一种用于等离子体密度测量的自适应相位差计算方法技术

本发明专利技术公开了一种用于等离子体密度测量的自适应相位差计算方法，涉及等离子体密度测量技术领域，本发明专利技术采用离线数据的方式来计算等离子体密度，不需要硬件平台，采用云计算的方式实现等离子体密度的测量。本发明专利技术以偏移的实际频率、有效频率成份和相邻频率差作为DFT转换点数的因数，进行自适应的点数调节，能更有效的减少频谱泄露和栅极效应求取有效相位的误差，提高相位准确度。提高相位准确度。提高相位准确度。

An adaptive phase difference calculation method for plasma density measurement

【技术实现步骤摘要】
一种用于等离子体密度测量的自适应相位差计算方法

：
[0001]本专利技术涉及等离子体密度测量
，具体涉及一种用于等离子体密度测量的自适应相位差计算方法。

技术介绍
：
[0002]目前受控核聚变实现的约束方式主要有惯性约束和磁约束，托卡马克是实现商用聚变堆的磁约束核聚变装置之一。托卡马克等离子体物理不仅是一门非常复杂的学科，而且随着等离子体参数的不断提高、新的运行模式的出现，有越来越多的聚变问题值得去研究和探索。通常等离子体密度参数通过相位的方式进行测量，由相位信息和转换公式得到电子密度的空间分布。所以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体探究。
[0003]等离子体的是包含正负离子的中性电离气体，目前采用HCN(hydrogen cyanide)激光干涉仪对等离子体测量，其中HCN的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，再由TGS(Triglyceride sulfate)探测器将光信号转换为电信号。
[0004]在托卡马克装置中应用广泛的是硬件相位差计，计算机使用采集卡采集硬件相位差计转换后的相位差电压，但是该方法无法滤除直流干扰，测量分辨率低，并且只能适用于单频率测量。国内外研究使用傅里叶变换相位差比较法进行测量，该技术是通过快速傅里叶变换(Fast Fourier transform，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，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。针对FFT的不足，采用的解决方法有先对等离子体序列做FFT和IFFT得出相位，该方法可以不需要直接信号的频率，具有高时间分辨率和数值分辨率。另外，采用ap
‑
FFT(all phase Fast Fourier transform)，该方法抑制频率泄露能力强，并且具有相位不变性。
[0005]另一方面，目前托卡马克等离子体测量时为单频率载波测量，但不同介质对不同波长的吸收率不是相同，托克马克等离子体测量也会进行多频率多方向的测量。而目前对多频率相位测量的进行研究还在起步，一般已经设定信号采样率和FFT转换的点数。工程上，信号的频率偏移和频谱泄露导致频谱重叠，进而测量的相位不准确。目前只研究适应了电力谐波的相位测量，有效频率为倍数关系，具有一定的特殊性，尚无完全的适用方法解决多频率相位测量频谱重叠方法。

技术实现思路
：
[0006]本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种用于等离子体密度测量的自适应相位差计算方法，解决信号处理中FFT、DFT只能人为提前设定参数的问题，并且减少托克马克中多频率测量、栅极效应的影响导致的误差不准确的问题。
[0007]本专利技术所要解决的技术问题采用以下的技术方案来实现：
[0008]一种用于等离子体密度测量的自适应相位差计算方法，包括以下步骤：
[0009]以下步骤S1
‑
S7是以探针信号x
d
(n)的多频率相位计算为例，参考信号x
r
(n)的相位计算过程相同，只需将步骤中的x
d
(n)换成x
r
(n)即可。
[0010]S1计算探针信号x
d
(n)中的有效频率：对序列x
d
(n)进行2
N
点的FFT，其中f
s
为信号的采样率，FFT的点数由采样率决定。
[0011]2N
‑1＜f
s
＜2
N
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0012]序列x
d
(n)的FFT结果为Y
d
(n)，Y
d
(n)的实部与虚部取模结果为M
Y
(n)。取采样信号量程的1/2
N
为阈值，即归一化量程幅值的一半。如果序列M
Y
(n)中数值大于阈值，则存在有效频率，有效频率为估计频率f
n
(j)(j∈[0,N])。频率分辨率为f
o
＝f
s
/2
N
，频谱泄露会导致超过阈值的数值呈现连续性，导数为0则表示该频率是存在的，对于一段连续的频率，导数为零的频率点为有效的峰值频率。
[0013][0014]本专利技术对估计频率的百位以下进行取零处理，一方面由于温度的影响，载波频率会产生频率偏移，而且载波频率会随着温度波动而产生微小变化；另一方面本专利技术方法的相位结果具有频率的抖动的抗干扰性。
[0015]S2信号的滤波处理：将序列Y
d
(n)以置零的方式将干扰频率滤除，n为序列的下标。
[0016][0017]滤波结束采用IFFT为新的序列数据x
i
(n)。
[0018]S3根据有效频率确定序列DFT的转换点数：D
f
为相邻有效频率的最小间隔差，DFT转换点数N
D
由最小间隔差、信号频率和采样率的最大公约数决定。
[0019]D
f
＝min(f
n
(2)
‑
f
n
(1),f
n
(3)
‑
f
n
(2),f
n
(j)
‑
f
n
(j
‑
1))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0020]N
D
＝f
s
/min(f
n
(j),f
s
,D
f
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0021]S4根据DFT的点数自适应DFT混合基的基数：假设存在N
D
＝N1×
N2…×
N
r
(r为有限项)，则N点的DFT拆分为短序列Nr(r∈[0,N])。N
D
点从小到大依次取质数表中1000以内大于1的质数进行整除，Nr为质数的幂指数，P为质数。
[0022][0023]S5子序列的预处理：每次以步进(2
×
N
D
‑
1)的长度截取x
i
(n)为子序列x
s
(n
s
)(n
s
＝2
×
N
D
‑
1，s∈[1,N])，每一个子序列x
s
(n
s
)对应一个相位结果。取子序列x
s
(n
s
)中点位置为x
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于等离子体密度测量的自适应相位差计算方法，其特征在于：包括以下步骤：以下步骤S1
‑
S7是以探针信号x
d
(n)的多频率相位计算为例，参考信号x
r
(n)的相位计算过程相同，只需将步骤中的x
d
(n)换成x
r
(n)即可；S1计算探针信号x
d
(n)中的有效频率：对序列x
d
(n)进行2
N
点的FFT，其中f
s
为信号的采样率，FFT的点数由采样率决定；2
N
‑1＜f
s
＜2
N
ꢀꢀꢀꢀ
(1)序列x
d
(n)的FFT结果为Y
d
(n)，Y
d
(n)的实部与虚部取模结果为M
Y
(n)；取采样信号量程的1/2
N
为阈值，即归一化量程幅值的一半；如果序列M
Y
(n)中数值大于阈值，则存在有效频率，有效频率为估计频率f
n
(j)(j∈[0,N])；频率分辨率为f
o
＝f
s
/2
N
，频谱泄露会导致超过阈值的数值呈现连续性，导数为0则表示该频率是存在的，对于一段连续的频率，导数为零的频率点为有效的峰值频率；S2信号的滤波处理：将序列Y
d
(n)以置零的方式将干扰频率滤除，n为序列的下标；滤波结束采用IFFT为新的序列数据x
i
(n)；S3根据有效频率确定序列DFT的转换点数：D
f
为相邻有效频率的最小间隔差，DFT转换点数N
D
由最小间隔差、信号频率和采样率的最大公约数决定；D
f
＝min(f
n
(2)
‑
f
n
(1),f
n
(3)
‑
f
n
(2),f
n
(j)
‑
f
n
(j
‑
1))
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(4)N
D
＝f
s
/min(f
n
(j),f
s
,D
f
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)S4根据DFT的点数自适应DFT混合基的基数：假设存在N
D
＝N1×
N2…×
N
r
，r为有限项，则N点的DFT拆分为短序列Nr(r∈[0,N])；N
D
点从小到大依次取质数表中1000以内大于1的质数进行整除，Nr为质数的幂指数，P为质数；S5子序列的预处理：每次以步进(2
×
N
D
‑
1)的长度截取x
i
(n)为子序列x
s
(n
s
)(n
s
...

【专利技术属性】
技术研发人员：舒双宝，赖金，杨子强，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：