[论文解读] Two-dimensional time- and space-resolved diagnostic method for integrated implosion process

Shijian Li, Qiangqiang Wang+4 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2021

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 40被引用 5

一句话总结

本文提出了一种新颖的惯性约束聚变内爆2D时空分辨诊断方法，通过将压缩超快摄影（CUP）与简化空间分辨通量探测器（SSRFD）相结合。该方法在保持条纹相机高时间分辨率的同时，提升了CUP的空间分辨率，尤其是在大像素编码掩模条件下表现更优，相较于传统CUP、外部CCD或条纹相机单独使用，其重建质量在PSNR和SSIM指标下均得到验证，表现更优。

ABSTRACT

To precisely measure and evaluate X-ray generation and evolution in a hohlraum during an implosion process, we present a two-dimensional (2D) time- and space-resolved diagnostic method by combining a compressed ultrafast photography (CUP) system and a simplified version of space-resolving flux detector (SSRFD). Numerical experiment results showed that the reconstruction quality of the conventional CUP significantly improved owing to the addition of the external SSRFD, especially when a coded mask with a large pixel size was used in the CUP. Further, the performance of the CUP cooperation with the SSRFD was better than that of adding an external charge-coupled device or streak camera. Compared with existing ultrafast imaging techniques in laser fusion, the proposed method has a prominent advantage of measuring the 2D evolution of implosion by combining high temporal resolution of streak camera and high spatial resolution of SSRFD; moreover, it can provide guidance for designing diagnostic experiments in laser fusion research.

研究动机与目标

• 解决传统CUP在激光聚变内爆超快X射线成像中难以实现高空间分辨率的局限性。
• 克服X射线条纹相机与帧频相机固有的时间分辨率与空间分辨率之间的权衡问题。
• 开发一种混合诊断系统，整合CUP的高时间分辨率与SSRFD的高空间分辨率。
• 在不同编码掩模尺寸和SSRFD时间分辨率设置下，验证该方法的性能表现。
• 为未来惯性约束聚变中集成内爆实验提供实用且高保真的诊断框架。

提出的方法

• 该方法将压缩超快摄影（CUP）系统与简化空间分辨通量探测器（SSRFD）结合，利用在空腔左侧的针孔实现CUP成像，右侧针孔用于SSRFD测量。
• CUP系统采用数字微镜器件（DMD）进行空间调制，条纹相机实现时间剪切，结合时空积分算子以测量动态场景。
• SSRFD由中央平坦响应X射线探测器（FXRD）与外围CCD组成，FXRD直径为SSRFD的10%，用于时间积分的高空间分辨率成像。
• CUP与SSRFD的联合测量数据通过编码（C）、剪切（S）和积分（T）算子进行数学建模，形成联合测量方程。
• 采用带有总变差（TV）正则化与BM3D去噪的广义交替投影算法，从联合测量中重建2D动态场景。
• 重建过程基于压缩感知原理，恢复X射线内爆过程中发射的时空演化特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 SSRFD与CUP的集成是否能显著提升激光聚变内爆中2D超快X射线成像的空间分辨率？
• RQ2 SSRFD的时间分辨率如何影响CUP-SSRFD联合系统的重建质量？
• RQ3 在PSNR与SSIM指标下，该方法是否优于传统CUP、外部CCD或双条纹相机？
• RQ4 编码掩模的像素尺寸如何影响重建性能，特别是在大像素条件下？
• RQ5 当CUP系统因编码粗糙导致空间分辨率较低时，SSRFD在多大程度上提升了重建保真度？

主要发现

• 所提方法在重建质量上显著优于传统CUP，PSNR达36.4277，SSIM达0.9329，而传统CUP的PSNR为30.3833，SSIM为0.8797。
• 当SSRFD时间分辨率超过250 ps时，该方法在PSNR与SSIM上均优于所有三种基线方法（CUP、双条纹相机、CUP加外部CCD）。
• 对于10×像素尺寸的编码掩模，该方法仍实现PSNR 36.4277与SSIM 0.9329，表明其在大像素条件下的鲁棒性。
• 在编码掩模像素较大的情况下，该方法相较于传统CUP的优势最为显著，提升幅度明显。
• 该方法在保持条纹相机25 ps高时间分辨率的同时，显著提升了空间分辨率，即使在低分辨率编码掩模下也表现出色。
• 随着SSRFD时间分辨率提高，重建质量持续改善，且在所有测试的掩模尺寸下，该方法始终保持优越性，尤其在大像素掩模条件下表现更佳。