【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电场测量领域，更具体地，涉及一种瞬态电场非介入式测量系统及电场空间分布反演方法。
技术介绍
1、电场测量是高电压工程、等离子诊断等领域面临的关键挑战之一。在过去的半个世纪中，基于光电效应等物理原理研发了不同的电场测量传感器。受传感器的材料和尺寸等因素的限制，传统的介入式测量方法难以避免会畸变被测电场分布，从而对测量精度产生影响。此外，现有的电场测量传感器的时空间分辨率难以满足气体放电等离子体通道、快速电离波等亚毫米级空间分辨和亚纳秒级时间分辨场景的电场测量要求。
2、近年来，基于光学高阶极化效应提出了多种非接触式电场测量方法。其中，基于场致二次谐波效应(e-fish)的电场测量方法是通过检测在电场驱动下、高能激光与气相介质发生的极化作用中产生的二次谐波，实现电场幅值的测量。这种方法不受气相介质种类的限制，具有时空分辨率高、对被测电场扰动小的优势，受到广泛关注。
3、现有技术尽管在基于e-fish效应的电场测量方法研究方面已经开展了大量的研究工作，但被测电场沿激光传播方向不均匀时，电场分布的定量测量依然十分困难。chng通过建立高斯光束下e-fish信号强度与被测电场关系的计算模型，发现探测到的二次谐波强度与电场分布、瑞利距离和相干长度等因素呈现非线性变化关系。由此可见，当沿激光传播方向被测电场近似分布时，通过平板电极可以获得二次谐波强度与被测场强之间的标定曲线；然而，若沿激光传播方向被测电场呈现不均匀分布，使用平板电极结构获得的二次谐波强度与场强之间的定量关系，不能被用于被测电场的准确标定。
4、综上所述，目前电场诱导二次谐波效应电场测量方法在不均匀电场以及瞬态电场空间分布测量中的应用并不完善。
技术实现思路
1、针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种瞬态电场非介入式测量系统及电场空间分布反演方法，旨在解决现有的电场诱导二次谐波效应电场测量方法无法适用于不均匀电场以及瞬态电场空间分布测量的问题。
2、为实现上述目的，一方面，本专利技术提供了一种瞬态电场非介入式测量系统，包括：
3、在待测轴对称电场区域一侧从远到近顺次排列的激光源、半波片、第一光电倍增管阵列、第一二向色镜阵列和第一聚焦透镜阵列，在待测轴对称电场区域另一侧从近到远顺次排列的第二聚焦透镜阵列、第二二向色镜阵列和第二光电倍增管阵列，以及信号处理模块；
4、激光源用于产生脉冲频率固定的基频激光；半波片用于调节基频激光偏振方向；待测轴对称电场区域用于施加电场，使基频激光与电场不同方向分量作用产生对应电场分量的二次谐波信号；第一光电倍增管阵列和第二光电倍增管阵列用于采集二次谐波信号；第一二向色镜阵列和第二二向色镜阵列用于透射二次谐波信号，反射基频激光；第一二向色镜阵列和第二二向色镜阵列中设置反射光路，使基频激光多次往返穿过待测轴对称电场区域；第一聚焦透镜阵列和第二聚焦透镜阵列用于汇聚射入待测轴对称电场区域的基频激光或二次谐波信号；信号处理模块用于在修正标定系数过程中，根据二次谐波信号序列以及电场最小二乘的计算残差方程，采用最优化方法计算电场位形最大电场分量方向上的分量，结合圆形平行板电极在待测轴对称电场区域中产生的均匀场强，修正标定系数；同时用于基于修正后的标定系数，结合两个电场分量诱导产生的二次谐波信号序列以及电场最小二乘的计算残差方程，计算电场分布。
5、进一步优选地，求解各电场分量的公式为：
6、
7、其中，f为电场最小二乘的计算残差；c是标定系数；iω为基频激光光强；i2ω是二次谐波信号光强；λ是正则化参数；a为系数矩阵；e为电场场强。
8、进一步优选地，瞬态电场非介入式测量系统还包括可变光阑，可变光阑通孔中心正对激光源输出光学窗中心，用于调节激光光斑直径、瑞利距离和光功率参数。
9、进一步优选地，瞬态电场非介入式测量系统还包括反射镜，所述反射镜与激光源输出激光路径呈45°摆放，用于改变激光路径的同时过滤激光源中非基频的杂散光。
10、进一步优选地，瞬态电场非介入式测量系统还包括第一滤波片阵列和第二滤波片阵列；第一滤波片阵列位于第一光电倍增管阵列和第一二向色镜阵列之间；第二滤波片阵列置于第二光电倍增管阵列和第二二向色镜阵列之间；第一滤波片阵列和第二滤波片阵列的中心波长为二次谐波信号波长，用于过滤二次谐波信号。
11、进一步优选地，激光源为半导体纳秒激光源，基频激光波长为1064nm，产生二次谐波信号波长为532nm。
12、另一方面，本专利技术提供了一种电场空间分布反演方法，包括以下步骤：
13、将待测电场置于待测轴对称电场区域中，调整半波片，使基频激光偏振方向分别与各电场分量方向一致；
14、触发激光源发射基频激光，记录各电场分量诱导产生的二次谐波信号序列；
15、基于修正后的标定系数，结合二次谐波信号序列和电场最小二乘的计算残差方程，采用最优化方法计算电场分布；
16、其中，标定系数的修正方法，包括以下步骤：
17、将圆形平行板电极置于待测轴对称电场区域，根据外施电压与板距离，计算均匀场强，并确定最大电场分量方向；其中，圆形平行板电极与待测轴对称电场区域的几何中心重合；
18、调整半波片，使激光偏振方向与最大电场分量方向一致；
19、触发激光源发射基频激光，记录最大电场分量诱导产生的二次谐波信号序列；
20、令标定系数为1，根据最大电场分量诱导产生的二次谐波信号序列和电场最小二乘的计算残差方程，采用最优化方法计算电场位形在最大电场分量方向上的电场分量；
21、根据均匀场强与电场位形在最大电场分量方向上的电场分量，修正标定系数。
22、进一步优选地，求解各电场分量的公式为：
23、
24、其中，f为电场最小二乘的计算残差；c是标定系数；iω为基频激光光强；i2ω是二次谐波信号光强；λ是正则化参数；a为系数矩阵；e为电场场强。
25、进一步优选地，修正后的标定系数为：
26、
27、其中，e*(0)是圆形平行板电极几何中心处电场位形曲线计算值；epav为均匀场强。
28、进一步优选地，最优化方法至少包括以下一种：遗传算法、模拟退火算法、l-bfgs算法、粒子群算法、遗传算法等全局寻优算法以及bfgs算法、共轭梯度法和梯度下降法。
29、总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
30、本专利技术提本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种瞬态电场非介入式测量系统，其特征在于，包括：在待测轴对称电场区域一侧从远到近顺次排列的激光源、半波片、第一光电倍增管阵列、第一二向色镜阵列和第一聚焦透镜阵列，在待测轴对称电场区域另一侧从近到远顺次排列的第二聚焦透镜阵列、第二二向色镜阵列和第二光电倍增管阵列，以及信号处理模块；
2.根据权利要求1所述的瞬态电场非介入式测量系统，其特征在于，求解各电场分量的公式为：
3.根据权利要求1所述的瞬态电场非介入式测量系统，其特征在于，还包括可变光阑，所述可变光阑通孔中心正对激光源输出光学窗中心，用于调节激光光斑直径、瑞利距离和光功率参数。
4.根据权利要求2或3所述的瞬态电场非介入式测量系统，其特征在于，还包括反射镜，所述反射镜与所述激光源输出激光路径呈45°摆放，用于改变激光路径的同时过滤激光源中非基频的杂散光。
5.根据权利要求1所述的瞬态电场非介入式测量系统，其特征在于，还包括第一滤波片阵列和第二滤波片阵列；所述第一滤波片阵列位于所述第一光电倍增管阵列和所述第一二向色镜阵列之间；所述第二滤波片阵列置于所述第二光电倍增管阵列和所述
6.根据权利要求1所述的瞬态电场非介入式测量系统，其特征在于，所述激光源为半导体纳秒激光源，所述基频激光波长为1064nm，产生二次谐波信号波长为532nm。
7.一种如权利要求1所述的瞬态电场非介入式测量系统的电场空间分布反演方法，其特征在于，包括以下步骤：
8.根据权利要求7所述的电场空间分布反演方法，其特征在于，求解各电场分量的公式为：
9.根据权利要求7或8所述的电场空间分布反演方法，其特征在于，修正后的标定系数为：
10.根据权利要求7所述的电场空间分布反演方法，其特征在于，最优化方法至少包括以下一种：遗传算法、模拟退火算法、L-BFGS算法、粒子群算法、遗传算法等全局寻优算法以及BFGS算法、共轭梯度法和梯度下降法。
...【技术特征摘要】
1.一种瞬态电场非介入式测量系统，其特征在于，包括：在待测轴对称电场区域一侧从远到近顺次排列的激光源、半波片、第一光电倍增管阵列、第一二向色镜阵列和第一聚焦透镜阵列，在待测轴对称电场区域另一侧从近到远顺次排列的第二聚焦透镜阵列、第二二向色镜阵列和第二光电倍增管阵列，以及信号处理模块；
2.根据权利要求1所述的瞬态电场非介入式测量系统，其特征在于，求解各电场分量的公式为：
3.根据权利要求1所述的瞬态电场非介入式测量系统，其特征在于，还包括可变光阑，所述可变光阑通孔中心正对激光源输出光学窗中心，用于调节激光光斑直径、瑞利距离和光功率参数。
4.根据权利要求2或3所述的瞬态电场非介入式测量系统，其特征在于，还包括反射镜，所述反射镜与所述激光源输出激光路径呈45°摆放，用于改变激光路径的同时过滤激光源中非基频的杂散光。
5.根据权利要求1所述的瞬态电场非介入式测量系统，其特征在于，还包括第一滤波片阵列和第二滤波片阵列；所述第一滤波片阵列位于所述第...
【专利技术属性】
技术研发人员：贺恒鑫，陈慎，陈盈，黄煜彬，肖力郎，谢思源，刘振宇，张宛霞，张世珉，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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