汤姆逊散射多色仪滤光片波段设计方法

本发明涉及等离子体诊断与光电设计交叉，尤其是一种汤姆逊散射多色仪滤光片波段设计方法。

背景技术：

1、汤姆逊散射（thomson scattering）是测量等离子体电子温度和密度的最可靠手段之一，广泛应用于托卡马克、仿星器等磁约束聚变装置中。多色仪（polychromator）作为汤姆逊散射诊断系统的核心分光器件，其滤光片波段的选择直接决定了电子温度的测量精度和有效量程。多色仪通常由数个光谱通道组成，每个通道通过干涉滤光片选择特定波长范围，将散射光分解为若干独立的光谱分量，通过各通道信号的比值关系反演电子温度。

2、传统的多色仪滤光片波段设计主要依赖经验公式和人工试凑，设计者根据汤姆逊散射谱的高斯展宽特性，手动调整各通道的中心波长和带宽，通过反复试算评估不同配置下的测量误差。这种方法存在以下不足：（1）依赖设计者经验，主观性强，难以保证所得结果为全局最优；（2）人工试凑效率低，尤其当通道数增加或约束条件复杂时，设计周期显著延长；（3）难以同时考虑多种物理约束（如通道非重叠、杂散光抑制、蓝侧截止等）；（4）误差评估通常采用简化模型，未充分考虑实际光子计数统计对测量精度的影响。

3、近年来，有学者采用遗传算法、模拟退火等优化方法进行多色仪设计，但这些方法存在收敛速度慢、易陷入局部最优、约束处理复杂等问题。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术中缺乏理想的多色仪滤光片波段设计方法的缺陷，本发明提出了一种汤姆逊散射多色仪滤光片波段设计方法，能够自动寻找使电子温度测量精度最优的滤光片波段组合，同时满足多重物理约束，为汤姆逊散射诊断系统的多色仪设计提供理论基础和工程指导。

2、本发明提出的一种汤姆逊散射多色仪滤光片波段设计方法，包括以下步骤：

3、s1、建立汤姆逊散射谱物理模型，基于非相干汤姆逊散射条件下的归一化高斯谱分布，利用误差函数解析积分计算各光谱通道的信号强度；

4、s2、基于相邻通道比值的电子温度误差评估模型构建目标函数；

5、s3、引入物理约束条件，设计迭代约束修复机制将不可行解映射至满足物理约束条件的可行域，得到决策变量的初始值，决策变量包括各通道的下边界波长和带宽；

6、s4、采用优化算法，在物理约束条件下对目标函数进行全局优化，得到满足物理约束条件的局部最优解；

7、s5、向最新得到的局部最优解注入随机变量，然后返回步骤s4，直至得到多个局部最优解；然后计算各局部最优解的目标函数，选择目标函数最小的局部最优解作为最终全局最优解。

8、优选的，步骤s2中，首先构建相邻通道的误差的积分比值；基于相邻通道的积分比值计算电子温度的理论相对误差；在相邻通道维度上，对理论相对误差序列通过逆方差加权组合得到综合相对误差；对不同电子温度的综合相对误差取平均值和最大值进行加权计算，得到目标函数。

9、优选的，第j个通道与第j+1个通道的积分比值评估的电子温度的理论相对误差为：

10、；

11、其中，和分别为多色仪第j和j+1个通道的实际光子计数；为第j个通道与第j+1个通道的积分比值，表示的自然对数对电子温度的求导。

12、优选的，物理约束条件，包括通道非重叠约束、杂散光安全边距约束和带宽范围约束：

13、(a) 通道非重叠约束为：；为多色仪第j个通道的上边界，为多色仪第j+1个通道的下边界；

14、(b) 杂散光安全边距约束为：'，其中，为激光波长，'为杂散光波长；为第m个通道的波长的上边界；j为多色仪的通道数；

15、(c) 带宽范围约束为：，；和分别为预设的最小带宽和最大带宽；和分别为第m个通道的波长的下边界和上边界。

16、优选的，采用迭代约束修复机制的方式如下：

17、s31、首先沿波长从蓝侧短波向红侧长波扫描多色仪各通道，分离重叠通道，以满足通道非重叠约束；

18、s32、然后沿波长从红侧长波向蓝侧短波扫描多色仪各通道，以满足杂散光安全边距约束和带宽范围约束；

19、s33、循环步骤s31和s32，直至同时满足通道非重叠约束、杂散光安全边距约束和带宽范围约束；

20、步骤s4中，首先采用优化算法对决策变量进行优化，得到局部最优解；然后对局部最优解执行迭代约束修复机制，得到满足物理约束条件的局部最优解。

21、优选的，优化算法采用粒子群优化算法。

22、优选的，步骤s4中，每次完成一次决策变量迭代，则执行一次迭代约束修复机制；直至优化次数达到设定值时，输出局部最优解。

23、优选的，第m个通道的误差函数解析积分为：

24、；

25、；

26、其中，和分别为第m个通道可通过波长的下边界和上边界，为激光波长；erf表示误差函数；为汤姆逊散射谱半宽高度，

c为光速，

θ为散射角，

k为玻尔兹曼常数，为电子温度，为电子质量。

27、本发明提出的一种汤姆逊散射多色仪滤光片波段设计系统，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，处理器连接存储器，处理器用于执行所述计算机程序，以实现所述的汤姆逊散射多色仪滤光片波段设计方法。

28、本发明提出的一种存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时用于实现所述的汤姆逊散射多色仪滤光片波段设计方法。

29、本发明的优点在于：

30、（1）本发明将优化算法与迭代约束修复机制相结合，能够在复杂的非线性约束空间中高效搜索全局最优解，避免了传统人工试凑方法的主观性和低效率；本发明采用基于相邻通道比值的误差评估模型，更贴近多色仪在实际工作中通过查表法反演电子温度的测量方式，误差评估更加准确可靠；本发明多次独立优化运行策略有效克服了优化算法可能陷入局部最优的不足，保证了最终解的质量和稳定性。

31、（2）本发明能够自动寻找使电子温度测量精度最优的多色仪滤光片波段组合，具有物理约束强、优化效率高、结果可解释等优点，可为汤姆逊散射诊断系统的多色仪设计提供理论基础和工程指导。

32、（3）本发明通过理论相对误差引入实际光子计数计算，将系统物理参数（激光能量、电子密度、收集效率等）纳入优化目标，使优化结果具有明确的物理意义和工程实用性。

1.一种汤姆逊散射多色仪滤光片波段设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的汤姆逊散射多色仪滤光片波段设计方法，其特征在于，步骤s2中，首先构建相邻通道的误差的积分比值；基于相邻通道的积分比值计算电子温度的理论相对误差；在相邻通道维度上，对理论相对误差序列通过逆方差加权组合得到综合相对误差；对不同电子温度的综合相对误差取平均值和最大值进行加权计算，得到目标函数。

3.如权利要求2所述的汤姆逊散射多色仪滤光片波段设计方法，其特征在于，第j个通道与第j+1个通道的积分比值评估的电子温度的理论相对误差为：

4.如权利要求1所述的汤姆逊散射多色仪滤光片波段设计方法，其特征在于，物理约束条件，包括通道非重叠约束、杂散光安全边距约束和带宽范围约束：

5.如权利要求4所述的汤姆逊散射多色仪滤光片波段设计方法，其特征在于，采用迭代约束修复机制的方式如下：

6.如权利要求5所述的汤姆逊散射多色仪滤光片波段设计方法，其特征在于，优化算法采用粒子群优化算法。

7.如权利要求5所述的汤姆逊散射多色仪滤光片波段设计方法，其特征在于，步骤s4中，每次完成一次决策变量迭代，则执行一次迭代约束修复机制；直至优化次数达到设定值时，输出局部最优解。

8.如权利要求1所述的汤姆逊散射多色仪滤光片波段设计方法，其特征在于，第m个通道的误差函数解析积分为：

9.一种汤姆逊散射多色仪滤光片波段设计系统，其特征在于，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，处理器连接存储器，处理器用于执行所述计算机程序，以实现如权利要求1-8任一项所述的汤姆逊散射多色仪滤光片波段设计方法。

10.一种存储介质，其特征在于，存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时用于实现如权利要求1-8任一项所述的汤姆逊散射多色仪滤光片波段设计方法。