CN112861067B - 一种用于托卡马克等离子体密度测量的相位差检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于托卡马克等离子体密度测量的相位差检测方法，涉及等离子体密度测量技术领域，包括AD模块、FPGA模块，所述AD模块包括信号调理电路和采样电路，所述FPGA模块包括数据复用单元、ap‑FFT单元、相位差计算单元和相位叠加单元。本发明方法可以用来提高数据的利用率，进而提高了输出结果的时间分辨率，具有可靠性高，抗干扰能力强，实时性好的优点；并且采用了ap‑FFT方法对等离子体相位进行测量，减少了FFT的栅极效应，提高相位差测量的精度。
Description
技术领域：
本发明涉及等离子体密度测量技术领域，具体涉及一种用于托卡马克等离子体密度测量的相位差检测方法。
背景技术：
在托卡马克中，研究等离子的电子密度是了解其相关性质的一个重要途径，通过测量的相位数据反演得到电子密度的空间分布。提高等离子体密度测量的相位差检测技术能极大的完善对等离子的探究。
测量托卡马克中等离子体的电子密度，通常采用一种过零法的硬件相位计。该方法是使用HCN(氰化氢激光干涉仪)激光干涉仪对等离子测量，其中参考光路与探针光路分别通过真空和等离子体，两路光信号因为介质不同而产生相位差。硬件的方式实现测量相位。特点是对每个周期做一次比较，输出一个相位差结果，它的时间分辨率是0.1ms，相位差稳定性较好，但结果容易受到±1的误差干扰，另一方面抗干扰能力较差，电子噪声也较多。
FFT(傅里叶变换)相位差比较法，是通过FFT的方法来计算相位。该方法可以在抑制噪声和谐波干扰的同时获得高分辨率的相位，在近些年提出并应用在等离子密度测量中，然而傅里叶变换中的栅极效应会影响相位测量精度，或者非周期采样带来频移，导致测量的结果误差较大。
ap-FFT(全相位傅里叶变换)，是对FFT的数据的预处理后再进行FFT的方法，该方法具有极好的抑制频谱泄漏性能，并且小信号也能在栅极效果影响下分辨出来。最主要的是ap-FFT的相位不变性特性，无需任何校正措施即可实现高精度的相位测量，能减少相位误差，提高系统的精度，但该方法未运用在等离子密度的测量中。
目前，在托卡马克装置中应用广泛的是硬件相位差计。使用采集卡对硬件相位差输出电压采集。性能稳定，但电路复杂，成本较高。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种用于托卡马克等离子体密度测量的相位差检测方法，解决托卡马克中FFT测量相位中，栅极效应的影响导致的误差不准确，另一方面提高FFT转化输出频率。
本发明所要解决的技术问题采用以下的技术方案来实现：
一种用于托卡马克等离子体密度测量的相位差检测方法，包括AD模块、FPGA模块，所述AD模块包括信号调理电路和采样电路，所述FPGA模块包括数据复用单元、ap-FFT单元、相位差计算单元和相位叠加单元。
信号调理电路主要功能是将单端信号转化为差分信号，一方面可以提高信号的抗干扰能力，另一方面AD转化芯片输入为差分输入，采样电路为双核同步AD芯片，保持同步性，将模拟信号转化为数字信号。
数据复用单元一方面对采样的数据进行平均计算，减少白噪声的干扰；另一方面通过对数据进行复用，提高FFT的输出结果频率。ap-FFT单元主要是通过ap-FFT计算出序列的相位。相位差计算单元，参考信号和探针信号两路和相位相减得出的相位差结果。相位叠加单元，由相位差持续递增和递减导致相位差为180°的周期倍数，根据递增的趋势进行相位差叠加或者递减趋势进行相位差递减。
所述用于托卡马克等离子体密度测量的相位差检测方法，包括以下步骤：
S1对整个系统模块进行初始化：配置AD模块、FPGA模块的相关参数和清空FPGA模块内部RAM的数据缓存。
S2数据的采集和转化：HCN发出的两路相同的载波信号分别通过等离子体和真空，经过等离子体的载波信号为探针光路信号，经过真空的载波信号为参考信号。由于等离子体和真空存在密度差别，其光程会产生变化，进而导致相位发生变化。探针光路信号经TGS转化为电信号D2，参考信号经TGS转化为电信号D1。信号调理电路将D1和D2转化为差分信号后送入AD模块，而AD模块由FPGA模块来控制采集和关闭。
S3等待采集信号的触发：当FPGA模块接收到开始触发信号1后，系统控制AD模块开始对D1和D2数据的采集。
S4数据的采集：FPGA模块读取AD模块转化D1和D2后输出的数字信号数据。以D1为例，D2也是同样的过程。FPGA模块以AD模块传来的n个数据为一个节点，输出对这个节点中的数据取平均后的数值。平均处理后的数据采样率为10M，则FPGA模块以n*10M的采样率读取D1转化后的数字数据。如n＝4，则FPGA模块以40M的速率采集模拟信号D1。数据的平均滤波处理能实现对数据压缩，减少系统的白噪声干扰的功能。
S5数据的传送和复用：CNT为数据传送和数据复用的计数值，初始化为0；在FPGA采集工作中，S4步骤中每输出一个平均数值，则计数器CNT加1，CNT最大值为999，达到1000时，复位为0；CNT初始化为0，作为第一周期；CNT复位为0后，为下个周期；CNT达到一定值，操作不同的RAM进行开关和读取操作，CNT为250的倍数依次打开不同的RAM的缓存开关。
当CNT＝0时，双口RAM1打开缓存开关，进行数据存储。
当CNT＝250时，双口RAM2打开缓存开关，进行数据存储。
当CNT＝500时，双口RAM3打开缓存开关，进行数据存储。
当CNT＝750时，双口RAM4打开缓存开关，进行数据存储。
CNT＝751后，四个RAM都打开了缓存开关，各RAM存储的数据都相同，当CNT＝1000时，CNT重置为0，为下个周期；在下个周期，RAM1未关闭，再打开效果相同，所以RAM1是一直工作，RAM2-4也同样未关闭，一直进行数据存储。
四个RAM每时刻存储的数据是一样的，但是RAM的序列打开的时刻不同，所以RAM中数据序列是不同的。
S6数据的取用和补充：在S5步骤中，当FPGA模块检测RAM存满1000个数据时，则取用RAM中的数据用ap-FFT单元进行相位计算。当数据取用结束后对RAM进行清空，即地址重新为0。在第一次周期中RAM1的数据地址为999，表明RAM1已经存满1000个数据，取用地址为0-999的数据。
S7数据结果中D1和D2的相位计算：D1和D2的相位运算过程分为四步进行：
1)等待RAM传送需要FFT计算的相位序列；
2)等待完成对序列补零至1024个数据；
3)序列的预处理；
4)序列经ap-FFT单元计算得相位。
由于FPGA是并行运行机制，本发明提出ap-FFT的预处理转化为矩阵的形式进行计算。由于采样的结果是1000，ap-FFT转化序列需要2N数据，首先对转化序列补零达到1024个点，补零后的输入数据为矩阵A＝{x(-N+1),…,x(-1),x(0),x(1),…,x(N-1)。ap-FFT中列出包含x(0)，且长度为N的序列如式1，再对x(0)在截断的主区间内求和，进行归一化即为全相位预处理。窗系数为{W0,W1,…,WN-1}。
全相位预处理的结果Xap为式2。
ap-FFT的预处理通过式(3)完成，输入数据为矩阵为A{1，1024}，转化操作为序数矩阵B{1024，512}。
即得式(4)：
全相位预处理结果序列Xap经过FPGA模块的FFT的IP核计算出频谱图中各频率成分对应的实部和虚部数据，根据实部和虚部数据求其对应频率的幅值，遍历幅值，当幅值由升到将降，则说明此处有峰值频率，幅值为A，输出有效使能信号FEN，提示下个单元此处相位信号有效。幅值A如果大于设立的阈值，说明此处为有效频率，反之则说明此次转化数据中未存在有效的频率成份。针对存在有效频率的情况，通过反正切函数算得有效频率的相位。
S8相位差的计算：由S3-S7分别得到参考信号D1和探针信号D2的相位P1和P2，如果两者的有效使能信号FEN在同一时刻，则说明两者的有效频率相同，DP为相位差，通过DP＝P1-P2得出相位差数据。
S9数据结果中的相位差叠加：由于FFT输出的相位差在-π到+π范围内，但实际相位差超过此范围。在测量时相位差结果超过-π到+π范围，会导致相位差信号反转。如果实际相位值持续增加，当信号发生翻转的情况，此时的相差大于+π，则定义为正翻转，需要进行相位叠加。相反，如果实际相位持续减少，当信号发生翻转的情况，此时的相差小于-π，则定义为负翻转，需要进行相位叠减。
本发明算法根据信号变化率τ和保持时间来判断信号发生正翻转、负翻转或者干扰，输出正确的相位差结果。采样的变化率τ如式5计算，DF为转化的相位差，DFn-1为上次转化的相位差，t为采集的时长。
由于信号是离散的数字信号，取前四次连续的转化相位差结果进行判断，如式6。分子为四次相邻转化的两次的相位差之差的累加，分母为四次相邻转化的两次的相位差之和的累加，防止因为相位误差的抖动导致的突变。
S10检测是否接收到终止信号命令：当系统未检测到结束信号，表明未结束采集，系统循环S4-S10步骤，重新获取TGS传送的信号，当存储在各RAM中的数据再次满足取用条件后，取出序列送入ap-FFT单元进行相位计算，得到D1和D2的相位差结果。当FPGA接有总控的外部结束触发信号2，数据的采集测量结束，系统停止，关闭输入通道。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
1、本发明提出一种基于FPGA的数据复用测量等离子相位的方法，用来提高数据的利用率，进而提高了输出结果的时间分辨率；时间分辨率优于硬件相位差计的方法，该方法具有可靠性高，抗干扰能力强，实时性好的优点。
2、本发明采用了ap-FFT方法对等离子体相位进行测量，减少了FFT的栅极效应，提高相位差测量的精度；在ap-FFT转化的序列延拓过程，采取序列补零的操作；在时间轴上，数据和结果可以对应可查，即每0.1ms对应4个相位差结果。
附图说明：
图1为本发明相位差检测方法的结构框图；
图2为本发明相位差检测方法的流程图；
图3为本发明双口RAM转化数据的示意图；
图4为本发明每路FIFO计算相位的过程流程图；
图5为本发明测试结果数据图。
具体实施方式：
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和图示，进一步阐述本发明。
符号说明：
ap-FFT：全相位快速傅里叶变换
FPGA：现场可编程逻辑门阵列
TGS：甘氨酸硫酸酯探测器
HCN：氰化氢激光干涉仪
D1：TGS探测器接收HCN激光干涉仪经过真空后光路的输出信号
D2：TGS探测器接收HCN激光干涉仪经过等离子体光路的输出信号
P1，P2：P1为D1转化后的相位数据，P2为D2转化后的相位数据
DP：输出的相位差结果
τ：相位差的变化率
本发明提供了一种用于托卡马克等离子体密度测量的相位差检测技术，包括AD模块和FPGA模块。结合图1说明其方法实现的结构。
一种用于托卡马克等离子体密度测量的相位差检测方法，包括AD模块、FPGA模块，所述AD模块包括信号调理电路和采样电路，所述FPGA模块包括数据复用单元、ap-FFT单元、相位差计算单元和相位叠加单元。
信号调理电路功能是将单端信号转化为差分信号，一方面可以提高信号的抗干扰能力，另一方面AD转化芯片输入为差分输入，采样电路为双核同步AD芯片，保持同步性，将模拟信号转化为数字信号，优选的为AD9645，一款双通道14位、80MSPS(ADC)，采用LVDS接口，使得数据传送更快。
数据复用单元一方面对采样的数据进行平均计算，减少白噪声的干扰；另一方面通过对数据进行复用，提高FFT的输出结果频率。ap-FFT单元主要是通过ap-FFT计算出序列的相位。相位差计算单元，参考信号和探针信号两路和相位相减得出的相位差结果。相位叠加单元，由相位差持续递增和递减导致相位差为180°的周期倍数，根据递增的趋势进行相位差叠加或者递减趋势进行相位差递减。FPGA优选的是乘法器数量较大，资源较多的FPGA芯片，本实例采用EP4C302系列芯片进行使用，该芯片逻辑单元丰富，拥有较多的外设资源。
所述用于托卡马克等离子体密度测量的相位差检测方法，结合图2说明其过程。
1)数据初始化，完成系统的启动和变量的赋值。
2)等待开始信号的触发，接收到触发信号开始进行采集和相位步骤。
3)计算相位差，得到等离子的相位。
4)等待结束信号的信号，没有接收到触发信号，就再次采集数据和进行相位差的计算。接收到则停止系统工作。
以下步骤具体说明：
S1对整个系统模块进行初始化：配置AD模块、FPGA模块的相关参数和清空FPGA模块内部RAM的数据缓存。
S2数据的采集和转化：HCN发出的两路相同的载波信号分别通过等离子体和真空，经过等离子体的载波信号为探针光路信号，经过真空的载波信号为参考信号。由于等离子体和真空存在密度差别，其光程会产生变化，进而导致相位发生变化。探针光路信号经TGS转化为电信号D2，参考信号经TGS转化为电信号D1。信号调理电路将D1和D2转化为差分信号后送入AD模块，而AD模块由FPGA模块来控制采集和关闭。
S3等待采集信号的触发：当FPGA模块接收到开始触发信号1后，系统控制AD模块开始对D1和D2数据的采集。
S4数据的采集：FPGA模块读取AD模块转化D1和D2后输出的数字信号数据。以D1为例，D2也是同样的过程。FPGA模块以AD模块传来的n个数据为一个节点，输出对这个节点中的数据取平均后的数值。平均处理后的数据采样率为10M，则FPGA模块以n*10M的采样率读取D1转化后的数字数据。如n＝4，则FPGA模块以40M的速率采集模拟信号D1。数据的平均滤波处理能实现对数据压缩，减少系统的白噪声干扰的功能。
S5数据的传送和复用：CNT为数据传送和数据复用的计数值，初始化为0。在FPGA采集工作中，S4步骤中每输出一个平均数值，则计数器CNT加1，CNT最大值为999，达到1000时，复位为0；CNT初始化为0，作为第一周期；CNT复位为0后，为下个周期；CNT达到一定值，操作不同的RAM进行开关和读取操作，CNT为250的倍数依次打开不同的RAM的缓存开关。
当CNT＝0时，双口RAM1打开缓存开关，进行数据存储。
当CNT＝250时，双口RAM2打开缓存开关，进行数据存储。
当CNT＝500时，双口RAM3打开缓存开关，进行数据存储。
当CNT＝750时，双口RAM4打开缓存开关，进行数据存储。
CNT＝751后，四个RAM都打开了缓存开关，各RAM存储的数据都相同，当CNT＝1000时，CNT重置为0为下个周期；在下个周期中，RAM1未关闭，再打开效果相同，所以RAM1是一直工作，RAM2-4也同样未关闭，一直进行数据存储。
四个RAM每时刻存储的数据是一样的，但是RAM的序列打开的时刻不同，所以RAM中数据序列是不同的。
S6数据的取用和补充：在S5步骤中，当FPGA模块检测RAM存满1000个数据时，则取用RAM中的数据用ap-FFT单元进行相位计算。当数据取用结束后对RAM进行清空，即地址重新为0。在第一次周期中RAM1的数据地址为999，表明RAM1已经存满1000个数据，取用地址为0-999的数据。
结合图3说明其过程，Data1，Data2……Data12为输入数据集，每个Datan都有250个数据，在第一次转化过程中，RAM1进行ap-FFT的数据为Data1～4，而RAM2由于打开的时刻不同，转化的数据为Data2-5……以RAM1为例，当第一个周期结束，RAM1已经存储了1000个数据。ap-FFT单元取出RAM1的所有数据后，清空RAM1中数据。在第二个周期中补充数据Data5-8。
S7数据结果中D1和D2的相位计算：结合图4进行说明，D1和D2的相位运算过程分为四步进行：
1)等待RAM传送需要FFT计算的相位序列；
2)等待完成对序列补零至1024个数据；
3)序列的预处理；
4)序列经ap-FFT单元计算得相位。
由于FPGA是并行运行机制，本发明提出ap-FFT的预处理转化为矩阵的形式进行计算。由于采样的结果是1000，ap-FFT转化序列需要2N数据，首先对转化序列补零达到1024个点，补零后的输入数据为矩阵A＝{x(-N+1),…,x(-1),x(0),x(1),…,x(N-1)。ap-FFT中列出包含x(0)，且长度为N的序列如式1，再对x(0)在截断的主区间内求和，进行归一化即为全相位预处理。窗系数为{W0,W1,…,WN-1}，全相位预处理的结果Xap为式2。
ap-FFT的预处理可以通过式(3)完成，输入数据为矩阵为A{1，1024}，转化操作为序数矩阵B{1024，512}。
本实例中采用系数是1的矩形窗，ap-FFT的预处理的结果如下面的公式。
全相位预处理结果序列Xap经过FPGA模块的FFT的IP核计算出频谱图中各频率成分对应的实部和虚部数据，根据实部和虚部数据求其对应频率的幅值，遍历幅值，当幅值由升到将降，则说明此处有峰值频率，幅值为A，输出有效使能信号FEN，提示下个单元此处相位信号有效。幅值A如果大于设立的阈值，说明此处为有效频率，反之则说明此次转化数据中未存在有效的频率成份。针对存在有效频率的情况，通过反正切函数算得有效频率的相位。
S8相位差的计算：由S3-S7分别得到参考信号D1和探针信号D2的相位P1和P2，如果两者的有效使能信号FEN在同一时刻，则说明两者的有效频率相同，DP为相位差，通过DP＝P1-P2得出相位差数据。
S9数据结果中的相位差叠加：由于FFT输出的相位差在-π到+π范围内，但实际相位差超过此范围。在测量时相位差结果超过-π到+π范围，会导致相位差信号反转。如果实际相位值持续增加，当信号发生翻转的情况，此时的相差大于+π，则定义为正翻转，需要进行相位叠加。相反，如果实际相位持续减少，当信号发生翻转的情况，此时的相差小于-π，则定义为负翻转，需要进行相位叠减。
本发明算法根据信号变化率τ和保持时间来判断信号发生正翻转、负翻转或者干扰，输出正确的相位差结果。采样的变化率τ如式5计算，DF为转化的相位差，DFn-1为上次转化的相位差，t为采集的时长。
由于信号是离散的数字信号，取前四次连续的转化相位差结果进行判断，如式6。分子为四次相邻转化的两次的相位差之差的累加，分母为四次相邻转化的两次的相位差之和的累加，防止因为相位误差的抖动导致的突变。
S10检测是否接收到终止信号命令：当系统未检测到结束信号，表明未结束采集，系统循环S4-S10步骤，重新获取TGS传送的信号，当存储在各RAM中的数据再次满足取用条件后，取出序列送入ap-FFT单元进行相位计算，得到D1和D2的相位差结果。当FPGA接有总控的外部结束触发信号2，数据的采集测量结束，系统停止，关闭输入通道。
测试结果如图5所示，系统的输入为用双通道信号发生器来模拟，输入叠加噪声干扰，结果数据通过网口上传至上位机。原始信号由零逐渐上升600度，发生了三次跳转。在保持一段时间后，再逐渐下降到零，在下降时候也发生了三次跳转。从图5测试结果来看，处理前采集数据存在零漂和跳转情况，处理后结果除去了零漂和能区别跳转情况，该计算方法很好地完成了相位差的测量。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (1)
1.一种用于托卡马克等离子体密度测量的相位差检测方法，其特征在于：所述方法的工作系统包括：包括AD模块、FPGA模块，所述AD模块包括信号调理电路和采样电路，所述FPGA模块包括数据复用单元、ap-FFT单元、相位差计算单元和相位叠加单元；
所述方法包括以下步骤：
S1对整个系统模块进行初始化：配置AD模块、FPGA模块的相关参数和清空FPGA模块内部RAM的数据缓存；
S2数据的采集和转化：HCN发出的两路相同的载波信号分别通过等离子体和真空，经过等离子体的载波信号为探针光路信号，经过真空的载波信号为参考信号；探针光路信号经TGS转化为电信号D2，参考信号经TGS转化为电信号D1；信号调理电路将D1和D2转化为差分信号后送入AD模块，而AD模块由FPGA模块来控制采集和关闭；
S3等待采集信号的触发：当FPGA模块接收到开始触发信号1后，系统控制AD模块开始对D1和D2数据的采集；
S4数据的采集：FPGA模块读取AD模块转化D1和D2后输出的数字信号数据，FPGA模块以AD模块传来的n个数据为一个节点，输出对这个节点中的数据取平均后的数值；
S5数据的传送和复用：CNT为数据传送和数据复用的计数值，初始化为0；在FPGA采集工作中，S4步骤中每输出一个平均数值，则计数器CNT加1，CNT最大值为999，达到1000时，复位为0；CNT初始化为0，作为第一周期；CNT复位为0后，为下个周期；CNT达到一定值，操作不同的RAM进行开关和读取操作，CNT为250的倍数依次打开不同的RAM的缓存开关；
当CNT＝0时，双口RAM1打开缓存开关，进行数据存储；
当CNT＝250时，双口RAM2打开缓存开关，进行数据存储；
当CNT＝500时，双口RAM3打开缓存开关，进行数据存储；
当CNT＝750时，双口RAM4打开缓存开关，进行数据存储；
S6数据的取用和补充：在S5步骤中，当FPGA模块检测RAM存满1000个数据时，则取用RAM中的数据用ap-FFT单元进行相位计算；当数据取用结束后对RAM进行清空，即地址重新为0；在第一次周期中RAM1的数据地址为999，表明RAM1已经存满1000个数据，取用地址为0-999的数据；
S7数据结果中D1和D2的相位计算：D1和D2的相位运算过程分为四步进行：
1)等待RAM传送需要FFT计算的相位序列；
2)等待完成对序列补零至1024个数据；
3)序列的预处理；
4)序列经ap-FFT单元计算得相位；
ap-FFT中列出包含x(0)，且长度为N的序列如式1：
全相位预处理的结果Xap为式2：
ap-FFT的预处理通过式(3)完成，输入数据为矩阵为A{1，1024}，转化操作为序数矩阵B{1024，512}；
即得式(4)：
全相位预处理结果序列Xap经过FPGA模块的FFT的IP核计算出频谱图中各频率成分对应的实部和虚部数据，根据实部和虚部数据求其对应频率的幅值，遍历幅值，当幅值由升到将降，则说明此处有峰值频率，幅值为A，输出有效使能信号FEN，提示下个单元此处相位信号有效；幅值A如果大于设立的阈值，说明此处为有效频率，反之则说明此次转化数据中未存在有效的频率成份；针对存在有效频率的情况，通过反正切函数算得有效频率的相位；
S8相位差的计算：由S3-S7分别得到参考信号D1和探针信号D2的相位P1和P2，如果两者的有效使能信号FEN在同一时刻，则说明两者的有效频率相同，DP为相位差，通过DP＝P1-P2得出相位差数据；
S9数据结果中的相位差叠加：根据信号变化率τ和保持时间来判断信号发生正翻转、负翻转或者干扰，输出正确的相位差结果；采样的变化率τ如式5计算，DF为转化的相位差，DFn-1为上次转化的相位差，t为采集的时长；
由于信号是离散的数字信号，取前四次连续的转化相位差结果进行判断，如式6：
S10检测是否接收到终止信号命令：当系统未检测到结束信号，表明未结束采集，系统循环S4-S10步骤，重新获取TGS传送的信号，当存储在各RAM中的数据再次满足取用条件后，取出序列送入ap-FFT单元进行相位计算，得到D1和D2的相位差结果；当FPGA接有总控的外部结束触发信号2，数据的采集测量结束，系统停止，关闭输入通道。
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