本发明公开了一种基于自动编码器的时变等离子体诊断方法及诊断系统，诊断方法包：发射端生成单频载波信号，分别经过参考支路和设有时变等离子体的测试支路，到达接收端；在接收端对测试支路与参考支路采样后分别得到测试支路的采样信号序列与参考支路的采样信号序列，计算由时变等离子体引起的复衰落h；将复衰落h转换成实部与虚部两路信号x，经自动编码器滤波后得到信号y；根据信号y确定时变电子密度与碰撞频率。本发明通过自动编码器对时变等离子体的电子密度与碰撞频率进行诊断，结果准确、效率高，并对噪声具有较强的鲁棒性，解决了现有技术中存在的问题。
1.一种基于自动编码器的时变等离子体诊断方法，其特征在于，具体包括以下步骤：S1，发射端生成单频载波信号，分别经过参考支路和设有时变等离子体的测试支路，到达接收端；
S2，在接收端对测试支路与参考支路采样后分别得到测试支路的采样信号序列sa＝[sa1,sa2,…,san]与参考支路的采样信号序列sb＝[sb1,sb2,…,sbn]，计算由时变等离子体引起的复衰落h，h＝sa/sb；
S3，将复衰落h转换成实部与虚部两路信号x＝[x1,x2,…,xn]，其中x1,x2,…,xn均为二维向量并作为自动编码器的输入，经自动编码器滤波后得到信号y＝[y1,y2,…,yn]；其中n为信号总个数；
S4，根据滤波后的信号y确定时变电子密度与碰撞频率；
步骤S3中，复衰落h经过自动编码器滤波后其投影点落在一条光滑的曲线上，即衰落曲线，衰落曲线的坐标函数表示为f(λ)＝(f1(λ),f2(λ))，λ为数据点在一维曲线上的坐标，f1(λ),f2(λ)均是光滑函数；自动编码器为全连接神经网络，基于万能近似定理，在高斯噪声的影响下，似然函数p(xi|yi)写为：其中，xi为信号x中第i个信号，yi表示信号y中第i个符号，π表示圆周率，σ2表示高斯噪声的功率；
损失函数loss为x＝[x1,x2,…,xn]的对数似然函数，见式(2)：为了使损失函数loss最小，式(2)最小化等价于式(3)；
优化器通过式(3)使神经网络逼近函数f1(λ),f2(λ)，得到衰落曲线，从而得到滤波后的信号y＝[y1,y2,…,yn]。
2.根据权利要求1所述的一种基于自动编码器的时变等离子体诊断方法，其特征在于，步骤S3中，自动编码器包括解码器与编码器，具有5层结构，依次为输入层、第一隐藏层、第二隐藏层、第三隐藏层、输出层，前三层为解码器，后两层为编码器，输入层与输出层均为2维向量，维度均为2；第一隐藏层与第三隐藏层维度为8；第二隐藏层维度为1，用于计算单变量λ。
3.根据权利要求1所述的一种基于自动编码器的时变等离子体诊断方法，其特征在于，步骤S3中，自动编码器的网络中神经元的激活函数为tanh，网络的优化器采用Adam，学习速率为0.001。
4.根据权利要求1所述的一种基于自动编码器的时变等离子体诊断方法，其特征在于，步骤S4中，根据滤波后的信号y确定时变电子密度与碰撞频率，具体为：根据式(4)、式(5)计算滤波后的信号y的幅度r＝[r1,r2,…,rn]与相位其中yi1，yi2分别为yi中实部与虚部，其中i＝1,2,…n；然后根据式(6)、式(7)计算衰减系数α＝[α1,α2,…,αn]与相位常数β＝[β1,β2,…,βn]：其中，z为等离子体厚度，在实验中等离子体厚度通过测量得到；将衰减系数α与相位常数β带入到反解公式(8)-(9)中，即可得到每一个点的电子密度ne与碰撞频率v，对每一个点的碰撞频率v计算结果取期望得到估计的碰撞频率值；
其中w为载波频率，e为常数，ε0为真空介电常数，me为电子质量，c为真空中光速。
5.一种基于自动编码器的时变等离子体诊断系统，其特征在于，采用如权利要求1-4任一项所述的一种基于自动编码器的时变等离子体诊断方法，包括：发射端，用于生成单频载波信号，分别送入参考支路和设有时变等离子体的测试支路；
接收端，用于接收经过参考支路与测试支路的单频载波信号；
采样模块，用于在接收端对测试支路与参考支路采样，获取由时变等离子体引起的复衰落h；
自动编码器训练模块，用于将复衰落h转换成实部与虚部两路信号，作为自动编码器的输入，通过自动编码器训练获取滤波后的信号y；
诊断模块，用于根据滤波后的信号y确定时变电子密度与碰撞频率。
基于自动编码器的时变等离子体诊断方法及诊断系统
技术领域
[0001] 本发明属于等离子体诊断技术领域，涉及一种基于自动编码器的时变等离子体诊断方法及诊断系统。
背景技术
[0002] 在高温的作用下，中性气体发生电离变成由带正、负电荷的离子和电子以及某些中性粒子构成的等离子体。等离子体是物质存在的第四种形态，随着等离子科学的发展，等离子体由于其特有的性质已在各个领域获得广泛应用。为了表征等离子体微观性质，需要利用等离子体诊断技术测定等离子体的参数。目前较为常用的诊断方法有朗缪尔探针法、微波法和光谱法；在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下问题：其中朗缪尔探针法需要将探针深入到等离子体内部，因此探针的材料会影响诊断结果，同时当温度过高时探针会发生形变进而在伏安特性曲线测量中带来较大误差。光谱法属于非接触式诊断技术，其优点是不会对目标等离子体产生物理干扰，测得的数据包含丰富的物理信息，但是数据处理过程复杂，精度较差。微波法是利用电磁波与等离子体相互作用的原理来测量等离子体参量的方法，其具有一般非接触式诊断技术的优势的同时，并具有适应性强、测量速度快等优点。
[0003] 目前，现有的微波诊断技术主要利用扫频的方法对多个频点的反射信号进行测量，进而解算出电子密度ne与碰撞频率v。然而这种方法无法适应快速时变的等离子体，同时由于接收信号中存在噪声，导致解算结果存在较大的误差。
发明内容
[0004] 为了解决上述问题，本发明提供一种基于自动编码器的时变等离子体诊断方法，通过自动编码器对时变等离子体的电子密度与碰撞频率进行诊断，结果准确、效率高，并对噪声具有较强的鲁棒性，解决了现有技术中存在的问题。
[0005] 本发明的另一目的是，提供一种基于自动编码器的时变等离子体诊断系统。
[0006] 本发明所采用的技术方案是，一种基于自动编码器的时变等离子体诊断方法，具体包括以下步骤：
[0007] S1，发射端生成单频载波信号，分别经过参考支路和设有时变等离子体的测试支路，到达接收端；
[0008] S2，在接收端对测试支路与参考支路采样后分别得到测试支路的采样信号序列sa＝[sa1,sa2,…,san]与参考支路的采样信号序列sb＝[sb1,sb2,…,sbn]，计算由时变等离子体引起的复衰落h，h＝sa/sb；
[0009] S3，将复衰落h转换成实部与虚部两路信号x＝[x1,x2,…,xn]，其中x1,x2,…,xn均为二维向量并作为自动编码器的输入，经自动编码器滤波后得到信号y＝[y1,y2,…,yn]；其中n为信号总个数；
[0010] S4，根据滤波后的信号y确定时变电子密度与碰撞频率。
[0011] 进一步的，所述步骤S3中，复衰落h经过自动编码器滤波后其投影点落在一条光滑的曲线上，即衰落曲线，衰落曲线的坐标函数表示为f(λ)＝(f1(λ),f2(λ))，λ为数据点在一维曲线上的坐标；自动编码器为全连接神经网络，基于万能近似定理，在高斯噪声的影响下，似然函数p(xi|yi)可以写为：
[0012]
[0013] 其中，xi为信号x中第i个信号，yi表示信号y中第i个符号，π表示圆周率，σ2表示高斯噪声的功率；
[0014] 损失函数loss为x＝[x1,x2,…,xn]的对数似然函数，见式(2)：
[0015]
[0016] 为了使损失函数loss最小，式(2)最小化等价于式(3)；
[0017]
[0018] 优化器通过式(3)使神经网络逼近函数f1,f2，得到衰落曲线，从而得到滤波后的信号y＝[y1,y2,…,yn]。
[0019] 进一步的，所述步骤S3中，自动编码器包括解码器与编码器，具有5层结构，依次为输入层、第一隐藏层、第二隐藏层、第三隐藏层、输出层，前三层为解码器，后两层为编码器，输入层与输出层均为2维向量，维度均为2；第一隐藏层与第三隐藏层维度为8；第二隐藏层维度为1，用于计算单变量λ。
[0020] 进一步的，所述步骤S3中，自动编码器的网络中神经元的激活函数为tanh，网络的优化器采用Adam，学习速率为0.001。
[0021] 进一步的，所述步骤S4中，根据滤波后的信号y确定时变电子密度与碰撞频率，具体为：
[0022] 根据式(4)、式(5)计算滤波后的信号y的幅度r＝[r1,r2,…,rn]与相位[0023]
[0024]
[0025] 其中yi1，yi2分别为yi中实部与虚部，其中i＝1,2,…n；然后根据式(6)、式(7)计算衰减系数α＝[α1,α2,…,αn]与相位常数β＝[β1,β2,…,βn]：
[0026]
[0027]
[0028] 其中，z为等离子体厚度，在实验中该值可以通过测量得到；将衰减系数α与相位常数β带入到反解公式(8)-(9)中，即可得到每一个点的电子密度ne与碰撞频率v，对每一个点的碰撞频率v计算结果取期望得到估计的碰撞频率值；
[0029]
[0030]
[0031] 其中w为载波频率，e为常数，ε0为真空介电常数，me为电子质量，c为真空中光速。
[0032] 一种基于自动编码器的时变等离子体诊断系统，采用上述基于自动编码器的时变等离子体诊断方法，包括：
[0033] 发射端，用于生成单频载波信号，分别送入参考支路和设有时变等离子体的测试支路；
[0034] 接收端，用于接收经过参考支路与测试支路的单频载波信号；
[0035] 采样模块，用于在接收端对测试支路与参考支路采样，获取由时变等离子体引起的复衰落h；
[0036] 自动编码器训练模块，用于将复衰落h转换成实部与虚部两路信号作为自动编码器的输入，通过自动编码器训练获取滤波后的信号y；
[0037] 诊断模块，用于根据滤波后的信号y确定时变电子密度与碰撞频率。
[0038] 本发明的有益效果是：以单频载波信号为微波源，微波源分为测试支路和参考支路，其中测试支路的信号穿过时变等离子体被检测端接收，而参考支路的信号通过自由空间直接送入检测端，在接收端通过计算测试支路信号与参考支路信号的比值得到由等离子体引起的时变复衰落。通过自动编码器提取数据的主成分实现去噪，最后将去噪后的时变衰落信号带入到反解公式中获得电子密度与碰撞频率；本发明基于自动编码器的时变等离子体诊断方法可以有效滤除接收信号中的噪声，具有诊断结果准确、效率高的特点，并且可以同时诊断出动态等离子体的电子密度与碰撞频率。该技术可满足等离子体相关研究应用中(如托卡马克装置)需要获取等离子体内部参数的需求。
附图说明
[0039] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0040] 图1是本发明实施例的流程流程图。
[0041] 图2是自动编码器的结构图。
[0042] 图3是本发明实施例的仿真结果。
[0043] 图4是本发明实施例最终时变电子密度的估计结果。
具体实施方式
[0044] 下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0045] 本发明实施例一种基于自动编码器的时变等离子体诊断方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
[0046] S1，在发射端生成单频载波信号即微波源，分别送入测试支路与参考支路。测试支路的信号穿过时变等离子体被检测端接收，而参考支路的信号通过自由空间直接送入检测端。
[0047] S2，在接收端对测试支路与参考支路采样后分别得到测试支路的采样信号序列sa＝[sa1,sa2,…,san]与参考支路的采样信号序列sb＝[sb1,sb2,…,sbn]，计算出由时变等离子体引起的复衰落h，h＝sa/sb；
[0048] 其中，复衰落h的模值为等离子体引起的幅度衰落，复衰落h的角度为等离子体引起的相位偏移；由于此时得到的复衰落含有噪声，需要进行滤波去除掉噪声以提高解算的精度。
[0049] S3，为了滤除噪声，需要提取出数据中的主成分，即找到一条穿过数据中心的光滑曲线并且得到数据在曲线上的投影坐标。对于平面上的曲线可以看作为嵌入2维欧式空间中受单变量λ控制的一维流形，因此曲线的坐标函数可以表示为f(λ)＝(f1(λ),f2(λ))。如果f1,f2均是光滑函数，则f为一条光滑曲线。通常如何确定f1,f2是一个难点，基于万能近似定理，可以采用神经网络来近似f1,f2。搭建了如图2所示的自动编码器，该自动编码器为全连接神经网络，包括解码器与编码器，具有5层结构，依次为输入层、第一隐藏层、第二隐藏层、第三隐藏层、输出层，前三层为解码器，后两层为编码器，输入层与输出层均为2维向量，维度均为2；第一隐藏层与第三隐藏层维度为8；第二隐藏层维度为1，用于计算单变量λ，λ为数据点在一维曲线上的坐标。网络中神经元的激活函数为tanh函数以保证曲线的光滑性，网络的优化器采用Adam，学习速率为0.001。
[0050] 将复衰落h转换成实部与虚部两路信号x＝[x1,x2,…,xn]，其中x1,x2,…,xn均为二维向量并作为自动编码器的输入，经自动编码器滤波后得到信号y＝[y1,y2,…,yn]；其中n为信号总个数；在高斯噪声的影响下，似然函数p(xi|yi)可以写为：
[0051]
[0052] 其中，xi为x中第i个信号，yi表示y中第i个符号，π表示圆周率，σ2表示高斯噪声的功率。
[0053] 损失函数为x＝[x1,x2,…,xn]的对数似然函数，见式(2)：
[0054]
[0055] 为了使损失函数loss最小，最小化(2)式等价于优化下式：
[0056]
[0057] 优化器通过式(3)使神经网络逼近函数f1,f2，得到衰落曲线，从而得到滤波后的信号y＝[y1,y2,…,yn]。
[0058] S4，计算信号y的幅度r＝[r1,r2,…,rn]与相位
[0059]
[0060]
[0061] 其中yi1、yi2分别为yi的实部与虚部，其中i＝1,2,…n；然后根据式(6)、式(7)计算衰减系数α＝[α1,α2,…,αn]与相位常数β＝[β1,β2,…,βn]：
[0062]
[0063]
[0064] 其中，z为等离子体厚度，在实验中该值可以通过测量得到。将衰减系数α与相位常数β带入到下述反解公式中，即可得到每一个点的电子密度ne与碰撞频率v；
[0065]
[0066]
[0067] 其中w为载波频率，e为常数，ε0为真空介电常数，me为电子质量，c为真空中光速。
[0068] 本发明基于自动编码器的时变等离子体诊断方法的效果验证：
[0069] 仿真条件：载频为10GHz，电子密度范围为5e16cm-3至4e17 cm-3，在此范围内等离子密度均匀变化，碰撞频率为5GHz，信噪比为20dB，采样点数为128。
[0070] 仿真结果：
[0071] 如图3所示，图中颜色较深的圆点为含噪的时变衰落采样点，颜色较浅的三角点为经过自动编码器滤波后估计的真实衰落值。可以看出含噪的数据点经过自动编码器滤波后其投影点落在一条光滑的曲线上，该曲线即可视为由等离子鞘套造成衰落曲线。采用经过滤噪后的数据点可以大大提高反解算法的精度。
[0072] 图4展示了最终时变电子密度的估计结果。颜色较深的圆点线描绘了估计的电子密度随时间变化情况，颜色较浅的三角点描绘了仿真设置的电子密度随时间变化情况。可以看出对于大部分采样点都可以近似正确地估计出电子密度的真实值，当电子密度趋近于边缘时会存在一定误差。由于碰撞频率为定值，而本发明诊断方法求出的每一个点都对应着一个碰撞频率值，因此对求得的结果取期望得到估计的碰撞频率值4.8062GHz。
[0073] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
