零中頻多道微波多普勒測量系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于一種磁約束受控核聚變等離子體微波診斷系統，具體涉及一種基于微波零中頻解調技術的多頻率點微波多普勒診斷系統。
【背景技術】
[0002]在磁約束受控核聚變實驗研究中，等離子體湍流和旋轉是等離子體約束與輸運課題研究中的關鍵物理參量，這些參量與等離子體反常的徑向粒子和熱輸運、動量輸運，與實現高約束模式運行的聚變等離子體有密切的聯系。根據磁約束聚變裝置的特點，等離子體旋轉和湍流在等離子體約束區的不同徑向位置具有不同的分布特征，且這些特征的演化時間尺度非常小，達到毫秒量級，因此高時空分辨地測量一直以來是國際聚變屆的重要研究熱點和目標。
[0003]目前這一研究領域中對這兩個參量的測量主要有微波多普勒反射、靜電探針和電荷交換復合光譜等三種方法。其中靜電探針的測量必須將探針伸入到等離子體，才能實現測量，但是伸入探針會改變局域等離子體特征，另外高溫等離子體很容易燒毀探針，探針與等離子體相互作用產作的雜質影響等離子體運行，嚴重時威脅裝置安全，這使得該診斷只能在較低溫度的等離子體邊緣區域測量，空間覆蓋非常有限。電荷交換復合光譜測量診斷是一種依賴于高能中性粒子束的主動診斷，高能中性粒子束造價昂貴，該診斷對診斷束質量有較高要求，測量環境中的高能電子也將影響該診斷的光譜測量，并且診斷布置與中性束的幾何安裝有密切關系，才能實現極向旋轉速度的測量；其次，該方法時間分辨較差，很難定量描述局域密度漲落水平，使得該診斷系統復雜，造價昂貴，系統穩定性受限。微波多普勒反射利用微波在等離子體中的湍流散射來測量特定波矢的旋轉速度和湍流強度，其不會影響等離子體局域特性。通過改變微波頻率和測量角，可以實現不同區域和不同波矢的測量，是一種不依賴于輔助加熱條件的主動測量手段，適用于等離子體邊緣到芯部所有區域的測量。為了測量旋轉速度方向，微波系統需要對從等離子體散射回來的信號進行正交解調。而要實現分布測量，需要多頻率的微波信號在等離子體中不同徑向位置散射，以測量不同區域的多普勒信號。如果采用多套微波系統來同時測量會受到裝置診斷窗口的限制，外差系統的多次變頻使系統變得復雜，維護困難，系統的研制成本大幅升高。目前國際上通常采用一個寬帶微波源來掃頻和外差測量多普勒信號，但是這種步進掃頻方法使測量的分布不是同一時刻的，一個掃頻周期時間達到好幾十毫秒，使時間分辨變得很差，給物理分析造成困難。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種零中頻多道微波多普勒測量系統，該系統能夠同時測量多個空間點的等離子體旋轉速度和湍流譜，能獲得它們的空間相關性，同時系統還具有成本低、時間分辨高、維護簡單，研制周期短等優點。
[0005]本發明是這樣實現的，基于零中頻解調的多道多普勒測量系統，它包括微波頻率源、定向耦合器、可調衰減器、多工器、發射端帶阻濾波器、發射天線、接收天線、等離子體截止層、接收端帶阻濾波器、寬帶微波功率放大器、微波功率分配器、帶通濾波器、可調增益微波功率放大器、微波正交解調器、低通濾波器、視頻放大器，其中，微波頻率源、定向耦合器、可調衰減器、多工器、發射端帶阻濾波器、發射天線構成微波多路頻率發射系統，微波頻率源的輸出端與定向I禹合器的輸入端連接，定向I禹合器的輸出端與可調衰減器的輸入端連接，可調衰減器的輸出端與多工器的輸入端連接，多工器的輸出端與發射端帶阻濾波器的輸入端連接，發射端帶阻濾波器的輸出端與發射天線的輸入端連接，發射天線將微波向等離子體截止層發射，接收天線、接收端帶阻濾波器、寬帶微波功率放大器、微波功率分配器、帶通濾波器、可調增益微波功率放大器、微波正交解調器、低通濾波器、視頻放大器構成多路微波接收系統，從等離子體截止層反射回來的微波信號被接收天線接收，接收天線的輸出端與接收端帶阻濾波器的輸入端連接，接收端帶阻濾波器的輸出端與寬帶微波功率放大器的輸入端連接，寬帶微波功率放大器的輸出端與微波功率分配器的輸入端連接，微波功率分配器的輸出端與帶通濾波器的輸入端連接，帶通濾波器的輸出端與微波正交解調器的射頻輸入端連接，定向耦合器的耦合輸出端與可調增益微波功率放大器的輸入端連接，可調增益微波功率放大器的輸出端與微波正交解調器的本振輸入端連接，定向耦合器和可調增益微波功率放大器構成了微波的本振回路，它們的工作頻率與微波源的頻率一致，道數與微波源的數量相同，可調增益微波功率放大器的輸出功率要與微波正交解調器的最佳本振功率一致，微波正交解調器的同相輸出端和正交輸出端分別與不同的低通濾波器的輸入端連接，低通濾波器的輸出端與視頻放大器的輸入端連接，視頻放大器的輸出端解調信號送給數據采集和分析系統。
[0006]所述的微波頻率源為多個獨立的微波源，其工作頻率不同，它由要求的測量空間位置決定，微波頻率源的功率要求大于20dBm。
[0007]所述的微波功率分配器為一個寬頻帶的微波功率分配器，其工作頻率由微波頻率源的頻率決定，要求微波功率分配器的工作頻率范圍覆蓋所有微波頻率源的工作頻率。
[0008]所述的帶通濾波器的工作頻率與微波頻率源的工作頻率一一對應，分別用于從接收系統中將所需要的頻率單獨提取出來，給微波正交解調器進行正交鑒相。
[0009]所述的低通濾波器和視頻放大器的工作頻率由系統要求的測量頻率分辨率和多普勒頻移產生的頻偏大小決定，通常小于5MHz。
[0010]本發明的優點是，它采用微波源直接解調方法，不需要像外差系統那樣將微波下變頻至中頻信號再解調，使多道微波多普勒測量系統結構得到簡化，具有成本低、時間分辨高、維護簡單，研制周期短等優點。該系統能夠同時測量多個空間點的等離子體旋轉速度和湍流譜，同時還能獲得它們的空間相關性。系統的測量區域受微波源的工作頻率決定，在適當范圍內，通過調節微波源的輸出頻率，還可以改變測量區域。系統中有帶阻濾波器，能吸收高功率電子回旋波信號，能夠很好地保護系統各個元件和防止對待測多普勒頻譜的干擾。在微波發射通道中的可調微波衰減器能夠使每一個發射頻率的功率能夠根據測量需要調節，使系統的測量區域更高的適用性。選用合適頻率和帶寬的低通濾波器和視頻放大器，能夠獲得較高的時間分辨。本統除了能夠用于等離子體的湍流和旋轉速度分析，還能用于其他領域的測量和分析，如天體等離子體，運動目標的微波多普勒雷達監測等。
【附圖說明】
[0011]圖1是本發明所提供的零中頻多道多普勒測量系統示意圖。
[0012]圖中:I微波頻率源，2定向耦合器，3可調衰減器，4多工器，5發射端帶阻濾波器，6發射天線，7接收天線，8等離子體截止層，9接收端帶阻濾波器，10寬帶微波功率放大器，11微波功率分配器，12帶通濾波器，13可調增益微波功率放大器，14微波正交解調器，15低通濾波器，16視頻放大器。
【具體實施方式】
[0013]下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細介紹:
[0014]本發明針對等離子體內部旋轉和湍流分布測量所受到的條件限制，以及傳統微波外差掃頻系統時間分辨較差、維護困難等問題，提供一種基于零中頻解調技術的多道微波多普勒反射診斷系統。
[0015]一種基于零中頻解調的多道微波多普勒測量系統，該系統包括微波頻率源、定向耦合器、可調衰減器、多工器、發射端帶阻濾波器、發射天線、接收天線、等離子體截止層、接收端帶阻濾波器、寬帶微波功率放大器、微波功率分配器、帶通濾波器、可調增益微波功率放大器、微波正交解調器、低通濾波器、視頻放大器等。微波頻率源的輸出端依次與定向耦合器和可調衰減器連接，可調衰減器的輸出端與多工器的輸入端連接，多工器的輸出端依次與帶阻濾波器和發射天線連接，接收天線的輸出端依次與帶阻濾波器和寬帶功分器連接，寬帶功分器的輸出端依次與帶通濾波器和微波正交混頻器連接，定向耦合器的耦合輸出端依次與可調增益微波功率放大器和微波正交混頻器的本振端連接，微波正交混頻器的輸出端依次與低通濾波器、視頻放大器和數據采集與分析系統連接。
[0016]所述的微波頻率源輸出的微波信號經定向耦合器和可調衰減器進行功率調節，在多工器中進行功率合成，多路微波合路后，經發射端帶阻濾波器和發射天線同時向等離子體發射微波功率信號。從等離子體截止層反射回來的微波信號，攜帶了等離子體湍流和旋轉信息，即等離子體的擾動強度和旋轉產生的多普勒頻移，被接收天線接收，然后經接收端帶阻濾波器，在寬帶微波功率放大器中進行功率放大，放大后的微波信號在微波功率分配器中進行功率分配。然后給帶通濾波器進行選頻，送入到下一級的微波正交解調器中進行解調。微波正交解調器的本振驅動信號由定向耦合器的耦合輸出端產生，定向耦合器的耦合輸出信號經可調增益微波功率放大器，將每一個微波信號功率放大到足夠驅動微波正交解調器。微波正交解調器在微波頻率上直接進行解調，輸出產生O度和90度相位的正交測量信號，經低通濾波器和視頻放大輸出給數據采集和分析系統，該信號包含了來自等離子體湍流的信息，經數據分析獲得多普勒頻移和擾動的強度信號，進而獲得旋轉速度分布和瑞流分布。
[0017]如圖1所示，本發明所提供的一種基于零中頻解調的多道多普勒測量系統，該系統包括微波頻率源1、定向耦合器2、可調衰減器3、多工器4、發射端帶阻濾波器5、發射天線6、接收天線7、等離子體截止層8、接收端帶阻濾波器9、寬帶微波功率放大器10、微波功率分配器11、帶通濾波器12、可調增益微波功率放大器13、微波正交解調器14、低通濾波器15、視頻放大器16。
[0018]微波頻率源1、定向耦合器2、可調衰減器3、多工器4、發射端帶阻濾波器5、發射天線6構成微波多路頻率發射系統，測量的道數為微波頻率源的數量，多工器的輸入端數量與微波頻率源的數量相同。
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