一种适用于宽形变非对称的内爆冲击波诊断方法

本发明涉及激光测量，特别是涉及一种适用于宽形变非对称的内爆冲击波诊断方法。

背景技术：

1、激光聚变通常采用直接或间接的激光驱动手段来压缩球形靶丸，旨在达成聚变点火所需的高温高压环境。在此过程中，确保靶丸以高度的对称性进行向心收缩，是获取更高中子产额的关键因素。研究表明，要实现高收缩比内爆聚变点火，其不对称性须控制在1%至2%。因此，精确诊断内爆冲击波在压缩过程中的对称性变化，据此有效地调控激光驱动加载对称性，对于提升聚变效率至关重要。

2、visar（velocity interferometer system for any reflector）技术利用激光多普勒效应与干涉原理，可以实现高速运动物体速度的非接触式、高精度测量，在物理学、材料科学、地球科学等多个学科领域中展现出了极高的应用价值。然而传统的visar技术多局限于点、线的测量，在内爆冲击波诊断时，往往只能获取靶丸内表面一点的冲击波速度信息，无法获取较大范围的冲击波压缩对称性信息。

3、近年来，广角visar技术提出在球形靶丸内放置椭球转接反射镜，实现了靶丸内表面的三维冲击波速度信息收集，为内爆压缩对称性诊断提供了新的诊断方法。但是，当前结构的广角visar为椭球型转接反射镜，将靶丸整个内表面照亮的同时，也使得探针激光被分散在较大区域，当探针激光强度不足、冲击波发生倾斜或者波形不规则变化时，条纹相机收集到的有效光束能量较低，对于分析内爆对称性带来挑战。

4、因此，需要设计一种适用于宽形变范围内爆冲击波的诊断方法，以保证获取较大范围得对称性信息的同时，提高光束质量，实现非对称压缩、冲击波不规则变化等情况下内爆冲击波对称性变化的有效诊断，从而为流体力学不稳定性、辐射驱动加载控制、等离子体不稳定等问题研究提供有效诊断工具。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种适用于宽形变非对称的内爆冲击波诊断方法，能够构建一种适用于宽形变非对称内爆冲击波诊断的宽形变非对称诊断靶丸，兼顾宽范围获取内爆对称性信息的同时，提高探针激光收集效率，提升非对称内爆压缩冲击波的效果，拓展广角visar技术的诊断应用范围。

2、一种适用于宽形变非对称的内爆冲击波诊断方法，其关键在于，包括以下步骤：

3、s1：构建宽形变非对称诊断靶丸，该宽形变非对称诊断靶丸包括靶丸和适用于宽形变诊断的广角反射镜面；

4、s11：以所述靶丸的球腔中心为坐标原点o，建立直角坐标系xoy，探针激光经透镜汇聚交x轴于点a，该点a的坐标为（-d,0），该探针激光包括若干入射光线；

5、s12：假设所述靶丸的球腔内设置有反射曲面，该反射曲面满足：所有入射光线经反射曲面反射汇聚至球腔内表面上的点b，该点b的坐标已知，为（a,b）；

6、s13：记任意一条入射光线为la，该射光线la与x轴夹角为∠lao，记∠lao为，入射光线la经反射曲面上任意一点c反射至点b，任意一条入射光线la经过点b反射后，按原路返回，生成任意一条反射光线bc，该反射光线bc与x轴交于点f，记∠bfa为，且直线ba与x轴的夹角为∠bao，记∠bao为；

7、s14：在所述直角坐标系xoy内，过所述点c做所述反射曲面的切线ne，该切线ne与x轴交于点e，该切线ne与x轴的夹角为∠cea，记∠cea为；

8、s15：推导点c与∠bfa和∠lao的关系式，以及推导∠bfa、∠lao和∠bao之间的关系式；

9、s16：以直线ab为轴，直线ab的中垂线为轴，直线ab与直线ab的中垂线的交点为，建立直角坐标系；

10、s17：根据点c与∠bfa和∠lao的关系式以及∠bfa、∠lao和∠bao之间的关系式，推导点c在直角坐标系上的轨迹方程；

11、s18：根据点c在直角坐标系上的轨迹方程，推导点c在直角坐标系xoy上的轨迹方程；

12、s19：将点c在直角坐标系xoy上的轨迹方程绕x轴旋转一周，生成出所述反射曲面在xy平面的投影；

13、s110：根据所述反射曲面在xy平面的投影，在所述靶丸内一比一还原生成双曲型转接反射镜，该双曲型转接反射镜为适用于宽形变诊断的广角反射镜面；

14、s2：探针激光经分束镜反射至所述靶丸内；

15、s3：条纹相机获取依次经所述双曲型转接反射镜反射、靶丸的球腔和双曲型转接反射镜反射的探针激光，并生成干涉条纹；

16、s4：解析干涉条纹，实现冲击波的速度和波形同时诊断。

17、本方法通过构建一种针对宽形变冲击波的诊断方法，实现了探针光束在靶丸内特定区域的精准聚焦与光束质量优化的双重目标。其核心价值在于：既利用内置的曲面反射镜的光学特性保障了冲击波压缩信息获取的丰富性与精准性，又通过三维曲面的结构解决了传统反射镜光束发散、质量不佳的问题，为靶丸冲击波诊断、高精密光学调控等领域提供了兼具“信息采集能力”与“光束质量保障”的诊断方法，具备较强的技术创新性与实际应用价值。

18、进一步的，在所述xoy直角坐标系内，所述点c的坐标记为，所述点c与∠bfa和∠lao的关系式，推导过程如下：

19、在所述xoy直角坐标系内，易知，，满足，则：

20、                     （1）

21、根据上述几何关系及已知点坐标，、、满足：

22、      （2）

23、联立公式（2）中①②，得

24、                （3）

25、分别消去x，y，得到

26、               （4）

27、             （5）

28、由公式（4）和公式（5）式得，x、y、跟随变化，为进一步分析公式（4）和公式（5）跟之间的关系，则公式（4）和公式（5）分别对求偏导：

29、  （6）

30、（7）

31、将公式（3）、公式（6）和公式（7）联立，有：

32、                   （8）

33、公式（8）进一步化简，得：

34、              （9）

35、其中：k为第一形状参数。

36、进一步的，所述∠bfa、∠lao和∠bao之间的关系式，推导过程如下：

37、                （10）

38、将公式（9）和公式（10）联立，求解得：

39、              （11）

40、其中：k为第一形状参数，m是常数值，记为第二形状参数。

41、进一步的，所述点c在直角坐标系上的轨迹方程的推导过程如下：

42、在直角坐标系内，所述b点的坐标记为（c,0），此时c等同直线的长度，得：

43、                     （12）

44、在直角坐标系内，所述入射光线la与轴夹角为∠lab，该∠lab记为，该，反射光线cb与轴夹角为∠cba，∠cba该记为，其中：

45、                   （13）

46、                 （14）

47、因此，所述公式（11）等同于：

48、（15）

49、即：

50、                 （16）

51、在直角坐标系内，所述点c的坐标记为，即：

52、                  （17）

53、将公式（16）和公式（17）联立，求解得：

54、      （18）

55、消去，得点c在直角坐标系上的轨迹方程为双曲线，即：

56、          （19）

57、其中：k为第一形状参数，m为第二形状参数。

58、进一步的，在步骤s8中，坐标系下的点c轨迹可看作通过xoy坐标系下的点c坐标向左平移k，再逆时针旋转，最后向右平移c得到，即：

59、           （20）

60、根据公式（20）得：

61、               （21）

62、由公式（21）得，点c在直角坐标系xoy上的轨迹方程也为双曲线，即：

63、    （22）

64、其中：k为第一形状参数，m为第二形状参数。

65、双曲型转接反射镜通过设置第一形状参数k和第二形状参数m，能满足不同诊断需要，从而精准聚焦探针光束至靶丸内球面的指定区域，且聚焦区域可稳定覆盖靶丸内的一条完整经线，通过调整聚焦位置，曲面镜的参数k,m可以进行调整，从而实现对靶丸内任意经线；或根据应用需求调整为覆盖一条完整纬线，实现对靶丸内特定环形区域的定向光学作用。

66、进一步的，所述第一形状参数k与所述点a的x轴坐标的绝对值相等。

67、有益效果：本发明构建了一种宽形变非对称诊断靶丸，该宽形变非对称诊断靶丸中的双曲型转接反射镜能将探针光束的能量集中约束于靶丸内的经线或纬线区域，从而减少光束在非目标区域的发散损耗，确保探针光束对靶丸内特定区域的聚焦诊断。

68、双曲型转接反射镜将探针激光聚焦于冲击波压缩过程中物理参数变化最显著的区域，能够捕捉到更丰富的动态变化细节，相比传统的广角visar，信息的时间分辨率与空间分辨率均得到显著提升。此外，双曲型结构可有效减少杂散光干扰，同时避免光束在传输过程中的能量分散，当冲击波发生非对称变化时，较高的光束质量，可以满足高精密光学诊断场景对光束质量的严苛要求。

69、除此之外，双曲型广角visar结合优化的诊断光路及速度结算算法，可以有效评估惯性约束聚变内爆驱动的非对称性加载。同时双曲型转接反射镜思路也可应用于二维、三维冲击波压缩效应的诊断，具有广泛的应用场景。