临近空间高速目标等离子体电磁测量系统技术方案

本发明专利技术公开了一种临近空间高速目标等离子体电磁测量系统，包括圆柱卧式的真空腔体，等离子体进入真空腔体的喷口平面不能和真空腔体端面共面；透射测量系统的收发天线分别架设于两侧边的下导轨上，透射测量系统的收发天线对称架设且能够沿等离子体轴线方向和径向二维移动，散射测量系统的待测目标架设于中间的下导轨上，散射测量系统的收发天线均架设于上导轨上；内部电磁场测量系统的发射天线架设于两侧边的任意一组下导轨上，接收电磁场的电场/磁场探针架设于中间的下导轨上。本发明专利技术同时兼顾等离子体电磁测量中的透射测量、散射测量和内部电磁场测量三种测量系统，使得电磁散射实验和透射实验能够进行同时配置，并且互不影响。影响。影响。

【技术实现步骤摘要】
临近空间高速目标等离子体电磁测量系统


[0001]本专利技术属于电磁测量
，涉及一种临近空间高速目标等离子体电磁测量系统。

技术介绍

[0002]临近空间是距地面20~100 km的空间区域，介于卫星和航空飞行区域之间，不仅是航天器往返外太空的必经之地，还是高超声速飞行器的飞行走廊。临近空间高速飞行器作为开发利用临近空间的重要载体，将开拓人类新的活动疆域。历史经验表明：哪个国家首先掌握进入和开拓新活动疆域的能力，就会在国际竞争中占据巨大的战略优势甚至绝对主导权。临近空间高速飞行器所具有的高速度、低高度、长航时、可重复使用等特点，使其成为灵活进出临近空间、全球快速到达、往返太空的重要运输载体，已经成为各科技大国研究的焦点。
[0003]飞行器高超声速飞行时，由于气动加热，温度可达到数千甚至上万摄氏度，空气分子被高温激发电离形成一层包覆在飞行器表面的“等离子鞘套”。等离子鞘套包含大量中性粒子、正离子和自由电子，其中带电粒子(主要为自由电子)会吸收、反射和散射电磁波，引发一系列电磁效应，使通信和探测信号产生畸变，导致信息系统特性发生改变，甚至产生通信“黑障”、目标探测异常等系列问题，已成为制约临近空间高速飞行器发展的瓶颈和亟待解决的世界难题。
[0004]等离子体具有很强的非均匀性，非均匀等离子体变化的特征长度与电磁波波长接近甚至更短，传统求解波动方程的理论描述将不完全适用；基于均匀等离子体的线性理论和模型在临近空间高速飞行器中的应用误差很大；截止效应的“黑障”物理现象认识、简单色散关系的等离子体介质模型等都可能在强非均匀条件下不完全适用，给揭示高速目标等离子体与电磁波相互作用新机理带来了极大挑战。
[0005]高速目标等离子体的动态特性对电磁波传播与散射特性有明显的影响，主要表现为等离子体的随机动态性影响电磁波传播的幅/相特性，体现出一种具有乘性干扰的信道特性。扰动周期与信号码元时间尺度相当，在信息传输过程中信号出现了异常的附加调制现象。即使电磁波能够穿透等离子体，但动态随机介质还会引发信号的附加调制、星座图相位旋转等信号畸变，严重时也会导致信号捕获、解调失败等。目前等离子体参数动态性导致信号层面问题的影响规律和机制认识尚不明确，给高速目标等离子体环境下的可靠信息传输带来了极大的挑战。
[0006]与此同时，雷达探测出现假目标、雷达回波异常、目标异常展宽、ISAR像散焦等现象与等离子鞘套的出现几乎同步，表明高速目标等离子体与雷达信号的相互作用存在未被认知和未被发现的新机理，且目前对等离子体高动态引起的雷达回波幅度、相位起伏、多普勒展宽等现象缺乏认识和描述，给现有雷达可靠探测临近空间高速飞行器提出了挑战。
[0007]为了发展适用于高速目标等离子体与电磁波作用的自洽理论体系、揭示高速目标等离子体与电磁波/信号之间作用机理、探索缓解和突破“黑障”的通信途径，都迫切需要深
入开展理论和地面实验研究。
[0008]对于高速目标等离子体电磁科学问题的研究，主要采用理论研究、地面实验、飞行试验三种基本研究手段。飞行试验可用于理论与技术验证，但是其成本高、变量解耦难、可重复性差，因此结合理论研究，开展模拟逼真度高，可重复性好的地面实验是揭示高速目标等离子特性、研究电磁波传播和通信探测问题的重要手段。
[0009]在以往的研究中，研究者们针对不同的等离子体研究对象，研制了各种类型的实验装置。高速目标等离子体电磁科学实验主要是借助气动力、热研究装置进行，采用大型激波管、高温电弧风洞等手段来模拟高速目标等离子体。这些实验装置有效地模拟了高速高温流场，极大地推动了气动、力学、热学和材料学等方面的研究，在高速目标等离子体电磁波传播特性方面的研究中也起到重要作用，取得了一批关键的数据。但是，随着对高速目标等离子体电磁科学问题研究的深入，现有装置表现出了局限性，主要表现为：激波管依靠气体爆炸破膜的方式产生高速激波等离子体，其持续时间极短，限制了信号级时间尺度的研究，无法观测信号级时间尺度下的各种物理现象；等离子体风洞等用于气动力学和材料学研究的实验环境大多伴随冲击、烧蚀材料等不适应电子设备工作的条件，将可能在短时间内毁坏测试对象，还给电磁屏蔽和防绕射等措施带来极大困难；另外激波管和电弧风洞等实验环境中，等离子体的状态大多由诸多初始条件开环决定，不仅难以精确预测，更无法实时调整和调控，导致电磁观测实验状态重复性、可控性差，限制了实验观测的有效性。
[0010]随着从稳态等离子体电波传播研究到动态等离子体信号特性和目标特性研究的深化，迫切需要建立相关理论，模拟复现相应的电磁现象，获得大量实验数据。现有实验手段的不足极大地限制了等离子环境下电磁科学问题的深入研究，特别是面对上述无法解释的一系列电磁现象，迫切需要自行研制一套地面高速目标等离子体模拟实验装置，揭示新机理、发现新现象，为理论研究提供必要的研究平台和验证手段。

技术实现思路

[0011]为了解决上述问题，本专利技术提供一种临近空间高速目标等离子体电磁测量系统，平衡了真空应力、腔体尺寸和内部空间之间的矛盾，同时兼顾了等离子体电磁测量中的透射测量、散射测量和内部电磁场测量三种测量系统，使得电磁散射实验和透射实验能够同时配置，并且互不影响，解决了现有技术中存在的问题。
[0012]本专利技术所采用的技术方案是，一种临近空间高速目标等离子体电磁测量系统，包括圆柱卧式的真空腔体，等离子体进入真空腔体的喷口平面不能和真空腔体端面共面；真空腔体内底部安装有平行于真空腔体轴线的三组下导轨，真空腔体顶部安装有平行于真空腔体轴线的上导轨；透射测量系统的收发天线分别架设于两侧边的下导轨上，透射测量系统的收发天线对称架设且能够沿等离子体轴线方向和径向二维移动，透射测量系统的收发天线高度和等离子体轴线平齐；散射测量系统的待测目标架设于中间的下导轨上，散射测量系统的收发天线均架设于上导轨上；内部电磁场测量系统的发射天线架设于两侧边的任意一组下导轨上，接收电磁场的电场/磁场探针架设于中间的下导轨上。
[0013]本专利技术的有益效果是：1.本专利技术真空腔体使用卧式圆形的结构，平衡了腔体的真空应力、腔体尺寸和内部空间之间的矛盾；通过电磁散射测量所需要的远场条件，精确计算腔体半径，再通过高速
等离子体流场特点，确定真空腔体的长度。
[0014]2.本专利技术在真空腔体内部合理配置电磁测量系统的测量设备，兼顾等离子体电磁测量中的透射测量、散射测量和内部电磁场测量三种测量系统，使得电磁散射实验和透射实验可以进行同时配置，并且互不影响。
[0015]3.根据真空腔体内金属壁在电磁散射实验时的电流分布，合理铺设吸波材料，满足电磁散射实验环境。
附图说明
[0016]为了更清楚地说明本专利技术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专利技术的一些实施例，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。
[0017]图1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种临近空间高速目标等离子体电磁测量系统，其特征在于，包括圆柱卧式的真空腔体（6），等离子体进入真空腔体（6）的喷口平面不能和真空腔体（6）端面共面；真空腔体（6）内底部安装有平行于真空腔体（6）轴线的三组下导轨（6.2），真空腔体（6）顶部安装有平行于真空腔体（6）轴线的上导轨（6.1）；透射测量系统的收发天线分别架设于两侧边的下导轨（6.2）上，透射测量系统的收发天线对称架设且能够沿等离子体轴线方向和径向二维移动，透射测量系统的收发天线高度和等离子体轴线平齐；散射测量系统的待测目标架设于中间的下导轨（6.2）上，散射测量系统的收发天线均架设于上导轨（6.1）上；内部电磁场测量系统的发射天线架设于两侧边的任意一组下导轨（6.2）上，接收电磁场的电场/磁场探针（25）架设于中间的下导轨（6.2）上。2.根据权利要求1所述的一种临近空间高速目标等离子体电磁测量系统，其特征在于，所述透射测量系统包括：多功能数字信号发生器（411），用于产生相应体制的1.5G中频信号；宽带上变频器（412），用于将1.5G中频信号变频为1.5G~40G的信号；宽带功率放大器（413），用于将1.5G~40G的信号放大后输送至透射测量系统的发射天线（414）；透射测量发射天线（414），用于发射射频信号；透射测量接收天线（415），用于接收穿过等离子体的射频信号；宽带低噪声放大器（416），用于将接收的射频信号进行放大，并输送至宽带下变频器（417）；宽带下变频器（417），用于将信号变频为中频信号；宽带高速记录器（418），用于将大动态范围中频信号高速采集、存储记录；时码器（422），用于为系统提供统一的时间基准；高稳频率基准源（423），用于为系统提供频率基准信号；直流稳压电源（424），用于为宽带功率放大器（413）、宽带低噪声放大器（416）提供电源。3.根据权利要求1所述的一种临近空间高速目标等离子体电磁测量系统，其特征在于，所述散射测量系统包括：矢量网络分析仪（32），用于发射覆盖多个频段的宽带扫频信号，同时接收单路/多路扫频回波信号，采用同一本振实现回波信号的混频；低噪声放大器，用于将接收的射频信号进行放大，并输送至散射测量系统的发射天线；散射测量发射天线（34），用于发射雷达信号；散射测量接收天线，用于接收经等离子体散射的信号，并输送...

【专利技术属性】
技术研发人员：包为民，孙超，刘彦明，李小平，刘东林，张佳，贾静，王斌，张珈珲，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：