[发明专利]一种用于托卡马克等离子体密度测量的相位差检测方法

说明书

本发明公开了一种用于托卡马克等离子体密度测量的相位差检测方法，涉及等离子体密度测量技术领域，包括AD模块、FPGA模块，所述AD模块包括信号调理电路和采样电路，所述FPGA模块包括数据复用单元、ap‑FFT单元、相位差计算单元和相位叠加单元。本发明方法可以用来提高数据的利用率，进而提高了输出结果的时间分辨率，具有可靠性高，抗干扰能力强，实时性好的优点；并且采用了ap‑FFT方法对等离子体相位进行测量，减少了FFT的栅极效应，提高相位差测量的精度。

技术领域：

本发明涉及等离子体密度测量技术领域，具体涉及一种用于托卡马克等离子体密度测量的相位差检测方法。

背景技术：

在托卡马克中，研究等离子的电子密度是了解其相关性质的一个重要途径，通过测量的相位数据反演得到电子密度的空间分布。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的探究。

测量托卡马克中等离子体的电子密度，通常采用一种过零法的硬件相位计。该方法是使用HCN(氰化氢激光干涉仪)激光干涉仪对等离子测量，其中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。硬件的方式实现测量相位。特点是对每个周期做一次比较，输出一个相位差结果，它的时间分辨率是0.1ms，相位差稳定性较好，但结果容易受到±1的误差干扰，另一方面抗干扰能力较差，电子噪声也较多。

FFT(傅里叶变换)相位差比较法，是通过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，在近些年提出并应用在等离子密度测量中，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。

ap-FFT(全相位傅里叶变换)，是对FFT的数据的预处理后再进行FFT的方法，该方法具有极好的抑制频谱泄漏性能，并且小信号也能在栅极效果影响下分辨出来。最主要的是ap-FFT的相位不变性特性，无需任何校正措施即可实现高精度的相位测量，能减少相位误差，提高系统的精度，但该方法未运用在等离子密度的测量中。

目前，在托卡马克装置中应用广泛的是硬件相位差计。使用采集卡对硬件相位差输出电压采集。性能稳定，但电路复杂，成本较高。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种用于托卡马克等离子体密度测量的相位差检测方法，解决托卡马克中FFT测量相位中，栅极效应的影响导致的误差不准确，另一方面提高FFT转化输出频率。

本发明所要解决的技术问题采用以下的技术方案来实现：

一种用于托卡马克等离子体密度测量的相位差检测方法，包括AD模块、FPGA模块，所述AD模块包括信号调理电路和采样电路，所述FPGA模块包括数据复用单元、ap-FFT单元、相位差计算单元和相位叠加单元。

信号调理电路主要功能是将单端信号转化为差分信号，一方面可以提高信号的抗干扰能力，另一方面AD转化芯片输入为差分输入，采样电路为双核同步AD芯片，保持同步性，将模拟信号转化为数字信号。

数据复用单元一方面对采样的数据进行平均计算，减少白噪声的干扰；另一方面通过对数据进行复用，提高FFT的输出结果频率。ap-FFT单元主要是通过ap-FFT计算出序列的相位。相位差计算单元，参考信号和探针信号两路和相位相减得出的相位差结果。相位叠加单元，由相位差持续递增和递减导致相位差为180°的周期倍数，根据递增的趋势进行相位差叠加或者递减趋势进行相位差递减。

所述用于托卡马克等离子体密度测量的相位差检测方法，包括以下步骤：

S1对整个系统模块进行初始化：配置AD模块、FPGA模块的相关参数和清空FPGA模块内部RAM的数据缓存。