。然后它们被另一个楔形反射镜9分开，最后它们分别由合束镜10和11，与本振光束一起被探测器15和16接收。探测器17接收的光与15、16的不同之处在于未被频移的光束没有通过等离子体。它的信号作为密度测量的参考信号。15和16分别得到的干涉信号与17得到的参考信号比较，可以各自得到等离子体的密度信号。然后根据两点估计的方法得到等离子体湍流的波数谱和频率谱(S(k,f))。
一种测量等离子体湍流中高波数谱的方法，包括如下步骤：
(1)在没有等离子体的情况下，调整整个光路，并使探测器15、16各自探测的信号与探测器17得到的参考信号没有相位差。
(2)在有等离子体的情况时，通过数据快速采集分别得到三个探测器随时间变化的信号。
并通过计算机程序比较探测器15和探测器17得到信号波形的相位移动
Figure BDA0001910971230000041
探测器16和探测器17得到信号波形的相位移动
Figure BDA0001910971230000042
然后根据下面的计算式子，得到两个通道分别测得的平均密度ne1(t)、ne2(t)，其中f0为激光的频率；L为激光穿过等离子体的长度。
Figure BDA0001910971230000051
Figure BDA0001910971230000052
(3)由两点估计的方法得到：
Figure BDA0001910971230000053
其中，M是信号ne1(t)或ne2(t)被分成的样本个数；
Figure BDA0001910971230000054
和
Figure BDA0001910971230000055
是两路干涉的第i个样本的自功率谱；估计的波数
Figure BDA0001910971230000056
Figure BDA0001910971230000057
是
Figure BDA0001910971230000058
和
Figure BDA0001910971230000059
的相位差频率谱,可由第i个样本的互功率谱
Figure BDA00019109712300000510
得到；
又
Figure BDA00019109712300000511
Δk为波数的间隔。
本方法选用的是波长较短激光作为光源，这样能够确保激光有较好的小焦斑、长焦深的探测激光光束。借助于两点估计的计算方法和激光干涉的信号强于激光相干散射的信号，本方法能够有较强信噪比且对等离子体不添加格外扰动的优点来得到等离子体湍流场的波数和频率谱。

Claims (7)

1.一种测量等离子体湍流中高波数谱的方法，其特征在于：包括如下步骤，
(1)在没有等离子体的情况下，调整整个光路，并使探测器15、探测器16各自探测的信号与探测器17得到的参考信号没有相位差；
(2)在有等离子体的情况时，通过数据快速采集分别得到三个探测器随时间变化的信号；
(3)由两点估计的方法得到。
2.如权利要求1所述的一种测量等离子体湍流中高波数谱的方法，其特征在于：所述的步骤(2)包括，通过计算机程序比较探测器15和探测器17得到信号波形的相位移动
Figure FDA0001910971220000014
探测器16和探测器17得到信号波形的相位移动
Figure FDA0001910971220000015
3.如权利要求1所述的一种测量等离子体湍流中高波数谱的方法，其特征在于：所述的步骤(2)包括根据下面的计算式子，得到两个通道分别测得的平均密度ne1(t)、ne2(t)，其中f0为激光的频率；L为激光穿过等离子体的长度，
Figure FDA0001910971220000011
Figure FDA0001910971220000012
4.如权利要求1所述的一种测量等离子体湍流中高波数谱的方法，其特征在于：所述的步骤(3)包括由两点估计的方法得到：
Figure FDA0001910971220000013
5.如权利要求4所述的一种测量等离子体湍流中高波数谱的方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，M是信号ne1(t)或ne2(t)被分成的样本个数。
6.如权利要求4所述的一种测量等离子体湍流中高波数谱的方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，
Figure FDA0001910971220000021
和
Figure FDA0001910971220000022
是两路干涉的第i个样本的自功率谱。
7.如权利要求4所述的一种测量等离子体湍流中高波数谱的方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，
估计的波数
Figure FDA0001910971220000023
Figure FDA0001910971220000024
是
Figure FDA0001910971220000025
和
Figure FDA0001910971220000026
的相位差频率谱,可由第i个样本的互功率谱
Figure FDA0001910971220000027
得到；
又
Figure FDA0001910971220000028
Δk为波数的间隔。
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