电子密度的测量方法、装置、设备及存储介质

技术领域

本申请涉及电子密度探测技术领域，尤其涉及一种电子密度的测量方法、装置、设备及存储介质。

背景技术

电子密度是放电中的一个基本物理量，它的测量对于阐明放电结构非常重要，这是雷电放电研究、防雷保护开发和气体绝缘开关设备开发所需的物理量。

目前，在测量电子密度时，通常采用迈克尔逊型或马赫-齐德尔型激光干涉仪。通过激光干涉仪的分束器将激光束分为参考光束和探测光束，探测光束通过放电区域传输，并与参考光束组合产生干涉条纹，再通过光电探测器检测干涉条纹，得到电子密度。其中光源、分束器和探测器等需要放置在一个共用的光学工作台上以消除机械振动，使得激光干涉仪很难应用在空气高压放电场景中。

发明内容

本申请提供了一种电子密度的测量方法、装置、设备及存储介质，以解决当前难以测量空气高压放电场景的电子密度的技术问题。

为了解决上述技术问题，第一方面，本申请提供了一种电子密度的测量方法，应用于电子设备，电子设备与波前传感器通信连接，波前传感器包括微透镜阵列和电荷耦合器件CCD相机，方法包括：

控制波前传感器同时发射第一激光束和第二激光束，第一激光束和第二激光束穿过放电区域后，被微透镜阵列聚焦到CCD相机的光敏表面，得到光斑阵列，第一激光束和第二激光束的波长不同；

基于光斑阵列，计算微透镜阵列中每个微透镜位置的光程差；

根据光程差，计算放电区域在电弧径向上的线积分电子密度分布；

基于线积分电子密度分布，确定放电区域的整体电子密度分布。

本申请通过波前传感器同时发射波长不同的第一激光束和第二激光束，以得到光斑位移，再基于光斑阵列，计算微透镜阵列中每个微透镜位置的光程差，以及根据光程差，计算放电区域在电弧径向上的线积分电子密度分布，由于光程差与相位分布存在相关性，相位分布是相对的，所以利用光程差确定线积分电子密度分布，能够不受机械振动和温度或压力等变化引起的大气密度变化的影响，从而能够适用于空气高压放电场景；最后基于线积分电子密度分布，确定放电区域的整体电子密度分布，以实现空气高压放电场景的电子密度测量。同时，本申请利用波前传感器能够在保持高灵敏度和空间分辨率的情况下，一次性高精度测量整体电子密度分布，在再现性差的衰减气体电弧通道上可视化二维电子密度分布。

作为优选，光斑阵列包括每个微透镜位置的目标光斑，基于光斑阵列，计算微透镜阵列中每个微透镜位置的光程差，包括：

对于每个微透镜位置，基于预设参考光斑，计算目标光斑在预设方向上的光斑位移；

基于光斑位移，计算每个目标光斑相对于预设参考光斑的相位差，得到相移分布；

基于相移分布与光程差的相关性，确定每个微透镜位置的光程差。

作为优选，根据光程差，计算放电区域在电弧径向上的线积分电子密度，包括：

利用预设积分公式，根据第一激光束和第二激光束的不同波长，沿电弧径向方向，计算放电区域的线积分电子密度分布，预设积分公式为：

β＝e

其中

作为优选，第一激光束与第二激光束的螺距相等，第一激光束与第二激光束的焦距相等。

作为优选，整体电子密度包括电弧径向电子密度分布和电弧轴向电子密度分布，基于线积分电子密度，确定放电区域的整体电子密度分布，包括：

对线积分电子密度分布进行高斯逼近，得到放电区域的电弧径向电子密度分布；

对线积分电子密度分布进行阿贝尔变换，得到放电区域的电弧轴向电子密度分布。

作为优选，对线积分电子密度分布进行高斯逼近，得到放电区域的电弧径向电子密度分布，包括：

利用预设高斯公式，对线积分电子密度分布进行高斯逼近，得到电弧径向电子密度分布，预设高斯公式为：

其中N

作为优选，对线积分电子密度分布进行阿贝尔变换，得到放电区域的电弧轴向电子密度分布，包括：

利用预设阿贝尔变换公式，对线积分电子密度分布进行阿贝尔变换，得到电弧轴向电子密度分布，预设阿贝尔变换公式为：

其中L为电子密度分布宽度，ΔN

第二方面，本申请提供一种电子密度的测量装置，搭载于电子设备，电子设备与波前传感器通信连接，波前传感器包括微透镜阵列和电荷耦合器件CCD相机，装置包括：

控制模块，用于控制波前传感器同时发射第一激光束和第二激光束，第一激光束和第二激光束穿过放电区域后，被微透镜阵列聚焦到CCD相机的光敏表面，得到光斑阵列，第一激光束和第二激光束的波长不同；

第一计算模块，用于基于光斑阵列，计算微透镜阵列中每个微透镜位置的光程差；

第二计算模块，用于根据光程差，计算放电区域的线积分电子密度分布；

确定模块，用于基于线积分电子密度分布，确定放电区域的整体电子密度分布。

第三方面，本申请提供一种电子设备，包括处理器和存储器，存储器用于存储计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如第一方面的电子密度的测量方法。

第四方面，本申请提供一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如第一方面的电子密度的测量方法。

需要说明的是，上述第二方面至第四方面的有益效果请参见上述第一方面的相关描述，在此不再赘述。

附图说明

图1为本申请实施例示出的电子密度的测量方法的流程示意图；

图2为本申请实施例示出的波前传感器的工作原理示意图；

图3为本申请实施例示出的波前传感器的工作结构示意图；

图4为本申请实施例示出的二维电子密度分布示意图；

图5为本申请实施例示出的电子密度的测量装置的结构示意图；

图6为本申请实施例示出的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如相关技术记载，在测量电子密度时，通常采用迈克尔逊型或马赫-齐德尔型激光干涉仪。通过激光干涉仪的分束器将激光束分为参考光束和探测光束，探测光束通过放电区域传输，并与参考光束组合产生干涉条纹，再通过光电探测器检测干涉条纹，得到电子密度。其中光源、分束器和探测器等需要放置在一个共用的光学工作台上以消除机械振动，使得激光干涉仪很难应用在空气高压放电场景中。

为此，本申请实施例提供一种电子密度的测量方法，通过波前传感器同时发射波长不同的第一激光束和第二激光束，以得到光斑位移，再基于光斑阵列，计算微透镜阵列中每个微透镜位置的光程差，以及根据光程差，计算放电区域在电弧径向上的线积分电子密度分布，由于光程差与相位分布存在相关性，相位分布是相对的，所以利用光程差确定线积分电子密度分布，能够不受机械振动和温度或压力等变化引起的大气密度变化的影响，从而能够适用于空气高压放电场景；最后基于线积分电子密度分布，确定放电区域的整体电子密度分布，以实现空气高压放电场景的电子密度测量。同时，本申请利用波前传感器能够在保持高灵敏度和空间分辨率的情况下，一次性高精度测量整体电子密度分布，在再现性差的衰减气体电弧通道上可视化二维电子密度分布。

请参照图1，图1为本申请实施例提供的一种电子密度的测量方法的流程示意图。本申请实施例的电子密度的测量方法可应用于电子设备，该电子设备包括但不限于智能手机、笔记本电脑、平板电脑和个人数字助理等设备，该电子设备与波前传感器通信连接，所述波前传感器包括微透镜阵列和电荷耦合器件CCD相机。如图1所示，本实施例的电子密度的测量方法包括步骤S101至步骤S104，详述如下：

步骤S101，控制所述波前传感器同时发射第一激光束和第二激光束，所述第一激光束和所述第二激光束穿过放电区域后，被所述微透镜阵列聚焦到所述CCD相机的光敏表面，得到光斑阵列，所述第一激光束和第二激光束的波长不同。

在本步骤中，波前传感器可以为Shack-Hartmann型激光波前传感器。需要说明的是，具有平坦波前的激光束通过气隙入射到微透镜阵列上，在成像平面上产生参考焦点。微透镜阵列由大量规则排列的相同透镜组成。使用图像传感器捕捉每个参考焦点的位置。其次，平坦的激光束通过等离子体空间传输。由于等离子体中的折射率与空气中的折射率不同，经历等离子体的激光波前剖面局部倾斜。因此，局部倾斜的波前收敛到从参考焦点的每个位置偏移的点。Shack–Hartmann型波前传感器作为激光波前传感器，能够在保持测量灵敏度和空间分辨率的同时，一次性以相当高的精度确定整体电子密度分布。

步骤S102，基于所述光斑阵列，计算所述微透镜阵列中每个微透镜位置的光程差。

在本步骤中，Shack–Harmann型传感器由图像传感器和微透镜阵列组成，将激光束的局部波前梯度转换为焦点位置的位移。图像传感器还可以捕捉移动的光点位置，因此Shack-Hartmann型传感器可以测量每个光点的移动量。

可选地，图2示出了本申请实施例提供的波前传感器的工作原理示意图。如图2所示，沿着激光束传播方向的z方向，激光束通过x–y平面上的微透镜阵列聚焦到CCD相机的光敏表面上，并形成焦点阵列(即光斑阵列)，每个焦点对应于每个微透镜。在等离子体产生后的任何给定时间，都可以使用图像传感器观察到这些光斑位移(即光程差)。

步骤S103，根据所述光程差，计算所述放电区域在电弧径向上的线积分电子密度分布。

在本步骤中，为了利用单光路测量电子密度，考虑激光波前相位分布的测量。在这种方法中，激光束被扩展到与测量区域的尺寸相匹配，并通过放电区域传输。利用波前传感器测量光束横截面上的二维相位分布，将其转换为沿传播方向积分的线积分电子密度分布。

步骤S104，基于所述线积分电子密度分布，确定所述放电区域的整体电子密度分布。

在本步骤中，示例性地，图3示出了本申请实施例提供的波前传感器的工作结构示意图。图3采用了两个连续波二极管激光器(λ

在一实施例中，在图1所示实施例的基础上，所述光斑阵列包括每个所述微透镜位置的目标光斑，所述步骤S102，包括：

对于每个所述微透镜位置，基于预设参考光斑，计算所述目标光斑在预设方向上的光斑位移；

基于所述光斑位移，计算每个所述目标光斑相对于所述预设参考光斑的相位差，得到相移分布；

基于所述相移分布与光程差的相关性，确定每个微透镜位置的光程差。

在本实施例中，参考光斑可以为无电子密度分布场景下由波前传感器测得。测量波前传感器的焦点和第k个透镜的参考光斑之间在x方向上的偏移Tk由下式给出：

其中f是微透镜的焦距，λ是激光波长，

Shack-Hartmann方法通过在每个透镜位置取样，得到连续分布的相移分布φ(x，y)。为了得到每个透镜位置的光程差，将Tk在x方向上积分。而相位分布近似于在透镜位置取样的离散分布，所以这里的积分被求和所代替：

上式中的微分元Δx可以用间距P近似表示，间距P是相邻透镜中心之间的距离。相位φ的光程差ζ与ζ/λ＝φ/2π相关，因此第k个透镜处的光程差为：

在一实施例中，在图1所示实施例的基础上，所述步骤S103，包括：

利用预设积分公式，根据所述第一激光束和第二激光束的不同波长，沿所述电弧径向，计算所述放电区域的线积分电子密度分布，所述预设积分公式为：

β＝e

其中

可选地，所述第一激光束与所述第二激光束的螺距相等，所述第一激光束与所述第二激光束的焦距相等。

在一实施例中，在图1所示实施例的基础上，所述整体电子密度包括电弧径向电子密度分布和电弧轴向电子密度分布，所述步骤S104，包括：

对所述线积分电子密度分布进行高斯逼近，得到所述放电区域的电弧径向电子密度分布；

对所述线积分电子密度分布进行阿贝尔变换，得到所述放电区域的电弧轴向电子密度分布。

可选地，利用预设高斯公式，对所述线积分电子密度分布进行高斯逼近，得到所述电弧径向电子密度分布，所述预设高斯公式为：

其中N

可选地，沿电弧轴向y[m]，y

可选地，利用预设阿贝尔变换公式，对所述线积分电子密度分布进行阿贝尔变换，得到所述电弧轴向电子密度分布，所述预设阿贝尔变换公式为：

其中L为电子密度分布宽度，ΔN

作为示例而非限定，图4示出了本申请提供的二维电子密度分布示意图。如图4所示，t＝10、70和90μs时的二维电子密度分布，以对数标度表示。图4中的右边刻度表示电弧通道中的最高电子密度到最低电子密度。电弧通道上的电子密度在10

需要说明的是，本申请采用Shack-Hartmann型激光波前传感器可以从单次激发记录中，在再现性差的衰减气体电弧通道上可视化二维电子密度分布。二维传感方法特别适合于表征热相中的不稳定电弧行为，因为单次二维成像不仅具有确定电子密度的巨大潜力，而且还有一些其他的电弧参数，如直径、同时放电的单个电弧的形状和长度。如果在二维电子密度分布中找到了决定电弧中断性能的关键因素，那么有关电弧参数的基本知识对于优化电气系统尤其有用，气体断路器中的机械和流体动力学参数，以及完整仿真模型的开发。此外，在电弧参数诊断中，电子密度测量是最重要的，因为气体断路器的中断能力在很大程度上取决于电流零点附近电弧等离子体上的电子密度分布。

为了执行上述方法实施例对应的电子密度的测量方法，以实现相应的功能和技术效果。参见图5，图5示出了本申请实施例提供的一种电子密度的测量装置的结构框图。为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，本申请实施例提供的电子密度的测量装置，搭载于电子设备，所述电子设备与波前传感器通信连接，所述波前传感器包括微透镜阵列和电荷耦合器件CCD相机，所述装置包括：

控制模块501，用于控制所述波前传感器同时发射第一激光束和第二激光束，所述第一激光束和所述第二激光束穿过放电区域后，被所述微透镜阵列聚焦到所述CCD相机的光敏表面，得到光斑阵列，所述第一激光束和第二激光束的波长不同；

第一计算模块502，用于基于所述光斑阵列，计算所述微透镜阵列中每个微透镜位置的光程差；

第二计算模块503，用于根据所述光程差，计算所述放电区域的线积分电子密度分布；

确定模块504，用于基于所述线积分电子密度分布，确定所述放电区域的整体电子密度分布。

在一实施例中，所述光斑阵列包括每个所述微透镜位置的目标光斑，所述第一计算模块502，包括：

第一计算单元，用于对于每个所述微透镜位置，基于预设参考光斑，计算所述目标光斑在预设方向上的光斑位移；

第二计算单元，用于基于所述光斑位移，计算每个所述目标光斑相对于所述预设参考光斑的相位差，得到相移分布；

确定单元，用于基于所述相移分布与光程差的相关性，确定每个微透镜位置的光程差。

在一实施例中，所述第二计算模块503，包括：

第三计算单元，用于利用预设积分公式，根据所述第一激光束和第二激光束的不同波长，沿所述电弧径向，计算所述放电区域的线积分电子密度分布，所述预设积分公式为：

β＝e

其中

在一实施例中，所述第一激光束与所述第二激光束的螺距相等，所述第一激光束与所述第二激光束的焦距相等。

在一实施例中，所述整体电子密度包括电弧径向电子密度分布和电弧轴向电子密度分布，所述确定模块504，包括：

逼近单元，用于对所述线积分电子密度分布进行高斯逼近，得到所述放电区域的电弧径向电子密度分布；

变换单元，用于对所述线积分电子密度分布进行阿贝尔变换，得到所述放电区域的电弧轴向电子密度分布。

在一实施例中，所述逼近单元，具体用于：

利用预设高斯公式，对所述线积分电子密度分布进行高斯逼近，得到所述电弧径向电子密度分布，所述预设高斯公式为：

其中N

在一实施例中，所述变换单元，具体用于：

利用预设阿贝尔变换公式，对所述线积分电子密度分布进行阿贝尔变换，得到所述电弧轴向电子密度分布，所述预设阿贝尔变换公式为：

其中L为电子密度分布宽度，ΔN

上述的电子密度的测量装置可实施上述方法实施例的电子密度的测量方法。上述方法实施例中的可选项也适用于本实施例，这里不再详述。本申请实施例的其余内容可参照上述方法实施例的内容，在本实施例中，不再进行赘述。

图6为本申请一实施例提供的电子设备的结构示意图。如图6所示，该实施例的电子设备6包括：至少一个处理器60(图6中仅示出一个)处理器、存储器61以及存储在所述存储器61中并可在所述至少一个处理器60上运行的计算机程序62，所述处理器60执行所述计算机程序62时实现上述任意方法实施例中的步骤。

所述电子设备6可以是智能手机、平板电脑、个人数字助理和笔记本电脑等设备。该电子设备可包括但不仅限于处理器60、存储器61。本领域技术人员可以理解，图6仅仅是电子设备6的举例，并不构成对电子设备6的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如还可以包括输入输出设备、网络接入设备等。

所称处理器60可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，该处理器60还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

所述存储器61在一些实施例中可以是所述电子设备6的内部存储单元，例如电子设备6的硬盘或内存。所述存储器61在另一些实施例中也可以是所述电子设备6的外部存储设备，例如所述电子设备6上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器61还可以既包括所述电子设备6的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器61用于存储操作系统、应用程序、引导装载程序(BootLoader)、数据以及其他程序等，例如所述计算机程序的程序代码等。所述存储器61还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

另外，本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任意方法实施例中的步骤。

本申请实施例提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在电子设备上运行时，使得电子设备执行时实现上述各个方法实施例中的步骤。

在本申请所提供的几个实施例中，可以理解的是，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意的是，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台电子设备执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述的具体实施例，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本申请的具体实施例而已，并不用于限定本申请的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。