时变等离子体电子密度抖动频率的测量方法技术

本发明专利技术公开了一种时变等离子体电子密度抖动频率的测量方法，解决了现有测量方法无法单次测量获得电子密度抖动频率的问题。实现包括：发射线性调频信号得到时变等离子体的反射信号；计算回波的一维距离像，确认峰值扩展现象；通过抖动频率计算公式，计算出时变等离子体电子密度抖动频率。本发明专利技术还是一种时变等离子体电子密度抖动频率测量方法的用途，可用于计算等离子体电子密度抖动频率在时间及空间上的分布，以及再入航天器通信系统中的等离子体干扰补偿参数。本发明专利技术通过测量一维距离像中峰值扩展距离反算出电子密度抖动频率，得到了一种简便有效的抖动频率测量方法，为地面等离子体实验中的等离子体电子密度动态参数提供测量手段。

【技术实现步骤摘要】
时变等离子体电子密度抖动频率的测量方法
本专利技术属于等离子体参数测量领域，主要涉及等离子体动态参数测量，具体是一种时变等离子体电子密度抖动频率的测量方法，可用于对时变等离子体动态特性的测量。
技术介绍
再入式航天器返回阶段，速度可达数十马赫，航天器表面与大气会产生强烈的作用，在航天器头部形成激波，气体温度和压强急剧增加，使大气电离，航天器表面会产生一层等离子体，等离子体会对航天器收发信号产生严重干扰，影响地面与航天器之间的通信。在航天器返回过程中，大气湍流会引起航天器表面的流场发生抖动，从而引起流场中的等离子体电子密度也发生抖动，这种电子密度的抖动频率直接影响到地面信号与航天器之间的通信传输性能，因此时变等离子体电子密度抖动频率的测量，对研究等离子体引起的航天器通信干扰问题，具有重要的意义。等离子体通信干扰问题的研究通常在等离子体地面实验装置中进行，实验中需要对等离子体电子密度参数进行实时测量。目前采用的测量方法包括探针法、激光法和微波法等。探针法是利用导电针尖深入等离子体中，测量等离子体的伏安特性曲线，进而推算出等离子体的电子密度；激光法是利用激光穿过等离子体时产生的光学折射率变化来推导等离子体的电子密度；微波法是利用电磁波穿过等离子体的透射信号与参考信号的传播相位差来推算出等离子体的电子密度。这些测量方法每测量一次，都只能得到等离子体电子密度在某一时刻的一个静态数值。要想获取电子密度得抖动频率，就必须经过多次测量得到多个电子密度静态数值，然后将这多个静态数值进行综合分析，才能计算出电子密度的抖动频率。采用目前的方法去测量电子密度抖动频率，过程复杂，用时较长，无法通过单次测量获得等离子体电子密度抖动频率，测量效率无法满足等离子体动态特性分析研究的需要。本专利技术申请人在相关的范围内搜索和查新，没有发现与本专利技术主题相关的即时变等离子电子密度抖动频率测量方法的文献和报道。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足和缺陷，提供一种单次测量获取抖动频率的时变等离子体电子密度抖动频率的测量方法。本专利技术是一种时变等离子体电子密度抖动频率的测量方法，其特征在于，时变等离子体电子密度抖动频率的测量方法包含有如下步骤：S1获得时变等离子体的线性调频信号回波：将发射天线对准等离子体上需要测量的部位，通过发射机产生一个线性调频脉冲信号，发射到时变等离子体中，并通过接收天线和接收机获取时变等离子体的反射信号，即时变等离子体的线性调频回波信号；S2计算回波信号一维距离像：对接收的时变等离子体线性调频回波信号进行脉冲压缩处理，计算得到时变等离子体反射信号的一维距离像，一维距离像中包含有回波反射点与发射天线之间距离对应的主峰和等离子体电子密度抖动引起的两个扩展峰，两个扩展峰在主峰两边对称分布；S3计算电子密度抖动频率：测量一维距离像中主峰与其中一个扩展峰之间的距离，即峰值扩展距离，利用脉冲宽度、信号带宽参数，通过抖动频率计算公式得到时变等离子体反射信号处的电子密度抖动频率，抖动频率计算公式如下：式中fNe为电子密度抖动频率，Δd为峰值扩展距离，B为带宽，Tp为脉冲宽度，通过单次回波测量，获得等离子体测量部位的电子密度抖动频率；S4不改变发射天线指向位置，在不同时间点，反复执行步骤S1-S3，对不同时间下的等离子体电子密度抖动频率进行测量，完成对时变等离子体固定测量位置在不同时间点的电子密度抖动频率的跟踪测量；更改发射天线指向等离子体上测量部位的位置，反复执行步骤S1-S3，对等离子体其他部位的电子密度抖动频率进行测量，完成对时变等离子体上不同位置电子密度抖动频率的整体测量。本专利技术还是一种时变等离子体电子密度抖动频率的测量方法的用途，其特征在于，时变等离子体电子密度抖动频率测量方法的用途包括有：1)用于计算等离子体电子密度抖动频率在时间上的分布：等离子体地面实验中，实验装置中的等离子体是实时变化的，等离子体的实时变化引起电子密度抖动频率的实时变化。采用时变等离子体电子密度抖动频率的测量方法，通过对等离子体同一位置不同时刻的测量，获得实验装置中等离子体电子密度抖动频率随时间的分布；2)用于计算等离子体电子密度抖动频率在空间上的分布：等离子体地面实验中，实验装置中的等离子体的分布是非均匀的，等离子体的非均匀分布引起电子密度抖动频率的非均匀分布。采用时变等离子体电子密度抖动频率的测量方法，通过对等离子体不同位置的测量，获得实验装置中等离子体电子密度抖动频率随空间的分布；3)用于再入航天器通信系统中的等离子体干扰通信补偿：等离子体地面实验中，模拟再入航天器的返回阶段，时变等离子体会引起地面与航天器之间通信信号的干扰。采用时变等离子体电子密度抖动频率的测量方法，快速计算出航天器外部等离子体电子密度的抖动频率，为通信系统采取通信干扰补偿提供重要的参数。本专利技术对时变等离子体电子密度抖动频率的测量方法进行了深入研究，提出了一种利用时变等离子体引起的线性调频脉冲信号回波一维距离像峰值扩展现象，通过向等离子体中发射一个线性调频脉冲信号并接收回波，计算得到含有峰值扩展现象的回波信号一维距离像，并确认峰值扩展距离，采用抖动频率计算公式获得时变等离子体电子密度抖动频率的方法。本专利技术研究了线性调频脉冲信号受到时变等离子体调制后回波信号一维距离像产生的峰值扩展现象，通过理论分析与公式推导，确认峰值扩展距离与电子密度抖动频率之间有线性关系，并反算出峰值扩展距离与电子密度抖动频率之间的关系式，即抖动频率计算公式。与现有技术相比，本专利技术的技术优势：通过单次测量即可完成时变等离子体电子密度抖动频率的测量：本专利技术利用时变等离子体电子密度抖动频率与线性调频信号回波一维距离像峰值扩展距离之间的关系，通过对单次线性调频回波信号进行脉冲压缩处理，计算得到包含扩展峰的一维距离像，测量主峰与扩展峰之间的距离，并采用电子密度抖动频率计算公式，实现了通过单次测量获取电子密度的抖动频率。提出了针对时变等离子体电子密度的抖动频率计算公式：本专利技术通过计算时变等离子体反射后的线性调频信号回波公式，在公式中引入等离子体反射系数的幅频关系式与相频关系式，并采用脉冲压缩方法推导出含有扩展峰的一维距离像公式，并确认扩展峰与主峰之间的距离与电子密度抖动频率有关，推导出关系式，即抖动频率计算公式。为等离子体地面实验提供了便捷可靠的电子密度动态参数测量方法：本专利技术提出的测量方法，可应用于等离子体地面实验中，通过对时变等离子体电子密度在时间上和空间上分布的测量，获得准确和详实的实测数据，实现了再入式航天器模拟通信实验中再入过程最佳通信时间和天线最佳安装位置的测量分析，为研究等离子体通信干扰补偿参数，提供了便捷可靠的测量。附图说明图1是本专利技术的流程示意图；图2是本专利技术中得到的等离子体反射系数幅频与相频关系图；图3是本专利技术得到的线性调频信号回波一维距离像图；图4是本专利技术计算出的等离子体中心位置不同时间的电子密度抖动频率值；图5是本专利技术计算出的等离子体不同本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.时变等离子体电子密度抖动频率的测量方法，其特征在于，时变等离子体电子密度抖动频率的测量方法包含有如下步骤：/nS1获得时变等离子体的线性调频信号回波：将发射天线对准等离子体上需要测量的部位，通过发射机产生一个线性调频脉冲信号，发射到时变等离子体中，并通过接收天线和接收机获取时变等离子体的反射信号，即时变等离子体的线性调频回波信号；/nS2计算回波信号一维距离像：对接收的时变等离子体线性调频回波信号进行脉冲压缩处理，计算得到时变等离子体反射信号的一维距离像，一维距离像中包含有回波反射点与发射天线之间的距离对应的主峰和等离子体电子密度抖动引起的两个扩展峰，两个扩展峰在主峰两边对称分布；/nS3计算电子密度抖动频率：测量一维距离像中主峰与其中一个扩展峰之间的距离，即峰值扩展距离，利用脉冲宽度、信号带宽参数，通过抖动频率计算公式得到时变等离子体反射信号处的电子密度抖动频率，抖动频率计算公式如下：/n

【技术特征摘要】
1.时变等离子体电子密度抖动频率的测量方法，其特征在于，时变等离子体电子密度抖动频率的测量方法包含有如下步骤：
S1获得时变等离子体的线性调频信号回波：将发射天线对准等离子体上需要测量的部位，通过发射机产生一个线性调频脉冲信号，发射到时变等离子体中，并通过接收天线和接收机获取时变等离子体的反射信号，即时变等离子体的线性调频回波信号；
S2计算回波信号一维距离像：对接收的时变等离子体线性调频回波信号进行脉冲压缩处理，计算得到时变等离子体反射信号的一维距离像，一维距离像中包含有回波反射点与发射天线之间的距离对应的主峰和等离子体电子密度抖动引起的两个扩展峰，两个扩展峰在主峰两边对称分布；
S3计算电子密度抖动频率：测量一维距离像中主峰与其中一个扩展峰之间的距离，即峰值扩展距离，利用脉冲宽度、信号带宽参数，通过抖动频率计算公式得到时变等离子体反射信号处的电子密度抖动频率，抖动频率计算公式如下：



式中fNe为电子密度抖动频率，Δd为峰值扩展距离，B为带宽，Tp为脉冲宽度，通过单次回波测量，获得等离子体测量部位的电子密度抖动频率；
S4更改发射天线指向等离子体上测量部位的位置，反复执行步骤S1-S3，对等离子体其他部位的电子密度抖动频率进行测量，完成对时变等离子体上不同位置电子密度抖动频率的整体测量。


2.根据权利要求1所述的时变等离子体电子密度抖动频率的测量方法，其特征在于，抖动频率计算公式的确定具体如下：
S3.1确定时变等离子体的反射信号，具体表示如下：
设定线性调频脉冲信号的载频f0，脉宽为Tp，信号带宽为B，调频率为μ，产生一个线性调频脉冲信号，表达式如下：



发射线性调频脉冲信号到时变等离子体中，等离子体电子密度的抖动方式为正弦变化，电子密度表达式如下：
Netv(z,t)＝Ne(z)(1+σsin(2πfNet))
Ne(z)为电子密度沿厚度的分布，σ为抖动系数，fNe为抖动频率，即待测项。
利用等效传输线法，求得电子密度分布Netv(z,t)所对应的反射系数幅频与相频关系，其中反射系数幅频曲线符合余弦变化规律，可表示为余弦函数，幅频关系表达式为：



A0为幅频关系曲线初始幅度，A1为余弦函数的抖动幅度，τ′为余弦函数抖动频率，为余弦函数初始相位。
反射系数相频曲线符合线性变化规律，可表示为线性函数，相频关系表达式为：
θp(f)＝(θ0+τ″f)
θ0为初始相位，τ″为相频特性曲线斜率。
反射系数r(t)表达式为：
r(t)＝IFFT(Ap(f)exp(jθp(f)))
由此得到线性调频信号受到时变等离子体反射后的回波信号的表达式为：



S3.2确定回波信号一维距离像峰值扩展现象，具体表示如下：
确定匹配滤波函数为发射信号的共轭反转，表达式为：
h(t)＝s*(-t)
采用脉冲压缩方法，计算出时变等离子体反射信号的一维距离像，脉冲压缩方法表达式为：


...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢曜聪，沈方芳，白博文，李小平，陈旭阳，刘彦明，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61