一种处理远红外激光干涉仪相移信号的新方法

一、引言 在等离子体物理实验中,电子密度的获取十分重要。对于中小型托卡马克装置,其密度范围正好在HCN远红外激光干涉仪(波长337μm)的可测范围,国内外许多装置都用HCN激光干涉仪来测其电子密度n_e。测量来自于干涉仪的两路信号—探测信号V_D和参考信号V_R之间的相位差即可得到n_e。密度相移信号的产生及与n_e的对应关系、传统测量相位差的方法已有专文叙述。传统处理方法由于存在相移过2π时计数值的跳变问题,在密度起伏较频繁     

双极化频率调制微波反射计在J-TEXT托卡马克上的应用

等离子体中电子密度分布是研究等离子体物理的基础诊断之一.为了测量J-TEXT中电子密度分布,我们在J-TEXT实验装置上搭建了一套频率调制反射计.该反射计工作在Q波段与V波段,为了增加反射计密度测量范围,采用了双极化的设计,即能够同时测量寻常波模式与非寻常波模式.得益于双极化的设计,该反射计测量的电子密度范围为0—6.0×1019m-3,能够覆盖J-TEXT托卡马克的低场侧全部范围.频率调制反射计的时间分辨取决于微波系统扫描周期,由于采用了扫频速率更快的扫频固态源,整个频率扫描周期可以达到40μs.要获得完整的电子密度分布,必须先利用中频频率的跳变计算出密度零点的位置,然后使用两种极化模式的数据反演得到完整的电子密度剖面.同时,在实验中还观察到在非寻常波模式下低于右旋截止频率的微波在等离子体中也能够传播.     

托卡马克微波干涉信号的实时处理

微波条纹移动干涉仪可用来测量等离子体电子密度及其分布,是一种相当有用的高温等离子体诊断工具(1).通常用干涉条纹的斑马图来直观地显示等离子体电子密度的变化,但它不能直接给出电子密度的值,因此无法用斑马图信号直接进行如密度反馈控制等物理实验.也无法将这信号经通用模数转换器用计算机采集和处理.为此有必要研制能把斑马信号实时转化为密度值的直读式处理系统. 实验中发现,由于各种原因造成微波干涉信号具有无法用模拟实验可以获得的相当复杂的扰动结构.为此我们先设计了一个专用的计算机采集系统,这样不仅能采集斑马信号,搞清干涉…     

HL-2M 装置固态亚毫米波干涉系统研制

发展了一套固态亚毫米波外差干涉系统和一种基于全相位快速傅里叶变换(apFFT)的相位处理方法用 于测量 HL-2M 初始等离子体电子密度。该系统采用平面型二极管倍频技术对低频的锁相微波源进行高次倍频以 产生功率大于 0.1MW、频率 306.9GHz 的探测波。基于 apFFT 的相位处理数值算法可以从原始信号中提取相位信 息,缓解由可能的高水平密度扰动导致的相位跳变。系统的固有时间分辨率为 5μs,电子密度测量范围在 10¹⁶~10²⁰m⁻³。在 HL-2M 装置首次实验期间,该系统被安装在中平面上,利用装置内壁反射实现干涉测量,成功 测量了线平均电子密度。      

大面积等离子体片密度分布分析

利用空心阴极放电产生了尺寸为60 cm× 60 cm× 2 cm的大面积等离子体面. 在实验室条件下对大面积等离子体片的密度分布进行了测量. 由于高压放电脉冲脉宽较短, 实验中改变了测量方法, 同时, 在中等磁场影响下, 为了得到真实的等离子体密度, 进行了必要的数值修正.在放电电流为1---6 A时, 测量了二维的电子密度分布. 另外, 测量并讨论了其他环境参数对等离子体密度的影响. 电子密度的分布情况对与微波波束切换相当重要. 由空心阴极增强型放电产生的大面积等离子体面具有反射X波段(8---12 GHz) 微波需要的足够稠密的电子密度和足够均匀的密度分布, 这是等离子体面在雷达系统中取代金属面板的有利条件.     

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介绍了一种新的相位比较技术——傅里叶变换法，并将其成功地应用到了HL-2A装置激光干涉测量等离子体电子密度的计算中。通过对大量实验数据的脱机计算后，将其结果与硬件比较方法、传统软件计算方法的结果进行了对比，证实了傅里叶变换相位比较技术的正确性和可靠性；它不仅能够真实地反映电子密度变化行为，还能一定程度上改善密度曲线起始时刻不归零和跳变行为，但不能够实时计算电子密度是该方法存在的不足。     

等离子体中X射线激光传输与电子密度诊断的理论及数值比较

通过数值模拟描述X射线激光在等离子体介质中传输的傍轴偏微分方程,分析了等离子体电子密度诊断中折射率测量法(如Abel变换方法)的成立条件及适用范围.同时分析了由Schrdinger形式理论得到的电子密度诊断的修正项的效果,并给出了修正后的电子密度诊断算法. 关键词： 等离子体 电子密度 X射线激光 Abel变换     

HL－1电子密度行为在各种条件下的实验研究

在ＨＬ－１装置电子密度测量中，进一步改进了密度相移信号的处理方法。在氘放电、氦补充送气条件下得到了ＨＬ－１最高电子密度１０．８×１０１３ｃｍ－３。总结了密度在各种实验条件下的行为，并对各种实验条件对密度的影响进行了分析。     

利用软X射线双频光栅剪切干涉技术诊断金等离子体

激光辐照靶产生的等离子体电子密度的诊断对于惯性约束聚变、等离子体物理、高能量密度物理等相关领域的研究具有重要意义,特别是中、高Z材料等离子体临界面附近的电子密度分布信息的测量.采用波长13.9 nm的类镍银软X射线激光作为探针,利用双频光栅剪切干涉技术尝试诊断了激光辐照金平面靶产生的等离子体的电子密度分布.实验获得了清晰的干涉条纹图像,通过对条纹的初步处理,测量到的最高密度达到了约1.4倍临界密度.通过与相关理论程序模拟结果对比,发现实验与模拟存在一定的偏差,为进一步优化模拟程序提供了有益的参考.通过实验,充分表明了软X射线激光双频光栅干涉技术在诊断中、高Z材料临界密度附近区域等离子体方面的实用性.     

开放空间等离子体对微波传输影响的模拟研究

以氮气为背景气体,采用脉冲式微波产生等离子体,使用另外一束连续波作为传输模拟对象,并基于扩散效应的全域模型分析等离子体电子温度与电子密度的演化过程。实验中放电气压为300Pa,实验结果表明:在微波脉冲开始之后极短的时间内,连续波接受信号发生剧烈衰减;而在微波脉冲结束后,连续波接受信号则缓慢恢复。微波传输主要受到等离子体电子密度的影响,而全域模型的计算结果显示等离子体电子密度在开始放电时迅速上升,甚至高于放电微波频率对应的临界密度,在放电微波脉冲结束时电子密度则缓慢下降。这说明开放空间中等离子体在失去能量维持之后,由于扩散效应占主导作用,电子密度不会迅速下降,此时连续波依然会被阻碍,直到电子密度下降到连续波频率对应的临界密度以下。     

乌氏干涉测量的信息读取

针对乌氏干涉仪条纹信号调整难、用肉眼读数难等问题,提出将He-Ne激光作为乌氏干涉仪光源的设计,得到了高质量的干涉条纹信号,并采用光电转换方法将条纹移动信号转变为电信号实现了微位移的高精度测量。设计了光电信号检测电路,利用双门限整形电路标定出整形方波,克服了干涉信号在设定比较值附近抖动引起误处理的缺点;提出了辨向细分电路,在1路干涉条纹信号下,提取了具有正交性的2路电子信号,实现了干涉条纹的移动辨向与信号细分。按此方案设计并搭建了一套激光干涉检测实验装置,用2个计量差值为5μm的标准量块,对激光干涉检测装置进行了标定,在电路为4细分的情况下,该装置测量分辨率达79 nm;解决了乌氏干涉仪自动读数的问题,提高了乌氏干涉仪的测量精度和准确性。     

任意相位差条纹信号细分方法的研究

为消除传统细分方法中由于两路条纹信号不正交引入的细分误差，提出了一种可对任意相位差条纹信号直接细分的新方法。根据两路条纹信号的极性和幅值大小，把一个信号周期分成8个区段。高速采集两路条纹信号，通过判断信号采样点所处的区段是否跳变对信号幅值交点进行动态跟踪。对不足一个周期的条纹移动，当测量出起点与终点的幅值，计算出其所在的区段及位置后，结合两路信号的交点，可实现对任意相位差条纹信号的细分。实验结果表明，该方法突破了传统细分方法必须信号正交的限制，可对任意相位差信号进行准确地细分，降低了条纹测量中器件安装与调试的难度，具有更强的环境适应性和抗干扰能力。     

Fringe skeletonizing using an improved derivative sign binary method

A modified derivative sign binary method is proposed to extract fringe skeletons from interferometric fringe patterns. A fringe direction map ranging from 0° to 360° is obtained with an unambiguous relationship between the grayscale and fringe tangent direction. Using this approach, the derivative sign binary map is detected without a fringe direction jump. The dark (light) fringe intensity minimum (maximum) can be extracted automatically to define fringe skeletons. In addition, two different anisotropic one-dimensional filters are described that can be used for further improving the fringe quality. Examples are provided for a holographic interferogram and a Moiré fringe pattern to illustrate applications and benefits of the approach.     

SELF-CONSISTENT TREATMENT OF PLASMA EXPANSION IN THE PRESENCE OF ELECTRON PLASMA WAVE

The hydrodynamic modification of an expanding plasma near the reflection point of an electron plasma wave is investigated by simultaneously solving the wave equation together with the steady-state hydrodynamic equations.The electric field and electron density fluctuation of the plasma wave are derived in a self-consistently steepened density profile. while the density jump and its dependence on the wave amplitude are also determined.     

Nonlinear dynamic filtering of logarithmically amplified fringe signals in optical coherence tomography applied to paper measurements

Application of the nonlinear Kalman filtering method to logarithmically amplified low-coherence fringe signals measured from paper samples is considered. Experimental results of dynamic fringe envelope recovery in optical coherence tomography (OCT) systems are presented. The analog fringe envelope and digital dynamic fringe envelope recoveries from noisy signals are compared. The results show that the nonlinear discrete Kalman filtering method can be applied to estimate envelopes of logarithmically transformed low-coherence fringe signals with high noise immunity. Logarithmic amplification reduces quantization error in dealing with small signal values. The experimental results obtained demonstrate the possibility of purely digital signal processing in OCT. The text was submitted by the authors in English.     

Self-correction of fringe order jump error induced by system nonlinearity based on phase-coding method

Optical Review - Temporal phase unwrapping based on phase-encoding is a technique widely used in 3D measurement for its high-speed advantage. However, eliminating fringe order jump error induced by...     

Combination of high-intensity femtosecond laser pulses for generation of time-dependent polarization pulses and ionization of atomic gas

Time-dependent polarization pulses are generated by combining two perpendicularly polarized, high-intensity laser pulses. The time evolution of the polarization state of the combined laser pulse is measured by the POLLIWOG technique. We observed changes in the polarization state while varying the relative delay. In order to investigate the effect of pulse combination on the ionization of atoms, the electron signals and the ion signals are measured by irradiating combinations of two perpendicularly polarized pulses or two parallel polarized pulses. With the two parallel polarized pulses, high-order fringe-resolved autocorrelations are obtained by measuring the time-integrated ion signals as a function of the time delay. When two perpendicularly polarized pulses are combined, the fringe period of the time-integrated electron signal as a function of the time delay is different from that of the time-integrated ion signal. This is due to the fact that the electron signal depends on the direction of the field vibration and the number of generated electrons. We also measured the electron energy distributions at different relative delays and confirmed that these depend on the polarization state of generated pulses.     

单片机莫尔条纹细分技术

介绍一种软件莫尔条纹细分方法,该方法利用单片机采集数据和数据处理手段细分莫尔条纹信号。该方法测量电路简单,对莫尔条纹信号要求低,细分数高,实时性好,可用于静态、动态测量。     

A theoretical treatment of the line-intensity jump in a decaying argon-arc plasma

The line-intensity jump in decaying argon arcs has been investigated theoretically. The population density at the peak of the jump is in Saha-Boltzmann equilibrium. Using the Saha-Boltzmann relation, the influence of the change in electron density is clarified. As a criterion above which the change in electron density does not influence the amplitude of the jump, τ_N/τ_T ≧ 10₃ is derived, where τ_N and τ_T are, respectively, the density and temperature relaxation times for the electrons. This criterion is not satisfied in most arcs. An improved method is presented for the determination of the gas temperature in stationary arcs.