基于勒让德模型的广角VISAR条纹分析方法

技术领域

本发明涉及激光测量技术领域，具体涉及一种基于勒让德模型的广角 VISAR条纹分析方法。

背景技术

激光聚变是人类清洁、和平利用核聚变能源的重要实现方式，但诸如激光等离子体不稳定性问题、流体力学不稳定性问题、驱动加载控制问题等一系列重要科学问题影响着激光聚变内爆压缩效率，以至于激光聚变点火难以实现。

内爆对称性变化可以反映压缩演化的方向，也可反映驱动对称性和流体稳定性，是描述内爆性能的重要形式。不同的点火设计研究表明，内爆对称性的调节主要关注于压缩过程的前20ns，在这一时期，激光或X射线对靶丸表面进行烧蚀，被烧蚀的部分由于受热向外膨胀甚至飞散，未被烧蚀的部分向内产生驱动内爆的冲击波，是激光等离子体不稳定性、流体力学不稳定性的产生时期。冲击波诊断可以为精密的内爆压缩对称性研究提供数据支撑，从而为解决激光聚变中的等离子体不稳定性、流体力学不稳定性、辐射驱动加载控制等问题奠定基础。

任意反射面速度干涉仪(VISAR)是冲击波诊断的有力工具，在VISAR中，从冲击波阵面反射回的探针光由于光学多普勒效应，频率发生改变，被成像系统收集后进入干涉仪，频率信息以干涉条纹的形式输出到条纹相机上；条纹相机扫描视场中的光强变化，并转接到检测器(一般为CCD)上进行记录，通过读取记录图样中的条纹移动，可以得到冲击波的速度信息。

经典的VISAR技术应用大多局限于点、线或平面的采样，较少应用于激光聚变内爆过程中冲击波的宽角度、高时空分辨诊断。近年来，广角VISAR 技术被提出，其大致构造如图1所示，通过在激光聚变靶丸中设置椭球面反射镜后，实现了探测界面和VISAR探针光路的转接，表观上将三维球面的内爆冲击压缩转换成二维的平面压缩过程并记录，解决了传统冲击波探测由于取样局限难以用于三维对称性诊断的问题，为汇聚型流体力学诊断提供了新方法。该技术在神光Ⅲ原型装置上被成功验证，获得了广角的动态冲击波速度干涉条纹。

广角VISAR目前是通过条纹相机完成采样，关注像面一条线上的条纹信息变化，对应了靶丸上一段弧长上的速度情况，目前缺少有效方法使条纹图像能与内爆对称性变化联系起来，此外，由于探测视场角度范围的局限，或是冲击波面倾斜、致盲等原因，有时候条纹图样是不完整的，难以解出对应位置的冲击波速度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于勒让德模型的广角VISAR条纹分析方法，以解决广角VISAR条纹图样难以应用于激光聚变内爆对称性分析的技术问题，为开展基于广角VISAR的激光聚变内爆压缩对称性分析提供支撑。

为实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种基于勒让德模型的广角VISAR条纹分析方法，包括以下步骤：

S1：判断条纹数量是否满足条纹数据处理程序的输入条件，如满足执行步骤S2，不满足则执行步骤S3；

S2：利用条纹相机诊断与广角VISAR靶丸旋转对称轴垂直的截面上的冲击波速度情况，对条纹相机采集的条纹图样进行预处理，获得消除相位采样影响的条纹数据

S3：利用条纹相机诊断广角VISAR靶对称轴所在的截面上的冲击波速度情况，并记录条纹数据

通过以上方法，实现了广角VISAR条纹图样在激光聚变内爆对称性分析中的应用，无论条纹数量是否满足目前条纹数据处理程序输入条件，均能够进行分析。

步骤S2中诊断与广角VISAR靶丸旋转对称轴垂直的截面上的冲击波速度情况，通过在条纹相机与广角VISAR成像光路之间加载玻璃光纤传像束实现，所述玻璃光纤传像束中心与像面中心重合，其朝向条纹相机的一端为线形，卡在条纹相机狭缝上，另一端为环形。从而将像面的环形采样转化为条纹相机的线形记录。

所述步骤S3中诊断广角VISAR靶对称轴所在的截面上的冲击波速度情况，通过将条纹相机狭缝卡在广角VISAR成像光路的像面中心位置实现。以获得相对整齐的条纹图样，便于后续分析。

为方便建立模拟条纹图样

为方便后续分析，步骤S3中优选以

有益效果：

采用本发明提供的基于勒让德模型的广角VISAR条纹分析方法，解决了广角VISAR条纹图样与激光聚变内爆对称性分析难以结合的问题，使得冲击波速度条纹描述靶丸内爆对称性变化具备更加准确、直观、形象的特点，为开展基于广角VISAR的激光聚变内爆压缩对称性分析提供了支撑。

附图说明

图1为广角VISAR原理图；

图2为勒让德模型正运算分析方案示意图；

图3为勒让德模型逆运算分析方案示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

一种基于勒让德模型的广角VISAR条纹分析方法，考虑到两种情况：一是当速度数据能通过条纹充分解出时，即条纹数量较多且完整，满足目前条纹数据处理程序的输入条件；二是速度不一定能够充分解出时，即条纹数量较少，或由于冲击波面倾斜、致盲等原因导致干涉条纹断裂，不满足目前条纹数据处理程序的输入条件。

此外，光学条纹相机采集区域是线型的，对应于记录广角VISAR靶面上一段弧长上速度条纹信息，因而本发明分析方法首先需要在对条纹数量是否满足条纹处理程序输入条件进行判定后，分别基于以下两种技术路线进行。

一、当条纹数量满足条纹处理程序输入条件时，采用勒让德模型正运算分析，如图2所示，在条纹相机与广角VISAR成像光路之间加载玻璃光纤传像束，玻璃光纤传像束远离条纹相机的一端为环形，使其中心与像面中心重合，用于像面条纹的采样；另一端为线形，卡在条纹相机的狭缝上，相当于将像面的环形采样转化为条纹相机的线形记录，表观上相当于诊断与广角 VISAR靶丸旋转对称轴垂直的一个截面上的冲击波速度情况。

像面上的干涉条纹主体以正弦信号的形式表现，可以将干涉条纹图样写成如下形式：

其中，(x,y)是像面位置坐标，t为时间，a(x,y,t)为噪音本底，其变化来自于实验环境中的杂散光或成像系统中的暗噪声。b(x,y,t)为条纹振幅大小，其变化来自于干涉仪两支路光强不稳定和分布不均匀、光学散斑或相机的非一致响应等。k(x,y)是光学元件相差、周围空气的不稳定流动等造成的背景相位噪声(在条纹相机信息采集过程中其随时间变化很小，一般认为变化不大)。 f

加载玻璃光纤传像束后，条纹相机记录的扫描图样q(s,t)满足：

其中，s是条纹相机上扫描点同光纤传像束环端与像面上x轴正半轴交点所夹弧长(定义逆时针方向为正)，t是扫描时间，R是光纤传像束环端半径。

令

即通过对条纹相机扫描图样q(s,t)进行上述坐标变换或变形等预处理，通过中间变量g(x,y,t)，可以得到适用于VISAR速度条纹处理程序输入的条纹数据形式

又因为

图2示例性地展示了条纹相机可能采集到的一种条纹图样的情况，进行预处理后展开成随时间变化的0-4阶Legendre模，可以看到不同类型对称性在内爆过程中所占比例以及演化情况，进而为内爆对称性分析提供了依据。

二、当条纹数量较少，不满足条纹处理程序输入条件时，采用勒让德模型逆运算分析，如图3所示，将条纹相机狭缝卡在广角VISAR成像光路的像面中心位置，相当于诊断广角VISAR靶对称轴一个截面上的冲击波速度情况。相比于前一种诊断方式所采集到的条纹图样，条纹要整齐许多，但是由于诊断孔对应位置没有光线返回，存在中间条纹缺失的情况，实际中冲击波面倾斜、致盲等原因导致的条纹缺失、断裂更是时有发生，这些因素使得现有的方法难以对条纹图样开展有效处理与分析。

若实验记录的条纹数据用

在广角VISAR中，令靶面诊断点与靶腔球心的连线同诊断靶中心轴的夹角为θ，诊断系统收光立体角为

其中，m是椭球面的形状参数，F是诊断系统收光F数，L是条纹相机狭缝长度，可以构建一组的含时Legendre模，展开即

图3示例性地展示了根据上述分析方法条纹相机可能采集到的一种条纹图样，一组随时间变化的0-4阶Legendre模组合形式的模拟图样与该图样具有较高的吻合度，因此可认为该模拟图样展现的物理过程与真实过程具有相似性。其中，模拟图样可以通过分析靶丸经历的物理过程给出一般形式，然后调整系数a

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。