基于HL-2M 裝置的等離子體可見光成像診斷系統(tǒng)的研制

李宜軒，夏 凡，劉 亮，楊宗諭，馬 瑞，潘 衛(wèi)，孫 江，朱曉博

(核工業(yè)西南物理研究院, 成都 610041)

0 引言

等離子體診斷是根據(jù)對(duì)等離子體物理過程的了解，采用相應(yīng)的方法和技術(shù)來測(cè)量等離子體參量的科學(xué)技術(shù)。等離子體可見光成像診斷系統(tǒng)由于其靈敏度高,使用方便,可視性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),近年來廣泛應(yīng)用于托卡馬克等離子體物理過程的測(cè)量[1]。其功能主要是用于分辨等離子體位置以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和保護(hù)真空室內(nèi)的面向等離子體組件(PFCs)[2-3]。等離子體位形平衡重建的結(jié)果也可以利用可見光成像圖片進(jìn)行校核。對(duì)一些特殊等離子體區(qū)域(如X點(diǎn))周圍的傳輸特性的研究[4-5]也有一定的幫助。此外，一些小結(jié)構(gòu)例如H模放電期間的邊緣局部模(ELM)細(xì)絲和邊緣湍流斑點(diǎn)，同樣可以被等離子體可見光成像診斷系統(tǒng)精確識(shí)別[6-8]。

現(xiàn)有大多數(shù)等離子體可見光成像診斷系統(tǒng)都是基于托卡馬克裝置設(shè)計(jì)定制的專門系統(tǒng)，準(zhǔn)確適配當(dāng)前托卡馬克放電物理實(shí)驗(yàn)的基本需求[9-11]，但是不能夠在放電過程中靈活調(diào)整系統(tǒng)軟件參數(shù)，在不同的物理實(shí)驗(yàn)中，不具備一定應(yīng)變性。同時(shí)在更換裝置時(shí)，系統(tǒng)軟件不能夠完成及時(shí)布置，一定程度上影響了實(shí)驗(yàn)的效率，所以建設(shè)一套具有靈活調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)并具有可移植性的等離子體可見光成像診斷系統(tǒng)，并在裝置上得到驗(yàn)證是十分有必要的。

HL-2M是新建成的大型托卡馬克裝置，其設(shè)計(jì)參數(shù)：等離子體電流為2.5 MA，環(huán)形磁場(chǎng)為2.2 T，大半徑為1.78 m，小半徑為0.65 m，等離子放電持續(xù)時(shí)間為5 s[12]。在HL-2M初始放電以及調(diào)試期間，應(yīng)用等離子體可見光成像系統(tǒng)監(jiān)視等離子體的啟動(dòng)、維持和破裂，以及等離子體-壁相互作用是很有必要的[13-14]?；贖L-2M裝置的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)的可等離子體見光成像診斷系統(tǒng)，其光學(xué)成像部分提供了兩個(gè)視角，一個(gè)視角沿切向觀察等離子體，另一個(gè)視角從裝置上部俯視等離子體——觀察等離子體的環(huán)向?qū)ΨQ性與偏濾器位形放電[15]。其圖像采集軟件在HL-2M初始等離子體放電期間，可以按時(shí)啟動(dòng)，實(shí)時(shí)采集圖像，準(zhǔn)確全面的反映出等離子體放電過程的真實(shí)情況，為HL-2M初始等離子體放電提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。同時(shí)由于其可炮間調(diào)節(jié)系統(tǒng)配置參數(shù)，可以適應(yīng)HL-2M初始放電的極大多數(shù)復(fù)雜情況。

本文第二部分介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)思路以及實(shí)現(xiàn)裝置成像診斷的技術(shù)方法，第三部分介紹了系統(tǒng)的軟件的設(shè)計(jì)思路，包括了系統(tǒng)的色彩校準(zhǔn)表現(xiàn)與軟件參數(shù)配置功能，第四部分介紹了在HL-2M初始等離子體放電中的應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 系統(tǒng)硬件部分

系統(tǒng)的硬件組成部分包括了，光學(xué)器件的鏡頭與傳像光纖束，相機(jī)、傳感器與裝置本地服務(wù)器等控制組件，大屏幕及投影儀等實(shí)驗(yàn)輔助設(shè)備，以及數(shù)據(jù)與信號(hào)的通訊與傳輸設(shè)備。系統(tǒng)的完整工作流程如圖1所示，在HL-2M等離子體放電實(shí)驗(yàn)中，由光學(xué)鏡頭所診斷的圖像，從HL-2M裝置內(nèi)部通過光學(xué)傳導(dǎo)系統(tǒng)(傳像光纖束、中繼鏡頭)傳至相機(jī)內(nèi)部，再由相機(jī)內(nèi)存?zhèn)鬏斨帘镜刂鳈C(jī)中，收集到的診斷數(shù)據(jù)，可以同時(shí)存至數(shù)據(jù)庫(kù)中和播放在控制中心的顯示大屏上。

圖1 可見光圖像診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 鏡頭與傳像光纖束

切向與廣角的成像診斷都是通過石英窗觀察裝置內(nèi)部的等離子體。對(duì)于前端的鏡頭，切向與廣角成像診斷因?yàn)橐晥?chǎng)的原因使用不同的鏡頭。切向成像診斷使用焦距為8.5 mm的鏡頭，可提供56.8°的視野和較大的光圈，安裝在#4中平面上的切向窗口外側(cè)，并通過3.5 m長(zhǎng)的傳像光纖束將像傳輸?shù)紺MOS相機(jī)；廣角成像診斷使用了超廣角鏡頭，焦距為5 mm，通過#5扇區(qū)的頂部窗口俯視等離子體。并通過6 m長(zhǎng)的傳像光纖束將其傳輸?shù)紺MOS相機(jī)。

為了避免等離子體輻射(X射線和伽馬射線)和磁場(chǎng)變化對(duì)相機(jī)的影響，在診斷中使用了相干成像纖維束。傳像光纖束廣泛應(yīng)用在磁約束聚變實(shí)驗(yàn)[16-17]和其它高輻射環(huán)境中，因其材質(zhì)的特點(diǎn)，可以將圖像從未受保護(hù)的物鏡傳輸?shù)捷椛淦帘蜗鄼C(jī)，保證了診斷圖像能夠傳至相機(jī)內(nèi)且相機(jī)能夠識(shí)別，須通過繼電器透鏡進(jìn)行成像，所以傳像光纖束末端設(shè)有中繼鏡頭。采用雙邊遠(yuǎn)心鏡頭作為中繼鏡頭，在高通量(NA為0.14)和高分辨率方面都有著很好的效果。鏡頭的放大倍率為1及其匹配的傳感器格式為 2/3"。因此，它可以將中間直徑為11 mm的有效區(qū)域從光纖束傳至CMOS相機(jī)內(nèi)。

系統(tǒng)的光學(xué)模塊結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示，切向與廣角系統(tǒng)的光學(xué)感光儀器診斷到裝置內(nèi)部數(shù)據(jù)，從傳像光纖數(shù)排除干擾，傳至裝置外的中繼鏡頭內(nèi)，再由中繼鏡頭將圖像傳至COMS相機(jī)中。整個(gè)流程為可見光成像診斷系統(tǒng)的一個(gè)光學(xué)診斷周期。

圖2 系統(tǒng)光學(xué)模塊結(jié)構(gòu)圖

1.2 相機(jī)與傳感器

等離子體可見光系統(tǒng)的相機(jī)(Lumenera Lt425C)用于為等離子體放電期間提供高清圖像。它基于具有1英寸光學(xué)格式的CMOS傳感器，可提供2 048×2 048的全幅分辨率和5.5 μm的像素大小。峰值顏色的量子效率為43%。在全幅分辨率下，可以達(dá)到每秒90幀的速度記錄，同時(shí)具有感興趣區(qū)域(ROI)和像素合并(2×2 或 4×4)選項(xiàng)可提供更高的幀速率。

在HL-2M初始等離子體放電實(shí)驗(yàn)中為了匹配光學(xué)格式(直徑為11 mm的有效區(qū)域)，主要選擇2 000×2 000的ROI作為采集模式。4×4像素融合模式可用于診斷等離子體擊穿和啟動(dòng)放電，采集頻率一般是360 Hz。相機(jī)具有接收觸發(fā)模式，可以收到高電平信號(hào)執(zhí)行相應(yīng)操作。相機(jī)由裝置本地服務(wù)器控制，圖像捕獲由外部觸發(fā)程序直接發(fā)送至相機(jī)內(nèi)，相機(jī)執(zhí)行采集模式。在等離子體放電期間嘗試使用1 800×1 800分辨率(幀率99 fps)和全幅分辨率2 048×2 048(幀率90 fps)的兩種采集模式，都取得了良好的效果。

圖3 1 800與2 048分辨率采集圖像效果圖對(duì)比(左圖為1 800×1 800右圖為2 048×2 048)

1.3 大屏幕和投影儀

為在等離子體放電實(shí)驗(yàn)中方便讀取圖像數(shù)據(jù)的需要, 使用投影儀將等離子體放電過程的圖片回放顯示在中央大屏幕上，同時(shí)屏幕顯示的相機(jī)接收區(qū)域可以調(diào)整。由于需要同步的時(shí)效性，控制室的投影儀采用直接連接裝置本地服務(wù)器，直接播放本地服務(wù)器內(nèi)存中的照片，實(shí)現(xiàn)最快速度的回放功能。切向與廣角系統(tǒng)分別設(shè)置有一個(gè)大屏，且在放電結(jié)束后，循環(huán)播放兩套系統(tǒng)的診斷數(shù)據(jù)。

從鏡頭至大屏幕為本系統(tǒng)的主體部分，本系統(tǒng)的一個(gè)重要作用是及時(shí)提供可見光成像診斷數(shù)據(jù)提供至控制中心，以作為HL-2M裝置等離子體放電的有力依據(jù)，以及炮間分析的主要參考，其中裝置外大屏與投影儀對(duì)等離子體放電控制的作用十分重要。

1.4 數(shù)據(jù)與信號(hào)通訊設(shè)備

系統(tǒng)的軟件觸發(fā)是由消息服務(wù)器所發(fā)出的，消息服務(wù)器是使用的是EPICS(實(shí)驗(yàn)物理平臺(tái))，EPICS服務(wù)是通過IOC數(shù)據(jù)庫(kù)中的Record并通過CA協(xié)議發(fā)布到同一網(wǎng)絡(luò)中，成為能夠被 CA 客戶端訪問的過程變量(PV,process variable)，通過接收PV值來改變程序的進(jìn)度[18]。在一個(gè)服務(wù)器上建立一個(gè)離子體可見光成像診斷系統(tǒng)的IOC，并創(chuàng)建相關(guān)的控制參數(shù)PV，為確保實(shí)驗(yàn)的安全以及系統(tǒng)工作的正常，等離子體可見光成像診斷系統(tǒng)所配置的PV有nextshot PV(下一炮號(hào))與countdown PV(倒計(jì)時(shí))兩個(gè)信號(hào)。當(dāng)系統(tǒng)軟件監(jiān)聽到nextshot PV變化的時(shí)候，開始監(jiān)聽countdown PV，當(dāng)監(jiān)聽到countdown PV的值變化至0時(shí)軟件系統(tǒng)準(zhǔn)備完畢，進(jìn)入等待硬觸發(fā)階段。

系統(tǒng)的硬觸發(fā)的接收端是COMS相機(jī)，發(fā)送端則是HL-2M中央時(shí)序系統(tǒng)發(fā)出，在HL-2M等離子體放電的前1 s，等離子體中央時(shí)序系統(tǒng)將5 V高電平電信號(hào)發(fā)送至COMS相機(jī)，觸發(fā)相機(jī)工作，完成數(shù)據(jù)的診斷與采集。如圖4所示，為系統(tǒng)信號(hào)工作流程圖，只有當(dāng)系統(tǒng)接收到兩個(gè)nextshot與countdown的PV與5 V高電平觸發(fā)信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)才可以正常工作。

圖4 可見光成像診斷系統(tǒng)信號(hào)工作流程

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸模塊是通過以太網(wǎng)從本地服務(wù)器傳輸至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)中，在每一炮放電結(jié)束時(shí)，不需要人為操作，程序?qū)⑼ㄟ^nextshot PV自動(dòng)獲取當(dāng)前炮號(hào)的實(shí)驗(yàn)信息，將采集結(jié)果的圖像從本地服務(wù)器，通過光纖傳至遠(yuǎn)程文件服務(wù)器，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存與后續(xù)處理。文件傳輸具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，可以在每次實(shí)驗(yàn)放電結(jié)束幾秒內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程自動(dòng)傳輸，并將數(shù)據(jù)分類至規(guī)定的文件夾內(nèi)，以便后續(xù)讀取。

2 系統(tǒng)軟件部分

系統(tǒng)的軟件部分是可見光成像診斷系統(tǒng)的控制模塊，該模塊具有信號(hào)處理，圖像處理，圖像回放，圖像存儲(chǔ)等功能，系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)較為開放的思路，可以在實(shí)驗(yàn)炮間到獲取下一炮號(hào)之前隨時(shí)更改軟件的控制參數(shù)，同時(shí)作為軟件系統(tǒng)，可以在不更換相機(jī)的前提下，適應(yīng)多種裝置，可以達(dá)到預(yù)期的效果。

2.1 圖像處理模塊

本系統(tǒng)的圖像處理部分是基于Lumenera Cameras原生API 以及OpenCV庫(kù)的圖像處理程序共同完成的。包含了圖像的采集，處理和播放。通過OpenCV創(chuàng)建MemDC顯示對(duì)象與MemBitmap位圖對(duì)象，兩個(gè)對(duì)象的功能分別是繪制圖像和顯示圖像。HL-2M初始等離子體放電實(shí)驗(yàn)中由光學(xué)設(shè)備將診斷圖像傳至COMS相機(jī)上，圖像處理模塊通過COMS相機(jī)獲得的采集數(shù)據(jù)返回至本地服務(wù)器的內(nèi)存中，通過操作內(nèi)存將保存到內(nèi)存中的照片在MemBitmap位圖對(duì)象上進(jìn)行繪制并保存，并通過MemDC對(duì)象進(jìn)行回放顯示，最后再進(jìn)行位圖MemBitmap的清理。

圖像處理模塊的工作開始的標(biāo)志是收到該模塊的開始信號(hào)，當(dāng)COMS相機(jī)寫入本地內(nèi)存服務(wù)器的時(shí)候，系統(tǒng)軟件會(huì)主動(dòng)發(fā)送指令啟動(dòng)圖像處理模塊進(jìn)行工作，圖像的繪制和保存顯示是同時(shí)進(jìn)行的，都在裝置本地服務(wù)器內(nèi)完成，而在采集結(jié)束時(shí)，會(huì)收到處理模塊的結(jié)束指令，圖像處理模塊進(jìn)行位圖的清理但是顯示對(duì)象依舊保留，當(dāng)收到下一次等離子體放電信號(hào)時(shí)，顯示對(duì)象進(jìn)行清理，等待執(zhí)行下一輪的系統(tǒng)運(yùn)行。

2.2 參數(shù)調(diào)節(jié)功能

由于初始等離子體放電實(shí)驗(yàn)需求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以根據(jù)具體需要設(shè)定圖像拍攝的默認(rèn)參數(shù)，如表1所示?？紤]到曝光時(shí)間、增益等其他基礎(chǔ)參數(shù)在放電實(shí)驗(yàn)中需要經(jīng)常修改，本系統(tǒng)加入配置參數(shù)調(diào)節(jié)功能，在兩炮放電間隔，可以通過遠(yuǎn)程接口，修改裝置本地服務(wù)器相機(jī)的軟件配置參數(shù)，并在下一次放電中起到有效的作用。該功能在多次放電中起到了良好的效果，可以使本系統(tǒng)適應(yīng)多種復(fù)雜的放電情況與多種實(shí)驗(yàn)情況的要求。

表1 可見光圖像采集系統(tǒng)可配置參數(shù)列表參數(shù)類型

軟件的配置參數(shù)修改時(shí)間是在收到nextshot PV之前可以隨時(shí)進(jìn)行更改，如果沒有進(jìn)行更改，軟件的圖像配置參數(shù)沿用上一次放電實(shí)驗(yàn)中的配置信息，如果在nextshot PV之后修改，則改為修改的下一次放電序號(hào)的配置信息。參數(shù)配置功能為單獨(dú)一個(gè)線程，不受其他線程的影響，可以進(jìn)行隨時(shí)更改，不會(huì)造成系統(tǒng)的故障。

用戶配置參數(shù)時(shí)通過遠(yuǎn)程服務(wù)器將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)送消息至系統(tǒng)軟件，然后系統(tǒng)軟件通過接口獲取數(shù)據(jù)庫(kù)中的參數(shù)信息，遠(yuǎn)程服務(wù)器與系統(tǒng)軟件關(guān)于配置信息的結(jié)構(gòu)如圖5所示。同時(shí)為了更好的配合HL-2M裝置開展物理實(shí)驗(yàn)，每一次放電序號(hào)的軟件參數(shù)都對(duì)應(yīng)保存至數(shù)據(jù)庫(kù)中，在重復(fù)實(shí)驗(yàn)中，本系統(tǒng)支持導(dǎo)入指定放電序號(hào)的配置參數(shù)，不需要人為記錄與手動(dòng)導(dǎo)入，提高了實(shí)驗(yàn)的效率與準(zhǔn)確性。當(dāng)軟件系統(tǒng)第一次啟動(dòng)時(shí)，沒有配置參數(shù)，則本系統(tǒng)針對(duì)此提供了HL-2M裝置的默認(rèn)圖像采集配置，廣角與切向的默認(rèn)配置參數(shù)各有一套，分別適應(yīng)對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)。

圖5 參數(shù)配置模塊結(jié)構(gòu)關(guān)系

2.3 雙軟件結(jié)構(gòu)布置

本系統(tǒng)采用的是切向和廣角雙診斷布局，由于硬件位置較遠(yuǎn)，分別在每套設(shè)備上布置一套軟件系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)分別控制切向相機(jī)與廣角相機(jī)的作用。由于兩套系統(tǒng)軟件單獨(dú)控制，可以根據(jù)需要，分別改變不同的曝光時(shí)間以及色彩增益強(qiáng)度的參數(shù)，在一些實(shí)驗(yàn)條件上，也可以選擇性關(guān)閉其中一個(gè)方向的采集系統(tǒng),以作為保護(hù)。同時(shí)，為了保證系統(tǒng)采集的時(shí)間同步性，需要接收相同時(shí)間的軟硬觸發(fā)信號(hào)，為防止信號(hào)間的沖突性，分別接收兩套不同的軟硬觸發(fā)信號(hào)，兩套系統(tǒng)分別設(shè)有不同的信號(hào)服務(wù)器，但是共享共同的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)。兩個(gè)系統(tǒng)軟件為相同的，僅在未配置參數(shù)時(shí)，默認(rèn)參數(shù)分別對(duì)切向與廣角等離子體可見光成像診斷系統(tǒng)做了適配。

2.4 系統(tǒng)工作流程

考慮到實(shí)驗(yàn)的情況以及有可能出現(xiàn)的信號(hào)與網(wǎng)絡(luò)方面的不確定性，系統(tǒng)的工作流程分為正常的工作流程與異常的工作流程，在信號(hào)異常或配置未獲取到的情況，本系統(tǒng)依然可以進(jìn)行裝置內(nèi)等離子體可見光的診斷與采集，保證實(shí)驗(yàn)的有序進(jìn)行。

2.4.1 系統(tǒng)的正常工作流程

開啟系統(tǒng)軟件并將系統(tǒng)的硬件通電，系統(tǒng)的工作流程流程：

1)當(dāng)系統(tǒng)打開并運(yùn)行時(shí), 系統(tǒng)進(jìn)入一個(gè)無限持續(xù)等待信號(hào)發(fā)送的狀態(tài)與等待參數(shù)配置信號(hào),當(dāng)監(jiān)聽到nextshot PV放電序號(hào)變化的消息，進(jìn)入等待倒計(jì)時(shí)countdown PV信號(hào)的狀態(tài)；

2)當(dāng)收到倒計(jì)時(shí)countdown PV信號(hào)的時(shí)候，系統(tǒng)開始進(jìn)入倒計(jì)時(shí)，直到countdown PV的值為0時(shí)系統(tǒng)軟件就緒，開始等待相機(jī)觸發(fā)信號(hào)。

3)當(dāng)系統(tǒng)收到TTL的高電平信號(hào), 系統(tǒng)相機(jī)進(jìn)行裝置可見光圖像診斷采集，并將圖像數(shù)據(jù)從相機(jī)傳至主機(jī)內(nèi)存中。

4)圖像采集結(jié)束之后,系統(tǒng)整理采集到的圖像,保存到永久存儲(chǔ)介質(zhì)上并通過GetNetParentDir函數(shù)上傳至遠(yuǎn)程儲(chǔ)存庫(kù)對(duì)應(yīng)文件夾。

5)清除系統(tǒng)的位圖對(duì)象內(nèi)存，系統(tǒng)重新進(jìn)入等待信號(hào)狀態(tài)，同時(shí)回放采集的裝置放電數(shù)據(jù)。系統(tǒng)正常工作流程示意圖如圖6所示。

圖6 軟件實(shí)現(xiàn)流程圖

2.4.2 系統(tǒng)異常工作

系統(tǒng)異常工作的情況在實(shí)驗(yàn)期間考慮到兩種:1)讀取配置的數(shù)據(jù)或者接口出現(xiàn)問題或者人為失誤啟動(dòng)系統(tǒng)軟件但沒有配置、導(dǎo)入系統(tǒng)參數(shù)；2)由于EPICS平臺(tái)導(dǎo)致的信號(hào)軟觸發(fā)機(jī)制出現(xiàn)故障。

第一種系統(tǒng)進(jìn)入的異常1運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)沒有從下一次放電序號(hào)讀到系統(tǒng)的配置參數(shù)時(shí)，程序?qū)?zhí)行切換至默認(rèn)參數(shù)模式，在獲取不到參數(shù)的時(shí)候，切向與廣角都具備一套默認(rèn)參數(shù)配置，可以適應(yīng)HL-2M初始等離子體放電以及調(diào)試實(shí)驗(yàn)的需求，能在數(shù)據(jù)庫(kù)異常的情況下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的繼續(xù)工作。

第二種情況，在沒收到消息信號(hào)的時(shí)候，系統(tǒng)沒有辦法獲取到炮號(hào)，對(duì)系統(tǒng)的影響是不能有效進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存，放電實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)將拍攝采集到的照片，保存至本地與遠(yuǎn)程的臨時(shí)文件夾內(nèi)，如果不及時(shí)導(dǎo)出，也會(huì)造成覆蓋問題。

系統(tǒng)異常工作方式，解決了客觀與人為因素對(duì)系統(tǒng)造成的影響，在系統(tǒng)異常運(yùn)行期間，也能完成在HL-2M實(shí)驗(yàn)放電所需的裝置內(nèi)部的可見光診斷與采集的功能。

2.5 多線程技術(shù)

為了保證系統(tǒng)的運(yùn)行精確穩(wěn)定，采用多線程來開發(fā)，各線程并行運(yùn)行且使用相同的地址空間，共享進(jìn)程中的數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)使用VC++作為開發(fā)工具[19-21]。

在MFC開發(fā)中,單一的獨(dú)立進(jìn)程包含了界面線程和工作線程兩個(gè)部分,界面線程有系統(tǒng)消息循環(huán),用來處理用戶硬件等相關(guān)的系統(tǒng)消息,工作線程則處理與消息無關(guān)的工作。線程間的處理都是各自獨(dú)立的,本系統(tǒng)的界面線程用來響應(yīng)用戶界面操作、 硬件系統(tǒng)的初始化、啟動(dòng)和系統(tǒng)參數(shù)配置等相關(guān)工作。3個(gè)工作線程隨系統(tǒng)界面線程同時(shí)啟動(dòng), 這3個(gè)工作線程分別是:

1)圖像采集和圖像本地、遠(yuǎn)程保存線程；

2)等離子體放電中圖像回放線程;

3)系統(tǒng)參數(shù)配置設(shè)置和讀取修改線程。

系統(tǒng)的所有工作線程都需要對(duì)位圖對(duì)象和顯示對(duì)象進(jìn)行操作,在系統(tǒng)同一個(gè)時(shí)刻只有單一工作線程單獨(dú)占用位圖對(duì)象和顯示對(duì)象的資源, 軟件系統(tǒng)對(duì)這些工作線程進(jìn)行同步協(xié)調(diào)。

除主線程外，用CreateThread、 AfxBeginThread函數(shù)創(chuàng)建不同優(yōu)先級(jí)的線程，各線程通過使用CEvent控件對(duì)象的狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)線程之間的通信。本文采用了4個(gè)Cevent控件對(duì)象作為線程之間的通訊信號(hào)量，來同步通訊這4個(gè)線程：

1) Time_CCD, 當(dāng)此對(duì)象事件開始時(shí), 系統(tǒng)進(jìn)入配置系統(tǒng)軟件參數(shù)狀態(tài);

2) Time_Grab, 當(dāng)此對(duì)象事件發(fā)生時(shí), 系統(tǒng)開始正式進(jìn)入采集運(yùn)行，采集診斷的數(shù)據(jù)狀態(tài);

3) Time_Put, 當(dāng)此對(duì)象事件發(fā)生時(shí), 系統(tǒng)開始按照采集的時(shí)間先后回放有效的圖像, 得到放電的動(dòng)態(tài)效果, 便于直觀地了解實(shí)驗(yàn)過程中等離子體的演化過程;并通過接口將內(nèi)存中的圖像保存至本地服務(wù)器與遠(yuǎn)程服務(wù)器;

4) Time_Exit, 當(dāng)此對(duì)象事件發(fā)生后, 結(jié)束所有工作線程, 最后結(jié)束界面線程，系統(tǒng)停止。

系統(tǒng)各線程與對(duì)象事件的執(zhí)行順序如圖7所示，對(duì)象用矩形框表示, 消息用帶箭頭實(shí)線所表示，在系統(tǒng)正常運(yùn)行的時(shí)候，依次啟動(dòng)參數(shù)配置線程、采集線程與最后的圖像處理保存線程，在線程不工作時(shí)處于掛起監(jiān)聽信號(hào)狀態(tài)，等待下一次信號(hào)觸發(fā)。

圖7 可見光圖像診斷軟件執(zhí)行時(shí)序圖

2.6 色彩校準(zhǔn)技術(shù)

通常在裝置內(nèi)部所采集的可見光圖像需要進(jìn)行嚴(yán)格的色彩標(biāo)定[22]。圖像色彩通過引入白平衡機(jī)制，使用Lumenera中的WhiteBalanceU與WhiteBalanceV兩個(gè)API進(jìn)行顏色的校準(zhǔn)比對(duì)，通過一次校準(zhǔn)顏色之后，對(duì)RGB各色增益進(jìn)行鎖定，如果顏色不正?？梢栽俅涡?zhǔn)，每次校準(zhǔn)均可以對(duì)增益進(jìn)行鎖定，用作之后的采集拍攝使用。該色彩校準(zhǔn)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境光下進(jìn)行了準(zhǔn)確的標(biāo)定，并通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試可以良好還原實(shí)驗(yàn)中托卡馬克裝置內(nèi)部的真實(shí)色彩情況，有助于對(duì)初始等離子體放電的分析。

本系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)中分別在色彩未進(jìn)行標(biāo)定與準(zhǔn)確標(biāo)定之后的進(jìn)行了多組的測(cè)試。明顯發(fā)現(xiàn)，在等離子體放電實(shí)驗(yàn)中，色彩標(biāo)定校準(zhǔn)之后的系統(tǒng)，在等離子爬升階段與等離子體熄滅階段裝置內(nèi)部的可見光診斷有了更真實(shí)的還原，圖7為等離子體爬升階段HL-2M裝置內(nèi)部等離子體可見光診斷圖像，圖8為等離子體熄滅階段HL-2M裝置內(nèi)部等離子體可見光診斷圖像，205炮為未進(jìn)行色彩標(biāo)定的RGB各色增益為默認(rèn)的系統(tǒng)，500炮為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室白平衡標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定之后并鎖定增益的系統(tǒng)?？梢杂^察出，在裝置內(nèi)光照不是很強(qiáng)的時(shí)候，未標(biāo)定造成的色彩偏差尤為明顯。同樣為了適應(yīng)各種復(fù)雜實(shí)驗(yàn)環(huán)境，有的時(shí)候需要在裝置內(nèi)標(biāo)定，所以,白平衡作為配置信息的一部分加入了軟件配置參數(shù)中。

圖8 HL-2M等離子放電205炮(左)500炮(右)第33 ms裝置內(nèi)可見光診斷圖

圖9 HL-2M等離子放電205炮(左)500炮(右)第55 ms裝置內(nèi)可見光診斷圖

2.7 軟件可移植性性優(yōu)化

軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的可移植性，可以通過更改系統(tǒng)軟觸發(fā)信號(hào)名稱并修改保存遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)位置，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的同步移植功能，并通過人為更改可調(diào)節(jié)參數(shù)，適應(yīng)不同裝置以及不同情況。在2021年HL-2A托卡馬克等離子體物理實(shí)驗(yàn)上得到良好驗(yàn)證，軟件系統(tǒng)移植至其他的裝置上，可以正常采集診斷裝置內(nèi)等離子體可見光圖像，并通過修改后的配置可以保存在所需遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器與本地服務(wù)器上。

軟件系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)基于Lumenera相機(jī)開發(fā)，在不更換相機(jī)類型的情況下，有著良好的可移植性，為在其他裝置上推廣提供了新的參考方法。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

等離子體可見光成像系統(tǒng)已經(jīng)在HL-2M等離子體初始放電期間投入使用，通常以1 800×1 800的分辨率，頻率為99 Hz采樣。采樣時(shí)間是在放電起始時(shí)刻至3 s時(shí)間停止。系統(tǒng)可以精確診斷出等離子體的位置與性狀特征，并且因其采樣頻率較高，可以監(jiān)測(cè)到等離子體放電的擊穿、平頂與熄滅全過程現(xiàn)象。系統(tǒng)可以在放電期間實(shí)時(shí)監(jiān)控等離子體真空室內(nèi)的面向等離子體組件，保證放電的安全進(jìn)行。

3.1 切向等離子體可見光成像診斷系統(tǒng)

圖10顯示了切向成像診斷在等離子體放電期間所采集的圖像。系統(tǒng)在放電過程中選取的是1 800×1 800的分辨率，頻率為99 Hz，像素合并為1，其余的軟件配置參為默認(rèn)值。

圖10 HL-2M第726炮等離子體放電實(shí)驗(yàn)切向成像診斷的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采樣數(shù)據(jù)圖10和圖11選取的是HL-2M 裝置第726炮的等離子體放電數(shù)據(jù)，最大電流為55 kA,放電時(shí)長(zhǎng)約為80 ms。圖10的(A)和(B)圖精確還原了等離子體放電以及氣體擊穿的原本顏色。對(duì)比圖10圖11，可以精確反映出氣體在約20 ms被擊穿，等離子體在97 ms左右熄滅。在圖10(C)之后，可見光圖像能夠通過等離子邊界發(fā)出的光識(shí)別等離子體邊界。在圖10中，可以觀察出從等離子體邊界發(fā)射的光，可見光圖像產(chǎn)生清晰解析的邊界邊緣特征，如圖10所示等離子體-壁相互作用會(huì)產(chǎn)生一些污染光。等離子體可見光的極化發(fā)射曲線與回收機(jī)制密切相關(guān)，被壁吸收的粒子(如氧和碳)在等離子體邊界周圍可以明顯觀察到。

圖11 HL-2M第726炮等離子體放電實(shí)驗(yàn)等離子體電流、Hα輻射參數(shù)、環(huán)形磁場(chǎng)

切向可見光成像診斷系統(tǒng)的重點(diǎn)是觀察等離子體的位置形狀與邊界特性，反應(yīng)的是當(dāng)前裝置剖面的放電情況，以及等離子體與壁面相互作用的情況。切向作為放電控制的主要參考依據(jù)，在HL-2M初始等離子體放電中起到了關(guān)鍵性的作用。

3.2 廣角等離子體可見光成像診斷系統(tǒng)

在HL-2M等離子體放電實(shí)驗(yàn)第726炮，系統(tǒng)配置參數(shù)選取的是1 800×1 800的分辨率，頻率為99 Hz，像素合并為1，其余的軟件配置參為默認(rèn)值。廣角等離子體可見光診斷依然可以精確測(cè)量出氣體在約20 ms被擊穿實(shí)現(xiàn)等離子體爬升段，等離子體在97 ms左右熄滅，在50～80 ms左右實(shí)現(xiàn)了一個(gè)拉長(zhǎng)平頂段。如圖11與圖12，等離子體從擊穿到熄滅的全過程，通過與磁診斷信號(hào)時(shí)間上的參照對(duì)比，可以觀察到不同時(shí)間的HL-2M裝置內(nèi)部的氣體的真實(shí)色彩與等離子體和等離子體與壁面作用時(shí)的亮度與顏色。

圖12 HL-2M第726炮等離子體放電實(shí)驗(yàn)廣角系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

廣角成像系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是更加全面地反映出在等離子體放電過程中各時(shí)間點(diǎn)裝置的整體特征，與切向的色彩表現(xiàn)基本相同(在系統(tǒng)主要配置參數(shù)相同時(shí)),并且與切向的時(shí)間與磁診斷信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果完全相同，驗(yàn)證了兩套系統(tǒng)的信號(hào)系統(tǒng)時(shí)間上同步性。

4 結(jié)束語

經(jīng)過HL-2M 托卡馬克等離子體放電實(shí)驗(yàn)的多次證明，等離子體可見光成像系統(tǒng)可以全面直觀地反應(yīng)等離子體的放電情況，反應(yīng)某一固定時(shí)刻等離子體放電的真實(shí)情況與裝置內(nèi)的真實(shí)顏色，能夠?qū)崿F(xiàn)等離子體診斷的目標(biāo)并可以對(duì)采集圖像進(jìn)行分析，以及可以輔助其他的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。由于其可視化的優(yōu)點(diǎn)，更便于對(duì)裝置的狀態(tài)進(jìn)行估算和預(yù)測(cè)，對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展也有至關(guān)重要的作用，同時(shí)該系統(tǒng)具有參數(shù)可調(diào)節(jié)功能，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，炮間調(diào)整設(shè)備的配置參數(shù)使之更有助于等離子體實(shí)驗(yàn)的精確測(cè)量。

本系統(tǒng)在HL-2M初始等離子體放電中取得了良好的效果，同時(shí)在移植至HL-2A實(shí)驗(yàn)裝置上也能工作正常。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為后續(xù)的大型托卡馬克裝置的等離子體診斷提供了一種簡(jiǎn)單通用的思路，為創(chuàng)建可通用等離子體可見光成像系統(tǒng)提供了一種新方法。