lightanddesign.ru
You might also like
1Доктор технических наук, профессор, Самарский государственный аэрокосмический университет им. академика С.П. Королева, Россия; 2Студент, Самарский государственный аэрокосмический университет им. академика С.П. Королева, Россия
Разработка и исследование системы спектральной томографии для анализа параметров водородной плазмы в устройствах с плазменным приводом
Обзор.
В статье рассматриваются разработанные автором методы и алгоритмы томографической диагностики параметров малоугловых плазменных устройств. Описан малоугловой оптический томограф, разработанный для таких исследований. Описаны методы решения проблемы прямой трехмерной реконструкции в контексте поперечной оптической томографии.
Ключевые слова: плазменный двигатель, диагностика плазмы, спектральный анализ.
Филонин О.В. 1, Сычолоков Е.А. 2.
1Доктор технических наук, профессор Самарского государственного аэрокосмического университета им. Королёв, русский.
2 студент, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева, Россия
Разработка и исследование системы спектральной томографии для определения параметров водородной плазмы в плазменных двигателях
Обзор.
В данной статье автор разработал метод и алгоритм томографической диагностики нескольких параметров плазменных движителей. В ней описаны несколько оптических сканеров, предназначенных для такого рода исследований. В ней описываются методы решения прямой 3D реконструкции в контексте некоторых оптических томографий.
Ключевые слова: плазменный аппарат, плазменная диагностика, спектральный анализ.
Малогабаритные оптико-томографические реконструкции (LET) параметров плазменных объектов, в частности потока рабочего тела плазмотрона, позволяют получить информацию об их пространственном распределении с качеством, существенно отличающимся от известных методов диагностики. Однако, несмотря на широкий потенциал МКТ в отношении реконструкции требуемых функций, основной проблемой в вопросе диагностики параметров плазмы является анализ достоверности полученного функционального распределения для требуемых параметров и соответствие динамике процесса. С точки зрения идентичности реконструированных данных, включая ожидаемую "мгновенную" часть исследуемых параметров. Это определяется, прежде всего, точностью используемых и известных расчетных соотношений, применяемых для определения рассматриваемых параметров. Например, при изучении низкотемпературной плазмы, используемой в плазменных машинах, это касается, в основном, соотношений, рассчитанных для вычисления локальных величин, таких как температура, концентрация составляющих электронов и ионов.
При проектировании и разработке новых диагностических систем в контексте автоматизированных физических экспериментов необходимо учитывать несколько важных соображений.
- Разработанная новая система должна быть достаточно простой, чтобы взаимодействовать с существующими диагностическими приборами и системами, в данном случае с приборами для спектральных томографических исследований.
- Целесообразно использовать централизованный молекулярный принцип построения разработанной системы, что упрощает процесс совершенствования отдельных узлов и продлевает цикл решаемых задач.
- При разработке программного обеспечения имеет смысл использовать модульный принцип формирования пакета прикладного программного обеспечения. Это значительно упрощает процесс разработки версий для различных вычислительных платформ.
Рисунок 1 — Блок-схема малоуглового оптического томографа
С учетом этих принципов был разработан ряд малоугловых оптических томографов для исследования параметров плазменных объектов с использованием как собственного излучения объекта, так и внешнего зондирующего излучения, применяемого в лабораторных экспериментальных условиях.
На рис. 1 показана структурная схема малоуглового эмиссионного томографа, предназначенного для исследования параметров дугового разряда плазменного потока в малогабаритном плазменном устройстве. Такая конструкция позволяет одновременно записывать до 24 2D-видов.
Максимальный размер исследуемого плазменного объёма можно представить как цилиндр диаметром 10 мм, и высотой до 10 мм. Конструктивно данный томограф состоит из двух оптических столов (выполненных в виде планшайб), в которых имеются направляющие пазы ориентированный относительно геометрического центра, в зоне которого располагаются исследуемый плазменный объект. В пазах устанавливаются входные объективы – 4, собирающие собственное излучение исследуемого объекта и проецирующие двумерные проекционные изображения на входные торцы оптоволоконных светопроводов (для передачи изображений).
Хотя проекционный пакет представляет собой двумерную проекцию исследуемого плазменного объекта, процедура реконструкции включает послойную реконструкцию многих срезов. Этот подход позволяет определить трехмерную конфигурацию интересующего нас распределения. Поскольку срезы, по-видимому, были восстановлены в разные временные интервалы, такой подход может быть оправдан только для "стационарных" плазменных объектов.
Рисунок 2 — Визуальная схема формирования проекций латерального фокуса
С другой стороны, структура оптоэлектронного сканера позволяет одновременно регистрировать 24 вида в определенном диапазоне длин волн, каждый вид содержит до (256'256) фактических измерений. Это позволяет реконструировать двумерные сечения с достаточной точностью и относительно высоким разрешением. В то же время существует достаточно широкая категория задач физики, для которых необходимо получать информацию о трехмерном распределении требуемых параметров за короткие промежутки времени.
Для решения проблемы прямой 3D реконструкции в контексте малоугловой оптической томографии существуют системы, которые получают данные путем регистрации точек обзора, сформированных при входе линз с относительно большим фокусным расстоянием в первичный и боковой очаги. Оптическая система такого типа показана на рисунке 2.
Излучение проверяемого объекта из главной фокальной плоскости попадает на входную линзу 1 в задней фокальной плоскости, где расположена диафрагма 2 с отверстиями в главной и некоторых боковых фокальных зонах и сформирована линза 3. Главная и боковая 2D проекции делаются на входную торцевую поверхность фотогида, который установлен на кожухе 4. Кроме того, можно сделать выборку одномерной проекции на выходном конце фотогида и использовать спектральное положение потока интенсивности для формирования матрицы проекции исходных данных для немедленной 3D реконструкции.
Рассмотренные методы получения фактических 2D проекционных данных значительно упрощают процедуру вычисления полного набора проекций для задачи 3D реконструкции. Эти процедуры удобно выполнять в пространстве Фурье. В пространстве Фурье одномерные (2D) изображения Фурье предварительно создаются в соответствии с теоремой о центральном сечении. Недостающие проекционные данные рассчитываются с помощью методов круговой (сферической) гармонической интерполяции и экстраполяции. Для упрощения процедуры заполнения проекционных данных автором был разработан метод, позволяющий выполнять только одномерные расчетные процедуры, заключающиеся в определении недостающих знаков в кольцевых гармониках и вводе проекционных данных в требуемом сечении.
Математическое моделирование описанного метода для получения исходных 2D данных и процедуры реконструкции, 3D функционального распределения, необходимого для задачи диагностики плазменного двигателя — локальных значений распределения интенсивности излучения, температуры, концентрации и т.д. факельного объема. Ошибка метода реконструкции, рассмотренного в формате 256'256'256 вокселей, не превышает (8,10)%.
