電子回旋輻射成像診斷的遠程信號調(diào)控系統(tǒng)-答辯ppt

1、電子回旋輻射成像診斷的遠程信號調(diào)控系統(tǒng),答辯人： 導 師： 日 期： 單 位： 中國科學技術(shù)大學物理學院,中國科學技術(shù)大學碩士論文答辯,提 綱,1、ECEI系統(tǒng)屏蔽優(yōu)化原有屏蔽層介紹優(yōu)化方案以及實驗驗證ECEI屏蔽總結(jié)2、ECEI遠程信號調(diào)控系統(tǒng)ECEI系統(tǒng)在EAST面臨的問題本振源和系統(tǒng)供電的遠程控制電子學模塊信號調(diào)控系統(tǒng)ECEI遠程控制總

2、結(jié)3、高速寬頻電磁譜儀的研制背景介紹系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)方式快速寬頻電磁譜儀總結(jié),2,ECEI系統(tǒng)基本參數(shù)介紹,ECEI系統(tǒng)在EAST上的位置以及周邊環(huán)境,R0 = 1.85 m; a = 0.45 m; Bt = 2.0~2.5 T電子密度 ne = 2.5~4.0 x 1019 /m3 輔助加熱系統(tǒng): ICRF, NBI, ECRH (140 GHz) LHCD

3、 (2.45 GHz & 4.6 GHz),ECE Imaging (384 channels)信號帶寬: 90-155 GHz (F-band)24 極向×16 徑向 覆蓋范圍 : 600 mm (poloidal) ×180 mm (radial)時間分辨率~ 1 μs 可測量范圍[ -0.56, 0.99 ] (typical B=2.4 T)2012年開始成功實現(xiàn)了首次運行,3,提

4、綱,1、ECEI系統(tǒng)屏蔽優(yōu)化原有屏蔽層介紹優(yōu)化方案以及實驗驗證ECEI屏蔽總結(jié)2、ECEI遠程信號調(diào)控系統(tǒng)ECEI系統(tǒng)在EAST面臨的問題本振源和系統(tǒng)供電的遠程控制電子學模塊信號調(diào)控系統(tǒng)ECEI遠程控制總結(jié)3、高速寬頻電磁譜儀的研制背景介紹系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)方式快速寬頻電磁譜儀總結(jié),4,原有屏蔽層介紹,ECEI系統(tǒng)初始的屏蔽狀態(tài),ECEI系統(tǒng)第一次優(yōu)化后的屏蔽狀態(tài),1,2,5,低雜波加熱對ECEI的影響,在2.4

5、5GHz低雜波注入功率為1MW左右時，ECEI系統(tǒng)大部分信號正常。但是4.6GHz低雜波以1.5MW注入時，ECEI系統(tǒng)受到了嚴重干擾。2.45GHz低雜波在EAST的N窗口，幾乎與ECEI系統(tǒng)位置相對距離較遠。4.6GHz低雜波在ECEI系統(tǒng)旁邊。,6,屏蔽原理以及原有屏蔽的缺陷,《電磁兼容設(shè)計基礎(chǔ)及干擾抑制技術(shù)》錢照明等著，P67,電磁波在界面的反射和透射,7,LHCD干擾源方向驗證(I),根據(jù)IEC電磁兼容標準，波導管作為工業(yè)及

6、科學射頻設(shè)備，在3m范圍內(nèi)的輻射上限為100dB(μV/m)。,ip,ne,2.45GHz LHCD入射功率,2.45GHz LHCD反射功率,4.6GHz LHCD入射功率,4.6GHz LHCD反射功率,,Time (s),8,LHCD干擾源方向驗證(II),為驗證吸波海綿對2.45GHz干擾信號有吸收作用，以無線路由器作為干擾源，放置在ECEI系統(tǒng)附近，通過手持示波器實時對比使用吸波海綿遮擋前后ECEI系統(tǒng)信號。,未使用吸

7、波海綿包裹前，干擾信號約1.5V，達到飽和電壓,角錐形吸波海綿作為屏蔽材料,9,LHCD干擾源方向驗證(III),吸波海綿,使用吸波海綿遮擋EAST窗口，以及ECEI系統(tǒng)光路和天線信號入射口。遮擋后，在EAST正常低雜波放電條件下，開啟ECEI系統(tǒng)采集信號。,低雜波確實來自窗口內(nèi),10,干擾途徑驗證,使用實心鋁板代替高通濾波板，安裝在天線信號入口處，在EAST正常放電過程中打開ECEI系統(tǒng)，采集信號。,實心鋁板,,同軸線纜是目前屏蔽狀態(tài)

8、下，引入低雜波干擾的主要途徑,11,針對干擾源和干擾途徑提高屏蔽效能,角錐形吸波海綿,降低環(huán)境噪聲水平,提高屏蔽效能,使用角錐形吸波海綿可以有效提高屏蔽效能，同時可以避免單一金屬屏蔽層會導致周圍環(huán)境噪聲水平較高的問題，通過吸波海綿的吸收可有效降低了噪聲水平，減小了后方線纜及其他位置的屏蔽難度。,12,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可恢復性,13,屏蔽系統(tǒng)進一步升級的計劃,,由于主要干擾來自于窗口內(nèi)低雜波的反射，因此針對該干擾源位置從根源上降低噪聲水

9、平是最好的屏蔽方法。目前的計劃是在窗口位置使用高通濾波的方式將干擾信號（2.45GHz和4.6GHz）濾除，同時不影響ECE信號，實現(xiàn)干擾信號幅度水平的降低。,14,ECEI系統(tǒng)屏蔽總結(jié),實驗,結(jié)果,結(jié)論,1、ECEI系統(tǒng)目前實現(xiàn)了在低雜波注入功率在 2MW以下時能獲得正常的信號，屏蔽系統(tǒng)屏蔽效能更高。2、屏蔽系統(tǒng)的成功升級為ECEI系統(tǒng)在EAST上實驗提供了硬件基礎(chǔ)，獲得了更多有效數(shù)據(jù)，在2016年的實驗中共采集到3600炮有效數(shù)

10、據(jù)，為進一步的物理分析提供了基礎(chǔ)，3、ECEI系統(tǒng)的屏蔽對以后其他診斷和裝置的屏蔽具有借鑒意義，如將來的MIR等。,15,提 綱,1、ECEI系統(tǒng)屏蔽優(yōu)化原有屏蔽層介紹優(yōu)化方案以及實驗驗證ECEI屏蔽總結(jié)2、ECEI遠程信號調(diào)控系統(tǒng)ECEI系統(tǒng)在EAST面臨的問題本振源和系統(tǒng)供電的遠程控制電子學模塊信號調(diào)控系統(tǒng)ECEI遠程控制總結(jié)3、高速寬頻電磁譜儀的研制背景介紹系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)方式快速寬頻電磁譜儀總結(jié)

11、,16,ECEI系統(tǒng)在EAST實驗面臨的問題,實驗大廳進入限制，需要ECEI系統(tǒng)實現(xiàn)遠程控制,ECEI系統(tǒng)存在諸多手動控制,EAST實驗條件（加熱等）頻繁變化,電子學模塊衰減調(diào)節(jié)開關(guān),BWO源,聚焦透鏡步進發(fā)電機,17,ECEI系統(tǒng)供電和本振源的遠程控制,18,遠程信號調(diào)理系統(tǒng)：系統(tǒng)的需求,ECEI系統(tǒng)需要幅度范圍合適的輸出信號,ECEI系統(tǒng)需要適應(yīng)EAST上多變的條件變化,19,遠程信號調(diào)理系統(tǒng)：衰減調(diào)節(jié)的原理,,通過撥碼開關(guān)選擇10

12、K電阻(A位置)是否被短接到地電平，以此實現(xiàn)衰減芯片控制端電壓的調(diào)節(jié)。如若要實現(xiàn)遠程控制，只要實現(xiàn)可在B位置遠程提供0V或者-5V電壓即可。,20,遠程信號調(diào)理系統(tǒng)：硬件組成與設(shè)計(I),,,C,,21,遠程信號調(diào)理系統(tǒng)：硬件組成與設(shè)計(II),Arduino UNO單片機,電壓轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)圖,串并轉(zhuǎn)換電路的結(jié)構(gòu)圖,電路整體原理圖、PCB圖以及實物圖,22,遠程信號調(diào)理系統(tǒng)：控制軟件及單片機程序,Arduino單片機可以通過網(wǎng)絡(luò)擴展卡實

13、現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能，使用LabVIEW軟件編寫控制程序以及用戶界面，控制軟件通過網(wǎng)絡(luò)與單片機實現(xiàn)通信，控制單片機的輸出到電路的信號，實現(xiàn)遠程控制,23,遠程信號調(diào)理系統(tǒng)：集成與測試(I),使用1.5U的鋁質(zhì)機箱，將Arduino UNO單片機、信號轉(zhuǎn)換電路和供電電源安裝在機箱中，機箱輸入有電源輸出、網(wǎng)絡(luò)輸入和單片機燒錄接口，輸出為兩個SCSI接口用于輸出控制信號。,24,遠程信號調(diào)理系統(tǒng)：集成與測試(II),25,遠程信號調(diào)理系統(tǒng)：集成與測

14、試(III),a,b,（a）手動控制和遠程控制的結(jié)果 （b）手動控制和遠程控制的結(jié)果（取對數(shù)坐標）,使用微波源為電子學模塊提供信號，并分別通過手動和遠程方式調(diào)節(jié)衰減值，測試輸出結(jié)果。從a和b的測試結(jié)果可以看出，遠程信號條理系統(tǒng)工作正常（手動控制和遠程控制的曲線相吻合），并且調(diào)節(jié)效率遠遠高于手動調(diào)節(jié)。至于兩條曲線的差異，主要由于測試針對兩個不同模塊進行，由于模塊芯片的差異

15、（如不同VCO芯片的輸出功率），造成了輸出幅度的些許區(qū)別。,26,ECEI遠程控制總結(jié),ECEI系統(tǒng)為了更加適應(yīng)托卡馬克實驗和保證自身的正常運行，在不斷地發(fā)展著遠程控制功能。目前已經(jīng)實現(xiàn)的遠程控制有：ECEI系統(tǒng)遠程開關(guān)機、聚焦透鏡位置的遠程調(diào)節(jié)、本振源的遠程控制和電子學模塊遠程信號調(diào)理。ECEI系統(tǒng)的遠程開關(guān)機、透鏡位置以及本振源的遠程調(diào)節(jié)，可以有效提高系統(tǒng)的工作效率，減少進入EAST實驗大廳的次數(shù)，有效保障了ECEI系統(tǒng)的正常運行

16、和調(diào)節(jié)。電子學模塊的遠程信號調(diào)理系統(tǒng)可以實現(xiàn)模塊輸出的遠程調(diào)節(jié)，防止EAST不同加熱的功率變化造成的ECEI信號超出采集卡量程，保證系統(tǒng)獲得正常幅度的信號。同時遠程控制提高了工作效率，同時對于ECEI系統(tǒng)的其他位置遠程具有借鑒意義。遠程控制還是隨著實驗不斷發(fā)展的，目前完成了部分遠程控制，保證了系統(tǒng)的一些基本參數(shù)的調(diào)節(jié)。在將來的工作中可以對信號調(diào)理系統(tǒng)進行升級實現(xiàn)反饋控制，使控制系統(tǒng)更加智能。同時在屏蔽升級后可以嘗試實現(xiàn)ECEI高通濾

17、波板切換的遠程控制，完整實現(xiàn)成像區(qū)域的遠程調(diào)節(jié)。,27,提 綱,1、ECEI系統(tǒng)屏蔽優(yōu)化原有屏蔽層介紹優(yōu)化方案以及實驗驗證ECEI屏蔽總結(jié)2、ECEI遠程信號調(diào)控系統(tǒng)ECEI系統(tǒng)在EAST面臨的問題本振源和系統(tǒng)供電的遠程控制電子學模塊信號調(diào)控系統(tǒng)ECEI遠程控制總結(jié)3、高速寬頻電磁譜儀的研制背景介紹系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)方式快速寬頻電磁譜儀總結(jié),28,高速寬頻電磁譜儀研制,在2016年的高溫等離子體診斷會議（H

18、TPD）中，韓國KSTAR微波組的報告中介紹了一種射頻頻譜分析診斷。該診斷將寬帶接收天線放置在裝置窗口附近接收空間電磁輻射，使用射頻電路對接收信號進行濾波分段和檢波，可以實現(xiàn)快速實時地監(jiān)測周圍環(huán)境的輻射頻譜。,29,系統(tǒng)組成以及實現(xiàn)方式：碟形天線仿真,30,系統(tǒng)組成以及實現(xiàn)方式：射頻電路仿真和設(shè)計(I),由于不同環(huán)境下天線接收到的輻射信號的強度不同，因此需要放大器和可調(diào)衰減器等配合使用，保證輸入信號幅度可調(diào)。該電路設(shè)計的帶寬為50-10

19、00MHz（與天線相同），主要依據(jù)是KSTAR的實驗結(jié)果表明只在200MHz和300MHz的頻率范圍內(nèi)看到了相應(yīng)信號。根據(jù)設(shè)計，電路的輸入信號幅度范圍約為-86dBm~-10dBm，檢波器的輸出范圍為0V~1.2V，檢波器的視頻帶寬為16MHz，在高速采集的輔助下可以實現(xiàn)實時監(jiān)測。,31,系統(tǒng)組成以及實現(xiàn)方式：射頻電路仿真和設(shè)計(II),32,高速寬頻電磁譜儀總結(jié),由于該項工作啟動較晚，目前只完成了上述工作內(nèi)容。后續(xù)的工作主要包括，根據(jù)

20、原理圖繪制PCB圖并進行射頻電路的布局和布線，再由PCB電路板圖交付成產(chǎn)并焊接相應(yīng)電子元件，射頻電路制作完成后對電路進行測試，如掃頻測試和掃功率測試等，根據(jù)測試結(jié)果對設(shè)計進行調(diào)整。同時還需要對天線進行參數(shù)優(yōu)化和制作，并將其與射頻電路組合進行實際測試。高速寬頻電磁譜儀總結(jié)：該診斷方式可以監(jiān)測裝置周圍的電磁輻射，獲得等離子體內(nèi)磁重聯(lián)等物理過程產(chǎn)生的電磁輻射的頻譜，輔助其他診斷分析等離子體內(nèi)的物理過程演化。系統(tǒng)設(shè)計的帶寬為50-100

21、0MHz，視頻帶寬為16MHz，理論上可以滿足實驗需求，實現(xiàn)環(huán)境中電磁輻射頻譜的實時監(jiān)測。高速寬帶電磁譜儀的制作涉及了天線以及射頻電路相關(guān)理論，通過該診斷的設(shè)計可以為微波成像組積累微波和射頻相關(guān)設(shè)計經(jīng)驗。,33,總結(jié)與展望,在碩士論文工作期間主要完成了以下工作：完成了ECEI系統(tǒng)屏蔽的進一步優(yōu)化，保證了ECEI系統(tǒng)在低雜波加熱功率為2MW以下時可以獲得良好數(shù)據(jù)，為進一步的數(shù)據(jù)分析提供了基礎(chǔ)。完成了ECEI系統(tǒng)部分遠程控制的設(shè)計和制

22、作，主要包括ECEI系統(tǒng)供電遠程控制、本振源的遠程控制和電子學模塊的遠程信號調(diào)理系統(tǒng)，實現(xiàn)了ECEI系統(tǒng)的基本遠程控制功能，提高了工作效率。同時遠程信號調(diào)理系統(tǒng)保證了ECEI系統(tǒng)輸出信號在采集卡幅度范圍內(nèi)，使系統(tǒng)獲得更多有效信號。最后根據(jù)KSTAR微波組的RF Spectrometer設(shè)計了高速寬頻電磁譜儀，用于實時監(jiān)測等離子體裝置周圍電磁輻射，分析并得到由于磁重聯(lián)或者MHD不穩(wěn)定性等產(chǎn)生的電磁輻射頻譜，輔助其他診斷分析物理演化過程。