用于激光干涉法电子密度测量的全数字化实时高精度相位比较系统的研究

In the research of the plasma diagnostic in tokmakas, according to the requirements of plasma electron density distribution measurement using far-infrared (FIR)laser interferometry, we will explore a novel FPGA-based real-time data processing technique with parallel and pipeline,which is able to achieve the phase comparebetween the periodic signals consisted of multi frequency components.A series of special algorithmssuch as digital filter, spectrum tracking, special self-adapt widow function, etc. will be developed and researched to reduce or eliminate the adverse effects on measurement accuracygenerated by many factors like frequency drifting、crosstalk、noise jamming、combined frequency interference、spectrum leakage and so on. We will attempt to makethe measurementaccuracy reach to 1/3600 fringe and the time delay less than 1 ms in the phase comparing between the periodic signals consisted of multi frequency components. It will provide a new technological approach for the information processing ofthe plasma electron density measurement with real-time feedbackcontrol ability by virtue of FIR laser interferometryin tokamakas.

在托卡马克等离子体诊断研究中，针对远红外（FIR，Far-infrared）激光干涉法测量等离子体电子密度分布的需求，探索一种具备多频率分量周期信号相位比较能力的基于FPGA的多路并行流水线型实时在线数据处理新方法；探索研究数字滤波、谱线跟踪、特殊自适应窗函数等多种数据处理的特殊算法，降低或消除诸多不利因素如频率漂移、串扰、噪声干扰、组合频率干扰、频谱泄露等等对测量精度的影响，力求实现对多频率分量中频测量信号的相位鉴别能够达到1/3600 fringe的高精度；时间延迟优于1 ms的高实时性；为托卡马克装置中具有实时反馈控制能力的远红外（FIR，Far-infrared）激光干涉等离子体密度测量信息处理提供一条全新的技术途径。

在托卡马克等离子诊断中，用远红外（FIR，Far-infrared）激光干涉法测量等离子体电子密度对于研究实验中发生的各种物理现象具有重要意义，同时也是实现等离子体密度精确控制的重要反馈信号。针对该方法对于相位差测量的关键问题，模拟验证和实现了快速频谱泄露修正算法、实时相位翻转处理算法、频率跟踪及识别算法和频谱分离方法，相对于传统的快速傅里叶变换方法，这些算法分别提高了测量精度、扩展了测量的动态范围、消除诸如频率漂移干扰和实现了三种频率的同时独立提取。同时还提出和实现了基于幅度的精度监测与控制算法，对于精度、稳定性和抗干扰等多个方面均有显著提升。基于上述算法，完成了一套相位差测量电子学系统的原理图设计、PCB设计、FPGA算法实现、软件控制系统设计和联合调试，使得系统稳定性得到了有效保证，在实验室环境下对系统进行测试并达到预期精度指标（1/3600 fringe）和时间延迟优于1 ms的高实时性。在旋转光栅实验中，系统成功识别到了三种频率信号，并准确计算三个信号的相位差值。在实际信号测试中，成功通过了HL-2A激光等离子体诊断的测试，完整记录了多次等离子放电过程中的“破裂”现象和多次平稳放电过程，测量精度达到了1/3600 fringe，时间分辨率达到了80ns，密度的反馈延时为180us。软件上完成了与托卡马克装置控制系统的对接，进一步实现了系统数据的实时反馈，验证了系统的性能和可靠性。