CN114630477A - 一种步进式比相方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种步进式比相方法、装置、设备及存储介质，方法包括获取干涉仪系统的测量道信号和参考道信号；对参考道信号进行预设幅度的延迟，得到第二参考信号；分别将测量道信号与参考道信号、测量道信号与第二参考信号进行相关运算，并进行滤波处理得到两相关信号；将两相关信号逐点相除并做反正切计算得到相位曲线，去除基线后即可解算出密度相位。本发明可快速比较干涉仪测量信号和参考信号的相位差，从而解算出干涉仪所测量的的相位曲线，解算速度快，相位计算精确，抗干扰能力强。
Description
技术领域
本发明属于等离子体电子密度参数测量技术领域，具体涉及一种步进式比相方法、装置、设备及存储介质。
背景技术
在磁约束核聚变等离子体研究中，电子密度作为重要的等离子体参数，不仅能反映等离子体的约束和输运状况，还关系到装置的密度反馈控制。目前，有多种诊断技术可以测量等离子体电子密度参数，包括激光和微波干涉仪，汤姆逊散射等。大部分微波/激光干涉仪和部分偏振仪通常使用迈克尔逊或马赫贞德式光路结构，通过调频式调制解调方法，将测量道和参考道信号调制为呈调制频率的正弦波，并将所测量的信息转化为这两个信号间的相位差。
为提取该相位差，计算出所求的测量数据，传统的相位比较方法是快速傅里叶比相。这种方法首先将测量道和参考道同时做傅里叶变换得到两个频域信号，然后将这两个频域信号后半区域全部置零，随后做傅里叶反变换得到两个复信号。这两个复信号的辐角之差即是所求相位差曲线。
为了适应未来高密度聚变装置的需求，激光干涉仪正朝波长更短的方向发展。色散干涉仪是一种测量范围大、可靠性高的新型干涉仪。这种干涉仪采用外差式调频式调制时，因为调制元器件的性能限制，调制频率通常会高达40MHz以上，相应的采样率也会更高，数据系统需要处理的数据量会非常大，而采用传统的相位比较方法进行数据处理耗时会达到数分钟，为此亟需开发一种速度更快的数据处理方法。
发明内容
为了适应高测量范围、高可靠性要求的新型干涉仪对数据处理数据的需求，本发明提供了一种步进式比相方法，本发明能够快速准确解算出干涉仪所测量的相位曲线，抗干扰能力强。
本发明通过下述技术方案实现：
一种步进式比相方法，包括：
获取干涉仪系统的测量道信号和参考道信号；
对参考道信号进行预设幅度的延迟，得到第二参考信号；
分别将测量道信号与参考道信号、测量道信号与第二参考信号进行相关运算，并进行滤波处理得到两相关信号；
将两相关信号逐点相除并做反正切计算得到相位曲线，去除基线后即可解算出密度相位。
优选的，本发明的在获取干涉仪系统的测量道信号和参考道信号步骤之后还包括：
对获取的测量道信号和参考道信号进行滤波处理，具体采用带通滤波器以滤除噪声信号，所述带通滤波器的通带中心频率为调制频率。
优选的，本发明的分别将测量道信号与参考道信号、测量道信号与第二参考信号进行相关运算，具体为：
将测量道信号与参考道信号进行逐点相乘得到第一相关信号；
将测量道信号与第二参考信号进行逐点相乘得到第二相关信号。
优选的，本发明的进行滤波处理得到两相关信号，具体为：
通过数字滤波或平滑处理滤除逐点相乘后的第一相关信号和第二相关信号中角频率高于调制频率的成分，即可得到两相关信号。
优选的，本发明的平滑处理具体采用n点平滑处理，n取一个调制周期的采样点数量。
优选的，本发明的将两相关信号逐点相除并做反正切计算得到相位曲线，具体为：
将两相关信号逐点相除并进行反正切运算，得到原始相位曲线；
根据测量道信号与参考道信号的相关信号，所述原始相位曲线进行象限修正；
对经象限修正后的曲线进行条纹修正，即可得到完整的相位曲线。
优选的，本发明的象限修正具体为将提取的相位差取值范围从(-π/2，+π/2)扩充到(-3π/2，+π/2)，即一整个条纹的区间内。
第二方面，本发明提出了一种步进式比相装置，包括：
信号获取模块，用于获取干涉仪系统的测量道信号和参考道信号；
延迟模块，用于对所述参考道信号进行预设幅度的延迟，得到第二参考信号；
相关运算模块，分别将测量道信号与参考道信号、测量道信号与第二参考信号进行相关运算，并进行滤波处理得到两相关信号；
解算模块，用于将两相关信号逐点相除并做反正切计算得到相位曲线，去除基线后即可解算出密度相位。
第三方面，本发明提出了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明所述方法的步骤。
第四方面，本发明提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明所述方法的步骤。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、本发明可快速比较干涉仪测量信号和参考信号的相位差，从而解算出干涉仪所测量的的相位曲线，解算速度快，相位计算精确，抗干扰能力强。
2、本发明适用于各种调频调制的外差式激光干涉仪，尤其适用于高密度等离子体装置的外差式色散干涉仪。本发明已在软件模拟实验和中国环流器2号A(HL-2A)托卡马克装置甲酸激光(HCOOH，波长为432.5μm)偏振/干涉仪上实现。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明实施例的比相方法流程示意图。
图2为本发明实施例的电子设备结构示意图。
图3为本发明实施例的比相装置原理框图。
图4为采用本发明测量线性变化的密度时各信号变化状况。
图5为采用本发明在极低性噪比下的相位测量模拟实验结果。
图6为采用本发明和传统的快速傅里叶比相的相位测量模拟实验对比结果。
图7为采用本发明和传统的快速傅里叶比相在HL-2A托卡马克装置第35188号放电实验中，对甲酸激光干涉仪测量数据的相位提取对比结果。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
传统的快速傅里叶比相技术，处理速度无法满足更高性能的激光干涉仪的需求，基于此，本实施例提出了一种步进式比相方法，该方法能够快速进行正弦信号的相位比较，适用于各种跳频调制的外差式激光干涉仪，尤其适用于高密度等离子体装置的外差式色散干涉仪。
具体如图1所示，本实施例的步进式比相方法具体包括：
步骤S1，获取干涉仪系统的测量道信号S和参考道信号R。
本实施例中，在干涉仪系统中，探测器测量得到的干涉信号(即测量道信号S)，其相位可表示为：
I∝cos(ωmt+φp+ψ)
其中，ωm为调制频率，φp为等离子体产生的密度相移，ψ为干涉信号的初始相位。
参考道信号R，其相位可表示为：
Ir1∝coS(ωmt+ψ2)
其中，ψ2为参考信号的初始相位。
本实施例还可对获取的信号进行滤波处理，以进一步提高处理精度，具体为采用带通滤波器以滤除常规的噪声信号，通带中心频率为调制频率ωm。
步骤S2，对参考道信号R进行预设幅度的延迟，得到第二参考信号R2。
其中，本实施例中的延迟幅度为(k±1/4)个调制周期，其中，K为整数；本实施例优选为1/4个调制周期。
第二参考信号R2，其相位可表示为：
Ir2∝sin(ωmt+ψ2)
步骤S3，分别将测量道信号S与参考道信号R、测量道信号S与第二参考信号R2进行相关运算，并进行数字滤波或平滑处理得到两相关信号I1和I2。
本实施例将两个参考信号和测量信号进行相关运算(逐点相乘)，得到两相关信号，其相位表示为：
IIr1∝[cos(2ωmt+φp+ψ+ψ2)+cos(φp+ψ-ψ2)]
IIr2∝[sin(2ωmt+φp+ψ+ψ2)-sin(φp+ψ-ψ2)]
通过数字滤波或平滑处理滤掉角频率高于ωm的成分，就可以得到两相关信号I1和I2，其相位表示为：
其中，本实施例的平滑处理具体为：进行n点平滑，n取一个调制周期的采样点数量。
步骤S4，将两相关信号I1和I2逐点相除并做反正切计算得到相位曲线，去除基线后就可以解算出密度相位φp。
本实施例中，将两相关信号I1和I2逐点相除并做反正切计算得到相位曲线具体为：
将两相关信号逐点相除并进行反正切运算，得到提取的原始相位曲线；
根据I1的正负符号，对原始相位曲线做象限修正，将提取的相位差取值范围从(-π/2，+π/2)扩充到(-3π/2，+π/2)，即一整个条纹的区间内。
对象限修正后的曲线进行条纹修正即可得到完整的提取相位曲线。
本实施例在获得密度相位后，即可计算出线密度积分
采用上述方法测量线性变化的密度时各信号变化情况如图2所示。其中，图2(a)为参与干涉的两探测束电矢量曲线；图2(b)为两探测束干涉后由探测器得到的信号曲线(即测量道信号和参考道信号)，该曲线主要频率成分和参考信号cos2ωmt一致。图2(c)为计算得到的两相关曲线经滤波后的结果，滤波去除了频率超过2ωm的信号成分。图2(d)为最终得到的相位曲线，该曲线与预设密度曲线完全平行，且信噪比良好，可以证明本实施例的方法能够正确解算出所测量得到的相位曲线。
采用上述方法在极低信噪比下的相位测量模拟实验结果如图3所示，测量密度为恒定的常数，测量信号包含极高的干扰成分，信噪比仅有1.8dB，原始信号已难以辨认，但采用本实施例提出的方法仍能计算出相位曲线，且不会出现跳变或无法回归基线等测量错误，此条件下相位分辨率降低值6°。可以证明，本实施例的方法的适用范围更广，抗干扰能力强。
本实施例还提出了一种电子设备(计算机设备)，用于执行本实施例的上述方法。
具体如图4所示，本实施例的电子设备包括处理器、内存储器和系统总线；内存储器和处理器在内的各种设备组件连接到系统总线上。处理器是一个用来通过计算机系统中基本的算术和逻辑运算来执行计算机程序指令的硬件。内存储器是一个用于临时或永久性存储计算程序或数据(例如，程序状态信息)的物理设备。系统总线可以为以下几种类型的总线结构中的任意一种，包括存储器总线或存储控制器、外设总线和局部总线。处理器和内存储器可以通过系统总线进行数据通信。其中内存储器包括只读存储器(ROM)或闪存(图中未示出)，以及随机存取存储器(RAM)，RAM通常是指加载了操作系统和计算机程序的主存储器。
电子设备一般包括一个外存储设备。外存储设备可以从多种计算机可读介质中选择，计算机可读介质是指可以通过计算机设备访问的任何可利用的介质，包括移动的和固定的两种介质。例如，计算机可读介质包括但不限于，闪速存储器(微型SD卡)，CD-ROM，数字通用光盘(DVD)或其它光盘存储、磁带盒、磁带、磁盘存储或其它磁存储设备，或者可用于存储所需信息并可由计算机设备访问的任何其它介质。
电子设备可在网络环境中与一个或者多个网络终端进行逻辑连接。网络终端可以是个人电脑、服务器、路由器、智能电话、平板电脑或者其它公共网络节点。计算机设备通过网络接口(局域网LAN接口)与网络终端相连接。局域网(LAN)是指在有限区域内，例如家庭、学校、计算机实验室、或者使用网络媒体的办公楼，互联组成的计算机网络。WiFi和双绞线布线以太网是最常用的构建局域网的两种技术。
应当指出的是，其它包括比电子设备更多或更少的子系统的计算机系统也能适用于发明。
如上面详细描述的，适用于本实施例的电子设备能执行步进式比相方法的指定操作。电子设备通过处理器运行在计算机可读介质中的软件指令的形式来执行这些操作。这些软件指令可以从存储设备或者通过局域网接口从另一设备读入到存储器中。存储在存储器中的软件指令使得处理器执行上述的群成员信息的处理方法。此外，通过硬件电路或者硬件电路结合软件指令也能同样实现本发明。因此，实现本实施例并不限于任何特定硬件电路和软件的组合。
实施例2
本实施例提出了一种步进式比相装置，具体如图5所示，本实施例的装置包括：
信号获取模块，用于获取或读入测量道信号S和参考道信号R。
本实施例的信号获取模块还能够对获取的信号进行滤波处理，具体采用带通滤波器以除去常规的噪声信号，通带中心频率为调制频率ωm。
延迟模块，用于对获取的参考道信号R进行预设幅度的延迟，得到第二参考信号R2。
相关运算模块，用于分别将测量道信号S与参考道信号R、测量道信号S与第二参考信号R2进行相关运算，并进行数字滤波或平滑处理得到两相关信号I1和I2。
解算模块，将两相关信号I1和I2逐点相除并做反正切计算得到提取相位曲线，去除基线后就可以解算出密度相位φp。
本实施例在获得密度相位φp后，即可计算出线密度积分
实施例3
本实施例为验证上述实施例提出的步进式比相技术相对于传统傅里叶快速比相的优势，分别进行了软件模拟对比实验和干涉仪实际测量对比实验。
具体为：
模拟实验中，使用两种不同的比相算法对干涉信号I∝cos(2ωmt+3K/2ω+ψ)进行解算。干涉信号总长度为0.1s，采样率f＝200MHz，调制频率ωm＝40MHz，信号中加入信噪比为50dB的白噪声。模拟实验的测量曲线见图6。步进式比相耗时约为3.38s，快速傅里叶比相耗时约为19.30s，在计算速度方面步进式比相有明显优势。步进式比相的相位分辨率为0.21°，快速傅里叶比相的相位分辨率为0.88°，步进式比相的相位分辨率比起传统比相方式，在高噪声环境下也具有优势，抗噪能力更强。
干涉仪测量对比实验中，使用甲酸激光干涉仪在HL-2A托卡马克装置(该装置采用双激光偏振/干涉仪光路结构设计，包含一套完整的激光干涉测量光路，可通过两台甲酸激光器的腔长调节，由锁频系统获得可调的稳定差频)#35188号放电的测量数据进行相位提取运算，原始信号的采样率为6.25MHz，调制频率ωm约为1.46MHz。测量实验的结果见图7。步进式比相耗时约为1.49s，快速傅里叶比相耗时约为7.89s，步进式比相同样体现出了明显的优势。通过测量曲线的局部放大，可以确认步进式比相能够正确测量密度的快速扰动，测量的时间分辨率不低于传统的比相方式。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种步进式比相方法，其特征在于，包括：
获取干涉仪系统的测量道信号和参考道信号；
对参考道信号进行预设幅度的延迟，得到第二参考信号；
分别将测量道信号与参考道信号、测量道信号与第二参考信号进行相关运算，并进行滤波处理得到两相关信号；
将两相关信号逐点相除并做反正切计算得到相位曲线，去除基线后即可解算出密度相位。
2.根据权利要求1所述的一种步进式比相方法，其特征在于，在获取干涉仪系统的测量道信号和参考道信号步骤之后还包括：
对获取的测量道信号和参考道信号进行滤波处理，具体采用带通滤波器以滤除噪声信号，所述带通滤波器的通带中心频率为调制频率。
3.根据权利要求1所述的一种步进式比相方法，其特征在于，分别将测量道信号与参考道信号、测量道信号与第二参考信号进行相关运算，具体为：
将测量道信号与参考道信号进行逐点相乘得到第一相关信号；
将测量道信号与第二参考信号进行逐点相乘得到第二相关信号。
4.根据权利要求3所述的一种步进式比相方法，其特征在于，进行滤波处理得到两相关信号，具体为：
通过数字滤波或平滑处理滤除逐点相乘后的第一相关信号和第二相关信号中角频率高于调制频率的成分，即可得到两相关信号。
5.根据权利要求4所述的一种步进式比相方法，其特征在于，所述平滑处理具体采用n点平滑处理，n取一个调制周期的采样点数量。
6.根据权利要求1所述的一种步进式比相方法，其特征在于，将两相关信号逐点相除并做反正切计算得到相位曲线，具体为：
将两相关信号逐点相除并进行反正切运算，得到原始相位曲线；
根据测量道信号与参考道信号的相关信号，所述原始相位曲线进行象限修正；
对经象限修正后的曲线进行条纹修正，即可得到完整的相位曲线。
7.根据权利要求6所述的一种步进式比相方法，其特征在于，所述象限修正具体为将提取的相位差取值范围从(-π/2，+π/2)扩充到(-3π/2，+π/2)，即一整个条纹的区间内。
8.一种步进式比相装置，其特征在于，包括：
信号获取模块，用于获取干涉仪系统的测量道信号和参考道信号；
延迟模块，用于对所述参考道信号进行预设幅度的延迟，得到第二参考信号；
相关运算模块，分别将测量道信号与参考道信号、测量道信号与第二参考信号进行相关运算，并进行滤波处理得到两相关信号；
解算模块，用于将两相关信号逐点相除并做反正切计算得到相位曲线，去除基线后即可解算出密度相位。
9.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-7中任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-7中任一项所述方法的步骤。
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