基于数学对比法的光纤激光干涉电子密度测量系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于数学对比法的光纤激光干涉电子密度测量系统及方法。该方法包括以下步骤：一、通过基于数学对比相移解调法的全光纤激光干涉系统采用数学对比法对电子密度所致相移进行解调；二、利用所述基于数学对比相移解调法的全光纤激光干涉系统采用Abel反演数据处理方法获取等离子体电子密度的时空分布信息。本发明专利技术可极大降低激光干涉系统复杂度，且不受电路功能元器件性能限制与解调精度局限，可更为精确地求解电子密度所致相移。该全光纤激光干涉系统相比于传统光学元器件所搭建系统，可极大提高实验效率(节约时间)与系统可靠性并免除了传统光学光路干涉系统每发次实验前繁杂的对光调节过程。

Optical fiber laser interference electronic density measuring system and method based on mathematical comparison method

The invention discloses a fiber laser interference electronic density measuring system and method based on mathematical comparison method. The method comprises the following steps: first, through the all fiber laser interferometer system based on the mathematical comparison of phase demodulation method to demodulate the phase shift caused by the electron density by using the mathematical comparison method; two, using the all fiber laser interferometer based on a mathematical comparison of phase demodulation method using the spatial and temporal distribution of Abel inversion data processing method for obtaining plasma electron density. The invention can greatly reduce the complexity of the laser interference system, and is not limited by the performance limitation of the circuit functional components and the demodulation accuracy, and can more accurately solve the phase shift caused by the electron density. The all fiber laser interferometer system compared to the traditional optical components of the system, can greatly improve the efficiency of the experiment (save time) and the reliability of the system and eliminates the traditional optical interferometer system each time before the experiment of complex light regulation process.

【技术实现步骤摘要】
基于数学对比法的光纤激光干涉电子密度测量系统及方法
本专利技术涉及磁化靶聚变研究中关于反场构形预加热磁化等离子体产生的关键诊断测试
，具体涉及一种基于数学对比法的光纤激光干涉电子密度测量系统及方法。
技术介绍
测量等离子体电子密度常用的方法有朗缪尔探针(静电探针)、光谱学、激光干涉等方式。朗缪尔探针是最早用来测定等离子体特性的一种诊断工具，其理论相当复杂，在简化条件下，利用其伏安特性可推导出等离子体电子温度、密度与空间电位等参数，朗缪尔探针结构简单且具有一定的空间分辨能力，主要适用于低温等离子体、或高温等离子体的低温低密度区研究中，但其必须深入到等离子体内部进行测量的使用方式，导致其与等离子体会发生强烈的相互作用，加之强磁场对其伏安特性影响严重，限制了其在高温等离子体诊断中的应用。光谱学测量等离子体密度信息主要适用于高温高密度等离子体研究中，利用光谱的绝对强度及其线谱轮廓可对其密度与温度进行测量估算。但高温等离子体的发光机制多种多样，实验室中产生的等离子体通常并不处于完全平衡状态，各组分粒子一般处于不同状态，其密度温度等各不相同且都会随时空变化，尤其是在出现不稳定状态时，情形更为复杂，甚至导致等离子体的宏观参数完全失去意义。故从光谱学测量中推断等离子体有关密度温度等参数时，需要相当慎重分析考虑。激光干涉作为一种非接触式无扰诊断手段，如今已被广泛用于各种等离子体研究中。激光干涉测量等离子体电子密度的基本原理是利用激光在等离子体中传播时因介质(等离子体)折射率的变化导致激光相位的变化，通过求解干涉信号相位，而等离子体的折射率与等离子体的电子密度密切相关，从而可得到等离子体电子密度信息。目前普遍采用的激光干涉方式是双光束超外差方法，利用圆柱形旋转光栅产生多普勒频移、声光布拉格盒产生差频信号、或波长相近的两个激光光源进行干涉实现差频，相移解调方式多采用正交电路解调方式或数干涉条纹的方法进行相位信息解调。采用正交电路解调方式，电路系统繁杂，包含本振(声光布拉格盒差频提供)、功分、带通滤波、I/Q解调器、低通滤波等元器件组成，且各功能元器件性能限制，造成解调精度局限；采用数干涉条纹相移解调方式，需采用分幅/扫描相机辅助、CCD/CMOS/胶片记录等干涉条纹，记录干涉条纹分辨率有限，造成可解调相移精度受限。通常采用的激光干涉系统是由传统光学元器件通过空间光路搭建的方式实现，光路受周围空间环境影响极大，同时每次实验前均需进行繁琐的光路对光调节，时间成本较高，严重影响实验(时间)效率。因此如何利用激光干涉方法高效便捷地诊断高温高密度磁化等离子体电子密度信息，成为磁化靶聚变研究的强烈诉求。
技术实现思路
本专利技术克服了现有技术的不足，提供一种基于数学对比法的光纤激光干涉电子密度测量系统及方法。以期待解决如何高效便捷地诊断高温高密度磁化等离子体(反场构形FRC)的电子密度信息问题。为解决上述的技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种基于数学对比相移解调法的光纤激光干涉系统，包括：激光器、隔离器、第一分束器、可调衰减器、第二分束器、第一合束器、第二合束器、第一光电探测器、第二光电探测器、示波器、第一光功率计、第二光功率计、发射探头、接收探头、光纤窄带滤波器和第三分束器；所述激光器与所述隔离器连接；所述隔离器与所述第一分束器连接；所述第一分束器与所述可调衰减器连接；所述可调衰减器与所述第二分束器连接；所述第二分束器分别与所述第一合束器、第二合束器连接；所述第一合束器与所述第一光电探测器连接；所述第二合束器与所述第二光电探测器连接；所述第一分束器同时与所述发射探头连接；所述发射探头与所述接收探头通过经由等离子体待测试区的自由空间光连接；所述接收探头与所述光纤窄带滤波器连接；所述光纤窄带滤波器与所述第三分束器连接；所述第三分束器分别与所述第一分束器、第二分束器连接；所述第一光电探测器、第二光电探测器分别与所述示波器连接；所述第三分束器与所述第一光功率计连接；所述第二分束器与所述第二光功率计连接；且各器件之间均通过光纤进行连接。更进一步的技术方案是提供一种基于数学对比法的光纤激光干涉电子密度测量方法，所述的方法包括以下步骤：步骤一、通过所述的基于数学对比相移解调法的全光纤激光干涉系统采用数学对比法对电子密度所致相移进行解调；步骤二、利用所述基于数学对比相移解调法的全光纤激光干涉系统采用Abel反演数据处理方法获取等离子体电子密度的时空分布信息。更进一步的技术方案是所述的步骤一包括：步骤A、物光光束穿越等离子体后分成两束物光，并与经过不同光纤长度的同一参考光进行干涉，得到含有同一等离子体电子密度信息的两干涉信号；步骤B、对步骤A中的所述两干涉信号进行数据采样，得到两干涉信号独自的触发时刻初始相位差及各自干涉系统初始相位差随时间漂移的周期性信号；步骤C、利用三角函数和差化积公式对步骤B中两干涉信号余弦表达式分别进行和差化积处理，得到含有零时刻不同初始相位差、初始相位差随时间漂移周期性信号及电子密度所致相位的正、余弦混合表达式；步骤D、对步骤C中得到的两个正、余弦混合表达式进行运算得到仅含有电子密度所致相位的正、余弦函数，再利用所述正、余弦函数在0～2π弧度范围内的正负性，并结合自编程序代码对电子密度所致相位进行求解，确定出反场构形磁化等离子体电子密度所引起的实时相移；步骤E、利用步骤D中得到的实时相移，通过激光干涉测量电子密度基本原理与基本公式得到线积分电子密度实时信息。更进一步的技术方案是所述的步骤二包括：步骤1、利用所述基于数学对比相移解调法的全光纤激光干涉系统对等离子体靶团进行不同弦心距位置处进行穿越等离子体区同时测量，得到不同弦心距位置处的多弦实时相移信息；步骤2、对步骤1中得到的多弦实时相移信息再利用Abel反演数据处理方法进行反演，得到等离子体横截面不同半径位置处的电子密度随时间变化信息。更进一步的技术方案是所述的步骤A包括：物光光束穿越等离子体后分束成两束物光并与经过不同光纤长度的同一参考光进行干涉，得到含有同一等离子体电子密度信息的两干涉信号，从而确保两干涉信号中的初始相位差0时刻不同，即更进一步的技术方案是所述的步骤B包括：对步骤A中的两干涉信号进行示波器数据采样，得到两干涉信号独自的触发时刻初始相位差及各自干涉系统初始相位差随时间漂移的周期性信号ω(1)、ω(2)。更进一步的技术方案是所述的步骤C包括：对于步骤A中的两干涉信号分别写为其中下角标(1)、(2)分别表示属于不同的干涉信号，I1、I2分别表示第1条干涉信号的直流分量幅度与时变分量幅度，I′1、I′2分别表示第2条干涉信号的直流分量幅度与时变分量幅度；对两干涉信号表达式进行三角函数和差化积数学变换得到仅含有的正、余弦混合表达式为：其中更进一步的技术方案是所述的步骤D包括：利用正、余弦函数在0～2π弧度范围内的正负性并结合自编程序代码对步骤C中表达式进行求解，确定出反场构形磁化等离子体电子密度所引起的相移实时变化更进一步的技术方案是所述的步骤E包括：通过激光干涉测量电子密度基本原理与基本公式得到线积分实时电子密度信息。与现有技术相比，本专利技术实施例的有益效果之一是：本专利技术可极大降低激光干涉系统复杂度，且不受电路功能元器件性能限制与解调精度局限，可更为精确本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于数学对比相移解调法的光纤激光干涉系统，其特征在于：包括：激光器、隔离器、第一分束器、可调衰减器、第二分束器、第一合束器、第二合束器、第一光电探测器、第二光电探测器、示波器、第一光功率计、第二光功率计、发射探头、接收探头、光纤窄带滤波器和第三分束器；所述激光器与所述隔离器连接；所述隔离器与所述第一分束器连接；所述第一分束器与所述可调衰减器连接；所述可调衰减器与所述第二分束器连接；所述第二分束器分别与所述第一合束器、第二合束器连接；所述第一合束器与所述第一光电探测器连接；所述第二合束器与所述第二光电探测器连接；所述第一分束器同时与所述发射探头连接；所述发射探头与所述接收探头通过经由等离子体待测试区的自由空间光连接；所述接收探头与所述光纤窄带滤波器连接；所述光纤窄带滤波器与所述第三分束器连接；所述第三分束器分别与所述第一分束器、第二分束器连接；所述第一光电探测器、第二光电探测器分别与所述示波器连接；所述第三分束器与所述第一光功率计连接；所述第二分束器与所述第二光功率计连接；且各器件之间均通过光纤进行连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于数学对比相移解调法的光纤激光干涉系统，其特征在于：包括：激光器、隔离器、第一分束器、可调衰减器、第二分束器、第一合束器、第二合束器、第一光电探测器、第二光电探测器、示波器、第一光功率计、第二光功率计、发射探头、接收探头、光纤窄带滤波器和第三分束器；所述激光器与所述隔离器连接；所述隔离器与所述第一分束器连接；所述第一分束器与所述可调衰减器连接；所述可调衰减器与所述第二分束器连接；所述第二分束器分别与所述第一合束器、第二合束器连接；所述第一合束器与所述第一光电探测器连接；所述第二合束器与所述第二光电探测器连接；所述第一分束器同时与所述发射探头连接；所述发射探头与所述接收探头通过经由等离子体待测试区的自由空间光连接；所述接收探头与所述光纤窄带滤波器连接；所述光纤窄带滤波器与所述第三分束器连接；所述第三分束器分别与所述第一分束器、第二分束器连接；所述第一光电探测器、第二光电探测器分别与所述示波器连接；所述第三分束器与所述第一光功率计连接；所述第二分束器与所述第二光功率计连接；且各器件之间均通过光纤进行连接。2.一种基于数学对比法的光纤激光干涉电子密度测量方法，其特征在于所述的方法包括以下步骤：步骤一、通过如权利要求1所述的基于数学对比相移解调法的全光纤激光干涉系统采用数学对比法对电子密度所致相移进行解调；步骤二、利用所述基于数学对比相移解调法的全光纤激光干涉系统采用Abel反演数据处理方法获取等离子体电子密度的时空分布信息。3.根据权利要求2所述的基于数学对比法的光纤激光干涉电子密度测量方法，其特征在于所述的步骤一包括：步骤A、物光光束穿越等离子体后分成两束物光，并与经过不同光纤长度的同一参考光进行干涉，得到含有同一等离子体电子密度信息的两干涉信号；步骤B、对步骤A中的所述两干涉信号进行数据采样，得到两干涉信号独自的触发时刻初始相位差及各自干涉系统初始相位差随时间漂移的周期性信号；步骤C、利用三角函数和差化积公式对步骤B中两干涉信号余弦表达式分别进行和差化积处理，得到含有零时刻不同初始相位差、初始相位差随时间漂移周期性信号及电子密度所致相位的正、余弦混合表达式；步骤D、对步骤C中得到的两个正、余弦混合表达式进行运算得到仅含有电子密度所致相位的正、余弦函数，再利用所述正、余弦函数在0～2π弧度...

【专利技术属性】
技术研发人员：方东凡，孙奇志，陈林，刘伟，贾月松，赵小明，秦卫东，李军，池原，刘正芬，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院流体物理研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51