基于发射光谱法的等离子体电子密度三维联合诊断方法

1.本发明属于等离子体诊断技术领域，具体涉及一种基于发射光谱法的等离子体电子密度三维联合诊断方法。


背景技术：

2.等离子体电子密度的三维空间分布对研究电磁波与等离子体的相互作用机理有重要作用。等离子体复杂的内部结构以及动态变化快的特性对等离子体电子密度诊断技术提出了较高的要求。
3.目前，等离子体电子密度的诊断方法主要有静电探针法、干涉法和光谱法。静电探针法可以达到一百微米量级的空间分辨率和微秒量级的时间分辨率，具有简单、经济的优点，但是探针只能完成对等离子体定点或者定线的测量，且接触式测量会影响待测流场的分布，很难保证得到准确的电子密度信息。干涉法常见的为激光干涉诊断法和微波干涉诊断法，干涉法作为一种非接触式诊断技术，优点在于可以实现无干扰检测，诊断误差较小，但其缺点是必须仔细考虑等离子体流场的空间布局，而且只能得到传播路径上的第一电子密度。光谱法可以分为吸收光谱法和干涉光谱法，通过光谱信息诊断电子密度是一种非接触式诊断技术，但通常只能用于斯塔克(stark)效应明显的等离子体诊断中，而且光谱仪很难进行绝对校准，并且光谱诊断法获得是透镜汇聚光线范围内的等离子体整体电子密度分布。
4.可见，现有的诊断方法大多是单点、单线的诊断，很难对等离子体电子密度的三维空间进行整体分析。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于发射光谱法的等离子体电子密度三维联合诊断方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
6.本发明提供一种基于发射光谱法的等离子体电子密度三维联合诊断方法，包括：
7.利用光学相机获得等离子体发射光谱系数的投影图像，并利用微波干涉在预设路径上诊断等离子体的第一电子密度积分值；
8.通过三维重建算法，从所述投影图像中得到等离子体发射光谱系数的三维分布；
9.利用静电探针诊断所述预设路径上的电子密度相对分布，并根据所述电子密度相对分布确定静电探针诊断的预设路径上的第二电子密度积分值；
10.利用所述第一电子密度积分值和所述第二电子密度积分值，修正预设路径上静电探针诊断的电子密度分布，得到预设路径的电子密度一维分布；
11.从所述发射光谱系数的三维分布中提取出与所述预设路径的电子密度一维分布具有时间一致性和空间一致性的发射光谱系数一维分布，并计算标定公式；
12.根据所述标定公式和所述等离子体发射光谱系数的三维分布，获得该等离子体电子密度的三维分布。
13.在本发明的一个实施例中，所述通过三维重建算法，从所述投影图像中得到等离子体发射光谱系数的三维分布的步骤，包括：
14.对所述投影图像进行滤波处理之后，采用面层析算法或体层析算法对所述等离子体的发射光谱系数进行三维重建，得到其发射光谱系数的三维分布。
15.在本发明的一个实施例中，所述利用静电探针诊断所述预设路径上电子密度的相对分布，并对所述电子密度分布积分，确定各预设位置点的电子密度积分的步骤，包括：
16.利用静电探针逐点诊断预设路径的电子密度相对分布；
17.根据所述预设路径的长度，对预设路径的电子密度相对分布进行积分，得到静电探针诊断的预设路径的电子密度积分值。
18.在本发明的一个实施例中，所述利用所述第一电子密度积分值和所述第二电子密度积分值，修正预设路径上静电探针诊断的电子密度分布，得到预设路径的电子密度一维分布的步骤，包括：
19.根据所述微波干涉诊断的电子密度积分值及静电探针诊断的电子密度积分值，确定所述预设路径微波诊断对静电探针诊断的微波修正系数；
20.将预设路径的微波修正系数分别与静电探针的逐点电子密度值对应相乘，得到所述预设路径上等离子体的电子密度一维分布。
21.在本发明的一个实施例中，按照如下公式确定所述预设路径上各预设位置点的修正系数：
[0022][0023]
式中，r表示所述等离子体的半径，n表示第一电子密度积分值，ne(x)表示静电探针诊断预设路径上点x的电子密度值，k表示微波修正系数。
[0024]
在本发明的一个实施例中，所述从所述发射光谱系数的三维分布中提取出与所述预设路径的电子密度一维分布具有时间一致性和空间一致性的发射光谱系数一维分布，并计算标定公式的步骤，包括：
[0025]
从所述等离子体发射光谱系数的三维分布中，提取出所述预设路径上的发射光谱系数一维分布；
[0026]
将所述发射光谱系数一维分布与所述预设路径的电子密度一维分布按照各预设位置点进行对应后，拟合得到标定公式。
[0027]
在本发明的一个实施例中，所述根据所述标定公式和所述等离子体发射光谱系数的三维分布，获得该等离子体电子密度的三维分布的步骤，包括：
[0028]
将所述等离子体发射光谱系数的三维分布代入所述标定公式，得到等离子体电子密度的三维分布。
[0029]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0030]
本发明提供一种基于发射光谱法的等离子体电子密度三维联合诊断方法，通过基于光学相机实现高速目标等离子体发射光谱系数的三维重建，基于静电探针获得预设路径上电子密度相对分布，基于微波干涉仪获得预设路径上的电子密度积分值，以确定不同实验工况条件下等离子体发射光谱系数一维分布与电子密度一维分布的定量关系，本发明利用多种测量技术可最终获得等离子体电子密度的三维整体分布，在诊断精度和时空分辨率
方面均具有优势。
[0031]
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
[0032]
图1是本发明实施例提供的基于发射光谱法的等离子体电子密度三维联合诊断方法的一种流程图；
[0033]
图2是本发明实施例提供的三维重建算法的示意图；
[0034]
图3是本发明实施例提供的等离子体发射光谱系数的三维分布的实例图；
[0035]
图4是本发明实施例提供的基于发射光谱法的等离子体电子密度三维联合诊断方法的一种示意图；
[0036]
图5是本发明实施例提供的基于发射光谱法的等离子体电子密度三维联合诊断方法的另一种示意图；
[0037]
图6是本发明实施例提供的发射光谱系数一维分布与预设路径上等离子体的电子密度一维分布的拟合曲线；
[0038]
图7是本发明实施例提供的等离子体电子密度的三维分布的实例图。
具体实施方式
[0039]
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0040]
图1是本发明实施例提供的基于发射光谱法的等离子体电子密度三维联合诊断方法的一种流程图。如图1所示，本发明实施例提供一种基于发射光谱法的等离子体电子密度三维联合诊断方法，包括：
[0041]
s1、利用光学相机获得等离子体发射光谱系数的投影图像，并利用微波干涉在预设路径上诊断等离子体的第一电子密度积分值；
[0042]
s2、通过三维重建算法，从投影图像中得到等离子体发射光谱系数的三维分布；
[0043]
s3、利用静电探针诊断预设路径上的电子密度相对分布，并根据电子密度相对分布确定静电探针诊断的预设路径上的第二电子密度积分值；
[0044]
s4、利用第一电子密度积分值和第二电子密度积分值，修正预设路径上静电探针诊断的电子密度分布，得到预设路径的电子密度一维分布；
[0045]
s5、从发射光谱系数的三维分布中提取出与预设路径的电子密度一维分布具有时间一致性和空间一致性的发射光谱系数一维分布，并计算标定公式；
[0046]
s6、根据标定公式和等离子体发射光谱系数的三维分布，获得该等离子体电子密度的三维分布。
[0047]
需要说明的是，在一定的实验工况下，即相同的气压、电功率等实验环境下，设备每次产生的等离子体的发射光谱系数稳定，在电子温度差异较小时，可认为单波长发射光谱系数的大小正比于电子密度。
[0048]
上述步骤s1中，保持光学相机的位置、曝光时间、光圈、增益等参数不变，并在光学相机镜头前安装单波长滤镜，获得该波长发射光谱系数的投影图像。本实施例中，光学相机所拍摄的投影图像的灰度正比于发射光谱系数，也就是说，投影图像的灰度与电子密度大
小正相关。
[0049]
可选地，上述步骤s2中，通过三维重建算法，从投影图像中得到等离子体发射光谱系数的三维分布的步骤，包括：
[0050]
对投影图像进行滤波处理之后，采用面层析算法或体层析算法对等离子体的发射光谱系数进行三维重建，得到其发射光谱系数的三维分布。
[0051]
图2是本发明实施例提供的三维重建算法的示意图，图3是本发明实施例提供的等离子体发射光谱系数的三维分布的实例图。具体而言，获得不同实验工况下等离子体的单波长光谱系数的投影图像后，对采集到的投影图像进行中值滤波，以减少投影图像中因噪声产生的无效信息干扰；进一步地，如图2所示，以面层析算法为例，采用abel逆变换对等离子体的发射系数进行三维重建：首先，取出投影图像的一列像素作为轴对称的等离子体在各个方向上的投影，构造出0～180
°
范围内的完备数据，然后基于构造出的完备数据，利用abel逆变换算法重建出等离子体发射光谱的二维分布，通过重复上述过程可将每次重建出的二维分布沿着轴向堆叠起来，构成图3所示的等离子体发射光谱的三维分布。
[0052]
可选地，利用静电探针诊断预设路径上的电子密度相对分布，并根据电子密度相对分布确定静电探针诊断的预设路径上的第二电子密度积分值的步骤，包括的步骤，包括：
[0053]
利用静电探针逐点诊断预设路径的电子密度相对分布；
[0054]
根据所述预设路径的长度，对预设路径的电子密度相对分布进行积分，得到静电探针诊断的预设路径的第二电子密度积分值。
[0055]
本实施例中，为了获得时间同步的微波干涉诊断结果和投影图像，微波干涉仪与光学相机同步工作。具体地，微波天线架设在等离子体两侧，静电探针则安装于运动导轨上，利用微波天线在预设路径上诊断得到等离子体的第一电子密度积分值之后，保持等离子体的状态不变，由运动导轨带动静电探针在等离子体径向做直线运动，并采用位移传感器获得静电探针在预设路径上的点x，进而诊断得到各点处的电子密度ne(x)，也就是预设路径上电子密度相对分布，进一步对其积分得到静电探针诊断的第二电子密度积分值
[0056]
应当理解，静电探针可按照一定的测量频率在预设路径上进行诊断，从而获得各点处的电子密度。
[0057]
图4是本发明实施例提供的基于发射光谱法的等离子体电子密度三维联合诊断方法的一种示意图。请参见图4，上述步骤s4中，利用第一电子密度积分值和第二电子密度积分值，修正预设路径上静电探针诊断的电子密度分布，得到预设路径的电子密度一维分布的步骤，包括：
[0058]
s401、根据第一电子密度积分值和第二电子密度积分值，确定所述预设路径上各点的微波修正系数；
[0059]
s402、将各点的微波修正系数分别与静电探针诊断得到的逐点电子密度对应相乘，得到预设路径上等离子体的电子密度一维分布。
[0060]
具体而言，预设路径上各点的微波修正系数为微波干涉诊断的第一电子密度积分值和静电探针诊断的第二电子密度积分值之比：
[0061][0062]
式中，r表示等离子体的半径，n表示第一电子密度积分值，ne(x)表示静电探针诊断预设路径上点x的电子密度值，k表示微波修正系数。
[0063]
图5是本发明实施例提供的基于发射光谱法的等离子体电子密度三维联合诊断方法的另一种示意图。请参见图5，上述步骤s5中，从发射光谱系数的三维分布中提取出与预设路径的电子密度一维分布具有时间一致性和空间一致性的发射光谱系数一维分布，并计算标定公式的步骤，包括：
[0064]
从等离子体发射光谱系数的三维分布中，提取出预设路径上的发射光谱系数一维分布；
[0065]
将发射光谱系数一维分布与预设路径上等离子体的电子密度一维分布按照各预设位置点进行对应后，拟合得到标定公式。
[0066]
具体而言，从投影图像中反演得到发射光谱系数的三维分布后，从中取出预设路径上发射光谱系数的一维分布i(x)，将发射光谱系数一维分布与预设路径上的电子密度一维分布ne(x)按照各预设位置点进行对应；接着，通过拟合计算标定公式f，即ne＝f(i)；其中，ne(x)＝kne(x)。示例性地，图6是本发明实施例提供的发射光谱系数一维分布与预设路径的电子密度一维分布的拟合曲线，对应的标定公式为ne＝(1.26e+15)*i2+(1.11e+14)*i+(-1.79e+11)。
[0067]
图7是本发明实施例提供的等离子体电子密度的三维分布的实例图。进一步地，将等离子体发射光谱系数的三维分布i代入标定公式f，则ne＝f(i)，即可得到等离子体电子密度的三维分布ne。
[0068]
通过上述各实施例可知，本发明的有益效果在于：
[0069]
本发明提供一种基于发射光谱法的等离子体电子密度三维联合诊断方法，通过基于光学相机实现高速目标等离子体发射光谱系数的三维重建，基于静电探针获得预设路径上电子密度相对分布，基于微波干涉仪获得预设路径上的电子密度积分值，以确定不同实验工况条件下等离子体发射光谱系数一维分布与电子密度一维分布的定量关系，本发明利用多种测量技术可最终获得等离子体电子密度的三维整体分布，在诊断精度和时空分辨率方面均具有优势。
[0070]
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0071]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
[0072]
尽管在此结合各实施例对本技术进行了描述，然而，在实施所要求保护的本技术
过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
[0073]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。