一种高功率毫米波模式矫正镜的镜面轮廓确定方法和系统

技术领域

本发明属于微波技术领域，具体涉及一种高功率毫米波模式矫正镜的镜面轮廓确定方法和系统。

背景技术

对于电子回旋共振加热系统，波源回旋管产生的高功率毫米波通常需要被远距离传输至负载处，传输高功率毫米波的传输线通常为过模圆波纹波导。当传输线中高功率毫米波功率损耗较大时，极易导致传输线内发生打火，严重时甚至导致传输部件发生损坏，致使系统无法正常运行。为了提高电子回旋共振加热系统高功率毫米波功率的传输效率，降低传输线内高功率毫米波的功率损耗，一般在波导输入端口前选用高斯基模激励起过模圆波纹波导中的波导模式。因此为了在激励起波导模式前得到高斯基模含量较高的高功率毫米波，需要在波导口前设置高功率毫米波模式矫正镜，且选择一种能够准确确定模式矫正镜镜面轮廓的方法。

现有的高功率毫米波模式矫正镜的镜面轮廓通常采用理论计算的结果进行确定，即根据系统中理论的高功率毫米波的模式信息与期望的模式信息直接计算得到，这种理论计算的高功率毫米波的模式信息不能表征系统中实际存在的高功率毫米波的模式信息，两者之间必然存在偏差，致使模式矫正镜镜面轮廓确定不准确，模式矫正效果受到影响，从而导致系统运行稳定性和可靠性受到影响。

发明内容

为了解决现有技术无法准确可靠地确定高功率毫米波模式矫正镜镜面轮廓的问题，本发明提供了一种高功率毫米波模式矫正镜的镜面轮廓确定方法和系统，本发明以高功率毫米波系统中实际测量的高功率毫米波的强度为基础，对高功率毫米波系统模式矫正镜镜面轮廓进行确定，能够更加准确地得到符合实际系统模式矫正需求的模式矫正镜的镜面轮廓，从而使高功率毫米波的模式矫正结果更符合预期。

本发明通过下述技术方案实现：

一种高功率毫米波模式矫正镜的镜面轮廓确定方法，该方法包括：

测量得到高功率毫米波传播到自由空间中的若干测量平面位置的强度，并根据测量得到的强度，确定模式矫正镜输入的高功率毫米波的模式，即为模式矫正镜需要矫正的模式；

确定高功率毫米波的束腰位置，并根据束腰与模式矫正镜的位置关系确定模式矫正镜期望输出的高功率毫米波的模式；

根据模式矫正镜期望输出的高功率毫米波的模式与需要矫正的模式之间的相对关系确定模式矫正镜的镜面轮廓。

现有通过高功率毫米波的理论模式信息与期望模式信息计算得到高功率毫米波模式矫正镜的镜面轮廓的方式，因高功率毫米波的理论模式信息与系统中高功率毫米波的实际模式信息存在偏差，导致模式矫正镜的镜面轮廓确定不准确，模式矫正效果受到影响。而本发明以高功率毫米波系统中实际测量的高功率毫米波的强度为基础，得到更加符合实际的高功率毫米波的模式信息，并基于该模式信息与期望的模式信息对高功率毫米波系统模式矫正镜的镜面轮廓进行确定，能够更加准确地得到符合实际系统模式矫正需求的模式矫正镜的镜面轮廓，从而使高功率毫米波模式矫正效果更优，保证系统运行的稳定性和安全性。

作为优选实施方式，本发明的根据测量得到的强度，确定模式矫正镜输入的高功率毫米波的模式，具体包括：

基于自由空间的平面传播函数，通过迭代反演的方式计算出各测量平面位置处的高功率毫米波的相位；

根据测量得到的高功率毫米波传播到各测量平面位置的强度与其对应的迭代反演计算得到的相位，计算得到高功率毫米波在自由空间任一测量平面位置的场分布；

根据高功率毫米波在自由空间任一测量平面位置的场分布，以及模式矫正镜的位置，计算得到模式矫正镜输入的高功率毫米波的模式。

作为优选实施方式，本发明的高功率毫米波在自由空间任一测量平面位置的场分布表示为：

其中，U(x,y,z)为高功率毫米波在测量平面位置的场分布，I(x,y,z)为测量得到的高功率毫米波在测量平面位置的强度，P(x,y,z)为迭代反演计算得到高功率毫米波在测量平面位置的相位。

作为优选实施方式，本发明的模式矫正镜输入的高功率毫米波的模式表示为：

其中，F表示傅里叶变换算子，F

作为优选实施方式，本发明的模式矫正镜期望输出的高功率毫米波的模式为高斯基模TEM

作为优选实施方式，本发明的模式矫正镜期望输出的高功率毫米波的模式采用高斯模式的传播原理进行计算得到：

其中，ω为矫正镜位置处输出的高斯基模的波束半径，k为波矢，R为波前曲率半径，

作为优选实施方式，本发明的根据模式矫正镜期望输出的高功率毫米波的模式与需要矫正的模式之间的相对关系确定模式矫正镜的镜面轮廓，具体包括：

根据模式矫正镜需要矫正的模式，提取出模式矫正镜输入的高功率毫米波的相位；

根据模式矫正镜期望输出的模式，得到模式矫正镜输出的高功率毫米波的相位；

根据模式矫正镜输出的高功率毫米波的相位与输入的高功率毫米波的相位间的差值，确定模式矫正镜的镜面轮廓。

作为优选实施方式，本发明的模式矫正镜输出的高功率毫米波的相位为：

其中，k为波矢，R为波前曲率半径，

作为优选实施方式，本发明的模式矫正镜的镜面轮廓表示为：

Δp(x，y)＝P

其中，Δp(x,y)为模式矫正镜输出的高功率毫米波的相位与输入的高功率毫米波的相位之差，P

x′-y′为模式矫正镜面垂直于镜面法向的坐标系且以夹角θ为中间量与高功率毫米波的x-y坐标系呈对应关系。

另一方面，本发明还提出了一种高功率毫米波模式矫正镜的镜面轮廓确定系统，该系统包括：

输入模式确定单元，所述输入模式确定单元测量得到高功率毫米波传播到自由空间中若干测量平面位置的强度，并根据测量得到的强度，确定模式矫正镜输入的高功率毫米波的模式，即模式矫正镜需要矫正的模式；

输出模式确定单元，所述输出模式确定单元确定高功率毫米波的束腰位置，并根据束腰与模式矫正镜的位置关系确定模式矫正镜期望输出的高功率毫米波的模式；

以及，镜面轮廓确定单元，所述镜面轮廓确定单元根据模式矫正镜期望输出的高功率毫米波的模式与需要矫正的模式之间的相对关系确定模式矫正镜的镜面轮廓。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明以高功率毫米波系统中实际测量的高功率毫米波的强度为基础，得到更加符合系统实际的高功率毫米波的模式信息，并基于该模式信息以及期望模式信息确定高功率毫米波模式矫正镜的镜面轮廓，能够更加准确地得到更加符合系统实际模式矫正需求的模式矫正镜的镜面轮廓，从而使高功率毫米波的模式矫正结果更加准确可靠；

2、利用本发明提出的技术确定得到更加准确的模式矫正镜的镜面轮廓参数，使得矫正后的高功率毫米波的模式可以最大效率的激励起波导模式，降低高功率毫米波远距离传输过程中的损耗，提高了高功率毫米波系统的功率传输效率，为高功率毫米波系统的运行安全和稳定提供有力的技术支撑。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例的方法流程示意图；

图2为本发明实施例的高功率毫米波模式矫正示意图；

图3为本发明实施例的模式矫正镜镜面轮廓计算原理示意图；

图4为本发明实施例的系统原理框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例：

现有高功率毫米波模式矫正镜的镜面轮廓通常根据系统中高功率毫米波的理论模式信息与期望模式信息直接计算得到，然而高功率毫米波的理论模式信息与系统中实际存在的高功率毫米波的模式信息存在偏差，从而导致模式矫正镜镜面轮廓确定不准确，模式矫正效果受到影响。基于此，本实施例提出了一种高功率毫米波模式矫正镜的镜面轮廓确定方法，本实施例提出的方法基于高功率毫米波传播到自由空间中的若干平面位置的实际测量强度确定模式矫正镜的输入高功率毫米波模式；确定高功率毫米波的束腰位置，再根据束腰与模式矫正镜的位置关系确定矫正镜期望输出的高功率毫米波的模式，并根据期望的模式与需要矫正的模式之间的相对关系确定模式矫正镜的镜面轮廓。本实施例以高功率毫米波系统中实际测量的高功率毫米波的强度为基础，对高功率毫米波系统模式矫正镜镜面轮廓进行确定，能够更加准确地得到符合实际系统模式矫正需求的模式矫正镜的轮廓，从而使高功率毫米波模式矫正效果更优，保证系统运行的稳定性和安全性。

具体如图1所示，本实施例提出的方法包括如下步骤：

步骤1，测量得到高功率毫米波传播到自由空间中的若干测量平面位置的强度，并根据该测量得到的强度，确定模式矫正镜输入的高功率毫米波的模式，即为模式矫正镜需要矫正的模式；

步骤2，确定高功率毫米波的束腰位置，并根据束腰与模式矫正镜的位置关系确定模式矫正镜期望输出的高功率毫米波的模式；

步骤3，根据模式矫正镜期望输出的高功率毫米波的模式与需要矫正的模式之间的相对关系确定模式矫正镜的镜面轮廓。

需要说明的是，本实施例上述方法中的步骤1和步骤2无需按照顺序执行，既可以先执行步骤1后执行步骤2，也可以先执行步骤2后执行步骤1，或者步骤1和步骤2同步执行。

进一步的，为了得到系统中高功率毫米波的实际模式信息，在高功率毫米波传播到自由空间的过程中测量若干测量平面位置的强度，记为I(x,y,z

然后，根据高功率毫米波传播到各测量平面位置测量得到的强度与迭代反演计算得到的相位，可计算得到高功率毫米波在自由空间任意测量平面位置的场分布，其可表示为：

根据高功率毫米波在自由空间任意测量平面位置的场分布，以及系统中模式矫正镜的位置，采用傅里叶积分形式的平面传播原理计算得到模式矫正镜输入的高功率毫米波的模式，其可表示为：

其中，F表示傅里叶变换算子，F

具体如图2-3所示，可根据高功率毫米波在自由空间第n测量平面位置处的模式以及系统中模式矫正镜的位置，通过傅里叶积分形式的平面波传播原理计算出模式矫正镜输入的高功率毫米波的模式：

其中，z

进一步的，由于高功率毫米波系统中期望波导输入口位置的模式为高斯基模TEM

其中，ω为矫正镜位置处输出的高斯基模的波束半径，k为波矢，R为波前曲率半径，

因此，高功率毫米波经过模式矫正镜的输出相位分布为：

进一步的，基于高功率毫米波的测量强度计算得到的模式矫正镜输入的高功率毫米波的模式，并提取出对应的输入的高功率毫米波的相位，可得到模式矫正镜的镜面轮廓函数为：

其中，Δp(x,y)为模式矫正镜输出的高功率毫米波的相位与输入的高功率毫米波的相位之差，即：

Δp(x,y)＝P

θ为高功率毫米波输入方向与模式矫正镜面法向的夹角；

x′-y′为模式矫正镜面垂直于镜面法向的坐标系且以角度θ为中间量与高功率毫米波的x-y坐标系呈对应关系。

本实施例提出的方法以高功率毫米波中实际测量的高功率毫米波的强度为基础，能够快速准确地确定高功率毫米波模式矫正镜的镜面轮廓，从而保证高功率毫米波的模式矫正效果；同时，在高功率毫米波系统中，利用校正后的高功率毫米波的模式可以最大效率地激励起波导模式，降低高功率毫米波远距离传输过程中的损耗，提高高功率毫米波系统的功率传输效率以及系统的安全稳定运行性能。

本实施例还提出了一种高功率毫米波模式矫正镜的镜面轮廓确定系统，如图4所示，该系统包括：

输入模式确定单元，该输入模式确定单元测量得到高功率毫米波传播到自由空间中的若干测量平面位置的强度，并根据该测量得到的强度，确定模式矫正镜输入的高功率毫米波的模式，即模式矫正镜需要矫正的模式；

输出模式确定单元，该输出模式确定单元确定高功率毫米波的束腰位置，并根据束腰与模式矫正镜的位置关系确定模式矫正镜期望输出的高功率毫米波的模式；

以及镜面轮廓确定单元，该镜面轮廓确定单元根据模式矫正镜期望输出的高功率毫米波的模式与需要矫正的模式之间的相对关系确定模式矫正镜的镜面轮廓并输出。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。