等离子体电子密度分布的七通道微波干涉仪数据处理方法技术

本发明专利技术属于高超声速风洞试验技术领域，公开了一种等离子体电子密度分布的七通道微波干涉仪数据处理方法。本发明专利技术的等离子体电子密度分布的七通道微波干涉仪数据处理方法包括以下步骤：建立等离子体计算模型；进行射线追踪；建立目标函数；利用遗传算法进行反演优化；绘制电子密度分布图。本发明专利技术的等离子体电子密度分布的七通道微波干涉仪数据处理方法从电磁波传播机理出发，考虑射线在分层界面上的折射效应，相比于Abel逆变换无需采用远大于等离子体频率的入射波，一定条件下计算精度优于Abel逆变换；并且适应等离子体尺度逐渐变化的过程，具有更高的空间分辨率且适用于不同形状的等离子体。的等离子体。的等离子体。

【技术实现步骤摘要】
等离子体电子密度分布的七通道微波干涉仪数据处理方法


[0001]本专利技术属于高超声速风洞试验
，具体涉及一种等离子体电子密度分布的七通道微波干涉仪数据处理方法。

技术介绍

[0002]高超声速飞行器在大气层中飞行时，由于飞行器与空气剧烈的相互作用，飞行器表面空气被部分电离，形成等离子体鞘套和等离子体尾迹。等离子体鞘套会影响飞行器与地面基站的通信，情况严重时出现通信中断现象。等离子体鞘套还影响高速飞行器的电磁散射特性，等离子体尾迹的雷达散射截面积有时可比飞行器本体大1～3个数量级。为了解决高速飞行器的通信中断问题、目标探测与识别问题，需要开展电磁波与等离子体鞘套的相互作用研究。通常，在地面通过弹道靶、激波管等地面风洞设备提供模拟高超声速飞行器的等离子体环境，开展电磁波在等离子体中传播特性实验以及高速飞行器电磁散射特性实验，同时对等离子体特性参数进行测量。
[0003]目前，等离子体电子密度测量方法主要有两类：接触测量和非接触测量。接触测量有静电探针、微波探针等，非接触测量有微波干涉法、微波反射法等。微波干涉仪是一种常用的等离子体电子密度装置。单通道的微波干涉仪只能用于积分电子密度的测量，无法获得积分路径上的电子密度分布。为了得到等离子体的径向分布，需要多个通道同时进行测量。弹道靶、激波管等模拟设备产生的等离子体存在时间短（几十μs~1ms量级），属于瞬态等离子体，要求测量系统响应时间达到μs量级。常用的多通道微波干涉仪测量系统一般用于稳态等离子体的测量，采用单发单收的方式，空间分辨率较低。而且，弹道靶模型产生的等离子体流场区域较小，还需要解决接收天线小型化问题以提高空间分辨率。
[0004]目前，常用于稳态等离子体电子密度径向分布的数据处理方法主要为Abel逆变换，该方法假设电磁波在等离子体中直线传播，运用于弹道靶模型产生的小尺度瞬态等离子体数据处理时存在一定局限性。此外，由于弹道靶模型尾迹等离子体尺度持续变化，如何缓减尺度变化引起空间分辨率变化也是数据处理过程中亟需考虑的一大难题。
[0005]当前，亟需发展一种等离子体电子密度分布的七通道微波干涉仪数据处理方法。

技术实现思路

[0006]为了解决弹道靶、激波管等设备产生的瞬态流场等离子体径向分布测量问题，本专利技术提出了一种等离子体电子密度分布的七通道微波干涉仪数据处理方法。
[0007]本专利技术的等离子体电子密度分布的七通道微波干涉仪数据处理方法，其特点是，所述的数据处理方法的数据处理对象是七通道微波干涉测量装置测量得到的七通道微波干涉数据；所述的七通道微波干涉测量装置包括发射分机、本振分机、接收分机和工控机；发射分机的发射天线和接收分机的接收天线均安装在高超声速风洞试验段内，发射天线位于风洞试验段内待测的等离子体区域的一侧，接收天线位于待测的等离子体区域
的另一侧，发射天线与接收天线均与等离子体的流动方向垂直；发射分机包括通过射频电缆或波导顺序连接的RF信号源、功放和发射天线，发射天线由波导开口天线和单曲面透镜组成；单曲面透镜面向待测等离子体区域的镜面为平面；本振分机包括LO信号源和1分8功分器，1分8功分器将LO信号源分成8路信号，第1路~第7路信号用于进行下变频，第8路信号作为参考信号，用于监测本振信号的大小；接收分机包括通过射频电缆或波导顺序连接的接收天线、射频接收前端、中频数字接收机和模数转换器ADC；接收天线包括7个平行且非对称排列的开口波导，以及与7个开口波导一一对应的7个接收通道；射频接收前端包括低噪声放大器和可变衰减器；中频数字接收机包括混频器、中频放大器、低通滤波器；工控机中设置有数据采集与记录系统和软件系统；数据采集与记录系统由数据采集卡和数据采集软件模块组成；软件系统由自检模块、控制模块、数据采集模块、数据处理模块和数据管理模块组成；RF信号源的RF信号经功放进入发射天线，发射天线通过波导开口天线和单曲面透镜，将RF信号折射形成用于探测等离子体的平面波，平面波穿过待测的等离子体后被接收天线接收；接收天线通过7个平行且非对称排列的开口波导，将接收到的信号分成7路，每路信号进入对应的接收通道，即开口波导1接收到的第1路信号进入接收通道1，开口波导2接收到的第2路信号进入接收通道2，直至开口波导7接收到的第7路信号进入接收通道7；每个接收通道进入各自的低噪声放大器、可变衰减器和混频器的射频端，混频器的本振端对应的LO信号源即本振信号源的分路信号，即接收通道1的混频器本振端输入LO信号源的第1路信号，接收通道2的混频器本振端输入LO信号源的第2路信号，直至接收通道7的混频器本振端输入LO信号源的第7路信号；随后，混频后的信号依次经中频放大器放大、低通滤波器滤波、模数转换器ADC转成数字信号，进入工控机的数据采集与记录系统，最后由软件系统进行信号解调和数据处理，提取出试验测量结果；同时，LO信号源的第8路信号进入工控机的数据采集与记录系统，作为参考信号，用于检测本振信号的输出大小；所述的数据处理方法，包括以下步骤：S10.建立等离子体计算模型；将待测的等离子体简化为圆柱，建立等离子体计算模型为同心圆柱分层模型，以待测的等离子体的尺度作为最外层圆柱的直径，将圆柱从外到内分为同心的7层同心圆柱；各同心圆柱的直径根据开口波导之间的距离确定，开口波导间隔相同时，7层同心圆柱的直径依次递减相同的长度；开口波导间隔不同时，7层同心圆柱的直径依次递减不同的长度；7层同心圆柱从外到内分别对应介质1、介质2、介质3、介质4、介质5、介质6和介质7，每一层同心圆柱内部的介电常数相同，从外至内7层同心圆柱的介电常数呈高斯分布、抛物线分布或者线性分布。
[0008]S20.进行射线追踪；S201.电磁波在等离子体中传播的相位计算公式为：式中，k为电磁波在介质中传播常数，k0为电磁波在空气中传播常数，为介电常
数，d为传播光程；从公式（1）可知，求出传播光程d，得出相位与介电常数的关系；S202.在相邻的同心圆柱的分界面上，根据施奈尔定律有：其中，为相邻两层同心圆柱中外层同心圆柱的传播常数，此处定义为第1层（最外层）同心圆柱，对应的介电常数为；为相邻两层同心圆柱中内层同心圆柱的传播常数，此处定义为第2层同心圆柱，对应的介电常数为；为射线的入射角，此处定义为第1层同心圆柱射线的入射角，即；为射线的折射角，此处定义为第1层同心圆柱射线的折射角，即；S203.根据第1层同心圆柱射线的入射高度，求出第1层同心圆柱射线的入射角；设入射等离子体的平面波由条射线组成，由于高出等离子体尺度的射线并不穿过等离子体，因此，定义最大入射高度为第1层同心圆柱的半径，则第条射线的入射高度；S204.利用式（2），求出第1层同心圆柱射线的折射角；S205.第1层同心圆柱射线与第1层同心圆柱半径、第2层同心圆柱半径组成三角形，利用余弦定理求出第1段光程d1：其中，为第1层同心圆柱半径，为第2层同心圆柱半径；当方程（3）存在两个不同的实数解时，取较小的实数解；S206.利用圆柱的对称性，根据余弦定理求出第2层同心圆柱射线的入射角；由于圆柱具有对称性，射线从第1层同心圆本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.等离子体电子密度分布的七通道微波干涉仪数据处理方法，其特征在于，所述的数据处理方法的数据处理对象是七通道微波干涉测量装置测量得到的七通道微波干涉数据；所述的七通道微波干涉测量装置包括发射分机、本振分机、接收分机和工控机；发射分机的发射天线和接收分机的接收天线均安装在高超声速风洞试验段内，发射天线位于风洞试验段内待测的等离子体区域的一侧，接收天线位于待测的等离子体区域的另一侧，发射天线与接收天线均与等离子体的流动方向垂直；发射分机包括通过射频电缆或波导顺序连接的RF信号源、功放和发射天线，发射天线由波导开口天线和单曲面透镜组成；单曲面透镜面向待测等离子体区域的镜面为平面；本振分机包括LO信号源和1分8功分器，1分8功分器将LO信号源分成8路信号，第1路~第7路信号用于进行下变频，第8路信号作为参考信号，用于监测本振信号的大小；接收分机包括通过射频电缆或波导顺序连接的接收天线、射频接收前端、中频数字接收机和模数转换器ADC；接收天线包括7个平行且非对称排列的开口波导，以及与7个开口波导一一对应的7个接收通道；射频接收前端包括低噪声放大器和可变衰减器；中频数字接收机包括混频器、中频放大器、低通滤波器；工控机中设置有数据采集与记录系统和软件系统；数据采集与记录系统由数据采集卡和数据采集软件模块组成；软件系统由自检模块、控制模块、数据采集模块、数据处理模块和数据管理模块组成；RF信号源的RF信号经功放进入发射天线，发射天线通过波导开口天线和单曲面透镜，将RF信号折射形成用于探测等离子体的平面波，平面波穿过待测的等离子体后被接收天线接收；接收天线通过7个平行且非对称排列的开口波导，将接收到的信号分成7路，每路信号进入对应的接收通道，即开口波导1接收到的第1路信号进入接收通道1，开口波导2接收到的第2路信号进入接收通道2，直至开口波导7接收到的第7路信号进入接收通道7；每个接收通道进入各自的低噪声放大器、可变衰减器和混频器的射频端，混频器的本振端对应的LO信号源即本振信号源的分路信号，即接收通道1的混频器本振端输入LO信号源的第1路信号，接收通道2的混频器本振端输入LO信号源的第2路信号，直至接收通道7的混频器本振端输入LO信号源的第7路信号；随后，混频后的信号依次经中频放大器放大、低通滤波器滤波、模数转换器ADC转成数字信号，进入工控机的数据采集与记录系统，最后由软件系统进行信号解调和数据处理，提取出试验测量结果；同时，LO信号源的第8路信号进入工控机的数据采集与记录系统，作为参考信号，用于检测本振信号的输出大小；所述的数据处理方法，包括以下步骤：S10.建立等离子体计算模型；S20.进行射线追踪；S30.建立目标函数；S40.利用遗传算法进行反演优化；S50.绘制电子密度分布图。2.根据权利要求1所述的等离子体电子密度分布的七通道微波干涉仪数据处理方法，其特征在于，所述的步骤S10的具体步骤如下：将待测的等离子体简化为圆柱，建立等离子体计算模型为同心圆柱分层模型，以待测的等离子体的尺度作为最外层圆柱的直径，将圆柱从外到内分为同心的7层同心圆柱；各同
心圆柱的直径根据开口波导之间的距离确定，开口波导间隔相同时，7层同心圆柱的直径依次递减相同的长度；开口波导间隔不同时，7层同心圆柱的直径依次递减不同的长度；7层同心圆柱从外到内分别对应介质1、介质2、介质3、介质4、介质5、介质6和介质7，每一层同心圆柱内部的介电常数相同，从外至内7层同心圆柱的介电常数呈高斯分布、抛物线分布或者线性分布。3.根据权利要求2所述的等离子体电子密度分布的七通道微波干涉仪数据处理方法，其特征在于，所述的步骤S20的具体步骤如下：S201.电磁波在等离子体中传播的相位计算公式为：式中，k为电磁波在介质中传播常数，k0为电磁波在空气中传播常数，为介电常数，d为传播光程；从公式（1）可知，求出传播光程d，得出相位与...

【专利技术属性】
技术研发人员：马平，吴明兴，唐璞，田径，张宁，石安华，于哲峰，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：