零中频多道微波多普勒测量系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型属于一种磁约束受控核聚变等离子体微波诊断系统，具体涉及一种基于微波零中频解调技术的多道多普勒测量系统。该系统包括微波频率源、定向耦合器、可调衰减器、多工器、发射和天线、功放、滤波器、解调器和视放等。其优点是，它采用微波源直接解调方法，不需要像外差系统那样将微波下变频至中频信号再解调，使多道微波多普勒测量系统结构得到简化，具有成本低、时间分辨高、维护简单，研制周期短等优点。该系统能够同时测量多个空间点的等离子体旋转速度和湍流谱，同时还能获得它们的空间相关性。系统的测量区域受微波源的工作频率决定，在适当范围内，通过调节微波源的输出频率，还可以改变测量区域。
【专利说明】零中频多道微波多普勒测量系统
【技术领域】
[0001]本发明属于一种磁约束受控核聚变等离子体微波诊断系统，具体涉及一种基于微波零中频解调技术的多频率点微波多普勒诊断系统。
【背景技术】
[0002]在磁约束受控核聚变实验研究中，等离子体湍流和旋转是等离子体约束与输运课题研究中的关键物理参量，这些参量与等离子体反常的径向粒子和热输运、动量输运，与实现高约束模式运行的聚变等离子体有密切的联系。根据磁约束聚变装置的特点，等离子体旋转和湍流在等离子体约束区的不同径向位置具有不同的分布特征，且这些特征的演化时间尺度非常小，达到毫秒量级，因此高时空分辨地测量一直以来是国际聚变届的重要研究热点和目标。
[0003]目前这一研究领域中对这两个参量的测量主要有微波多普勒反射、静电探针和电荷交换复合光谱等三种方法。其中静电探针的测量必须将探针伸入到等离子体，才能实现测量，但是伸入探针会改变局域等离子体特征，另外高温等离子体很容易烧毁探针，探针与等离子体相互作用产作的杂质影响等离子体运行，严重时威胁装置安全，这使得该诊断只能在较低温度的等离子体边缘区域测量，空间覆盖非常有限。电荷交换复合光谱测量诊断是一种依赖于高能中性粒子束的主动诊断，高能中性粒子束造价昂贵，该诊断对诊断束质量有较高要求，测量环境中的高能电子也将影响该诊断的光谱测量，并且诊断布置与中性束的几何安装有密切关系，才能实现极向旋转速度的测量；其次，该方法时间分辨较差，很难定量描述局域密度涨落水平，使得该诊断系统复杂，造价昂贵，系统稳定性受限。微波多普勒反射利用微波在等离子体中的湍流散射来测量特定波矢的旋转速度和湍流强度，其不会影响等离子体局域特性。通过改变微波频率和测量角，可以实现不同区域和不同波矢的测量，是一种不依赖于辅助加热条件的主动测量手段，适用于等离子体边缘到芯部所有区域的测量。为了测量旋转速度方向，微波系统需要对从等离子体散射回来的信号进行正交解调。而要实现分布测量，需要多频率的微波信号在等离子体中不同径向位置散射，以测量不同区域的多普勒信号。如果采用多套微波系统来同时测量会受到装置诊断窗口的限制，外差系统的多次变频使系统变得复杂，维护困难，系统的研制成本大幅升高。目前国际上通常采用一个宽带微波源来扫频和外差测量多普勒信号，但是这种步进扫频方法使测量的分布不是同一时刻的，一个扫频周期时间达到好几十毫秒，使时间分辨变得很差，给物理分析造成困难。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种零中频多道微波多普勒测量系统，该系统能够同时测量多个空间点的等离子体旋转速度和湍流谱，能获得它们的空间相关性，同时系统还具有成本低、时间分辨高、维护简单，研制周期短等优点。
[0005]本发明是这样实现的，基于零中频解调的多道多普勒测量系统，它包括微波频率源、定向耦合器、可调衰减器、多工器、发射端带阻滤波器、发射天线、接收天线、等离子体截止层、接收端带阻滤波器、宽带微波功率放大器、微波功率分配器、带通滤波器、可调增益微波功率放大器、微波正交解调器、低通滤波器、视频放大器，其中，微波频率源、定向耦合器、可调衰减器、多工器、发射端带阻滤波器、发射天线构成微波多路频率发射系统，微波频率源的输出端与定向I禹合器的输入端连接，定向I禹合器的输出端与可调衰减器的输入端连接，可调衰减器的输出端与多工器的输入端连接，多工器的输出端与发射端带阻滤波器的输入端连接，发射端带阻滤波器的输出端与发射天线的输入端连接，发射天线将微波向等离子体截止层发射，接收天线、接收端带阻滤波器、宽带微波功率放大器、微波功率分配器、带通滤波器、可调增益微波功率放大器、微波正交解调器、低通滤波器、视频放大器构成多路微波接收系统，从等离子体截止层反射回来的微波信号被接收天线接收，接收天线的输出端与接收端带阻滤波器的输入端连接，接收端带阻滤波器的输出端与宽带微波功率放大器的输入端连接，宽带微波功率放大器的输出端与微波功率分配器的输入端连接，微波功率分配器的输出端与带通滤波器的输入端连接，带通滤波器的输出端与微波正交解调器的射频输入端连接，定向耦合器的耦合输出端与可调增益微波功率放大器的输入端连接，可调增益微波功率放大器的输出端与微波正交解调器的本振输入端连接，定向耦合器和可调增益微波功率放大器构成了微波的本振回路，它们的工作频率与微波源的频率一致，道数与微波源的数量相同，可调增益微波功率放大器的输出功率要与微波正交解调器的最佳本振功率一致，微波正交解调器的同相输出端和正交输出端分别与不同的低通滤波器的输入端连接，低通滤波器的输出端与视频放大器的输入端连接，视频放大器的输出端解调信号送给数据采集和分析系统。
[0006]所述的微波频率源为多个独立的微波源，其工作频率不同，它由要求的测量空间位置决定，微波频率源的功率要求大于20dBm。
[0007]所述的微波功率分配器为一个宽频带的微波功率分配器，其工作频率由微波频率源的频率决定，要求微波功率分配器的工作频率范围覆盖所有微波频率源的工作频率。
[0008]所述的带通滤波器的工作频率与微波频率源的工作频率一一对应，分别用于从接收系统中将所需要的频率单独提取出来，给微波正交解调器进行正交鉴相。
[0009]所述的低通滤波器和视频放大器的工作频率由系统要求的测量频率分辨率和多普勒频移产生的频偏大小决定，通常小于5MHz。
[0010]本发明的优点是，它采用微波源直接解调方法，不需要像外差系统那样将微波下变频至中频信号再解调，使多道微波多普勒测量系统结构得到简化，具有成本低、时间分辨高、维护简单，研制周期短等优点。该系统能够同时测量多个空间点的等离子体旋转速度和湍流谱，同时还能获得它们的空间相关性。系统的测量区域受微波源的工作频率决定，在适当范围内，通过调节微波源的输出频率，还可以改变测量区域。系统中有带阻滤波器，能吸收高功率电子回旋波信号，能够很好地保护系统各个元件和防止对待测多普勒频谱的干扰。在微波发射通道中的可调微波衰减器能够使每一个发射频率的功率能够根据测量需要调节，使系统的测量区域更高的适用性。选用合适频率和带宽的低通滤波器和视频放大器，能够获得较高的时间分辨。本统除了能够用于等离子体的湍流和旋转速度分析，还能用于其他领域的测量和分析，如天体等离子体，运动目标的微波多普勒雷达监测等。【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是本发明所提供的零中频多道多普勒测量系统示意图。
[0012]图中:I微波频率源，2定向耦合器，3可调衰减器，4多工器，5发射端带阻滤波器，6发射天线，7接收天线，8等离子体截止层，9接收端带阻滤波器，10宽带微波功率放大器，11微波功率分配器，12带通滤波器，13可调增益微波功率放大器，14微波正交解调器，15低通滤波器，16视频放大器。
【具体实施方式】
[0013]下面结合附图和实施例对本发明进行详细介绍:
[0014]本发明针对等离子体内部旋转和湍流分布测量所受到的条件限制，以及传统微波外差扫频系统时间分辨较差、维护困难等问题，提供一种基于零中频解调技术的多道微波多普勒反射诊断系统。
[0015]一种基于零中频解调的多道微波多普勒测量系统，该系统包括微波频率源、定向耦合器、可调衰减器、多工器、发射端带阻滤波器、发射天线、接收天线、等离子体截止层、接收端带阻滤波器、宽带微波功率放大器、微波功率分配器、带通滤波器、可调增益微波功率放大器、微波正交解调器、低通滤波器、视频放大器等。微波频率源的输出端依次与定向耦合器和可调衰减器连接，可调衰减器的输出端与多工器的输入端连接，多工器的输出端依次与带阻滤波器和发射天线连接，接收天线的输出端依次与带阻滤波器和宽带功分器连接，宽带功分器的输出端依次与带通滤波器和微波正交混频器连接，定向耦合器的耦合输出端依次与可调增益微波功率放大器和微波正交混频器的本振端连接，微波正交混频器的输出端依次与低通滤波器、视频放大器和数据采集与分析系统连接。
[0016]所述的微波频率源输出的微波信号经定向耦合器和可调衰减器进行功率调节，在多工器中进行功率合成，多路微波合路后，经发射端带阻滤波器和发射天线同时向等离子体发射微波功率信号。从等离子体截止层反射回来的微波信号，携带了等离子体湍流和旋转信息，即等离子体的扰动强度和旋转产生的多普勒频移，被接收天线接收，然后经接收端带阻滤波器，在宽带微波功率放大器中进行功率放大，放大后的微波信号在微波功率分配器中进行功率分配。然后给带通滤波器进行选频，送入到下一级的微波正交解调器中进行解调。微波正交解调器的本振驱动信号由定向耦合器的耦合输出端产生，定向耦合器的耦合输出信号经可调增益微波功率放大器，将每一个微波信号功率放大到足够驱动微波正交解调器。微波正交解调器在微波频率上直接进行解调，输出产生O度和90度相位的正交测量信号，经低通滤波器和视频放大输出给数据采集和分析系统，该信号包含了来自等离子体湍流的信息，经数据分析获得多普勒频移和扰动的强度信号，进而获得旋转速度分布和瑞流分布。
[0017]如图1所示，本发明所提供的一种基于零中频解调的多道多普勒测量系统，该系统包括微波频率源1、定向耦合器2、可调衰减器3、多工器4、发射端带阻滤波器5、发射天线6、接收天线7、等离子体截止层8、接收端带阻滤波器9、宽带微波功率放大器10、微波功率分配器11、带通滤波器12、可调增益微波功率放大器13、微波正交解调器14、低通滤波器15、视频放大器16。
[0018]微波频率源1、定向耦合器2、可调衰减器3、多工器4、发射端带阻滤波器5、发射天线6构成微波多路频率发射系统，测量的道数为微波频率源的数量，多工器的输入端数量与微波频率源的数量相同。
[0019]微波频率源I的输出端与定向I禹合器2的输入端连接,定向I禹合器2的输出端与可调衰减器3的输入端连接，可调衰减器3的输出端与多工器4的输入端连接，多工器4的输出端与发射端带阻滤波器5的输入端连接,发射端带阻滤波器5的输出端与发射天线6的输入端连接，发射天线6将微波向等离子体截止层8发射。
[0020]接收天线7、接收端带阻滤波器9、宽带微波功率放大器10、微波功率分配器11、带通滤波器12、可调增益微波功率放大器13、微波正交解调器14、低通滤波器15、视频放大器16构成多路微波接收系统。接收的通道量与微波频率源的数量相同。
[0021]从等离子体截止层8反射回来的微波信号被接收天线7接收，接收天线的输出端与接收端带阻滤波器9的输入端连接，接收端带阻滤波器9的输出端与宽带微波功率放大器10的输入端连接，宽带微波功率放大器10的输出端与微波功率分配器11的输入端连接，微波功率分配器11的输出端与带通滤波器12的输入端连接，带通滤波器12的输出端与微波正交解调器14的射频输入端连接。
[0022]定向耦合器2的耦合输出端与可调增益微波功率放大器13的输入端连接，可调增益微波功率放大器13的输出端与微波正交解调器14的本振输入端连接。定向I禹合器2和可调增益微波功率放大器13构成了微波的本振回路，它们的工作频率与微波源的频率一致，道数与微波源的数量相同，可调增益微波功率放大器13的输出功率要与微波正交解调器14的额定本振功率一致。这里我们采用的正交解调器的额定本振功率为+17dBm。
[0023]微波正交解调器14的同相输出端和正交输出端分别与不同的低通滤波器15的输入端连接，低通滤波器15的输出端与视频放大器16的输入端连接，视频放大器16的输出端解调信号送给数据采集和分析系统，获得测量到的多普勒频移信号。
[0024]所述的微波频率源I为多个独立的微波源，其工作频率不同，它由测量空间位置决定，微波频率源的功率要求在大于20dBm，否则需要在发射端增加功率放大器，以获得足够高的微波发射功率。微波源的个数决定的系统的空间道数，考虑到功率分配器的效率，以2的倍数为最佳，这里附图1以四路测量系统为例。
[0025]所述的多工器为一个低插入损耗的功率合成器。多工器能减少插入损耗，提高发射功率。当为4路系统时，其插入损耗可以做到1.5dB以下。
[0026]所述的微波功率分配器11为一个宽频带的微波功率分配器，其工作频率由微波频率源I的频率决定，要求微波功率分配器11的工作频率范围覆盖所有微波频率源I的工作频率。
[0027]所述的带通滤波器12的工作频率与微波频率源I的工作频率一一对应，分别用于从接收系统中将所需要的频率单独提取出来，给微波正交解调器14进行正交鉴相。
[0028]所述的低通滤波器15和视频放大器16的工作频率由系统的测量频率分辨率和多普勒频移产生的频偏大小决定，通常小于5MHz。
[0029]下面结合附图1详细描述本发明所提供的一种基于零中频解调调的多道多普勒测量系统的工作原理:
[0030]微波频率源I输出的微波信号经定向耦合器2和可调衰减器3进行功率调节，在多工器4中进行功率合成，微波合路后经带阻滤波器6和发射天线6同时向等离子体8发射。从等离子体8截止层反射回来的微波信号，携带了等离子体湍流和旋转信息，被接收天线7接收，然后经带阻滤波器9，在宽带微波功率放大器10中进行功率放大，放大后的微波信号在微波功率分配器11中进行功率分配。然后给带通滤波器12进行选频，送入到下一级的微波正交解调器14中进行解调。微波功率分配器11具有较高的隔离度，达到20dB以上，结合带通滤波器12共同作用，可以防止不同通道之间的测量信号互相干扰。
[0031]另外，带阻滤波器5和9分别用于发射端和接收端的高功率回旋波功率吸收，防止该功率回馈到微波系统中造成系统损坏。多工器4具有较高的隔离度，防止入射波和反射波相互干扰。
[0032]微波正交解调器14的本振信号来自定向耦合器2的耦合输出端，经可调增益微波功率放大器13，将每一个微波频率源耦合来的功率放大到+17dBm，使微波正交解调器14达到最佳工作状态。
[0033]微波正交解调器14在微波频率上直接进行解调，该解调器的原理为对参考信号功分后的其中一道进行了 90度相移，然后分别与测量到的微波信号进行下变频混频，这样变频出来的信号相差90度的相位差。由于这种技术直接在微波频段上进行解调鉴相，不需要将系统下变频到中频信号才解调，因此系统得到很大的简化。
[0034]微波正交解调器14的输出端输出测量扰动信号的O度和90度相位信号，经低通滤波器15和视频放大器16输出端解调信号送给数据采集和分析系统，获得测量到的多普勒频移信号和扰动的强度信号，进行分析出等离子体极向旋转速度和湍流强度分布。
[0035]上面结合附图和实施对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例子，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。
【权利要求】
1.基于零中频解调的多道多普勒测量系统，其特征在于:它包括微波频率源(I)、定向耦合器(2)、可调衰减器(3)、多工器(4)、发射端带阻滤波器(5)、发射天线(6)、接收天线(7)、等离子体截止层(8)、接收端带阻滤波器(9)、宽带微波功率放大器(10)、微波功率分配器(11)、带通滤波器(12)、可调增益微波功率放大器(13)、微波正交解调器(14)、低通滤波器(15)、视频放大器(16)，其中，微波频率源(I)、定向耦合器(2)、可调衰减器(3)、多工器(4)、发射端带阻滤波器(5)、发射天线(6)构成微波多路频率发射系统，微波频率源(I)的输出端与定向耦合器(2)的输入端连接，定向耦合器(2)的输出端与可调衰减器(3)的输入端连接，可调衰减器(3)的输出端与多工器(4)的输入端连接，多工器(4)的输出端与发射端带阻滤波器(5)的输入端连接，发射端带阻滤波器(5)的输出端与发射天线(6)的输入端连接，发射天线(6)将微波向等离子体截止层(8)发射，接收天线(7)、接收端带阻滤波器(9)、宽带微波功率放大器(10)、微波功率分配器(11)、带通滤波器(12)、可调增益微波功率放大器(13)、微波正交解调器(14)、低通滤波器(15)、视频放大器(16)构成多路微波接收系统，从等离子体截止层(8)反射回来的微波信号被接收天线(7)接收，接收天线的输出端与接收端带阻滤波器(9)的输入端连接，接收端带阻滤波器(9)的输出端与宽带微波功率放大器(10)的输入端连接，宽带微波功率放大器(10)的输出端与微波功率分配器(11)的输入端连接，微波功率分配器(11)的输出端与带通滤波器(12 )的输入端连接，带通滤波器(12)的输出端与微波正交解调器(14)的射频输入端连接，定向耦合器(2)的耦合输出端与可调增益微波功率放大器(13)的输入端连接，可调增益微波功率放大器(13)的输出端与微波正交解调器(14)的本振输入端连接，定向耦合器(2)和可调增益微波功率放大器(13)构成了微波的本振回路，它们的工作频率与微波源的频率一致，道数与微波源的数量相同，可调增益微波功率放大器(13)的输出功率要与微波正交解调器(14)的额定本振功率一致，微波正交解调器(14)的同相输出端和正交输出端分别与两个不同的低通滤波器(15)的输入端连接，低通滤波器(15)的输出端与视频放大器(16)的输入端连接，视频放大器(16)的输出端解调信号送给数据采集和分析系统。
2.如权利要求1所述的基于零中频解调的多道多普勒测量系统，其特征在于:所述的微波频率源(I)为多个独立的微波源，其工作频率不同，它由需要的测量空间位置决定，微波频率源的功率要求大于20dBm。
3.如权利要求1所述的基于零中频解调的多道多普勒测量系统，其特征在于:所述的微波功率分配器(11)为一个宽频带的微波功率分配器，其工作频率由微波频率源(I)的频率决定，要求微波功率分配器(11)的工作频率范围覆盖所有微波频率源(I)的工作频率。
4.如权利要求1所述的基于零中频解调的多道多普勒测量系统，其特征在于:所述的带通滤波器(12)的工作频率与微波频率源(I)的工作频率一一对应，分别用于从接收系统中将所需要的频率单独提取出来进行正交鉴相。
5.如权利要求1所述的基于零中频解调的多道多普勒测量系统，其特征在于:所述的低通滤波器(15)和视频放大器(16)的工作频率由系统要求的测量频率分辨率和多普勒频移产生的频偏大小决定，通常小于5MHz。
【文档编号】G01S17/50GK203799016SQ201420152975
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年3月31日 优先权日:2014年3月31日
【发明者】石中兵 申请人:核工业西南物理研究院