一种基于红外诊断靶的强流粒子束束散角测量方法

本发明涉及强流粒子束诊断，具体涉及一种基于红外诊断靶的强流粒子束束散角测量方法。

背景技术：

1、束散角是中性束注入装置、离子束装置及其他高能粒子束系统中的关键束流参数。束散角直接影响束流传输效率、靶面功率密度分布和装置安全裕度。通过红外相机采集粒子束轰击诊断靶后形成的温度场，并由热斑空间形貌推算束散角，是一种能够适应高功率、短脉冲束流条件的非接触诊断方式。

2、实际实验中，红外相机通常无法正对诊断靶，原始温度场存在明显透视畸变；不同实验帧还存在背景辐射、边界噪声和热斑位置偏移。传统方法多从实验温升场中人工选取单行或单列，并直接对所选一维曲线进行单高斯拟合，再由拟合宽度计算束散角。该类方法没有根据候选束散角建立模拟束流曲线并与实际曲线反复比较，属于从实验曲线到束散角的单向计算，难以利用整体热斑的峰形、梯度和横纵差异对束散角形成联合约束。

3、粒子束通常由多个电极孔共同引出，每个引出孔均形成具有自身中心位置和传播方向的单孔束流。各单孔束流受到孔阵列排布、孔偏移聚焦、板间夹角及分区偏转参数影响，在诊断靶面叠加后形成的整体束流往往具有多峰、峰谷、肩部和非对称等多重高斯特征。诊断靶通常布置在距引出电极较远的下游位置，单孔束流在一定距离传播过程中逐渐扩展并在靶面发生多重空间叠加；与此同时，束源内部横向安装空间及相邻构件避让条件有限，若将两块孔阵列板共面并列布置，将显著增大横向占用并可能造成结构干涉。因此，采用两块孔阵列板在公共边处连接、相对竖直方向反向微倾斜并沿束流传播方向前后收拢的折面布置，可在有限安装空间内保留所需孔数和有效引出面积，并使两组孔束流在远端诊断靶面形成预期覆盖与叠加。若以一个单一高斯函数或等间距平行孔阵列描述整体束流，将丢失真实电极结构造成的局部形貌信息，从而影响束散角反演的物理准确性。

4、因此，需要一种将每个引出孔分别表示为单孔二维高斯分量，并依据真实孔位置和束流方向进行多重叠加的前向模型；同时需要在统一坐标、统一带状区域和统一权重条件下提取模拟曲线与实际曲线，通过改变候选束散角反复生成模拟曲线并最小化两者误差，从而完成具有明确物理含义的束散角反演。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于红外诊断靶的强流粒子束束散角测量方法，以解决现有方法中整体束流采用单一高斯近似、真实多孔结构利用不足、模拟曲线与实际曲线之间缺少闭环反演、二维形貌约束不充分以及束散角评价口径不统一的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供一种基于红外诊断靶的强流粒子束束散角测量方法，包括如下步骤：

3、步骤1、选择一帧背景数据和多个不同时刻的实验数据，对所选数据文件按文件名中的数字进行自然排序，并识别背景帧；

4、步骤2、将各实验帧温度矩阵与所述背景帧温度矩阵逐像素相减，将差值中的负值置零，获得各时刻温升场；

5、步骤3、在首个实验帧上选取粗略四边形感兴趣区域，在该区域内进行边缘检测和直线检测，筛选与所述粗略四边形四条边对应的主直线，并由相邻主直线交点得到精修四角点；

6、步骤4、根据精修四角点建立单应性变换，将温升场透视校正为矩形区域，并根据所述矩形区域的实际物理宽度和实际物理高度确定横向与纵向像素尺寸；

7、步骤5、根据粒子束引出电极的孔阵列位置、各孔束流方向、板间夹角以及分区孔偏转参数建立真实多孔束流前向模型；以候选束散角作为单孔束斑宽度参数，分别生成每一个引出孔传播至诊断靶面的单孔二维高斯束斑，并对n个单孔高斯分量进行加权叠加，形成多重高斯模拟束流场；

8、步骤6、利用多重高斯模拟束流场与实验温升场的归一化互相关确定模拟场相对于实验场的对齐偏移，并在各候选束散角的反演计算中复用所述对齐偏移；

9、步骤7、根据实验温升场的加权质心确定横向带状区域和纵向带状区域，采用由实验温升强度确定的同一组权重，分别从实验温升场和多重高斯模拟束流场中提取横向、纵向归一化曲线；

10、步骤8、将所述实验曲线与模拟曲线在同一物理坐标下逐点比较，分别计算横向和纵向曲线的形状误差、梯度误差及半高宽误差，并组合得到用于束散角反演的复合目标函数；

11、步骤9、在预设束散角范围内逐一改变候选束散角，每改变一次候选束散角即重新生成各单孔高斯束斑、多重高斯模拟束流场及其横向和纵向模拟曲线；先进行粗步长搜索，再围绕粗搜索最优值进行局部细步长搜索，以实验曲线和模拟曲线的复合误差最小对应的束散角作为反演值；

12、步骤10、按照所采用高斯宽度参数与均方根宽度参数之间的对应关系，将反演得到的模型束散角换算为均方根束散角，作为最终测量结果，并输出多个实验帧对应的束散角时间演化结果。

13、本发明具有以下有益效果：

14、其一，将每个真实引出孔作为一个独立的单孔二维高斯分量，并依据孔阵列位置、孔束流方向、板间夹角和分区偏转进行n重叠加，所得多重高斯模拟束流场能够自然保留整体束流的多峰、峰谷、肩部和二维非均匀性，避免以单一高斯曲线替代真实多孔束流；其二，在相同空间带和相同权重下同步提取实验曲线与模拟曲线，对每一候选束散角重新生成多重高斯模拟束流场，通过形状、梯度和半高宽的联合误差进行闭环反演，使束散角由模拟曲线与实际曲线的最佳匹配自动确定；其三，仅在首帧选取一次感兴趣区域，后续帧复用透视变换和物理尺度，并采用粗扫与细扫联合搜索，可稳定输出多帧均方根束散角及其时间演化。其四，采用双板公共边连接、反向微倾斜的紧凑折面布置，在不显著增加横向安装尺寸的情况下容纳两组孔阵列，并利用较长传播距离使两组孔束流在诊断靶面形成所需的多重覆盖。

1.一种基于红外诊断靶的强流粒子束束散角测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，优先识别文件名中包含0帧标识的文件。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述精修四角点的获得过程包括：对感兴趣区域内图像进行高斯平滑和边缘检测，对边缘图像进行横向及纵向形态学膨胀，执行霍夫变换获得候选直线；以候选直线与粗略四边形对应边的角度差、中点距离和线段长度构建筛选得分，分别选取上边、右边、下边和左边的主直线，并计算相邻主直线交点。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述透视校正由原图像四角点与目标矩形四角点建立投影变换矩阵，并采用双线性插值生成校正后的温升场；横向像素尺寸等于实际物理宽度除以校正后图像列数，纵向像素尺寸等于实际物理高度除以校正后图像行数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多孔束流前向模型由两块沿公共边连接并向相反方向倾斜的孔阵列板构成，第二块孔阵列板由第一块孔阵列板镜像获得；两块孔阵列板布置用于适应有限的安装空间，并使两组孔束流在远端诊断靶面形成覆盖与叠加，各引出孔的束流方向根据孔的位置及板面倾角确定，使外侧孔束流向阵列中心偏转，从而获得各单孔束流在诊断靶面上的传播中心。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，第i个引出孔形成一个独立的单孔二维高斯束斑，全部单孔束斑加权叠加形成多重高斯模拟束流分布，分别满足下式：

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述实验曲线与模拟曲线的提取采用相同的横向带状区域、纵向带状区域及像素权重；所述权重由归一化实验温升场确定，将低于带状区域最大温升预设比例的像素权重置零，其余像素权重按预设幂次计算，以使两类曲线具有相同的空间采样条件。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，单方向曲线误差由实验曲线与模拟曲线之间的形状误差、梯度误差和半高宽误差组合形成；各误差项在组合前进行无量纲化，三类误差的权重系数为非负且归一化，横向与纵向方向权重亦为非负且归一化；所述权重系数根据已知束散角的标定数据或重复测量数据，以反演偏差和结果离散性最小为目标确定；总误差为拟合误差与束散角偏离先验值的惩罚项之和：

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述单孔二维高斯束斑采用高斯宽度参数表示，其强度分布满足下式：