[發明專利]一種基于微波反射儀的等離子體密度分布實時計算裝置

有效

• 申請號: 202110707342.7
• 申請日: 2021-06-24
• 公開（公告）號: CN113342734B
• 公開（公告）日: 2023-07-11
• 發明（設計）人: 文斐;葉凱萱;張濤;李恭順;高翔;韓翔;耿康寧;劉煜凱;吳茗甫;黃佳;周振;鐘富彬;向皓明
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G06F15/78
• 分類號: G06F15/78;G06F17/16;G06F17/18;G06F30/27;G06N3/04;G06N3/063;G06N3/08
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 江亞平

本發明涉及一種基于微波反射儀的等離子體密度分布實時計算裝置，其核心是一片集成了FPGA和嵌入式處理器的片上系統芯片，該裝置包括波形數字化模塊，實時計算模塊和數據擬合模塊。本發明將數據采集和實時計算功能集成在以嵌入式處理器和FPGA為核心的SoC芯片上，減小了數據傳輸的時間開銷，同時由FPGA主要負責神經網絡的計算工作，可實現高并行運算，減少了運算時間，利用ARM處理器進行神經網絡參數的實時更新和等離子體密度分布的數據擬合，有效提高了場景適應性，并減小了計算誤差。

技術領域

本發明屬于等離子體診斷技術領域，具體涉及一種基于微波反射儀的等離子體密度分布實時計算裝置。

背景技術

微波反射儀是一種重要的等離子體密度診斷工具，其主要是利用通過微波的反射截面所在位置與等離子體密度相關的特點，通過發射掃頻微波信號，并測量不同頻率微波信號在等離子體中的飛行時間，來獲得等離子體密度分布。由于微波反射儀是一種非接觸性診斷手段，同時具有較好的局域測量特性，并且可以提高較高的時間分辨能力，因此是聚變裝置上的重要基礎診斷工具。

在傳統應用中，微波反射儀是作為一種離線的診斷工具，通過人工對數據進行分析處理，并進行復雜度較高的數值計算來獲取等離子體的密度分布。這種方式可以獲得精度相對較高的處理結果，但是由于時效性不高，很難在實時控制方面得到應用。

隨著聚變裝置的控制要求越來越復雜，對于等離子體密度分布的實時獲取需求也越來越強烈。在國際熱核聚變實驗堆計劃中，微波反射儀獲得的等離子體密度分布信息就作為推算等離子體位置并進行實時反饋控制的重要參數來源。圍繞此需求，科研人員已提出基于神經網絡的等離子體密度分布的實時計算方案。Santos在2000年提出了可以使用神經網絡來進行等離子體密度分布的反演(參見J.Santos,F.Nunes,M.Manso,and?P.Varela,“A?neural?network?approach?to?evaluate?density?profiles?from?reflectometry?inASDEX?Upgrade?discharges?ith?internal?transport?barriers,”Fusion?Eng.Des.,vol.48,no.1,pp.119–126,2000.)，并與2012年基于通用處理器搭建了一個驗證系統來驗證此方法的可行性(參見J.Santos,L.M.Zilker,W.Treutterer,and?M.Manso,“Reflectometry-based?plasma?position?feedback?control?demonstration?atASDEXUpgrade,”Nucl.Fusion,vol.52,no.3,p.32003,2012.)。

目前的等離子體密度實時計算裝置的主要缺點在于：

一、數據采集系統與實時計算系統是分離結構，因此需耗費時間在海量原始數據的傳輸過程中，受此影響，計算周期相對較長，目前實時計算周期只能達到毫秒量級，而無法實現微秒量級的實時計算。

二、通用處理器在進行神經網絡運算時，無法實現高并行運算，而且系統開銷較大，實時性較差。

三、未考慮多種實驗場景下的條件變化，導致生成的等離子體密度分布結果的誤差較大。

四、未考慮等離子體漲落或測量系統誤差導致的奇異點引發的計算誤差。

發明內容

為解決目前的等離子體密度實時計算裝置存在的上述問題，本發明提出一種基于微波反射儀的等離子體密度分布實時計算裝置，其核心是一片集成了現場可編程邏輯陣列(FPGA)和嵌入式處理器的片上系統(SoC)芯片。并且，本發明提出以下技術方案：