基于HL-2M 裝置的等離子體可見光成像診斷系統的研制

李宜軒，夏 凡，劉 亮，楊宗諭，馬 瑞，潘 衛，孫 江，朱曉博

(核工業西南物理研究院, 成都 610041)

0 引言

等離子體診斷是根據對等離子體物理過程的了解，采用相應的方法和技術來測量等離子體參量的科學技術。等離子體可見光成像診斷系統由于其靈敏度高,使用方便,可視性強等優點,近年來廣泛應用于托卡馬克等離子體物理過程的測量[1]。其功能主要是用于分辨等離子體位置以及實時監測和保護真空室內的面向等離子體組件(PFCs)[2-3]。等離子體位形平衡重建的結果也可以利用可見光成像圖片進行校核。對一些特殊等離子體區域(如X點)周圍的傳輸特性的研究[4-5]也有一定的幫助。此外，一些小結構例如H模放電期間的邊緣局部模(ELM)細絲和邊緣湍流斑點，同樣可以被等離子體可見光成像診斷系統精確識別[6-8]。

現有大多數等離子體可見光成像診斷系統都是基于托卡馬克裝置設計定制的專門系統，準確適配當前托卡馬克放電物理實驗的基本需求[9-11]，但是不能夠在放電過程中靈活調整系統軟件參數，在不同的物理實驗中，不具備一定應變性。同時在更換裝置時，系統軟件不能夠完成及時布置，一定程度上影響了實驗的效率，所以建設一套具有靈活調整系統參數并具有可移植性的等離子體可見光成像診斷系統，并在裝置上得到驗證是十分有必要的。

HL-2M是新建成的大型托卡馬克裝置，其設計參數：等離子體電流為2.5 MA，環形磁場為2.2 T，大半徑為1.78 m，小半徑為0.65 m，等離子放電持續時間為5 s[12]。在HL-2M初始放電以及調試期間，應用等離子體可見光成像系統監視等離子體的啟動、維持和破裂，以及等離子體-壁相互作用是很有必要的[13-14]。基于HL-2M裝置的實驗平臺設計的可等離子體見光成像診斷系統，其光學成像部分提供了兩個視角，一個視角沿切向觀察等離子體，另一個視角從裝置上部俯視等離子體——觀察等離子體的環向對稱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，可以按時啟動，實時采集圖像，準確全面的反映出等離子體放電過程的真實情況，為HL-2M初始等離子體放電提供了可靠的數據支持。同時由于其可炮間調節系統配置參數，可以適應HL-2M初始放電的極大多數復雜情況。

本文第二部分介紹了系統的硬件設計思路以及實現裝置成像診斷的技術方法，第三部分介紹了系統的軟件的設計思路，包括了系統的色彩校準表現與軟件參數配置功能，第四部分介紹了在HL-2M初始等離子體放電中的應用與實驗結果。

1 系統硬件部分

系統的硬件組成部分包括了，光學器件的鏡頭與傳像光纖束，相機、傳感器與裝置本地服務器等控制組件，大屏幕及投影儀等實驗輔助設備，以及數據與信號的通訊與傳輸設備。系統的完整工作流程如圖1所示，在HL-2M等離子體放電實驗中，由光學鏡頭所診斷的圖像，從HL-2M裝置內部通過光學傳導系統(傳像光纖束、中繼鏡頭)傳至相機內部，再由相機內存傳輸至本地主機中，收集到的診斷數據，可以同時存至數據庫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結構圖

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部的等離子體。對于前端的鏡頭，切向與廣角成像診斷因為視場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，并通過3.5 m長的傳像光纖束將像傳輸到CMOS相機；廣角成像診斷使用了超廣角鏡頭，焦距為5 mm，通過#5扇區的頂部窗口俯視等離子體。并通過6 m長的傳像光纖束將其傳輸到CMOS相機。

為了避免等離子體輻射(X射線和伽馬射線)和磁場變化對相機的影響，在診斷中使用了相干成像纖維束。傳像光纖束廣泛應用在磁約束聚變實驗[16-17]和其它高輻射環境中，因其材質的特點，可以將圖像從未受保護的物鏡傳輸到輻射屏蔽相機，保證了診斷圖像能夠傳至相機內且相機能夠識別，須通過繼電器透鏡進行成像，所以傳像光纖束末端設有中繼鏡頭。采用雙邊遠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的有效區域從光纖束傳至CMOS相機內。

系統的光學模塊結構圖，如圖2所示，切向與廣角系統的光學感光儀器診斷到裝置內部數據，從傳像光纖數排除干擾，傳至裝置外的中繼鏡頭內，再由中繼鏡頭將圖像傳至COMS相機中。整個流程為可見光成像診斷系統的一個光學診斷周期。

圖2 系統光學模塊結構圖

1.2 相機與傳感器

等離子體可見光系統的相機(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，可以達到每秒90幀的速度記錄，同時具有感興趣區域(ROI)和像素合并(2×2 或 4×4)選項可提供更高的幀速率。

在HL-2M初始等離子體放電實驗中為了匹配光學格式(直徑為11 mm的有效區域)，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放電，采集頻率一般是360 Hz。相機具有接收觸發模式，可以收到高電平信號執行相應操作。相機由裝置本地服務器控制，圖像捕獲由外部觸發程序直接發送至相機內，相機執行采集模式。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驗中方便讀取圖像數據的需要, 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，同時屏幕顯示的相機接收區域可以調整。由于需要同步的時效性，控制室的投影儀采用直接連接裝置本地服務器，直接播放本地服務器內存中的照片，實現最快速度的回放功能。切向與廣角系統分別設置有一個大屏，且在放電結束后，循環播放兩套系統的診斷數據。

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

1.4 數據與信號通訊設備

系統的軟件觸發是由消息服務器所發出的，消息服務器是使用的是EPICS(實驗物理平臺)，EPICS服務是通過IOC數據庫中的Record并通過CA協議發布到同一網絡中，成為能夠被 CA 客戶端訪問的過程變量(PV,process variable)，通過接收PV值來改變程序的進度[18]。在一個服務器上建立一個離子體可見光成像診斷系統的IOC，并創建相關的控制參數PV，為確保實驗的安全以及系統工作的正常，等離子體可見光成像診斷系統所配置的PV有nextshot PV(下一炮號)與countdown PV(倒計時)兩個信號。當系統軟件監聽到nextshot PV變化的時候，開始監聽countdown PV，當監聽到countdown PV的值變化至0時軟件系統準備完畢，進入等待硬觸發階段。

系統的硬觸發的接收端是COMS相機，發送端則是HL-2M中央時序系統發出，在HL-2M等離子體放電的前1 s，等離子體中央時序系統將5 V高電平電信號發送至COMS相機，觸發相機工作，完成數據的診斷與采集。如圖4所示，為系統信號工作流程圖，只有當系統接收到兩個nextshot與countdown的PV與5 V高電平觸發信號時，系統才可以正常工作。

圖4 可見光成像診斷系統信號工作流程

系統的數據傳輸模塊是通過以太網從本地服務器傳輸至遠程數據庫中，在每一炮放電結束時，不需要人為操作，程序將通過nextshot PV自動獲取當前炮號的實驗信息，將采集結果的圖像從本地服務器，通過光纖傳至遠程文件服務器，以實現數據的保存與后續處理。文件傳輸具有統一的數據接口，可以在每次實驗放電結束幾秒內完成實驗數據的遠程自動傳輸，并將數據分類至規定的文件夾內，以便后續讀取。

2 系統軟件部分

系統的軟件部分是可見光成像診斷系統的控制模塊，該模塊具有信號處理，圖像處理，圖像回放，圖像存儲等功能，系統軟件部分的設計提供了一個較為開放的思路，可以在實驗炮間到獲取下一炮號之前隨時更改軟件的控制參數，同時作為軟件系統，可以在不更換相機的前提下，適應多種裝置，可以達到預期的效果。

2.1 圖像處理模塊

本系統的圖像處理部分是基于Lumenera Cameras原生API 以及OpenCV庫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創建MemDC顯示對象與MemBitmap位圖對象，兩個對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驗中由光學設備將診斷圖像傳至COMS相機上，圖像處理模塊通過COMS相機獲得的采集數據返回至本地服務器的內存中，通過操作內存將保存到內存中的照片在MemBitmap位圖對象上進行繪制并保存，并通過MemDC對象進行回放顯示，最后再進行位圖MemBitmap的清理。

圖像處理模塊的工作開始的標志是收到該模塊的開始信號，當COMS相機寫入本地內存服務器的時候，系統軟件會主動發送指令啟動圖像處理模塊進行工作，圖像的繪制和保存顯示是同時進行的，都在裝置本地服務器內完成，而在采集結束時，會收到處理模塊的結束指令，圖像處理模塊進行位圖的清理但是顯示對象依舊保留，當收到下一次等離子體放電信號時，顯示對象進行清理，等待執行下一輪的系統運行。

2.2 參數調節功能

由于初始等離子體放電實驗需求，本系統設計可以根據具體需要設定圖像拍攝的默認參數，如表1所示。考慮到曝光時間、增益等其他基礎參數在放電實驗中需要經常修改，本系統加入配置參數調節功能，在兩炮放電間隔，可以通過遠程接口，修改裝置本地服務器相機的軟件配置參數，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，可以使本系統適應多種復雜的放電情況與多種實驗情況的要求。

表1 可見光圖像采集系統可配置參數列表參數類型

軟件的配置參數修改時間是在收到nextshot PV之前可以隨時進行更改，如果沒有進行更改，軟件的圖像配置參數沿用上一次放電實驗中的配置信息，如果在nextshot PV之后修改，則改為修改的下一次放電序號的配置信息。參數配置功能為單獨一個線程，不受其他線程的影響，可以進行隨時更改，不會造成系統的故障。

用戶配置參數時通過遠程服務器將數據寫入數據庫，并通過網絡協議發送消息至系統軟件，然后系統軟件通過接口獲取數據庫中的參數信息，遠程服務器與系統軟件關于配置信息的結構如圖5所示。同時為了更好的配合HL-2M裝置開展物理實驗，每一次放電序號的軟件參數都對應保存至數據庫中，在重復實驗中，本系統支持導入指定放電序號的配置參數，不需要人為記錄與手動導入，提高了實驗的效率與準確性。當軟件系統第一次啟動時，沒有配置參數，則本系統針對此提供了HL-2M裝置的默認圖像采集配置，廣角與切向的默認配置參數各有一套，分別適應對應的系統。

圖5 參數配置模塊結構關系

2.3 雙軟件結構布置

本系統采用的是切向和廣角雙診斷布局，由于硬件位置較遠，分別在每套設備上布置一套軟件系統，進而實現分別控制切向相機與廣角相機的作用。由于兩套系統軟件單獨控制，可以根據需要，分別改變不同的曝光時間以及色彩增益強度的參數，在一些實驗條件上，也可以選擇性關閉其中一個方向的采集系統,以作為保護。同時，為了保證系統采集的時間同步性，需要接收相同時間的軟硬觸發信號，為防止信號間的沖突性，分別接收兩套不同的軟硬觸發信號，兩套系統分別設有不同的信號服務器，但是共享共同的遠程數據庫。兩個系統軟件為相同的，僅在未配置參數時，默認參數分別對切向與廣角等離子體可見光成像診斷系統做了適配。

2.4 系統工作流程

考慮到實驗的情況以及有可能出現的信號與網絡方面的不確定性，系統的工作流程分為正常的工作流程與異常的工作流程，在信號異常或配置未獲取到的情況，本系統依然可以進行裝置內等離子體可見光的診斷與采集，保證實驗的有序進行。

2.4.1 系統的正常工作流程

開啟系統軟件并將系統的硬件通電，系統的工作流程流程：

1)當系統打開并運行時, 系統進入一個無限持續等待信號發送的狀態與等待參數配置信號,當監聽到nextshot PV放電序號變化的消息，進入等待倒計時countdown PV信號的狀態；

2)當收到倒計時countdown PV信號的時候，系統開始進入倒計時，直到countdown PV的值為0時系統軟件就緒，開始等待相機觸發信號。

3)當系統收到TTL的高電平信號, 系統相機進行裝置可見光圖像診斷采集，并將圖像數據從相機傳至主機內存中。

4)圖像采集結束之后,系統整理采集到的圖像,保存到永久存儲介質上并通過GetNetParentDir函數上傳至遠程儲存庫對應文件夾。

5)清除系統的位圖對象內存，系統重新進入等待信號狀態，同時回放采集的裝置放電數據。系統正常工作流程示意圖如圖6所示。

圖6 軟件實現流程圖

2.4.2 系統異常工作

系統異常工作的情況在實驗期間考慮到兩種:1)讀取配置的數據或者接口出現問題或者人為失誤啟動系統軟件但沒有配置、導入系統參數；2)由于EPICS平臺導致的信號軟觸發機制出現故障。

第一種系統進入的異常1運行，當系統啟動沒有從下一次放電序號讀到系統的配置參數時，程序將執行切換至默認參數模式，在獲取不到參數的時候，切向與廣角都具備一套默認參數配置，可以適應HL-2M初始等離子體放電以及調試實驗的需求，能在數據庫異常的情況下，實現系統的繼續工作。

第二種情況，在沒收到消息信號的時候，系統沒有辦法獲取到炮號，對系統的影響是不能有效進行數據的保存，放電實驗結束時將拍攝采集到的照片，保存至本地與遠程的臨時文件夾內，如果不及時導出，也會造成覆蓋問題。

系統異常工作方式，解決了客觀與人為因素對系統造成的影響，在系統異常運行期間，也能完成在HL-2M實驗放電所需的裝置內部的可見光診斷與采集的功能。

2.5 多線程技術

為了保證系統的運行精確穩定，采用多線程來開發，各線程并行運行且使用相同的地址空間，共享進程中的數據，本系統使用VC++作為開發工具[19-21]。

在MFC開發中,單一的獨立進程包含了界面線程和工作線程兩個部分,界面線程有系統消息循環,用來處理用戶硬件等相關的系統消息,工作線程則處理與消息無關的工作。線程間的處理都是各自獨立的,本系統的界面線程用來響應用戶界面操作、 硬件系統的初始化、啟動和系統參數配置等相關工作。3個工作線程隨系統界面線程同時啟動, 這3個工作線程分別是:

1)圖像采集和圖像本地、遠程保存線程；

2)等離子體放電中圖像回放線程;

3)系統參數配置設置和讀取修改線程。

系統的所有工作線程都需要對位圖對象和顯示對象進行操作,在系統同一個時刻只有單一工作線程單獨占用位圖對象和顯示對象的資源, 軟件系統對這些工作線程進行同步協調。

除主線程外，用CreateThread、 AfxBeginThread函數創建不同優先級的線程，各線程通過使用CEvent控件對象的狀態來實現線程之間的通信。本文采用了4個Cevent控件對象作為線程之間的通訊信號量，來同步通訊這4個線程：

1) Time_CCD, 當此對象事件開始時, 系統進入配置系統軟件參數狀態;

2) Time_Grab, 當此對象事件發生時, 系統開始正式進入采集運行，采集診斷的數據狀態;

3) Time_Put, 當此對象事件發生時, 系統開始按照采集的時間先后回放有效的圖像, 得到放電的動態效果, 便于直觀地了解實驗過程中等離子體的演化過程;并通過接口將內存中的圖像保存至本地服務器與遠程服務器;

4) Time_Exit, 當此對象事件發生后, 結束所有工作線程, 最后結束界面線程，系統停止。

系統各線程與對象事件的執行順序如圖7所示，對象用矩形框表示, 消息用帶箭頭實線所表示，在系統正常運行的時候，依次啟動參數配置線程、采集線程與最后的圖像處理保存線程，在線程不工作時處于掛起監聽信號狀態，等待下一次信號觸發。

圖7 可見光圖像診斷軟件執行時序圖

2.6 色彩校準技術

通常在裝置內部所采集的可見光圖像需要進行嚴格的色彩標定[22]。圖像色彩通過引入白平衡機制，使用Lumenera中的WhiteBalanceU與WhiteBalanceV兩個API進行顏色的校準比對，通過一次校準顏色之后，對RGB各色增益進行鎖定，如果顏色不正常可以再次校準，每次校準均可以對增益進行鎖定，用作之后的采集拍攝使用。該色彩校準技術在實驗室環境光下進行了準確的標定，并通過實驗測試可以良好還原實驗中托卡馬克裝置內部的真實色彩情況，有助于對初始等離子體放電的分析。

本系統在實驗中分別在色彩未進行標定與準確標定之后的進行了多組的測試。明顯發現，在等離子體放電實驗中，色彩標定校準之后的系統，在等離子爬升階段與等離子體熄滅階段裝置內部的可見光診斷有了更真實的還原，圖7為等離子體爬升階段HL-2M裝置內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裝置內部等離子體可見光診斷圖像，205炮為未進行色彩標定的RGB各色增益為默認的系統，500炮為進行實驗室白平衡標準標定之后并鎖定增益的系統。可以觀察出，在裝置內光照不是很強的時候，未標定造成的色彩偏差尤為明顯。同樣為了適應各種復雜實驗環境，有的時候需要在裝置內標定，所以,白平衡作為配置信息的一部分加入了軟件配置參數中。

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

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

2.7 軟件可移植性性優化

軟件系統的設計具有很強的可移植性，可以通過更改系統軟觸發信號名稱并修改保存遠程數據庫位置，實現系統的同步移植功能，并通過人為更改可調節參數，適應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驗上得到良好驗證，軟件系統移植至其他的裝置上，可以正常采集診斷裝置內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程數據庫服務器與本地服務器上。

軟件系統的開發時基于Lumenera相機開發，在不更換相機類型的情況下，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 實驗結果和分析

等離子體可見光成像系統已經在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。采樣時間是在放電起始時刻至3 s時間停止。系統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，可以監測到等離子體放電的擊穿、平頂與熄滅全過程現象。系統可以在放電期間實時監控等離子體真空室內的面向等離子體組件，保證放電的安全進行。

3.1 切向等離子體可見光成像診斷系統

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值。

圖10 HL-2M第726炮等離子體放電實驗切向成像診斷的實驗結果

采樣數據圖10和圖11選取的是HL-2M 裝置第726炮的等離子體放電數據，最大電流為55 kA,放電時長約為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出的光識別等離子體邊界。在圖10中，可以觀察出從等離子體邊界發射的光，可見光圖像產生清晰解析的邊界邊緣特征，如圖10所示等離子體-壁相互作用會產生一些污染光。等離子體可見光的極化發射曲線與回收機制密切相關，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炮等離子體放電實驗等離子體電流、Hα輻射參數、環形磁場

切向可見光成像診斷系統的重點是觀察等離子體的位置形狀與邊界特性，反應的是當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，在HL-2M初始等離子體放電中起到了關鍵性的作用。

3.2 廣角等離子體可見光成像診斷系統

在HL-2M等離子體放電實驗第726炮，系統配置參數選取的是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值。廣角等離子體可見光診斷依然可以精確測量出氣體在約20 ms被擊穿實現等離子體爬升段，等離子體在97 ms左右熄滅，在50～80 ms左右實現了一個拉長平頂段。如圖11與圖12，等離子體從擊穿到熄滅的全過程，通過與磁診斷信號時間上的參照對比，可以觀察到不同時間的HL-2M裝置內部的氣體的真實色彩與等離子體和等離子體與壁面作用時的亮度與顏色。

圖12 HL-2M第726炮等離子體放電實驗廣角系統的實驗結果

廣角成像系統的優點是更加全面地反映出在等離子體放電過程中各時間點裝置的整體特征，與切向的色彩表現基本相同(在系統主要配置參數相同時),并且與切向的時間與磁診斷信號進行對比，結果完全相同，驗證了兩套系統的信號系統時間上同步性。

4 結束語

經過HL-2M 托卡馬克等離子體放電實驗的多次證明，等離子體可見光成像系統可以全面直觀地反應等離子體的放電情況，反應某一固定時刻等離子體放電的真實情況與裝置內的真實顏色，能夠實現等離子體診斷的目標并可以對采集圖像進行分析，以及可以輔助其他的數據進行對比分析。由于其可視化的優點，更便于對裝置的狀態進行估算和預測，對后續實驗的進展也有至關重要的作用，同時該系統具有參數可調節功能，可以根據實驗需要，炮間調整設備的配置參數使之更有助于等離子體實驗的精確測量。

本系統在HL-2M初始等離子體放電中取得了良好的效果，同時在移植至HL-2A實驗裝置上也能工作正常。本系統的設計為后續的大型托卡馬克裝置的等離子體診斷提供了一種簡單通用的思路，為創建可通用等離子體可見光成像系統提供了一種新方法。