РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНО-ТОМОГРАФИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ АНАЛИЗА ПАРАМЕТРОВ ВОДОРОДНОЙ ПЛАЗМЫ В ПЛАЗМЕННЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

Филонин О.В.¹, Щелоков Е.А.²

¹Доктор технических наук, профессор, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва, Россия; ²Студент, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва, Россия

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНО-ТОМОГРАФИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ АНАЛИЗА ПАРАМЕТРОВ ВОДОРОДНОЙ ПЛАЗМЫ В ПЛАЗМЕННЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

Аннотация

В статье рассмотрены разработанные авторами методы и алгоритмы малоракурсной томографической диагностики параметров плазменных двигателей. Приведено описание малоракурсного оптического томографа, разработанного для проведения таких исследований. Описан метод решения задач прямой 3D-реконструкции в рамках малоракурсной оптической томографии.

Ключевые слова: Плазменный двигатель, диагностика плазмы, спектральный анализ.

Phylonin O.V.¹, Schelokov E.A.²

¹Doktor technical sciences, professor, Samara State Aerospace University named after academic S.P. Korolev, Russia;

²Student, Samara State Aerospace University, named after Korolev S.P., Russia

WORKING OUT AND RESEARCH OF SPECTRAL-TOMOGRAPHIC SYSTEM FOR DIAGNOSIS PARAMETERS OF A HYDROGEN PLASMA OF PLASMA ENGINES

Abstract

In the article the authors developed methods and algorithms for tomographic diagnosis of few parameters of plasma thrusters. The description of few optical scanner designed for such research. Describes a method for solving the direct 3D-reconstruction within a few-optical tomography.

Keywords: Plasma engine, plasma diagnostics, spectral analysis.

Применение методов малоракурсной томографической реконструкции (МКТ) параметров плазменных объектов, в частности потоков рабочих тел плазменных двигателей, позволяет получить информацию об их пространственном распределении совершенно иного качества по сравнению с известными методами диагностики. Тем не менее, не смотря на широкие возможности МКТ в плане реконструкции вида искомых функций, в задачах диагностики параметров плазмы: главными вопросами являются адекватность получаемых функциональных распределений искомым параметрам, анализ соответствия динамики параметров процессов в плане идентичности реконструируемых данных, например, ожидаемым «мгновенным» сечениям исследуемого параметра. Это определяется, прежде всего, корректностью используемых известных расчётных соотношений применяемых для определения исследуемых параметров. Например, при исследовании низкотемпературной плазмы, используемой в плазменных двигателях, это, прежде всего, относится к расчётным соотношениям для вычисления локальных значений температур, концентраций электронных и ионных компонентов и т.д.

При проектировании и разработке новых систем диагностики в рамках автоматизированного физического эксперимента необходимо учитывать ряд важных обстоятельств:

1. Вновь разрабатываемые системы должны достаточно просто сопрягаться с существующими устройствами и системами диагностики – в данном случае это устройства для проведения спектрально-томографических исследований.
2. Целесообразно применять агрегатированно-модульный принцип построения разрабатываемой системы, что позволяет упростить процесс совершенствования отдельных узлов для расширения круга решаемых задач.
3. При разработке программного обеспечения целесообразно использовать модульный принцип формирования пакета прикладных программ. Это значительно упрощает процедуры развития версий для различных вычислительных платформ.

 

Рис. 1 - Структурная схема малоракурсного оптического томографа

С учетом указанных принципов разработан ряд малоракурсных оптических томографов для исследования параметров плазменных объектов, использующих как собственное излучение объекта, так и внешнее зондирующее излучение, применительно к условиям лабораторного эксперимента.

На рисунке 1 представлена структурная схема малоракурсного оптического томографа эмиссионного типа, предназначенного для изучения параметров дуговых разрядов плазменных потоков малогабаритных плазменных двигателей. Данная конструкция позволяет одновременно регистрировать до 24 двумерных проекций.

Максимальный размер исследуемого плазменного объёма можно представить как цилиндр диаметром ~10 мм, и высотой до 10 мм. Конструктивно данный томограф состоит из двух оптических столов (выполненных в виде планшайб), в которых имеются направляющие пазы ориентированный относительно геометрического центра, в зоне которого располагаются исследуемый плазменный объект. В пазах устанавливаются входные объективы – 4, собирающие собственное излучение исследуемого объекта и проецирующие двумерные проекционные изображения на входные торцы оптоволоконных светопроводов (для передачи изображений).

Несмотря на то, что пакеты проекций представляют собой двумерные проекции исследуемых плазменных объектов, процедуры реконструкции предполагают послойное восстановление нескольких срезов. При таком подходе можно сделать вывод 3D конфигурации искомого распределения. Так как сечения оказываются реконструированными для различных интервалов времени, то такой способ может быть оправдан лишь для «стационарных» плазменных объектов.

Рис. 2 - Оптическая схема формирования проекций в побочных фокусах

С другой стороны конструкции оптоэлектронных сканеров дают возможность одновременно регистрировать 24 проекции в заданном диапазоне длин волн, при этом каждая проекция может содержать до (256´256) реальных отсчёта. Это дает возможность достаточно точно и с относительно высоким разрешением реконструировать 2D сечения. В то же время существует достаточно широкий класс физических задач, когда необходима информация о 3D- распределениях искомых параметров за малые интервалы времени.

Для решения задач прямой 3D-реконструкции в рамках малоракурсной оптической томографии существуют системы сбора данных с регистрацией ракурсов формируемых входной относительно длиннофокусной линзой в главном и побочных фокусах. Оптическая система такого рода представлена на рисунке 2.

Излучение исследуемого объекта в главном ракурсе попадает на входную линзу – 1, в задней фокальной плоскости, в которой установлена диафрагма – 2, имеющая отверстия в зонах главного и ряда побочных фокусов, линзы – 3 формируют главную и побочные 2D – проекции и проецируют их на входные торцы светопроводов, установленных в обечайке – 4. Далее, производя выборку одномерных проекции на выходных торцах светопроводов и использую спектральное расположение потоков интенсивности, можно сформировать массивы исходных проекционных данных для прямой 3D-реконструкции.

Рассмотренный способ получения реальных 2D проекционных данных значительно упрощает процедуры вычисления полного набора проекций для задач 3D реконструкции. Эти процедуры удобно выполнять в пространстве Фурье, где предварительно, в соответствие с теоремой о центральном сечении строятся одномерные (двумерные) образы Фурье. Вычисление недостающих проекционных данных производится с помощью методов интерполяции и экстраполяции по кольцевым (сферическим) гармоникам. Для упрощения процедур доопределения проекционных данных авторами разработан метод, позволяющий проводить только одномерные процедуры вычисления, как в плане определения недостающих отсчетов по кольцевым гармоникам, так и в смысле доопределения проекционных данных в требуемых сечениях.

Математическое моделирование описанных способов получения исходных двумерных данных и процедур реконструкции, искомых 3D функциональных распределений для задач диагностики плазменных двигателей – распределение интенсивности излучения по объему факела, локальные значения температур, концентраций и т.д. Погрешность рассмотренных методов реконструкции при форматах 256´256´256 вокселей не превышает (8¸10)%.

Литература

1. Финкельберг И., Меккер А. Электрические дуги и термическая плазма. М.: ИИЛ, 1981, - с.345-367.
2. Филонин О.В. Малоракурсные оптические томографы для исследования плазменных объектов. Инженерная физика, №5, 2006, - с. 4-14.
3. Филонин О.В. Общий курс компьютерной томографии, Самара, СНЦ РАН, 2012, с.407.