基于ICF冷冻靶的高精度束靶耦合关键技术研究

The research for cryogenic target is to become the advanced topics of the field of inertial confinement fusion at the present time. The core issue of target and laser coupling of the cryogenic target is target positioning and multi-path lasers alignment under extreme conditions (such as ultra-low temperature, high vacuum, a narrow space)..Under of the full investigation of the domestic and foreign technology for this problem, this paper studies based on image measurement principle for laser and target aligning, and its key technologies including coordinate system conversion technology in the ICF target field, the automatic positioning technology for three-dimensional space of posture of the cryogenic target based on a prior knowledge, The image feature extraction technique based on the weak lighting,The multi-path lasers recognition and spatial coding techniques based on image feature, and multi-laser parallel positioning and fast-focusing technology..According to the particularity of the cryogenic target ultra-low temperature working conditions, Measurement process should strictly control laser target aligning system generating heat, studies the mathematical model based on the temperature of the cryogenic target, and discover the law of the temperature field changes ,then stable the temperature field .With the simulation results, The laser target aligning sensor prototype will be researched and developed, then carry out related experimental study.

冷冻靶相关技术研究目前成为惯性约束聚变领域的前沿课题。基于冷冻靶的束靶耦合研究的核心问题是在极端条件下（超低温，高真空，狭小空间）实现冷冻靶的空间位姿精确定位和多路激光快速准直和瞄准。.针对这一难题，在充分调研国外相关技术基础上，本文主要研究基于图像测量原理的冷冻靶束靶耦合监测技术，其关键技术包括ICF激光驱动器高精度靶场坐标系建立与转换技术，基于先验知识的冷冻靶的三维空间姿态快速自动定位技术，基于弱照明的图像特征提取技术，基于图像特征的多光束识别和空间编码技术，和多光束并行定位及快速调焦技术等。.基于冷冻靶超低温工作特殊要求，测量过程中严格控制束靶耦合监测系统对靶的温度影响，研究建立基于冷冻靶束靶耦合系统的温度场数学模型，研究其温度变化的特性及保持超低温场稳定的策略，根据仿真结果，研制束靶耦合系统样机并开展相关实验研究。

实现可控聚变能开发利用是人类永恒追求，但由于聚变的反应条件非常苛刻，基本达到目前各学科研究的极限能力，为了更容易实现高密度压缩，采用冷冻靶打靶成为当前国际上惯性约束聚变（ICF）装置主流的打靶方式(如NIF)，因而冷冻靶相关技术研究目前成为ICF研究的热点。本课题主要研究如何将甚多路激光光束准确的引导到冷冻靶上指定弹着点上，即束靶耦合。与常温靶不同，冷冻靶的束靶耦合难度大大增加，其研究的核心问题是在极端条件下（超低温，高真空，狭小空间）实现冷冻靶的空间位姿精确定位和多路激光快速准直和引导。. 本课题深入研究了冷冻靶束靶耦合关键技术，提出并验证了冷冻靶束靶耦合监测总体方案，采用激光扫频干涉仪和大口径监测仪联合建立靶场坐标系，实现靶与激光光束坐标系统一，采用靶室内束靶耦合传感器实现冷冻靶束靶耦合。研究了基于特征和基于CAD模型的靶自动匹配定位算法。针对光学系统景深小的难题，采用迭代盲复原算法对模糊图像进行复原处理。提出了弱照明图像定位流程和方法，解决了滤光罩下异源图像匹配的难题，最终实现了靶位姿自动调整和精确匹配定位。研究了甚多束激光的快速引导技术，针对上百束激光，提出了采用高速相机来实现串行流水，行间并行的引导方案，通过实验验证该方法可行，对192束激光引导单次处理时间小于2秒。研制出了国内首台冷冻靶束靶耦合传感器样机，搭建了实验平台，开展了靶定位和光束引导实验，实验结果表明该传感器对靶和光束定位重复不确定度为1微米左右。