CN112040625B - 高精度高时空分辨率三维测定方法、系统、介质及应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于等离子体监测和分析技术领域，公开了一种高精度高时空分辨率三维测定方法、系统、介质及应用，采用高精度高时空分辨率的静电探针和远红外激光干涉仪作为基准，通过创新设计，建立等离子体电子密度与光强对应关系模型和电子密度时空分布与光强时空分布对应关系模型，实现高分辨高速光学成像系统的高精度高时空分辨率的等离子体非接触式诊断。本发明利用各种不同的滤光片可以实现对电子密度和电子温度测量的解耦。在低气压到高气压条件下，不同电离率条件下，需考虑光强和气压条件和电离率条件的关系，完善不同条件下的标定系数和解耦特征，以提高测量精度。本发明实现了高速目标等离子体高时间分辨率、高空间分辨率和高精度诊断。

Description

高精度高时空分辨率三维测定方法、系统、介质及应用

技术领域

本发明属于等离子体监测和分析技术领域，尤其涉及一种高精度高时空分辨率三维测定方法、系统、介质及应用。

背景技术

目前基本通过光学、磁学及电学手段对等离子体中发生的物理和化学过程进行监测和分析，常用的诊断方法包括朗缪尔探针法、微波干涉法、远红外激光干涉法、光谱法和高速摄像诊断法等。朗缪尔探针是一种接触式诊断方法，具有可达到百微米量级的较高空间分辨率优点。但诊断精度受周围环境对探针收集电流的干扰影响，诊断模型需要研究。探针工作时会对电子测量造成影响，同时探针使用有一定条件约束，目前精度为30％～50％。基于波的等离子体诊断是非接触式诊断，对等离子体没有干扰，最常用的有微波干涉法和激光干涉法。通过测量电磁波通过等离子体之后的相位差获得电子密度在波传播路径上的线积分，这种方法具有10％～30％较高的精度。但空间分辨率较低，仅能达到2cm，也受制于空间布局。

光谱诊断是一种非接触式诊断，通过光谱信息诊断电子密度与温度。光谱仪获得的光强是光在传播路径上的线积分，电子密度为光传播路径上的平均电子密度。其诊断精度为10％～30％，空间分辨率能达到2cm。CCD光电探测技术的不断发展为高时间分辨率的等离子体诊断提供了可能。采用高速CCD相机得到沿不同方向、时间分辨率微秒量级的等离子体辐射积分光强，可得出等离子体电子密度的空间分布。但算法存在抗噪声能力差、计算量大等问题，且微秒时间分辨率下的相机的像素分辨率会降低其空间分辨率。

因此，尽管每一种等离子体诊断方法各有优点，但是针对高速目标等离子体的宽参数范围、高碰撞频率、非均匀大梯度分布、空时动态性的特点，单一方法在使用范围、诊断精度等方面均无法完成高精度的空时观测需求，高速目标等离子体电磁科学研究对诊断方法也提出了新挑战，不仅在精度上、时空高分辨率上要求突破现有方法的局限，而且需要优化组合探针法、远红外激光干涉法、微波测量法、光谱及高速摄像法，采用接触和非接触诊断方法相互验证、相互补充，得到等离子体参数在确定点的高精度诊断、三维空间分布和时间变化的高分辨诊断，电磁测量时同步获取可靠的等离子体参数反馈信号，为等离子体参数的有效调控及电磁科学研究提供数据保障。

等离子体诊断一般划分为两种方式：接触式和非接触式，接触式方式精度高时空分辨率高，但是接触式诊断方法需要将诊断仪器(如探针)侵入等离子体，这会引起等离子体局部扰动，改变等离子体参数分布，为此，必须采用非接触式诊断方法诊断等离子体参数。但是现有的非接触式诊断仪器要么成本太高，要么不能满足高精度高时空分辨率的要求；同时受等离子体固有不稳定性的影响，对非接触诊断精度提出了更高的要求。因此，高速目标等离子体诊断系统的关键难点是如何利用非接触方法获得高精度且时空分辨率高的等离子体参数。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的非接触式诊断仪器成本太高，不能同时满足高精度高时空分辨率的要求；同时受等离子体固有不稳定性的影响，非接触诊断精度低。

解决以上问题及缺陷的难度为：需要发展多种诊断手段联合诊断技术，结合各种诊断手段的优点，对高速目标等离子体进行诊断，真正实现高精度高时空分辨率诊断。因此，需要每一种诊断手段满足一定的要求。要求远红外激光干涉系统需要满足2微秒、5毫米和精度10％的指标，静电探针满足空间分辨5mm的要求，光学三维诊断要求满足1微秒、5毫米和光强重建误差小于5％的要求，以上各个指标对于单一的诊断手段来说都是具有很大的挑战性和先进性，只有单一诊断手段满足指标要求，才能实现总体指标要求。

解决以上问题及缺陷的意义为：诊断系统要求远红外激光干涉系统需要满足2微秒、5毫米和精度10％的指标，静电探针满足空间分辨5mm的要求，光学三维诊断要求满足1微秒、5毫米和光强重建误差小于5％的要求，以上各个指标对于单一的诊断手段来说都是具有很大的挑战性和先进性，只有单一诊断手段满足指标要求，才能实现总体指标要求。通过联合诊断，获得高精度高时空分辨率的电子密度三维空间分布，结合等离子体内部电磁场测量，有助于分析等离子体与电磁波相互作用机理。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高精度高时空分辨率三维测定方法、系统、介质及应用。

本发明是这样实现的，一种高精度高时空分辨率三维测定方法，所述高精度高时空分辨率三维测定方法针对高速目标等离子体的特点，选择337微米波长的远红外激光器作为激光干涉仪的光源，通过配置高速转动光栅，搭建紧凑光路，实现2微秒、5毫米和10％的诊断精度，研制抗干扰的静电探针快速运动机构，发展高速和高碰撞条件下的静电探针系统实现高速目标等离子体空间分辨率5毫米的快速诊断，同时还需要开展等离子体发射光谱研究，建立电子密度、激发态粒子数密度和光强之间的关系，在根据光强与电子密度的定量关系，结合三维光强分布，反演得到电子密度三维分布。

进一步，所述高精度高时空分辨率三维测定方法对于稳态等离子体，利用静电探针进行精确空间定位测量，测量远红外激光干涉路径上的电子密度分布，获得线积分路线上高空间分辨率的相对电子密度，再利用远红外激光干涉仪得出高精度的路径线积分值，经过反演即可得出高分辨率、高精度的电子密度分布。再移动测量位置，不断扫描测量从而获得高精度高空间分辨率的等离子体三维电子密度空间分布。

进一步，所述高精度高时空分辨率三维测定方法对于动态等离子体，用多台高速CCD相机进行三维重建得出等离子体在三维空间的分布，利用各种不同的滤光片可以实现对电子密度和电子温度测量的解耦，在低气压到高气压条件下，不同电离率条件下，需考虑光强和气压条件和电离率条件的关系，完善不同条件下的标定系数和解耦特征。

进一步，所述高精度高时空分辨率三维测定方法，对于利用静电探针、远红外激光干涉仪获得的高精度电子密度和高速CCD相机摄像的光强三维分布进行标定，根据光强与电子密度之间的联系，确定光强与电子密度之间的定量关系，然后根据获得动态等离子体光强三维分布，结合光强与电子密度之间的关系反演得到等离子体电子密度三维分布，实现高速目标等离子体电子密度的高精度和高时空分辨率的三维诊断。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：采用高精度高时空分辨率的静电探针作为基准；建立等离子体电子密度与光强对应关系模型和电子密度时空分布与光强时空分布对应关系模型，实现远红外激光干涉仪、高分辨高速光学成像系统的高精度高时空分辨率的等离子体非接触式诊断。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述高精度高时空分辨率三维测定方法的高精度高时空分辨率三维测定系统，所述高精度高时空分辨率三维测定系统包括：

基准确定模块，用于采用高精度高时空分辨率的静电探针作为基准；

对应关系模型构建模块，用于建立等离子体电子密度与光强对应关系模型和电子密度时空分布与光强时空分布对应关系模型；

等离子体非接触式诊断模块，用于远红外激光干涉仪、高分辨高速光学成像系统的高精度高时空分辨率的等离子体非接触式诊断。

本发明的另一目的在于提供一种等离子体监测终端，所述等离子体监测终端搭载所述的高精度高时空分辨率三维测定系统。

本发明的另一目的在于提供一种等离子体分析终端，所述等离子体分析终端搭载所述的高精度高时空分辨率三维测定系统。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明对于稳态等离子体，利用静电探针标定出线积分路线上高空间分辨率的相对电子密度，再利用远红外激光干涉仪得出高精度的路径线积分值，经验实验研究诊断的电子密度范围为0.1-1.9×10¹³cm^-3，诊断精度为3％。经过反演即可得出高分辨率、高精度的电子密度分布。经过光谱诊断，获得了等离子体电子密度与光强的正相关关系。同时还实现了等离子体光强三维重建，空间分辨率小于5毫米，精度为5％。对于动态等离子体，利用静电探针、远红外激光干涉仪首先对高速CCD相机摄像的光强进行标定，然后用高速CCD相机得出等离子体在三维空间的分布，与绝对测量诊断的标定；解耦等离子体电子密度和电子温度；图像的数据处理和分析以及3D时空分布重建。而高气压下主要影响系统的标定和电子密度和电子温度测量的解耦，使用多种绝对测量手段，可有效地对CCD摄像的光强信号进行标定。

本发明采用高精度高时空分辨率的静电探针作为基准，通过创新设计，建立等离子体电子密度与光强对应关系模型和电子密度时空分布与光强时空分布对应关系模型，实现远红外激光干涉仪、高分辨高速光学成像系统的高精度高时空分辨率的等离子体非接触式诊断。本发明利用各种不同的滤光片可以实现对电子密度和电子温度测量的解耦。在低气压到高气压条件下，不同电离率条件下，需考虑光强和气压条件和电离率条件的关系，完善不同条件下的标定系数和解耦特征，以提高测量精度。本发明实现了高速目标等离子体高时间分辨率、高空间分辨率和高精度诊断。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的高精度高时空分辨率三维测定方法流程图。

图2是本发明实施例提供的高精度高时空分辨率三维测定系统的结构示意图；

图2中：1、基准确定模块；2、对应关系模型构建模块；3、等离子体非接触式诊断模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高精度高时空分辨率三维测定方法、系统、介质及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明提供的高精度高时空分辨率三维测定方法包括以下步骤：

S101：采用高精度高时空分辨率的静电探针作为基准；

S102：建立等离子体电子密度与光强对应关系模型和电子密度时空分布与光强时空分布对应关系模型，实现远红外激光干涉仪、高分辨高速光学成像系统的高精度高时空分辨率的等离子体非接触式诊断。

本发明提供的高精度高时空分辨率三维测定方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的高精度高时空分辨率三维测定方法仅仅是一个具体实施例而已。

如图2所示，本发明提供的高精度高时空分辨率三维测定系统包括：

基准确定模块1，用于采用高精度高时空分辨率的静电探针作为基准。

对应关系模型构建模块2，用于建立等离子体电子密度与光强对应关系模型和电子密度时空分布与光强时空分布对应关系模型。

等离子体非接触式诊断模块3，用于远红外激光干涉仪、高分辨高速光学成像系统的高精度高时空分辨率的等离子体非接触式诊断。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

静电探针的空间分辨率取决于探针尖的尺寸，利用扫描探针可以对等离子体全空间进行高时间分辨(1微秒，边界探针)、高空间分辨(3mm，扫描探针)的绝对测量，但是其诊断精度受侵入式诊断方式的局限，干扰较大、精度较差(30％左右)。对于远红外激光干涉仪，项目将发展稳定的连续波激光源，高灵敏度探测器；MHz量级中频调制和检出系统，实现1微秒量级时间分辨；利用紧凑可调的光学系统(抛物面镜或转镜，稳态移动探测阵列)，可获得最高5mm的空间分辨(线积分值)。远红外干涉仪为非接触式诊断，现有技术精度可达10％以上。

现有高速CCD相机可以同时实现高时间分辨和空间分辨的二维光强数据，其中时间分辨率取决于帧率，现有相机可达100万帧/秒，满足1微秒的时间分辨率要求，空间分辨率取决于像素，根据等离子体长度30cm计算，实现5mm的空间分辨率需要像素大于60，现有的成熟高速相机可具有128*128的像素，通过合理配置视野，可满足等离子体诊断空间分辨率的需求。利用照相机从不同的角度对等离子体进行拍照，然后发展反演分析，可实现等离子体电子密度的3D时空分布重建。

对于稳态等离子体，利用静电探针标定出线积分路线上高空间分辨率的相对电子密度，再利用远红外激光干涉仪得出高精度的路径线积分值，经过反演即可得出高分辨率、高精度的电子密度分布。对于动态等离子体，利用静电探针、远红外激光干涉仪首先对高速CCD相机摄像的光强进行标定，然后用高速CCD相机得出等离子体在三维空间的分布，与绝对测量诊断的标定；解耦等离子体电子密度和电子温度；图像的数据处理和分析以及3D时空分布重建。而高气压下主要影响系统的标定和电子密度和电子温度测量的解耦，使用多种绝对测量手段，可有效地对CCD摄像的光强信号进行标定。利用各种不同的滤光片可以实现对电子密度和电子温度测量的解耦。在低气压到高气压条件下，不同电离率条件下，需考虑光强和气压条件和电离率条件的关系，完善不同条件下的标定系数和解耦特征，以提高测量精度。

本发明对于稳态等离子体，利用静电探针标定出线积分路线上高空间分辨率的相对电子密度，再利用远红外激光干涉仪得出高精度的路径线积分值，经验实验研究诊断的电子密度范围为0.1-1.9×10¹³cm^-3，诊断精度为3％。经过反演即可得出高分辨率、高精度的电子密度分布。经过光谱诊断，获得了等离子体电子密度与光强的正相关关系。同时还实现了等离子体光强三维重建，空间分辨率小于5毫米，精度为5％。对于动态等离子体，利用静电探针、远红外激光干涉仪首先对高速CCD相机摄像的光强进行标定，然后用高速CCD相机得出等离子体在三维空间的分布，与绝对测量诊断的标定；解耦等离子体电子密度和电子温度；实现了高速目标等离子体的高精度高时空分辨率的三维诊断。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种高精度高时空分辨率三维测定方法，其特征在于，所述高精度高时空分辨率三维测定方法采用高精度高时空分辨率的静电探针作为基准；建立等离子体电子密度与光强对应关系模型和电子密度时空分布与光强时空分布对应关系模型，实现远红外激光干涉仪、高分辨高速光学成像系统的高精度高时空分辨率的等离子体非接触式诊断；

所述高精度高时空分辨率三维测定方法对于稳态等离子体，利用静电探针标定出线积分路线上高空间分辨率的相对电子密度，再利用远红外激光干涉仪得出高精度的路径线积分值，经过反演即可得出高分辨率、高精度的电子密度分布；

所述高精度高时空分辨率三维测定方法对于动态等离子体，利用静电探针、远红外激光干涉仪首先对高速CCD相机摄像的光强进行标定，然后用高速CCD相机得出等离子体在三维空间的分布，与绝对测量诊断的标定；解耦等离子体电子密度和电子温度；图像的数据处理和分析以及3D时空分布重建；

所述高精度高时空分辨率三维测定方法利用各种不同的滤光片实现对电子密度和电子温度测量的解耦，在低气压到高气压条件下，不同电离率条件下，需考虑光强和气压条件和电离率条件的关系，完善不同条件下的标定系数和解耦特征；

实施上述高精度高时空分辨率三维测定方法的高精度高时空分辨率三维测定系统包括：

基准确定模块，用于采用高精度高时空分辨率的静电探针作为基准；

对应关系模型构建模块，用于建立等离子体电子密度与光强对应关系模型和电子密度时空分布与光强时空分布对应关系模型；

等离子体非接触式诊断模块，用于远红外激光干涉仪、高分辨高速光学成像系统的高精度高时空分辨率的等离子体非接触式诊断。

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