用于托卡马克放电后等离子体壁检查的图像处理方法，及其在ITER中的应用

《Fusion Engineering and Design》：Image processing method for post-discharge plasma wall inspection in tokamaks, with application to ITER

　　

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  针对EAST托卡马克中离子回旋（IC）诱导等离子体辉光图像的新型去雾方法。
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  图像增强提高了面向等离子体部件的可见度。
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  针对D?和He优化了瑞利和指数CLAHE分布。
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  该方法支持ITER第一壁（PFC）检测和聚变诊断开发。

引言

在高功率等离子体运行期间，特别是在等离子体破裂后[1,2]，对ITER托卡马克第一壁进行脉冲间检测至关重要。Jepu等人[3]报道，在联合欧洲环（JET）托卡马克中，未缓解的等离子体破裂和逃逸电子（RE）的产生导致了铍上限制器瓦片的侵蚀和熔化。同样，Matthews等人[4]观察到位于容器顶部的上部卸料板（UDP）以及内壁（特别是内壁护板限制器（IWGL））出现了显著的壁损伤。在这两种情况下，这些损伤主要归因于未缓解的等离子体破裂。此外，Coenen等人[5]在TEXTOR托卡马克中研究了钨（W）面向等离子体部件（PFCs）在极端等离子体条件下的行为，证明高热流密度可诱导表面熔化，并通过蒸发、沸腾和熔融液滴喷射导致大量材料侵蚀。评估这些壁状况的一种方法是利用IC功率产生等离子体辉光，同时高分辨率可见光相机在这些条件下捕获图像。然而，强烈的等离子体发射常常导致图像模糊，严重阻碍了准确分析和损伤检测。为尽量减少等离子体辉光的影响，需要采用图像增强算法。

图像去雾技术大致可分为三类：基于增强的方法、基于先验的方法和基于深度学习的技术。基于增强的方法侧重于在不依赖物理成像模型的情况下改善退化图像的视觉质量。经典方法如基于Retinex的处理[6]、直方图均衡化[7]和小波域增强[8]通过提高对比度和调整强度分布来突出图像细节。相比之下，基于先验的去雾方法通常使用大气散射模型（ASM）[[9], [10], [11]]来构建。这些方法通过估计成像过程的重要参数，特别是透射图和大气光，来重建清晰图像。一个广泛使用的例子是He等人[12]提出的暗通道先验（DCP）。DCP基于这样一个观察：在许多无雾自然图像中，局部区域内的至少一个颜色通道包含强度值非常低的像素。利用这一假设，可以估计透射图并消除雾效。虽然基于先验的方法通常能产生令人满意的结果，但其有效性在很大程度上取决于参数估计的准确性，并且在某些条件下可能引入伪影或失真。

最近，基于模型和深度学习的方法已被开发用于图像去雾。Feng等人[13]提出了一种基于大气散射的变分框架，使用多个正则化约束来估计透射图并恢复场景辐射度；而Cai等人[14]开发了DehazeNet，这是一种卷积神经网络，利用大气散射模型估计透射图并重建清晰图像。Wu等人[15]提出了AECR-Net，这是一种基于紧凑自编码器的网络，采用对比学习将恢复图像推向清晰图像表示，并远离雾化图像表示。然而，这些方法主要是针对大气散射引起的图像退化而开发的，并且基于学习的方法依赖于代表性的训练数据，包括合成的雾-清晰图像对。类似的图像增强和强度分布方法也已应用于生物医学成像。Müllenbroich等人[13]将CLAHE与归一化线强度分布结合使用，以评估斑马鱼脑组织光片荧光显微镜成像中的伪影。Cheong等人[14]同样采用CLAHE和像素强度分布来增强和评估肺部肿瘤门控图像。在本研究中，图像受到IC诱导等离子体辉光的影响，因此大气雾假设和在常规雾数据集上训练的模型可能无法可靠地迁移到本应用中[[15], [16], [17]]。相比之下，本文所提出的基于增强的处理流程不需要训练数据、成对清晰参考图像，也不需要估计大气光和透射图——据我们所知，这一点此前尚未见报道。

在本工作中，在EAST托卡马克上进行了一项专门实验，利用IC功率诱导的辉光放电来研究钼（Mo）限制器和内壁表面，以及钨（W）偏滤器。图像使用可见光相机拍摄。采用基于增强的方法来改善在IC等离子体辉光条件下记录的图像的可视性。图像是在各种运行参数下获取的，包括不同的气体压力、磁场强度、曝光时间和注入气体种类。本研究旨在评估图像处理技术在增强图像清晰度方面的有效性，并为监测面向等离子体部件提供改进的可视化。

章节摘要

图像形成模型

在散射环境中运行的成像系统中，观测到的图像强度受到发射光、周围介质和成像传感器之间相互作用的影响。一种常用的图像形成模型将捕获的图像描述为三个分量的组合：直接照明、前向散射和背向散射[18,19]。在托卡马克装置中等离子体辉光成像的背景下，本工作建立了类似的类比，其中等离子体、中性气体，

算法结果与讨论

本文展示的结果来源于在EAST托卡马克中在不同运行条件下进行的实验，包括不同的气体种类、曝光时间、压力和磁场强度。随后使用基于MATLAB的增强算法对所采集的图像进行处理，如第2节所述。在此过程中，调整了局部对比度、锐化强度和亮度等关键参数以改善图像质量。

EAST可见光相机光学

结论

在本工作中，我们报告了将基于增强的图像处理方法应用于从EAST托卡马克获取的IC功率诱导辉光图像。该研究系统地考察了关键实验参数（包括曝光时间、磁场、IC功率和工作压力）对图像质量和可见性的影响。观察到，对于D₂等离子体，在曝光时间为2000 μs、磁场为2.15 T、IC功率为320 kW的条件下捕获的图像显示出显著的

免责声明

本文表达的观点和意见不一定反映ITER组织的观点。

CRediT作者贡献声明

Tarundeep Kaur Lamba：撰写——审阅与编辑、撰写——原稿、可视化、方法学、调查、正式分析、数据管理、概念化。L. Moser：撰写——审阅与编辑、撰写——原稿、验证、监督、资源、方法学、正式分析、数据管理、概念化。Martin Kocan：撰写——审阅与编辑、可视化、调查、正式分析、概念化。Martin Vincent：撰写——审阅与编辑、验证、

Tarundeep Kaur Lamba|L. Moser|Martin Kocan|Martin Vincent|Yan Rong|Ding Rui|Zhang Wei|Tom Wauter|Richard A. Pitts|Walsh Michael|Mukesh Ranjan