一种基于短波比色法的托卡马克装置红外测温系统及方法

本发明属于托卡马克装置红外诊断，具体涉及一种基于短波比色法的托卡马克装置红外测温系统及方法。

背景技术：

1、托卡马克装置运行过程中，偏滤器靶板承受来自刮削层等离子体的粒子通量和热通量，是面向等离子体部件中热负荷较为集中的区域之一。随着辅助加热功率和等离子体运行参数的提高，偏滤器靶板表面热负荷显著增加，且热负荷分布通常具有明显的空间不均匀性。为了获得偏滤器靶板表面的热负荷分布，需要准确测量靶板表面的温度分布，并进一步结合热传导模型或反演算法获得热流信息。

2、现有偏滤器温度诊断通常采用红外成像测温方式，该方式能够获得靶板表面的二维温度分布，但在托卡马克装置复杂环境下仍存在一定不足。一方面，偏滤器区域通常需要通过有限窗口和较长光路进行观测，现有红外诊断系统在该条件下的空间分辨率和成像稳定性仍受到限制，难以满足局部高热负荷区域的精细测量需求；另一方面，单波段红外测温对被测表面发射率、窗口透过率以及光路响应变化较为敏感。当靶板表面状态或窗口透过率发生变化时，温度反演结果容易产生误差。

3、此外，偏滤器靶板表面的温度和热负荷可能在毫米尺度上发生明显变化，常规红外诊断系统的空间分辨率难以满足局部高热负荷区域的精细测量需求。因此，亟需一种适用于托卡马克偏滤器复杂观测条件的高分辨红外诊断系统，以在受限窗口条件下实现偏滤器靶板表面的高空间分辨率温度测量，并降低被测表面发射率和窗口透过率变化对测温结果的影响。

4、现有托卡马克偏滤器红外测温系统在受限窗口和较长光路条件下空间分辨率不足、局部高热负荷区域测温精度受限，单波段测温易受发射率和窗口透过率变化影响。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

2、一种基于短波比色法的托卡马克装置红外测温系统，包括：

3、内窥式光路单元，用于通过托卡马克装置的上垂直窗口获取下偏滤器靶板表面的红外辐射信号；内窥式光路单元包括前端成像透镜组、中继透镜组和后端成像透镜组，前端成像透镜组用于收集来自下偏滤器靶板表面的红外辐射信号，中继透镜组用于传输红外辐射信号，后端成像透镜组用于将红外辐射信号成像至红外相机单元；

4、光路装配单元，用于将内窥式光路单元安装于托卡马克装置的上垂直窗口；

5、红外相机单元，包括两台响应不同短波红外波段的短波红外相机，用于分别采集下偏滤器靶板表面在第一测温波段和第二测温波段下的红外图像信号；第一测温波段和第二测温波段均位于短波红外波段范围内；

6、数据处理单元，用于接收红外相机单元采集的第一测温波段和第二测温波段下的红外图像信号，计算第一测温波段和第二测温波段下的红外图像信号中对应位置的辐射强度比值，并基于预先建立的辐射强度比值与温度之间的对应关系获得下偏滤器靶板表面的温度分布。

7、一种基于短波比色法的托卡马克装置红外测温方法，用于所述的基于短波比色法的托卡马克装置红外测温系统，包括：

8、s1，将黑体辐射源置于与实际测量相同的光路视场内，在覆盖预定测温范围的多个已知温度点同步采集第一测温波段和第二测温波段的标定图像；对标定图像进行背景校正和空间配准，计算各已知温度点下第一测温波段校正辐射强度与第二测温波段校正辐射强度的比值，并建立温度至标定辐射强度比值的标定函数；

9、s2，通过安装于托卡马克装置上垂直窗口的内窥式光路单元获取下偏滤器靶板待测区域的红外图像信号；

10、s3，将所述红外图像信号分配至红外相机单元，同步采集第一测温波段和第二测温波段的实测图像；

11、s4，对第一测温波段和第二测温波段的实测图像也进行s1所述的背景校正和空间配准，计算对应像素处第一测温波段校正辐射强度与第二测温波段校正辐射强度的实测辐射强度比值；

12、s5，根据温度至标定辐射强度比值的标定函数，获得实测辐射强度比值对应的温度，形成下偏滤器靶板待测区域的二维温度分布。

13、本发明具有以下有益效果：

14、（1）本发明通过在短波红外范围内选取第一测温波段和第二测温波段，并由数据处理单元9基于普朗克定律建立两波段辐射强度比值与温度之间的对应关系，实现以双波段比值反演偏滤器靶板表面温度，从而解决单波段红外测温易受靶板表面发射率变化、窗口透过率变化及光路响应波动影响的问题，提高温度反演结果的准确性。

15、（2）本发明通过设置内窥式光路单元，并采用前端成像透镜组、中继透镜组和后端成像透镜组传输下偏滤器靶板表面的红外辐射信号，使红外辐射信号能够在受限窗口和较长观测距离条件下传输至外部红外相机单元，从而解决了现有托卡马克偏滤器红外测温系统在窗口空间受限和长距离观测条件下空间分辨率不足的问题。

16、（3）本发明通过将内窥式光路单元的总光学长度、探头外径和前工作距离限定为适配托卡马克装置窗口及内部空间的参数，并使系统空间分辨率不大于1 mm/像素，实现了对下偏滤器靶板局部高温区域和热负荷集中区域的毫米级精细测量，解决了常规红外诊断系统空间分辨率不足、难以分辨局部热负荷细节的问题。

17、（4）本发明通过设置光路装配单元，将内窥式光路单元安装于托卡马克装置上垂直窗口位置，并通过窗口法兰、光路法兰、透光窗口和密封组件实现内窥式光路单元与装置窗口的适配安装，在保证真空密封和光路连接的同时，使系统能够在受限窗口条件下完成下偏滤器靶板的红外观测，解决了现有托卡马克偏滤器红外测温系统在窗口空间受限条件下光路安装和高分辨观测难以兼顾的问题。

18、（5）本发明通过采用两台响应不同短波红外波段的短波红外相机，分别采集第一测温波段和第二测温波段下的红外图像信号，并由数据处理单元进行对应位置的辐射强度比值计算和温度反演，获得了下偏滤器靶板表面的高分辨二维温度分布，为后续热流反演、局部高温识别和部件状态评估提供了温度诊断数据，解决了偏滤器靶板热流分析和部件状态评估缺少高分辨温度场支撑的问题。

1.一种基于短波比色法的托卡马克装置红外测温系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于短波比色法的托卡马克装置红外测温系统，其特征在于，内窥式光路单元的总光学长度为3000毫米至4000毫米，探头外径不大于80毫米，前工作距离为2000毫米至2600毫米。

3.根据权利要求1所述的基于短波比色法的托卡马克装置红外测温系统，其特征在于，内窥式光路单元的空间分辨率不大于1毫米每像素。

4.根据权利要求1所述的基于短波比色法的托卡马克装置红外测温系统，其特征在于，短波红外波段范围为700纳米至1700纳米。

5.根据权利要求1所述的基于短波比色法的托卡马克装置红外测温系统，其特征在于，光路装配单元包括窗口法兰、光路法兰、透光窗口、密封组件；

6.一种基于短波比色法的托卡马克装置红外测温方法，用于如权利要求1至5中任一项所述的基于短波比色法的托卡马克装置红外测温系统，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的基于短波比色法的托卡马克装置红外测温方法，其特征在于，s5中，根据温度至标定辐射强度比值的标定函数，通过查表、插值或反函数计算获得实测辐射强度比值对应的温度。

8.根据权利要求6所述的基于短波比色法的托卡马克装置红外测温方法，其特征在于，s1包括：在每一已知温度点达到稳定后连续采集多帧标定图像并取平均值，以多个已知温度点及其对应的校正辐射强度比值为数据点，通过单调插值或曲线拟合建立温度至标定辐射强度比值的标定函数。

9.根据权利要求6所述的基于短波比色法的托卡马克装置红外测温方法，其特征在于，s1中，第一测温波段和第二测温波段的中心波长和带宽根据下偏滤器靶板的预设温度范围、短波红外相机的光谱响应特性、光学系统的透过特性以及测量信噪比要求确定。

10.根据权利要求6所述的基于短波比色法的托卡马克装置红外测温方法，其特征在于，还包括s6：将s5形成的二维温度分布作为热传导模型或热流反演算法的输入，获得下偏滤器靶板待测区域的二维热流分布。