CN114916116B - 等离子体诊断方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种等离子体诊断方法和系统。所述方法包括：确定电弧发生装置和激光器之间的触发延时；触发所述电弧发生装置产生等离子体，并经过所述触发延时后，触发所述激光器产生激光，使得所述等离子体和所述激光作用产生汤姆逊散射光；获取所述汤姆逊散射光的汤姆逊散射光谱；对所述汤姆逊散射光谱进行分析，获得与所述触发延时相对应的等离子体参数。采用本方法能够提高等离子体参数的测量准确率。
Description
技术领域
本申请涉及光学测量技术领域，特别是涉及一种等离子体诊断方法和系统。
背景技术
电力系统断路器中的电弧放电通常是在高于大气压的气体中产生的，电弧放电产生的等离子体在瞬态状态下的诊断对于电弧物性参数以及输运系数的物理理解具有重要意义。
朗缪尔探针是等离子体诊断中常用的一种诊断方法，通过将一根除了端点工作部分以外其余部分均用绝缘材料覆盖的探针插入等离子体内部，使探针的端点工作部分与等离子体接触，而探针的另一端通过一可调电源与产生等离子体的电极相连，改变探针对等离子体的电位，基于带电粒子在拒斥场作用下的波尔兹曼关系，确定等离子体参数。
但是，上述方法属于侵入式测量，可能会对等离子体的运动状态产生影响，使得测量得到的等离子参数的准确率低。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高等离子参数测量准确率的等离子体诊断方法和系统。
第一方面，本申请提供一种等离子体诊断方法，所述方法包括：
确定电弧发生装置和激光器之间的触发延时；
触发所述电弧发生装置产生等离子体，并经过所述触发延时后，触发所述激光器产生激光，使得所述等离子体和所述激光作用产生汤姆逊散射光；
获取所述汤姆逊散射光的汤姆逊散射光谱；
对所述汤姆逊散射光谱进行分析，获得与所述触发延时相对应的等离子体参数。
在其中一个实施例中，所述对所述汤姆逊散射光谱进行分析，获得与所述触发延时相对应的等离子体参数，包括：
获取所述汤姆逊散射光谱上的数据点，查收与所述数据点最优平方逼近的理论光谱；
将所述理论光谱对应的参数确定为所述等离子体参数。
在其中一个实施例中，所述等离子体参数包括：所述等离子体的电子温度、电子密度以及电子速度。
在其中一个实施例中，所述获取所述汤姆逊散射光的汤姆逊散射光谱，包括：
获取以与所述激光器发出激光的发射方向的第一夹角的方向，收集的第一汤姆逊散射光的第一汤姆逊散射光谱；
获取以与所述激光器发出激光的发射方向的第二夹角的方向，收集的第二汤姆逊散射光的第二汤姆逊散射光谱；
所述汤姆逊散射光包括所述第一汤姆逊散射光和所述第二汤姆逊散射光，所述汤姆逊散射光谱包括所述第一汤姆逊散射光谱和所述第二汤姆逊散射光谱。
在其中一个实施例中，所述对所述汤姆逊散射光谱进行分析，获得与所述触发延时相对应的等离子体参数，包括：
获取所述第一汤姆逊散射光谱上的第一数据点，查找与所述第一数据点最优平方逼近的第一理论光谱；
获取所述第二汤姆逊散射光谱上的第二数据点，查找与所述第二数据点最优平方逼近的第二理论光谱；
基于所述第一理论光谱对应的参数和所述第一理论光谱对应的参数，获得所述等离子体的电子温度、电子密度以及电子速度；
所述第一理论光谱对应的参数包括第一电子速度，所述第二理论光谱对应的参数包括第二电子速度；所述电子速度为对所述第一电子速度和所述第二电子速度进行矢量运算得到的所述等离子体沿平行于所述激光器发射激光的方向的轴向方向的速度。
在其中一个实施例中，所述第一理论光谱对应的参数还包括第一电子温度和第一电子密度，所述第二理论光谱对应的参数还包括第二电子温度和第二电子密度，所述方法还包括：
将所述第一电子温度或所述第二电子温度中的其中一个温度确定为所述等离子体的电子温度，以及将所述第一电子密度或所述第二电子密度中的其中一个密度确定为所述等离子体的电子密度。
第二方面，本申请提供一种等离子体诊断装置，所述装置包括：确定模块、光生成模块、获取模块以及参数分析模块，
所述确定模块，用于确定电弧发生装置和激光器之间的触发延时；
所述光生成模块，用于触发所述电弧发生装置产生等离子体，并经过所述触发延时后，触发所述激光器产生激光，使得所述等离子体和所述激光作用产生汤姆逊散射光；
所述获取模块，用于获取所述汤姆逊散射光的汤姆逊散射光谱；
所述参数分析模块，用于对所述汤姆逊散射光谱进行分析，获得与所述触发延时相对应的等离子体参数。
第三方面，本申请还提供了一种计算机设备。所述计算机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以下步骤：
确定电弧发生装置和激光器之间的触发延时；
触发所述电弧发生装置产生等离子体，并经过所述触发延时后，触发所述激光器产生激光，使得所述等离子体和所述激光作用产生汤姆逊散射光；
获取所述汤姆逊散射光的汤姆逊散射光谱；
对所述汤姆逊散射光谱进行分析，获得与所述触发延时相对应的等离子体参数。
第四方面，本申请还提供了一种计算机可读存储介质。所述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以下步骤：
确定电弧发生装置和激光器之间的触发延时；
触发所述电弧发生装置产生等离子体，并经过所述触发延时后，触发所述激光器产生激光，使得所述等离子体和所述激光作用产生汤姆逊散射光；
获取所述汤姆逊散射光的汤姆逊散射光谱；
对所述汤姆逊散射光谱进行分析，获得与所述触发延时相对应的等离子体参数。
第五方面，本申请还提供了一种计算机程序产品。所述计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
确定电弧发生装置和激光器之间的触发延时；
触发所述电弧发生装置产生等离子体，并经过所述触发延时后，触发所述激光器产生激光，使得所述等离子体和所述激光作用产生汤姆逊散射光；
获取所述汤姆逊散射光的汤姆逊散射光谱；
对所述汤姆逊散射光谱进行分析，获得与所述触发延时相对应的等离子体参数。
第六方面，本申请提供一种等离子体诊断系统，所述系统包括信号触发器、电弧发生装置、激光器和接收处理设备，所述信号触发器与所述电弧发生装置和所述激光器分别通信连接；
所述信号触发器，用于确定所述电弧发生装置和所述激光器之间的触发延时；触发所述电弧发生装置产生等离子体，并经过所述触发延时后，触发所述激光器产生激光，使得所述等离子体和所述激光作用产生汤姆逊散射光；
所述接收处理设备，用于获取所述汤姆逊散射光的汤姆逊散射光谱；对所述汤姆逊散射光谱进行分析，获得与所述触发延时相对应的所述等离子体参数。
在其中一个实施例中，所述接收处理设备包括光成像装置、光谱获得装置和分析设备；
所述光成像装置，用于收集所述汤姆逊散射光并入射至所述光谱获得装置；
所述光谱获得装置，用于获得入射的所述汤姆逊散射光的汤姆逊散射光谱；
所述分析设备，用于对所述汤姆逊散射光谱进行分析，获得与所述触发延时相对应的所述等离子体参数。
在其中一个实施例中，所述光成像装置包括：第一凸透镜和第一光纤阵列；
所述第一凸透镜，用于将第一汤姆逊散射光成像至所述第一光纤阵列；
所述第一光纤阵列，用于将所述第一汤姆逊散射光入射至所述光谱获得装置；
所述光谱获得装置，用于获得所述第一光纤阵列入射的所述第一汤姆逊散射光的第一汤姆逊散射光谱；
所述汤姆逊散射光包括所述第一汤姆逊散射光，所述汤姆逊散射光谱包括所述第一汤姆逊散射光谱。
在其中一个实施例中，所述光成像装置还包括：第二凸透镜和第二光纤阵列；
所述第二凸透镜，用于将第二汤姆逊散射光成像至所述第二光纤阵列；
所述第二光纤阵列，用于将所述第二汤姆逊散射光入射至所述光谱获得装置；
所述光谱获得装置，还用于获得所述第二光纤阵列入射的所述第二汤姆逊散射光的第二汤姆逊散射光谱。
在其中一个实施例中，所述第二光纤阵列和所述第二凸透镜与所述第一光纤阵列和所述第一凸透镜分别位于所述电弧发生装置的相对的两侧，且所述第二光纤阵列与所述第一光纤阵列的连线与所述激光器发出激光的发射方向垂直，所述第二凸透镜与所述第一凸透镜的连线与所述激光器发出激光的发射方向垂直；
所述第一光纤阵列收集所述第一汤姆逊散射光的方向，与所述激光器发出激光的发射方向存在第一夹角；所述第二光纤阵列收集所述第二汤姆逊散射光的方向，与所述激光器发出激光的发射方向存在第二夹角；
所述分析设备，用于获取所述第一汤姆逊散射光谱上的第一数据点，查找与所述第一数据点最优平方逼近的第一理论光谱；获取所述第二汤姆逊散射光谱上的第二数据点，查找与所述第二数据点最优平方逼近的第二理论光谱；基于所述第一理论光谱对应的参数和所述第一理论光谱对应的参数，获得所述等离子体的电子温度、电子密度以及电子速度；
其中，所述第一理论光谱对应的参数包括第一电子速度，所述第一理论光谱对应的参数包括第二电子速度；所述电子速度为对所述第一电子速度和所述第二电子速度进行矢量运算得到的所述等离子体沿平行于所述激光器发射激光的方向的轴向方向的速度。
在其中一个实施例中，所述第一理论光谱对应的参数还包括第一电子温度和第一电子密度，所述第二理论光谱对应的参数还包括第二电子温度和第二电子密度；
所述分析设备，还用于将所述第一电子温度或所述第二电子温度中的其中一个温度确定为所述等离子体的电子温度，以及将所述第一电子密度或所述第二电子密度中的其中一个密度确定为所述等离子体的电子密度。
上述等离子体诊断方法和系统，通过确定电弧发生装置和激光器之间的触发延时，这样，在触发电弧发生装置产生等离子体，并经过触发延时后，触发激光器产生激光，使得等离子体和激光作用产生汤姆逊散射光，获取汤姆逊散射光的汤姆逊散射光谱，进而通过对汤姆逊散射光谱进行分析，可以获得与触发延时相对应的等离子体参数。由于基于汤姆逊散射光对等离子诊断的方法属于非侵入式诊断方法，不会对等离子体的运动状态产生影响，从而可以提高等离子参数测量的准确率。
附图说明
图1为一种等离子体诊断系统的结构框图；
图2为一种第一光纤阵列与激光的入射方向的夹角的示意图；
图3为一种基于第一光纤阵列的等离子体诊断系统的结构框图；
图4为一种光纤阵列与激光的入射方向的夹角的示意图；
图5为一个实施例中等离子体诊断系统的结构框图；
图6为一个实施例中等离子体诊断方法的流程示意图；
图7为一个实施例中等离子体诊断装置的结构框图；
图8为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
电力系统断路器中的电弧放电通常是在高于大气压的气体中产生的，电弧放电产生的等离子体在瞬态状态下的诊断，对于研究电弧物性参数以及输运系数具有重要意义；其中，电弧物性参数可以理解为与热力学性质相关的参数，例如质量密度、焓和定压比热等，输运系数可以包括电导率、热导率和粘性系数等。
通常的，朗缪尔探针是等离子体诊断方法中常用的一种诊断方法，通过将一根除了端点工作部分以外其余部分均用绝缘材料覆盖的探针插入等离子体内部，使探针的端点工作部分与等离子体接触，而探针的另一端通过一可调电源与产生等离子体的电极相连，改变探针对等离子体的电位，基于带电粒子在拒斥场作用下的波尔兹曼关系，确定等离子体参数。
但是，上述方法属于侵入式测量，可能会对等离子体的运动状态产生影响，使得测量得到的等离子参数的准确率低。
而且，由于等离子体处于温度高、持续时间短、变化速度快，且处于大电流的环境中，上述方法可能会使探针烧蚀损坏，也可能会使得测量信号突然大于可测阈值而损坏仪器；其中，等离子体的温度可以为10000K，等离子体的持续时间可以为10ms，等离子体环境中的电流的级别可以为kA。
而且，虽然可以光谱测量方法诊断等离子体，但会受到辐射输运过程和光学不透明度的影响，难以实施定点测量。
基于此，在一个实施例中，如图1所示，提供了一种等离子体诊断系统的结构框图，等离子体诊断系统中包括信号触发器102、电弧发生装置104、激光器106和接收处理设备108，信号触发器102与电弧发生装置104和激光器106分别通信连接。
在开启纳秒激光器电源后，信号触发器可以确定电弧发生装置和激光器的触发延时，信号触发器触发电弧发生装置产生等离子体，并在经过触发延时后，触发激光器产生激光；电弧发生装置可以是高压放电腔体，这样，激光入射至腔体后，可以和腔体中产生的等离子体作用产生汤姆逊散射光，接收处理设备基于该汤姆逊散射光可以得到等离体子参数，等离子体参数包括等离子体的电子密度、电子温度和电子速度；其中，图1中未示出纳秒激光器电源。
可以理解的是，信号触发器也可以同时触发电弧发生装置和激光器，此时的触发延时为0ms。
接收处理设备可以包括光成像设备、光谱获得装置和分析设备，光成像装置用于收集汤姆逊散射光并入射至光谱获得装置，光谱获得装置用于获得入射的汤姆逊散射光的汤姆逊散射光谱，分析设备用于对汤姆逊散射光谱进行分析，获得与触发延时相对应的等离子体参数；其中，开启纳秒激光器电源后，信号触发器还可以用于触发光谱获得装置的启动。
光谱获得装置可以包括光谱仪和相机，光谱仪用于对入射的汤姆逊散射光进行色散处理，相机用于得到色散处理后的汤姆逊散射光的汤姆逊散射光谱；其中，光谱仪可以为反射式光栅光谱仪或其他类型的光谱仪，相机可以为增强型电荷耦合器件(intensifiedcharge-coupled device，ICCD)相机或其他类型的相机。
进一步地，分析设备可以获取汤姆逊散射光谱上的数据点，查收与数据点最优平方逼近的理论光谱，进而，将理论光谱对应的参数确定为等离子体参数。
可能的情况中，汤姆逊散射光可以包括第一汤姆逊散射光，汤姆逊散射光谱可以包括第一汤姆逊散射光谱，光成像装置可以包括第一凸透镜和第一光纤阵列。
第一凸透镜用于将第一汤姆逊散射光成像至第一光纤阵列，第一光纤阵列用于将第一汤姆逊散射光入射至光谱获得装置，光谱获得装置用于获得第一光纤阵列入射的第一汤姆逊散射光的第一汤姆逊散射光谱。
进一步地，分析设备通过获取第一汤姆逊散射光谱上的第一数据点，查找与第一数据点最优平方逼近的第一理论光谱，从而将第一理论光谱对应的参数确定为等离子体的电子温度、电子密度以及电子速度。
其中，基于第一理论光谱得到的等离子体的电子速度指的是等离子在平面上的速度，虽然第一光纤阵列收集第一汤姆逊散射光的方向，与激光器发出激光的发射方向存在夹角，但该夹角不会影响得到的等离子体在平面上的速度。
其中，等离子体的分布可以为轴向水平分布，例如，等离子体可以为轴向水平的圆柱体，这使得激光器发出激光的发射方向与等离子体的轴向方向在同一方向上。
示例性的，图2为一种第一光纤阵列与激光的入射方向的夹角的示意图，以圆柱体的轴心为原点，第一光纤阵列收集第一汤姆逊散射光的方向，与激光器发出激光的发射方向存在第一夹角。
在开启纳秒激光器电源后，信号触发器可以触发电弧发生装置产生等离子体，并在经过触发延时后，触发激光器发出激光，从而使得等离子体与激光发生作用可以产生第一汤姆逊散射光，光谱仪将对入射的第一汤姆逊散射光进行色散处理后，相机可以得到色散处理后的第一汤姆逊散射光的第一汤姆逊散射光谱，进而可以基于第一汤姆逊散射光谱得到等离子体的电子温度、电子密度以及电子速度。
结合图2，示例性的，图3为提供的一种基于第一光纤阵列的等离子体诊断系统的结构框图，如图3所示，该系统中包括信号触发器、激光器、电弧发生装置、第一凸透镜、第一光纤阵列、光谱仪、相机以及分析设备，第一光纤阵列和第一凸透镜位于电弧发生装置的一侧；该系统还可以包括纳秒激光器电源，图3中未示出纳秒激光器电源。
其中，信号触发器、激光器、电弧发生装置、第一凸透镜、第一光纤阵列、光谱仪、相机以及分析设备之间的交互过程，可以参考前述内容适应描述，在此不在赘述。
可能的情况中，汤姆逊散射光还可以包括第二汤姆逊散射光，汤姆逊散射光谱还可以包括第二汤姆逊散射光谱，光成像装置还可以包括第二凸透镜和第二光纤阵列。
第二凸透镜用于将第二汤姆逊散射光成像至第二光纤阵列，第二光纤阵列用于将第二汤姆逊散射光入射至光谱获得装置，光谱获得装置还用于获得第二光纤阵列入射的第二汤姆逊散射光的第二汤姆逊散射光谱。
同样地，分析设备基于第二汤姆逊散射光谱也可以查找到第二理论光谱，进而，将第二理论光谱对应的参数确定为等离子体的电子温度、电子密度以及电子速度。
其中，基于第二理论光谱得到的等离子体的电子速度指的也是等离子在平面上的速度，虽然第二光纤阵列收集第二汤姆逊散射光的方向，与激光器发出激光的发射方向存在夹角，但该夹角不会影响得到的等离子体在平面上的速度。
具体地，第一理论光谱对应的参数包括第一电子温度、第一电子密度和第一电子速度，第二理论光谱对应的参数包括第二电子温度、第二电子密度和第二电子速度，第一电子温度和第二电子温度相等，第一电子密度和第二电子密度相等，第一电子密度和第二电子密度接近。
因此，可以将第二电子温度或第一电子温度中的其中一个温度确定为等离子体的电子温度，可以将第二电子密度或第一电子密度中的其中一个密度确定为等离子体的电子密度，可以将第一电子速度和第二电子速度中的其中一个速度确定为等离子体在平面上的速度。
可以理解的是，基于第二光纤阵列和第二凸透镜也可以设计如图3所示的等离子体诊断系统，但是，第二光纤阵列和第二凸透镜和第一光纤阵列和第一凸透镜与电弧发生装置的位置是不同的，即，第二光纤阵列和第二凸透镜与第一光纤阵列和第一凸透镜分别位于电弧发生装置的相对的两侧。
其中，第一光纤阵列和第二光纤阵列为两组结构相同的光纤阵列，例如，该两组关系光纤阵列均有16根光纤并呈“一”字型排列，其中，该两组光纤阵列中的光纤数，也可以根据实际应用场景设定，本申请实施例不作限定。
示例性的，图4为提供的一种光纤阵列与激光的入射方向的夹角的示意图，如图4所示，在开启纳秒激光器电源后，信号触发器可以触发电弧发生装置产生等离子体，并在经过触发延时后，触发激光器发出激光，从而使得等离子体与激光发生作用可以产生汤姆逊散射光；其中，图4中未示出纳秒激光器电源。
汤姆逊散射光可以包括第一汤姆逊散射光和第二汤姆逊散射光，第一光纤阵列收集第一汤姆逊散射光的方向，与等离子体的轴向方向存在第一夹角，即第一光纤阵列是在第一夹角的方向上收集第一汤姆逊散射光；第二光纤阵列收集第二汤姆逊散射光的方向，与激光器发出激光的发射方向存在第二夹角，即第二光纤阵列是在第二夹角的方向上收集第二汤姆逊散射光，第一夹角和第二夹角相同。
一种示例中，当第一夹角和第二夹角为90度时，第一光纤阵列和第一凸透镜可以位于电弧发生装置的正上方，第二光纤阵列和第二凸透镜可以位于电弧发生装置的正下方。
需要说明的是，第二光纤阵列和第二凸透镜与第一光纤阵列和第一凸透镜分别位于电弧发生装置的相对的两侧，且第二光纤阵列与第一光纤阵列的连线与激光器发出激光的发射方向垂直，第二凸透镜与第一凸透镜的连线与激光器发出激光的发射方向垂直。
可以理解的是，改变第一光纤阵列与激光器发出激光的发射方向之间的夹角和第二光纤阵列与激光器发出激光的发射方向之间的夹角，即为改变了光纤阵列收集汤姆逊散射光的方向，也即为改变了不同夹角下的第一电子速度的方向和第二电子速度的方向。
需要说明的是，等离子体的分布可以为轴向水平的分布，这样，激光器发出激光的发射方向与等离子体的轴向方向在同一方向上，因此，第一光纤阵列和第一凸透镜是沿等离子体轴向排列的，第二光纤阵列和第二凸透镜也是沿等离子体轴向排列的，这样，光纤阵列和凸透镜具有轴向空间分辨能力，即，通过设置光纤阵列与激光器发出激光的发射方向之间的夹角，可以得到等离子体沿平行于激光器发射激光的方向的轴向方向的速度，即等离子体的轴向速度，例如，将第一电子速度和第二电子速度进行矢量运算后，可以得到等离子体的轴向速度。
其中，基于第一汤姆逊散射光谱或基于第二汤姆逊散射光谱中的其中一个光谱得到的等离子体的电子速度，与等离子体的轴向速度不同，基于第一汤姆逊散射光谱或基于第二汤姆逊散射光谱中的其中一个光谱得到的等离子体的电子速度中包含该轴向速度。
可能的情况中，结合图4，可以在第一时刻设置第一光纤阵列与激光器发出激光的发射方向存在第一夹角，第二光纤阵列与激光器发出激光的发射方向存在第二夹角，以及在第二时刻设置第一光纤阵列与激光器发出激光的发射方向存在第三夹角，第二光纤阵列与激光器发出激光的发射方向存在第四夹角，第三夹角和第四夹角相同。
等离子体诊断系统基于第一光纤阵列在第一夹角位置处收集的汤姆逊散射光的汤姆逊散射光谱和基于第二光纤阵列在第二夹角位置处收集的汤姆逊散射光的汤姆逊散射光谱，得到的等离子体的轴向速度，与等离子体诊断系统基于第一光纤阵列在第三夹角位置处收集的汤姆逊散射光的汤姆逊散射光谱和基于第二光纤阵列在第四夹角位置处收集的汤姆逊散射光的汤姆逊散射光谱，得到的等离子体的轴向速度相同。
可能的方式中，等离子体诊断系统中还可以包括束流收集器，束流收集器位于电弧发生装置的一侧，且束流收集器的位置在激光器发出激光的发射方向相对的位置，束流收集器用于收集电弧发生装置中没有与等离子体发生作用的激光，即束流收集器用于收集剩余激光。
可能的方式中，等离子体诊断系统中还可以包括空间滤波器和第三凸透镜，空间滤波器自带真空系统，用于滤除激光的强度分布中的随机波动，避免激光中的随机波动影响与等离子体的作用，以提高得到的等离子体参数的准确率；第三凸透镜用于将滤除随机波动后的激光聚焦成像并发射至电弧发生装置。
结合上述内容，在其中一个实施例中，以第一夹角和第二夹角均为90度为例，示例性的，图5为一种等离子体诊断系统的结构框图，如图5所示，该系统包括信号触发器、激光器、空间滤波器、第三凸透镜、电弧发生装置、束流收集器、第一凸透镜、第一光纤阵列、第二凸透镜、第二光纤阵列、光谱仪、相机以及分析设备；该系统还可以包括纳秒激光器电源，图5中未示出纳秒激光器电源。
在开启纳秒激光器电源后，信号触发器触发电弧发生装置产生等离子体，并在经过触发延时后，再触发激光器产生激光，该激光可以入射至空间滤波器，空间滤波器滤除入射激光的强度分布中的随机波动后，可以将滤除随机波动的激光通过第三凸透镜聚焦成像并发射至电弧发生装置，进而滤除随机波动后的激光与电弧发生装置中的等离子体发生作用产生汤姆逊散射光。
汤姆逊散射光包括第一汤姆逊散射光和第二汤姆逊散射光，第一凸透镜将第一汤姆逊散射光成像至第一光纤阵列，第一光纤阵列将第一汤姆逊散射光入射至光谱仪，光谱仪将第一汤姆逊散射光进行色散处理后，相机可以基于经过色散处理后的第一汤姆逊散射光得到第一汤姆逊散射光谱，进而，分析设备可以获取第一汤姆逊散射光谱上的第一数据点，查找与第一数据点最优平方逼近的第一理论光谱，从而可以确定等离子体的第一电子温度、第一电子密度和第一电子速度。
同时，第二凸透镜将第二汤姆逊散射光成像至第二光纤阵列，第二光纤阵列将第二汤姆逊散射光入射至光谱仪，光谱仪将第二汤姆逊散射光进行色散处理后，相机可以基于经过色散处理后的第二汤姆逊散射光得到第二汤姆逊散射光谱，进而，分析设备可以获取第二汤姆逊散射光谱上的第二数据点，查找与第二数据点最优平方逼近的第二理论光谱，从而可以确定等离子体的第二电子温度、第二电子密度和第二电子速度。
其中，第一电子温度和第二电子温度相同，第一电子密度和第二电子密度相同，第一电子温度和第二电子温度中的其中一个温度确定为等离子体的电子温度，第一电子密度和第二电子密度中的其中一个密度确定为的等离子体的电子密度，第一电子速度和第二电子速度中的其中一个速度确定为等离子体在平面上的电子速度；而且，分析设备将第一电子速度和第二电子速度进行矢量运算后，可以得到等离子体沿平行于激光器发射激光的方向的轴向方向的速度，即等离子体的轴向速度。
结合上述内容，基于此，在一个实施例中，如图6所示，提供一种等离子体诊断方法，可以包括以下步骤：
S602，确定电弧发生装置和激光器之间的触发延时。
本申请实施例中，通过确定电弧发生装置和激光器之间的触发延时，可以实现对等离体子在不同时刻的诊断，例如，可以实现对等离子体燃弧和灭弧过程的早期时刻或晚期时刻的诊断，由于等离子体在燃弧和灭弧过程中，等离子体存在加热、冷却等动态过程，因此，基于对不同时刻的等离子体的诊断，可以实现对等离子体的加热以及冷却等动态过程的测量，进而基于等离子体的加热以及冷却等动态过程，可以根据实际应用场景设计高压气体开关或真空断路器。
S604，触发电弧发生装置产生等离子体，并经过触发延时后，触发激光器产生激光，使得等离子体和激光作用产生汤姆逊散射光。
本申请实施例中，电弧发生装置可以为高压放电腔体，电弧发生装置产生的等离子体可以为气体开关电弧等离子体，激光器产生的激光入射至腔体中后，可以和腔体中产生的气体开关电弧等离子体相互作用产生汤姆逊散射光，其中，气体开关电弧等离子体参数在集体性散射范围内，因此，所产生的汤姆逊散射光为集体性散射对应的汤姆逊散射光。
本申请实施例中，信号触发器可以为数字信号触发器或其他类型的触发器，数字信号触发器的型号可以为DG535，例如，数字信号触发器在接收到纳秒激光器电源发送的时钟脉冲时，可以触发电弧发生装置和激光器；而且，信号触发器上可以手动调节触发延时，触发延时的具体值，可以根据实际应用场景设定，本申请实施例不作限定。
本申请实施例中，电弧发生装置中的等离子体与激光作用的过程，可以理解为等离子体燃弧的过程，等离子体燃弧时间通常为毫秒量级，信号触发器通常在毫秒量级的触发延时后触发激光器，其中，激光器可以为脉冲激光器，这样，信号触发器触发脉冲激光器后可以产生激光束。
可以理解的是，也可以同时触发电弧发生装置和激光器，具体的触发方式，可以根据实际应用场景设定，本申请实施例不作限定。
S606，获取汤姆逊散射光的汤姆逊散射光谱。
其中，结合图1，可以通过接收处理设备获取汤姆逊散射光的汤姆逊散射光谱，汤姆逊散射光包括第一汤姆逊散射光和第二汤姆逊散射光，汤姆逊散射光谱包括第一汤姆逊散射光谱和第二汤姆逊散射光谱。
具体地，结合图5，可以通过第一凸透镜和第一光纤阵列获取第一汤姆逊散射光，进而通过光谱仪和相机获得第一汤姆逊散射光谱；以及，可以通过第二凸透镜和第二光纤阵列获取第二汤姆逊散射光，进而通过光谱仪和相机获得第二汤姆逊散射光谱。
需要说明的是，该第一汤姆逊散射光谱是以与激光器发出激光的发射方向的第一夹角的方向，收集的第一汤姆逊散射光的第一汤姆逊散射光谱；该第二汤姆逊散射光谱是以与激光器发出激光的发射方向的第二夹角的方向，收集的第二汤姆逊散射光的第二汤姆逊散射光谱。
S608，对汤姆逊散射光谱进行分析，获得与触发延时相对应的等离子体参数。
本申请实施例中，等离子体参数可以用来研究电弧的物理过程，也可以应用于研究各种构型的高压气体开关、真空断路器的电弧产生机理与灭弧机理，而且，通过测量不同气体下的电弧的物性参数，使得可以根据实际的应用场景，基于该物性参数设计高压气体开关或真空断路器。
具体地，对汤姆逊散射光谱进行分析，获得与触发延时相对应的等离子体参数，包括：获取第一汤姆逊散射光谱上的第一数据点，查收与第一数据点最优平方逼近的第一理论光谱；将第一理论光谱对应的参数确定为等离子体的第一电子温度、第一电子密度以及第一电子速度；以及，获取第二汤姆逊散射光谱上的第二数据点，查收与第二数据点最优平方逼近的第二理论光谱；将第二理论光谱对应的参数确定为等离子体的第二电子温度、第二电子密度以及第二电子速度。
其中，第一电子温度和第二电子温度相同，第一电子密度和第二电子密度相同，第一电子速度和第二电子速度接近，因此，可以将第一电子温度和第二电子温度中的其中一个温度确定为等离子体的电子温度，可以将第一电子密度和第二电子密度中的其中一个密度确定为的等离子体的电子密度，可以将第一电子速度和第二电子速度中的其中一个速度确定为等离子体在平面上的电子速度。
而且，将第一电子速度和第二电子速度进行矢量运算后，可以得到等离子体沿平行于激光器发射激光的方向的轴向方向的速度，即等离子体的轴向速度。
具体地，第一电子速度和第二电子速度分别为等离子体轴向两侧对应的波矢差方向的速度分量，因此，将第一电子速度和第二电子速度进行矢量运算后，可以得到等离子体的轴向速度，例如，将第一电子速度和第二电子速度进行矢量运算后，可以得到激光和汤姆逊散射光所在平面的波矢，将汤姆逊散射光的波矢减去激光的波矢后，得到的波矢差对应的大小即为等离子体的轴向速度。
需要说明的是，将第一电子速度和第二电子速度进行矢量运算得到的电子速度与第一电子速度或第二电子速度不同，第一电子速度或第二电子速度包含该轴向速度。
综上，在图1所示的实施例中，通过确定电弧发生装置和激光器之间的触发延，可以在触发电弧发生装置产生等离子体，并经过触发延时后，再触发激光器产生激光，使得等离子体和激光作用产生汤姆逊散射光，获取汤姆逊散射光的汤姆逊散射光谱，进而通过对汤姆逊散射光谱进行分析，可以获得与触发延时相对应的等离子体参数。由于基于汤姆逊散射光对等离子诊断的方法属于非侵入式诊断方法，不会对等离子体的运动状态产生影响，从而可以提高等离子参数测量的准确率。
需要说明的是，本申请提供的等离子体诊断方法的原理是基于光学诊断技术，通过激光和等离子体发生相互作用而产生的汤姆逊散射光，测量等离子体的电子密度、电子温度和电子速度。
其中，汤姆逊散射可以包括集体性散射和非集体性散射，汤姆逊散射的类型可以通过参数来确定，k为激光和汤姆逊散射光的波矢差，为电子德拜长度，Te为等离子体的电子温度，ne为等离子体的电子密度。
而且，由于等离子体自身的参数特性，本申请的汤姆逊散射表现为集体性散射，而且，本申请提出的等离子体诊断方法为非侵入式诊断方法，不会对等离子体的运动状态产生影响，从而可以提高得到的等离子体参数的准确率。
而且，本申请提出的等离子体诊断系统可同时、同区域测量等离子体的电子温度、电子密度和电子速度，例如，等离子体诊断系统中的第一光纤阵列和第二光纤阵列可以同时在两个方向收集汤姆逊散射光，而且，在不改变等离子体诊断系统中的其他设备的情况下，可在同一平面，通过改变电弧发生装置和激光器之间的触发延时，就可以实现对不同时刻的等离子体的诊断。
基于同样的发明构思，本申请实施例还提供了一种用于实现上述所涉及的等离子体诊断装置。该装置所提供的解决问题的实现方案与上述方法中所记载的实现方案相似，故下面所提供的一个或多个等离子体诊断装置实施例中的具体限定可以参见上文中对于等离子体诊断方法的限定，在此不再赘述。
在一个实施例中，如图7所示，提供了一种等离子体诊断装置的结构框图，该装置包括：确定模块702、光生成模块704、获取模块706和参数分析模块708。
确定模块，用于确定电弧发生装置和激光器之间的触发延时；
光生成模块，用于触发电弧发生装置产生等离子体，并经过触发延时后，触发所述激光器产生激光，使得等离子体和激光作用产生汤姆逊散射光；
获取模块，用于获取汤姆逊散射光的汤姆逊散射光谱；
参数分析模块，用于对汤姆逊散射光谱进行分析，获得与触发延时相对应的等离子体参数。
在其中一个实施例中，参数分析模块，还用于：
获取汤姆逊散射光谱上的数据点，查收与数据点最优平方逼近的理论光谱；
将理论光谱对应的参数确定为等离子体参数。
在其中一个实施例中，等离子体参数包括：等离子体的电子温度、电子密度以及电子速度。
在其中一个实施例中，获取模块，还用于：
获取以与激光器发出激光的发射方向的第一夹角的方向，收集的第一汤姆逊散射光的第一汤姆逊散射光谱；
获取以与激光器发出激光的发射方向的第二夹角的方向，收集的第二汤姆逊散射光的第二汤姆逊散射光谱；
汤姆逊散射光包括第一汤姆逊散射光和第二汤姆逊散射光，汤姆逊散射光谱包括第一汤姆逊散射光谱和第二汤姆逊散射光谱。
在其中一个实施例中，参数分析模块，还用于：
获取第一汤姆逊散射光谱上的第一数据点，查找与第一数据点最优平方逼近的第一理论光谱；
获取第二汤姆逊散射光谱上的第二数据点，查找与第二数据点最优平方逼近的第二理论光谱；
基于第一理论光谱对应的参数和第二理论光谱对应的参数，获得等离子体的电子温度、电子密度以及电子速度；
第一理论光谱对应的参数包括第一电子速度，第二理论光谱对应的参数包括第二电子速度；电子速度为对第一电子速度和第二电子速度进行矢量运算得到的等离子体沿平行于激光器发射激光的方向的轴向方向的速度。
在其中一个实施例中，第一理论光谱对应的参数还包括第一电子温度和第一电子密度，第二理论光谱对应的参数还包括第二电子温度和第二电子密度，参数分析模块，还用于：
将第一电子温度或第二电子温度中的其中一个温度确定为等离子体的电子温度，以及将第一电子密度或第二电子密度中的其中一个密度确定为等离子体的电子密度。
上述等离子体诊断装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器，其内部结构图可以如图8所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器和网络接口。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质和内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种等离子体诊断方法。
本领域技术人员可以理解，图8中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述各方法实施例中的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述各方法实施例中的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述各方法实施例中的步骤。
需要说明的是，本申请所涉及的用户信息(包括但不限于用户设备信息、用户个人信息等)和数据(包括但不限于用于分析的数据、存储的数据、展示的数据等)，均为经用户授权或者经过各方充分授权的信息和数据。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、磁带、软盘、闪存、光存储器、高密度嵌入式非易失性存储器、阻变存储器(ReRAM)、磁变存储器(Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM)、铁电存储器(Ferroelectric Random Access Memory，FRAM)、相变存储器(Phase Change Memory，PCM)、石墨烯存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器等。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic RandomAccess Memory，DRAM)等。本申请所提供的各实施例中所涉及的数据库可包括关系型数据库和非关系型数据库中至少一种。非关系型数据库可包括基于区块链的分布式数据库等，不限于此。本申请所提供的各实施例中所涉及的处理器可为通用处理器、中央处理器、图形处理器、数字信号处理器、可编程逻辑器、基于量子计算的数据处理逻辑器等，不限于此。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种等离子体诊断方法，其特征在于，所述方法包括：
确定电弧发生装置和激光器之间的触发延时；
触发所述电弧发生装置产生等离子体，并经过所述触发延时后，触发所述激光器产生激光，使得所述等离子体和所述激光作用产生汤姆逊散射光；
获取所述汤姆逊散射光的汤姆逊散射光谱；
对所述汤姆逊散射光谱进行分析，获得与所述触发延时相对应的等离子体参数；
其中，所述汤姆逊散射光包括第一汤姆逊散射光和第二汤姆逊散射光，所述汤姆逊散射光谱包括所述第一汤姆逊散射光的第一汤姆逊散射光谱和所述第二汤姆逊散射光的第二汤姆逊散射光谱；第一光纤阵列收集第一凸透镜成像的所述第一汤姆逊散射光的方向，与所述激光器发出激光的发射方向存在第一夹角；第二光纤阵列收集第二凸透镜成像的所述第二汤姆逊散射光的方向，与所述激光器发出激光的发射方向存在第二夹角；
其中，当所述第一光纤阵列与所述激光器发出激光的发射方向之间的夹角发生改变时，所述第一光纤阵列收集所述第一汤姆逊散射光的方向也改变；当所述第二光纤阵列与所述激光器发出激光的发射方向之间的夹角发生改变时，所述第二光纤阵列收集所述第二汤姆逊散射光的方向也改变。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述汤姆逊散射光谱进行分析，获得与所述触发延时相对应的等离子体参数，包括：
获取所述汤姆逊散射光谱上的数据点，查收与所述数据点最优平方逼近的理论光谱；
将所述理论光谱对应的参数确定为所述等离子体参数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述等离子体参数包括：所述等离子体的电子温度、电子密度以及电子速度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述汤姆逊散射光谱进行分析，获得与所述触发延时相对应的等离子体参数，包括：
获取所述第一汤姆逊散射光谱上的第一数据点，查找与所述第一数据点最优平方逼近的第一理论光谱；
获取所述第二汤姆逊散射光谱上的第二数据点，查找与所述第二数据点最优平方逼近的第二理论光谱；
基于所述第一理论光谱对应的参数和所述第二理论光谱对应的参数，获得所述等离子体的电子温度、电子密度以及电子速度；
所述第一理论光谱对应的参数包括第一电子速度，所述第二理论光谱对应的参数包括第二电子速度；所述电子速度为对所述第一电子速度和所述第二电子速度进行矢量运算得到的所述等离子体沿平行于所述激光器发射激光的方向的轴向方向的速度。
5.一种等离子体诊断系统，其特征在于，所述系统包括信号触发器、电弧发生装置、激光器和接收处理设备，所述信号触发器与所述电弧发生装置和所述激光器分别通信连接；
所述信号触发器，用于确定所述电弧发生装置和所述激光器之间的触发延时；触发所述电弧发生装置产生等离子体，并经过所述触发延时后，触发所述激光器产生激光，使得所述等离子体和所述激光作用产生汤姆逊散射光；所述接收处理设备，用于获取所述汤姆逊散射光的汤姆逊散射光谱；对所述汤姆逊散射光谱进行分析，获得与所述触发延时相对应的等离子体参数；
其中，所述接收处理设备包括光成像装置和光谱获得装置，所述光成像装置包括第一凸透镜、第一光纤阵列、第二凸透镜、以及第二光纤阵列；所述汤姆逊散射光包括第一汤姆逊散射光和第二汤姆逊散射光，所述汤姆逊散射光谱包括所述第一汤姆逊散射光的第一汤姆逊散射光谱和所述第二汤姆逊散射光的第二汤姆逊散射光谱；
所述第一凸透镜，用于将所述第一汤姆逊散射光成像至所述第一光纤阵列；
所述第一光纤阵列，用于将所述第一汤姆逊散射光入射至所述光谱获得装置；
所述第二凸透镜，用于将所述第二汤姆逊散射光成像至所述第二光纤阵列；
所述第二光纤阵列，用于将所述第二汤姆逊散射光入射至所述光谱获得装置；
所述光谱获得装置，用于获得所述第一光纤阵列入射的所述第一汤姆逊散射光的第一汤姆逊散射光谱、和所述第二光纤阵列入射的第二汤姆逊散射光的所述第二汤姆逊散射光谱；
其中，第一光纤阵列收集第一凸透镜成像的所述第一汤姆逊散射光的方向，与所述激光器发出激光的发射方向存在第一夹角；第二光纤阵列收集第二凸透镜成像的所述第二汤姆逊散射光的方向，与所述激光器发出激光的发射方向存在第二夹角；
其中，当所述第一光纤阵列与所述激光器发出激光的发射方向之间的夹角发生改变时，所述第一光纤阵列收集所述第一汤姆逊散射光的方向也改变；当所述第二光纤阵列与所述激光器发出激光的发射方向之间的夹角发生改变时，所述第二光纤阵列收集所述第二汤姆逊散射光的方向也改变。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述接收处理设备还包括分析设备；
所述分析设备，用于对所述汤姆逊散射光谱进行分析，获得与所述触发延时相对应的所述等离子体参数。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第二光纤阵列和所述第二凸透镜与所述第一光纤阵列和所述第一凸透镜分别位于所述电弧发生装置的相对的两侧，且所述第二光纤阵列与所述第一光纤阵列的连线与所述激光器发出激光的发射方向垂直，所述第二凸透镜与所述第一凸透镜的连线与所述激光器发出激光的发射方向垂直；
所述分析设备，用于获取所述第一汤姆逊散射光谱上的第一数据点，查找与所述第一数据点最优平方逼近的第一理论光谱；获取所述第二汤姆逊散射光谱上的第二数据点，查找与所述第二数据点最优平方逼近的第二理论光谱；基于所述第一理论光谱对应的参数和所述第一理论光谱对应的参数，获得所述等离子体的电子温度、电子密度以及电子速度；
其中，所述第一理论光谱对应的参数包括第一电子速度，所述第一理论光谱对应的参数包括第二电子速度；所述电子速度为对所述第一电子速度和所述第二电子速度进行矢量运算得到的所述等离子体沿平行于所述激光器发射激光的方向的轴向方向的速度。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述电弧发生装置为高压放电腔体。
9.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述光谱获得装置包括光谱仪和相机；
所述光谱仪，用于对入射的所述汤姆逊散射光进行色散处理；
所述相机，用于得到色散处理后的所述汤姆逊散射光的汤姆逊散射光谱。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述光谱仪为反射式光栅光谱仪。
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