Диагностика плазмы с использованием моделирования и обработки оптических и пространственных спектров

• Автор: Соловьев, Алексей Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Петрозаводск
• Количество страниц: 98 с. : ил.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

1 ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ПЛАЗМЫ

1.1 Задачи спектроскопической диагностики плазмы

1.2 Модель элементарного объёма плазмы

1.3 Модель источника

1.4 Модель экспериментальной установки

1.5 Некорректные задачи в спектроскопической диагностике плазмы

2 АЛГОРИТМЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ПЛАЗМЫ

2.1 Стратегия моделирования прямой задачи

2.2 Исключение аппаратных искажений

2.3 Рациональный алгоритм коллективной обработки данных

3 ОБРАБОТКА ПРОСТРАНСТВЕННЫХ СПЕКТРОВ
3.1 Структурные характеристики плазменно-пылевых образований
3.2 Принципы извлечения информации из пространственных спектров
3.3 Учёт шумов и искажений при работе с пространственными спектрами
4 КОМПЛЕКС АППАРАТНЫХ И ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ
4.1 Описание экспериментальных установок
4.1.1 Автоматизированное рабочее место «Свет»
4.1.2 Спектрометр изображения на основе интерферометра Фабри - Перо
4.1.3 Комплекс «Пылевой кристалл»
4.2 Описание программных средств
4.2.1 Программа «Моделирование и исключение аппаратных искажений»
4.2.2 Конструктор Meccano
4.2.3 Программа вычисления пространственного спектра Meccano-2D
5 ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТАЛЛОГАЛОИДНОЙ ЛАМПЫ И ПЛАЗМЫ ИНДУКЦИОННОГО РАЗРЯДА
5.1 Исследование металлогалоидной лампы
5.2 Исследование индукционной лампы
6 ИССЛЕДОВАНИЕ ПЫЛЕВЫХ ОБРАЗОВАНИЙ В КОМПЛЕКСНОЙ ПЛАЗМЕ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ А. СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ О ФИЗИЧЕСКИХ КОНСТАНТАХ.... 79 ПРИЛОЖЕНИЕ Б. ОПИСАНИЕ ИНТЕРФЕЙСА ПРОГРАММЫ
«МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИСКЛЮЧЕНИЕ АППАРАТНЫХ ИСКАЖЕНИЙ»
ПРИЛОЖЕНИЕ В. СТРУКТУРА ПРОГРАММЫ «МОДЕЛИРОВАНИЕ И
ИСКЛЮЧЕНИЕ АППАРАТНЫХ ИСКАЖЕНИЙ»
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. СВОДНАЯ ТАБЛИЦА ПАРАМЕТРОВ MECCANO
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. ОПИСАНИЕ КЛАССОВ КОНСТРУКТОРА MECCANO
ПРИЛОЖЕНИЕ Е. ОСОБЕННОСТИ ЗАПУСКА ПРОГРАММ MECCANO
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж. ИНТЕГРАЦИЯ MECCANO С ВЕБ-КОНТЕНТОМ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
АРМ - автоматизированное рабочее место.
БПФ - быстрое (дискретное) преобразование Фурье.
ИФП - интерферометр Фабри - Перо.
КАМАК (САМАС - Computer Automated Measurement And Control) - программноуправляемая система модульной электроники.
КДФ - конденсированная дисперсная фаза.
JITP - локальное термодинамическое равновесие.
ООП - объектно-ориентированное программирование.
ПЗС - прибор с зарядовой связью.
Пиксел {англ.: pixel - picture element) - элемент изображения (точка растра).
ФЭУ - фотоэлектронный умножитель.
CGI (Common Gateway Interface) - общий шлюзовой интерфейс (интерфейс взаимодействия веб-сервера со сценариями веб-приложений).
FFT (Fast Fourier Transform) - быстрое (дискретное) преобразование Фурье.
GUI (Graphical User Interface) - графический интерфейс пользователя.
HTML (HyperText Markup Language) - язык разметки гипертекста.
PCI (Peripheral Component Interconnect) - взаимодействие периферийных компонентов (системный интерфейс).
UML (Unified Modeling Language) - унифицированный язык моделирования.
URL (Uniform Resource Locator) - унифицированный указатель информационного ресурса (стандартизованная строка символов, указывающая местонахождение документа в сети Internet).

Актуальность работы
При решении задач физической электроники часто используются мощные и бесконтактные спектроскопические методы исследования объектов. В частности, они широко применяются для исследования, диагностики и контроля различных плазменных образований. При этом извлечение информации из спектра часто сопряжено со сложной математической обработкой, которая сводится к выделению различных факторов, сформировавших регистрируемый сигнал (исключению аппаратных искажений, преобразованию яркости поверхности в коэффициенты излучения с учётом неоднородности объекта, разделению причин, сформировавших контур излучения тонкого слоя); при этом возникает необходимость построения алгоритмов, устойчивых к шумам эксперимента. В некоторых случаях к лучшим результатам приводит имитационное моделирование спектральных распределений с учетом вышеперечисленных факторов и физически обоснованный подбор ряда неизвестных параметров объекта для наилучшего совпадения с экспериментом.
К этому же кругу задач можно отнести специфические проблемы изучения газоразрядной плазмы с конденсированной дисперсной фазой. В этом случае существенную информацию, в том числе и о физической природе явления, можно извлечь непосредственно из обработки изображения пылевых структур в разряде.
Хотя работы в указанных направлениях ведутся давно, актуальной является задача создания инструментов, которые бы позволяли решать широкий круг диагностических задач с использованием всех возможностей современной вычислительной техники и накопленных теоретических знаний в автоматизированных программно-аппаратных исследовательских и контрольно-диагностических комплексах, существенно увеличивающих надёжность и объективность, а также скорость получения необходимой информации.
Цель работы, задачи
Главная цель описываемых исследований - развить методы оптической диагностики пространственно неоднородной и комплексной плазмы, увеличить их эффективность, достоверность и информативность.
Для достижения этой цели необходимо решить ряд задач:
1. Исследовать возможности, предоставляемые высокопроизводительными программно-аппаратными комплексами сбора и обработки данных оптикоспектральных измерений характеристик плазмы.

использоваться для учебного моделирования. В этом диалоге выбирается тип функции аподизации (фильтра) и задаются её пределы, определяя априорную информацию, необходимую для уменьшения влияния шумов на процесс восстановления.
В поле графиков, кроме, собственно, графиков функций, для каждого графика построена ось абсцисс соответствующим цветом. Начало координат всегда находится в центре окна, не зависимо от того, как будут заданы пределы функций. Т. к. программа работает с комплексными функциями, то для всех функций строится график модуля функции. Для спектров и для фильтра ось абсцисс общая (самая нижняя, выводится цветом графика фильтра). Содержимое поля графиков можно скопировать в буфер обмена или вывести на принтер. Детальное описание команд меню и расшифровку элементов диалоговых окон можно найти в Приложении Б.

Рисунок 4.7 - Главное окно программы: 1 - строка меню, 2 - панель инструментов, 3 - область построения графиков, 4 - строка состояния
На рис. 4.7 показан пример использования программы для исключения аппаратных искажений при определении атомной температуры в газовом разряде в неоне при низком давлении по ширине спектральной линии 5852 нм 2р53я ('Р°1) <— 2р53р (’Ро) в предположении чисто доплеровского контура (1.7), полученного на ИФП с аппаратной функцией g(A). По контуру без учёта аппаратных искажений/^Д) расчёт даёт температуру Г=970 К. После