CN113405538A - 一种激光散射诊断系统空间测量位置标定装置及标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于对空间位置进行标定的光学设备技术领域，具体涉及一种激光散射诊断系统空间测量位置标定装置及标定方法，包括：光栅尺、丝杆位移台、参考光束、光源、安装定位支架、入射光纤束连接线、光电探测模块、光纤头、数据采集处理装置、滑块、采集触发信号接收线、采集位置信号线、透光玻璃窗口、采集透镜、光强信号线、采集光纤组架、标定光束；本发明解决了现有技术中采用聚光透镜光学设计的物‑像对应关系或光线逆向追踪方法进行空间点标定时产生的标定效率低和空间测量位置标定准确性差的技术问题。
Description
技术领域
本发明属于对空间位置进行标定的光学设备技术领域，具体涉及一种激光散射诊断系统空间测量位置标定装置及标定方法。
背景技术
激光散射诊断系统是托卡马克实验物理研究中十分有效的诊断工具之一，它可以高时间、高空间的分辨测量等离子体的电子温度、电子密度。其中，脉冲Nd:YAG激光器是激光散射系统是常用的激励光源，电光调Q方式下，脉冲Nd:YAG激光器输出的激光脉冲宽度约10ns，输出的基频激光的波长为1064nm，单脉冲激光的能量约4J，重复工作频率可达100Hz。当1064nm激光束穿过托卡马克装置的玻璃窗口和金属管道后进入托卡马克真空室，激光束的方向、位置是可以精确控制的。
但由于1064nm激光属于不可见的近红外光线，在调试激光入射光路期间，常使用可见的532nm或者650nm指示激光束。一般1064nm激光束可以垂直地进入等离子体或者在中平面内水平地进入等离子体。
以1064nm激光束垂直方式进入等离子体为例，高温等离子体的电子运动速率非常大，由于多普勒效应，入射激光被电子散射后产生的散射光，其波长发生很大的变化，有可能变为500nm。因此，对散射光聚光透镜的要求是：(1)聚光透镜拥有较大视场即光束接收能力较强，(2)有效采集波长范围在500～1100nm，(3)聚光透镜具备：高透光率，消色差、消像差等特性。
电子温度、电子密度在空间分布上是变化的，为了将实验结果与理论模型对比，需要尽可能提高激光散射诊断系统的空间分辨率，将聚光透镜的观测区域(即总散射长度)分为很多个小线段，每个线段的中心点即为测量位置，也称为空间点。
空间测量位置的标定是激光散射诊断系统中用来计算各空间点的散射角的基本数据，其精确度将影响散射谱的形状，从而影响根据实验数据演算出的电子温度值；
现有技术一般采用聚光透镜光学设计的物-像对应关系推算出空间点的数据，因为光机加工与安装误差，这样推算出的空间点的数据准确性较低。此外，现有技术中也可使用光线逆向追踪方法进行空间点的标定，即利用安装在聚光透镜的像面上的传光光纤束，在另一端用可见光照射，从而在真空室内部成像，测量人员在真空室内部用直尺进行位置的测量，但该测量方法的效率与准确性也较差。
因此，需要针对上述现有技术中测量空间点的方法或装置的不足，设计一种激光散射诊断系统空间测量位置标定装置及标定方法，以解决上述技术问题。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，设计一种激光散射诊断系统空间测量位置标定装置及标定方法，用于解决现有技术中采用聚光透镜光学设计的物-像对应关系或光线逆向追踪方法进行空间点标定时产生的标定效率低和空间测量位置标定准确性差的技术问题。
本发明的技术方案：
一种激光散射诊断系统空间测量位置标定装置的装置，包括：光栅尺、丝杆位移台、参考光束、光源、安装定位支架、入射光纤束连接线、光电探测模块、光纤头、数据采集处理装置、滑块、采集触发信号接收线、采集位置信号线、透光玻璃窗口、采集透镜、光强信号线、采集光纤组架、标定光束；
所述安装定位支架上固定安装有丝杆位移台，丝杆位移台的一侧侧边安装有光栅尺，所述丝杆位移台上设置有滑块，所述滑块上安装有光纤头；所述光纤头上通过入射光纤束连接线与光源连接；所述光栅尺通过采集位置信号线与数据采集处理装置连接；所述标定光束从光纤头内部发出；
所述光纤头发出标定光束的端部的水平方向上依次设置有透光玻璃窗口、采集透镜、若干个采集光纤组架和光电探测模块；所述光电探测模块上还通过光强信号线与数据采集处理装置相连接；
所述光纤头发出标定光束的端部的前端设置在参考光束上，且参考光束与标定光束的中心光束相垂直。
所述丝杆位移台整体为长板型结构，所述丝杆位移台的首尾两端还分别安装有触点开关A和触点开关B；所述触点开关A和触点开关B分别通过采集触发信号接收线与数据采集处理装置连接。
所述丝杆位移台的首尾两端之间设置有若干根丝杆，所述滑块设置在丝杆上，滑块可在丝杆上进行滑动；且滑块滑动至丝杆位移台的首尾两端时，可分别与触点开关A或触点开关B相接触。
所述光源输出的准单色光包括：可见波段准单色光和近红外波段准单色。
所述若干个采集光纤组架和光电探测模块之间还连接有若干根采集数据线。
所述光纤头内发出的标定光束在水平方向上穿过透光玻璃窗口被采集透镜采集至采集光纤组架上，并通过采集光纤组架和光电探测模块之间的若干根采集数据线传输至光电探测模块内。
所述光源输出的准单色光波长范围在500nm～1100nm。
所述滑块在丝杆位移台上始终与光栅尺呈直角角度。
所述采集光纤组架的数量为两个。
所述两个采集光纤组架的其中一个采集光纤组架和架上的光纤束用于等离子体散射光的测量，另一个采集光纤组架架上的光纤束用于对电子温度测量位置标定。
一种如上所述的激光散射诊断系统空间测量位置标定装置的标定方法，包括如下步骤：
步骤一：确认激光散射诊断系统的全光路已完成调试，此时参考光束指示出散射实验中空间测量位置的x、y坐标，z坐标为标定待测项，而将所述的标定激光散射诊断系统中空间测量位置的装置在真空室外完成安装后，将装置移动至真空室内部，在安装时根据参考光束的x、y坐标位置调整光纤头发出标定光束的端部的前端x、y坐标位置，使滑块在丝杆位移台上移动时的路径与参考光束的z方向尽量重合；
打开光源输出655nm的可见红光，并切换两个采集光纤组架至最佳标定空间点的工作位置；
步骤二：测试时，将滑块滑动至丝杆位移台上的触点开关A，并与触点开关A接触；启动数据采集处理装置，并将数据采集处理装置的采集触发模式设置为TTL高电平触发；
此时，将滑块由丝杆位移台上的触点开关A快速向丝杆位移台上的触点开关B移动，此时数据采集处理装置TTL触发信号变为高电平，数据采集处理装置将同步采集光栅尺位置信号、与不同测量位置对应的光电探测模块输出的光强信号；
步骤三：滑块由丝杆位移台上的触点开关A快速向丝杆位移台上的触点开关B移动的时间在3-5秒内完成，提高移动速度可以提高采集方波信号的信噪比，当滑块接触到触点开关B时，采集处理装置的TTL触发信号变为低电平，数据采集过程结束；并进行数据处理；
数据处理步骤包括：
(a)以触点开关A与触点开关B提供的TTL触发信号，确认光栅尺位置信号与光电探测模块输出的光强信号时序；
(b)进行光电探测模块输出的光强信号的单一峰值位置确认；
(c)根据a、b所得结果与光栅尺位置信号进行综合分析，得到完整空间测量位置结果；
步骤四：在波长范围600nm～1100nm内，调节光源使其先后输出5～10个不同波长的准单色光，重复步骤二至步骤四。对多次测量结果求取平均值，即可完成电子温度测量位置的标定工作。
本发明的有益效果：
本发明设计的一种激光散射诊断系统空间测量位置标定装置及标定方法，可在托卡马克真空室内部进行空间点的原位准确标定，所得标定的数据将用来计算各空间点的散射角、电子温度以及等离子体磁面坐标系等。
本发明装置安装在托卡马克真空室内，在进行空间测量位置的标定过程中，对激光散射诊断所使用的透光玻璃窗口、采集透镜、出射光纤束、光电探测模块以及数据采集处理装置的位置与工作状态没有影响，对采集光纤组架的位置与工作状态影响极小。
本装置中采集光纤组架可以进行位置切换，共有两个采集光纤组架，所述两个采集光纤组架为横向并排放置，并非前后放置；采集光纤组架和架上光纤束的安装位置、间距以及光纤束端面有效尺寸完全一致。其中一个采集光纤组架和架上的光纤束用于测量等离子体散射光，另一个采集光纤组架和架上的光纤束用来对电子温度的测量位置(空间点)进行标定。采集光纤组架下部还设置有高精度电动位移台，保证了测量过程的可重复性，效率和数据准确性的可靠。
本装置还具备实用性与标定效率高的特点，具体表现为：本装置中采用光栅尺作为位置传感器，运用了光栅尺高检测精度以及响应速度的特点；装置中选择的手动丝杆位移台不仅成本低而且有效行程较长，对采集信号的处理与分析的难度也较低。
本装置还具备重量轻，结构紧凑，安装简便的特点，充分考虑了真空室内部空间狭小且相对封闭，对仪器的大小、重量与安装、操作所起到的限制作用。
在大多数情况下，散射光谱的主要部分在近红外波段，聚光透镜关注的消色差、消像差也就主要集中在近红外波段(如800nm～1100nm)，用可见光照射光纤的光线逆向追踪方法的测量数据，就可能有较大的误差。
本发明所使用的光源不仅可以输出可见波段的准单色光，而且可以输出近红外波段的准单色光，一方面可以比较在多个光波长下的测量结果，另一方面也可以评估聚光透镜的消色差、消像差效果。
附图说明
图1为本发明设计的激光散射诊断系统空间测量位置标定装置的装置连接图；
图中：1-光栅尺、2-丝杆位移台、3-参考光束、4-触点开关A、5-光源、6-安装定位支架、7-入射光纤束连接线、8-光电探测模块、9-光纤头、10-数据采集处理装置、11-滑块、12-触点开关B、13-采集触发信号接收线、14-采集位置信号线、15-透光玻璃窗口、16-采集透镜、17-光强信号线、18-采集光纤组架、19-标定光束
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的一种激光散射诊断系统空间测量位置标定装置的装置及标定方法进行详细说明。
一种激光散射诊断系统空间测量位置标定装置的装置，包括：光栅尺1、丝杆位移台2、参考光束3、光源5、安装定位支架6、入射光纤束连接线7、光电探测模块8、光纤头9、数据采集处理装置10、滑块11、采集触发信号接收线13、采集位置信号线14、透光玻璃窗口15、采集透镜16、光强信号线17、采集光纤组架18、标定光束19；
所述安装定位支架6上固定安装有丝杆位移台2，丝杆位移台2的一侧侧边安装有光栅尺1，所述丝杆位移台2上设置有滑块11，所述滑块11上安装有光纤头9；所述光纤头9上通过入射光纤束连接线7与光源5连接；所述光栅尺1通过采集位置信号线14与数据采集处理装置10连接；所述标定光束19从光纤头9内部发出；
所述光纤头9发出标定光束19的端部的水平方向上依次设置有透光玻璃窗口15、采集透镜16、若干个采集光纤组架18和光电探测模块8；所述光电探测模块8上还通过光强信号线17与数据采集处理装置10相连接；
所述光纤头9发出标定光束19的端部的前端设置在参考光束3上，且参考光束3与标定光束19的中心光束相垂直。
所述丝杆位移台2整体为长板型结构，所述丝杆位移台2的首尾两端还分别安装有触点开关A4和触点开关B12；所述触点开关A4和触点开关B12分别通过采集触发信号接收线13与数据采集处理装置10连接。
所述丝杆位移台2的首尾两端之间设置有若干根丝杆，所述滑块11设置在丝杆上，滑块11可在丝杆上进行滑动；且滑块11滑动至丝杆位移台2的首尾两端时，可分别与触点开关A4或触点开关B12相接触。
所述光源5输出的准单色光包括：可见波段准单色光和近红外波段准单色。
所述若干个采集光纤组架18和光电探测模块8之间还连接有若干根采集数据线。
所述光纤头9内发出的标定光束19在水平方向上穿过透光玻璃窗口15被采集透镜16采集至采集光纤组架18上，并通过采集光纤组架18和光电探测模块8之间的若干根采集数据线传输至光电探测模块8内。
所述光源5输出的准单色光波长范围在500nm～1100nm。
所述滑块11在丝杆位移台2上始终与光栅尺1呈直角角度。
所述采集光纤组架18的数量为两个。
所述两个采集光纤组架18的其中一个采集光纤组架18和架上的光纤束用于等离子体散射光的测量，另一个采集光纤组架18架上的光纤束用于对电子温度测量位置标定。
一种如上所述的激光散射诊断系统空间测量位置标定装置的标定方法，包括如下步骤：
步骤一：确认激光散射诊断系统的全光路已完成调试，此时参考光束3指示出散射实验中空间测量位置的x、y坐标，z坐标为标定待测项，而将所述的标定激光散射诊断系统中空间测量位置的装置在真空室外完成安装后，将装置移动至真空室内部，在安装时根据参考光束3的x、y坐标位置调整光纤头9发出标定光束19的端部的前端x、y坐标位置，使滑块11在丝杆位移台2上移动时的路径与参考光束3的z方向尽量重合；
打开光源5输出655nm的可见红光，并切换两个采集光纤组架18至最佳标定空间点的工作位置；
步骤二：测试时，将滑块11滑动至丝杆位移台2上的触点开关A4，并与触点开关A4接触；启动数据采集处理装置10，并将数据采集处理装置10的采集触发模式设置为TTL高电平触发；
此时，将滑块11由丝杆位移台2上的触点开关A4快速向丝杆位移台2上的触点开关B12移动，此时数据采集处理装置10TTL触发信号变为高电平，数据采集处理装置10将同步采集光栅尺1位置信号、与不同测量位置对应的光电探测模块8输出的光强信号；
步骤三：滑块11由丝杆位移台2上的触点开关A4快速向丝杆位移台2上的触点开关B12移动的时间在3-5秒内完成，提高移动速度可以提高采集方波信号的信噪比，当滑块11接触到触点开关B12时，采集处理装置10的TTL触发信号变为低电平，数据采集过程结束；并进行数据处理；
数据处理步骤包括：
(d)以触点开关A4与触点开关B12提供的TTL触发信号，确认光栅尺1位置信号与光电探测模块8输出的光强信号时序；
(e)进行光电探测模块8输出的光强信号的单一峰值位置确认；
(f)根据a、b所得结果与光栅尺1位置信号进行综合分析，得到完整空间测量位置结果；
步骤四：在波长范围600nm～1100nm内，调节光源5使其先后输出5～10个不同波长的准单色光，重复步骤二至步骤四。对多次测量结果求取平均值，即可完成电子温度测量位置的标定工作。
上面对本发明的实施例作了详细说明，本发明并不限于上述实例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (11)
1.一种激光散射诊断系统空间测量位置标定装置，其特征在于，包括：光栅尺(1)、丝杆位移台(2)、参考光束(3)、光源(5)、安装定位支架(6)、入射光纤束连接线(7)、光电探测模块(8)、光纤头(9)、数据采集处理装置(10)、滑块(11)、采集触发信号接收线(13)、采集位置信号线(14)、透光玻璃窗口(15)、采集透镜(16)、光强信号线(17)、采集光纤组架(18)、标定光束(19)；
所述安装定位支架(6)上固定安装有丝杆位移台(2)，丝杆位移台(2)的一侧侧边安装有光栅尺(1)，所述丝杆位移台(2)上设置有滑块(11)，所述滑块(11)上安装有光纤头(9)；所述光纤头(9)上通过入射光纤束连接线(7)与光源(5)连接；所述光栅尺(1)通过采集位置信号线(14)与数据采集处理装置(10)连接；所述标定光束(19)从光纤头(9)内部发出；
所述光纤头(9)发出标定光束(19)的端部的水平方向上依次设置有透光玻璃窗口(15)、采集透镜(16)、若干个采集光纤组架(18)和光电探测模块(8)；所述光电探测模块(8)上还通过光强信号线(17)与数据采集处理装置(10)相连接；
所述光纤头(9)发出标定光束(19)的端部的前端设置在参考光束(3)上，且参考光束(3)与标定光束(19)的中心光束相垂直。
2.根据权利要求1所述的一种激光散射诊断系统空间测量位置标定装置，其特征在于：所述丝杆位移台(2)整体为长板型结构，所述丝杆位移台(2)的首尾两端还分别安装有触点开关A(4)和触点开关B(12)；所述触点开关A(4)和触点开关B(12)分别通过采集触发信号接收线(13)与数据采集处理装置(10)连接。
3.根据权利要求2所述的一种激光散射诊断系统空间测量位置标定装置，其特征在于：所述丝杆位移台(2)的首尾两端之间设置有若干根丝杆，所述滑块(11)设置在丝杆上，滑块(11)可在丝杆上进行滑动；且滑块(11)滑动至丝杆位移台(2)的首尾两端时，可分别与触点开关A(4)或触点开关B(12)相接触。
4.根据权利要求3所述的一种激光散射诊断系统空间测量位置标定装置，其特征在于：所述光源(5)输出的准单色光包括：可见波段准单色光和近红外波段准单色。
5.根据权利要求1所述的一种激光散射诊断系统空间测量位置标定装置，其特征在于：所述若干个采集光纤组架(18)和光电探测模块(8)之间还连接有若干根采集数据线。
6.根据权利要求5所述的一种激光散射诊断系统空间测量位置标定装置，其特征在于：所述光纤头(9)内发出的标定光束(19)在水平方向上穿过透光玻璃窗口(15)被采集透镜(16)采集至采集光纤组架(18)上，并通过采集光纤组架(18)和光电探测模块(8)之间的若干根采集数据线传输至光电探测模块(8)内。
7.根据权利要求4所述的一种激光散射诊断系统空间测量位置标定装置，其特征在于：所述光源(5)输出的准单色光波长范围在500nm～1100nm。
8.根据权利要求1所述的一种激光散射诊断系统空间测量位置标定装置，其特征在于：所述滑块(11)在丝杆位移台(2)上始终与光栅尺(1)呈直角角度。
9.根据权利要求8所述的一种激光散射诊断系统空间测量位置标定装置，其特征在于：所述采集光纤组架(18)的数量为两个。
10.根据权利要求9所述的一种激光散射诊断系统空间测量位置标定装置，其特征在于：所述两个采集光纤组架(18)的其中一个采集光纤组架(18)和架上的光纤束用于等离子体散射光的测量，另一个采集光纤组架(18)架上的光纤束用于对电子温度测量位置标定。
11.一种如上权利要求1至10中任意其一所述的激光散射诊断系统空间测量位置标定装置的标定方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：确认激光散射诊断系统的全光路已完成调试，此时参考光束(3)指示出散射实验中空间测量位置的x、y坐标，z坐标为标定待测项，而将所述的标定激光散射诊断系统中空间测量位置的装置在真空室外完成安装后，将装置移动至真空室内部，在安装时根据参考光束(3)的x、y坐标位置调整光纤头(9)发出标定光束(19)的端部的前端x、y坐标位置，使滑块(11)在丝杆位移台(2)上移动时的路径与参考光束(3)的z方向尽量重合；
打开光源(5)输出655nm的可见红光，并切换两个采集光纤组架(18)至最佳标定空间点的工作位置；
步骤二：测试时，将滑块(11)滑动至丝杆位移台(2)上的触点开关A(4)，并与触点开关A(4)接触；启动数据采集处理装置(10)，并将数据采集处理装置(10)的采集触发模式设置为TTL高电平触发；
此时，将滑块(11)由丝杆位移台(2)上的触点开关A(4)快速向丝杆位移台(2)上的触点开关B(12)移动，此时数据采集处理装置(10)TTL触发信号变为高电平，数据采集处理装置(10)将同步采集光栅尺(1)位置信号、与不同测量位置对应的光电探测模块(8)输出的光强信号；
步骤三：滑块(11)由丝杆位移台(2)上的触点开关A(4)快速向丝杆位移台(2)上的触点开关B(12)移动的时间在3-5秒内完成，当滑块(11)接触到触点开关B(12)时，数据采集处理装置(10)的TTL触发信号变为低电平，数据采集过程结束，并进行数据处理；
数据处理步骤包括：
(a)以触点开关A(4)与触点开关B(12)提供的TTL触发信号，确认光栅尺(1)位置信号与光电探测模块(8)输出的光强信号时序；
(b)进行光电探测模块(8)输出的光强信号的单一峰值位置确认；
(c)根据(a)、(b)所得结果与光栅尺(1)位置信号进行综合分析，得到完整空间测量位置结果；
步骤四：在波长范围600nm～1100nm内，调节光源(5)使其先后输出5～10个不同波长的准单色光，重复步骤二至步骤四；对多次测量结果求取平均值，即完成电子温度测量位置的标定工作。
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