CN102724003A - 一种测试等离子体对空间通信信号特征影响的方法 - Google Patents

Abstract

一种测试等离子体对空间通信信号特征影响的方法，该方法设计了等离子体对空间传输通信信号特征影响的测试方案，给出了空间传输通信信号在等离子体区域(等离子体区域的电子密度、碰撞频率、空间尺寸分别为常量或变量等条件)传输与在无等离子体区域传输对比的已调制信号时域特征、频域(包括幅频和相频)特征、解调解码后眼图特征、星座图特征的对比结果以及误码统计结果，为开展真空状态下特征参数任意分布等离子体对空间传输通信信号特征影响地面验证试验提供测试平台，同时为不同特征参数状态下等离子体对地面模拟通信调制信号传输链路影响的分析与规律总结提供相对准确的测量和数据后处理结果。

Description

一种测试等离子体对空间通信信号特征影响的方法

技术领域

本发明涉及一种测试等离子体对空间通信信号特征影响的方法，尤其涉及一种测试确定特性参数任意分布等离子体区域对空间传输通信信号特征影响的方法，属于通信信号测试技术领域。

背景技术

等离子体对空间传输通信信号特征影响的机理研究结果表明，一定特性参数及其空间分布、一定空间尺度的等离子体区域能够对在其中传输的不同调制形式、不同载波频率的通信信号特征产生不同形式的改变，包括等离子体对空间传输信号的全屏蔽、对经等离子体区域透射信号频域和时域特征的改变，由于等离子体区域对空间传输通信信号特征的改变会导致通信系统工作的异常。为了能够通过地面原理验证试验进一步验证等离子体对空间传输通信信号特征影响原理可行性，必须开展等离子体对空间传输通信信号特征影响的地面试验研究。

西北工业大学航天学院朱冰等开展了“真空环境中等离子体喷流对反射电磁波衰减的实验研究工作”，发表于《物理学报》，主要研究了真空环境中微波源生成的等离子体喷流对反射电磁波衰减的实验研究。实验结果表明，采用传输线测量方法能够有效地获得等离子体对反射电磁波的衰减；在5GHz附近，以氩气为工质，流量为52.5mg/s时，52W微波功率在真空环境中产生的等离子体喷流能对反射电磁波产生最大的衰减；增加微波功率、降低真空环境压强可以提高等离子体对反射电磁波的衰减，要使等离子体能够对反射电磁波产生最大的衰减，必须选取合适的发生器参数。

西北工业大学航天学院杨涓等开展了“外加磁场微波等离子体喷流对平面电磁波衰减的实验研究”，发表于《物理学报》，主要采用了空间透射波测量方法研究透波密闭石英玻璃容器内等离子体喷流对垂直和水平极化电磁波的衰减，在有和无外加磁场条件下分析实验参数对等离子吸波效应的影响，分析等离子体的吸波机理。实验结果表明在非磁和本实验条件下，平面电磁波在等离子体中的衰减机理为碰撞吸收；在有磁和本实验条件下，平面电磁波在磁等离子体中的衰减机理同样为碰撞吸收，但是外加磁场的存在有限地改善了等离子体的吸波效应.为了使磁等离子体最有效地吸收电磁波，应该提高磁场感应强度，把高频混杂频率提高到测试微波频率范围内，或降低微波测试频率至本实验中的高混杂频率附近。

南京理工大学何湘等开展了“等离子体用于腔体的雷达散射截面减缩的实验研究”，发表于《强激光与粒子束》，利用荧光灯等离子体管覆盖金属腔体内壁，测量了筒状等离子体覆盖的金属腔体对电磁波的回波衰减。测试结果表明：金属圆筒内壁的等离子体能够有效吸收0.80～1.75GHz波段的入射波，入射电磁波的回波衰减值为5～25dB；当入射电磁波频率接近1.75GHz时，回波衰减最为强烈，在入射角度为10°时，吸收峰值可达26.71dB，因此选择合适的电磁波入射角度，能够使等离子体对微波的吸收达到峰值。理论分析了影响等离子体对电磁波衰减的主要因素。结果表明：等离子体可有效缩减腔体结构的雷达散射截面面积，因此在进气道等腔体结构的隐身方面具有一定的应用前景。

国防科技大学戴晴等开展了“低温等离子体激励宽带电磁波信号的实验研究”，发表于《电子信息对抗技术》，介绍了用不同于常规炸药的工质爆炸可以产生具有很宽频谱的电磁辐射。用四个宽带天线对球形工质产生电磁辐射从不同方向进行了接收测量，并对信号作了频谱分析。此外，对爆燃型工质产生电磁辐射的机理进行了理论探讨。

西北工业大学和中国空气动力研究与发展中心超高速所曾学军等开展了“大气环境中喷流等离子体隐身试验研究与分析”，发表于《实验流体力学》，介绍了喷流等离子体隐身技术的原理性试验及其数值计算。试验是在大气环境中利用微型固体火箭发动机作为等离子体发生器，选择不同的发动机参数和推进剂控制发动机产生不同的喷流等离子体。在小双站角方式下，使用X波段连续波雷达系统测量了不同的喷流等离子体覆盖金属目标表面时的微波散射功率。试验结果表明，等离子体层厚度为9cm、电子密度分布接近为高斯分布、电子与中性气体的碰撞频率为高斯分布、峰值电子密度为10¹²cm^-3量级、峰值碰撞频率为2.2×10¹¹Hz的喷流等离子体对X波段微波具有明显的吸收作用，平均吸收达到90％。

南京航空航天大学杨欢和中国西南电子技术研究所徐茂格等分别从理论上开展了“再入飞船通信环境建模研究”和“近空间高超音速飞行器射频通信“黑障”研究等工作，分别发表于航天器环境工程，和电讯技术，作者以再入飞行器在大气层内空间产生等离子体鞘套造成通信中断问题的解决为基本出发点，开展了等离子体鞘套对在其中传播通信信号能量衰减的仿真模型和仿真分析技术研究，提炼了关键技术并给出解决方案与初步分析结果，可为相关试验提供参考与建议。

上述文献表明，已有研究工作主要是集中在等离子体对电磁波的反射、透射和能量吸收等方面的理论和实验，以及再入飞行等离子体鞘套对通信信号能量吸收造成“黑障”方面。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种测试等离子体对空间通信信号特征影响的方法，该方法实现了多种工作模式生成、特征参数任意分布的等离子体区域对通信信号特征改变的测试，为开展不同环境压力状态下特征参数任意分布等离子体对空间传输通信信号特征影响地面验证试验提供了技术手段。

本发明的技术解决方案是：一种测试等离子体对空间通信信号特征影响的方法，步骤如下：

(1)建立等离子体区域生成环境，建立的方法为：在一个尺寸可调的密闭容器或设备内采用气体压缩和加热方式产生等离子体区域，或者利用固体或气体工质组元等离子体生成装置通过直流放电产生等离子体区域，或者在密闭腔体内对不同组元混合气体射频放电产生等离子体区域；

(2)利用基带信号源生成基带编码信号用来模拟空间通信信号的信源，基带编码信号一路传送给数据处理系统，另一路经过编码和调制后变成中频调制信号，中频调频信号一路传送给数据处理系统，另一路经过上变频至射频调制信号，射频调制信号通过发射天线引入等离子体区域生成环境；

(3)射频调制信号经等离子体区域生成环境透射后，通过接收天线将射频调制信号引出，透射后的射频调制信号经下变频形成透射后的中频调制信号，透射后的中频调制信号一路传送给数据处理系统，另一路经过解码解调形成透射后的基带编码信号，透射后的基带编码信号经过数据宿后传送给数据处理系统；

(4)数据处理系统对透射前的中频调制信号和透射后的中频调制信号进行数据处理，得到等离子体区域干扰前后模拟空间通信信号在时域特征、相频特征、幅频特征的对比结果，数据处理系统对透射后的中频信号进行解调解码，得到等离子体区域干扰前后模拟通信信号的星座图特征、眼图特征的对比结果，数据处理系统对透射前的基带编码信号和透射后的基带编码信号进行码元对比，得到等离子体区域干扰前后模拟空间通信信号码元传输的相对误码统计结果；

(5)根据步骤(4)得到的等离子体区域干扰前后模拟空间通信信号在时域特征、相频特征、幅频特征、星座图特征、眼图特征的对比结果和等离子体区域干扰前后模拟空间通信信号码元传输的相对误码统计结果得出等离子体对空间通信信号的特征影响。

2、根据权利要求1所述的一种测试与分析等离子体对空间通信信号特征影响的方法，其特征在于：所述步骤(1)建立的等离子体区域环境为一定空间尺寸条件下电子密度和碰撞频率为常量的均匀分布等离子体区域，或等离子体电子密度和碰撞频率随空间尺寸变化而变化的非均匀分布等离子体区域。

所述步骤(1)中等离子体生成装置采用的固体工质组元为碱金属或碱土金属族组元。

所述步骤(1)中等离子体生成装置采用的气体工质组元为惰性气体族组元。

所述步骤(1)中不同组元混合气体包括惰性气体族、空气和汞。

所述步骤(2)生成的基带编码信号为图像信号、音频信号或随机数字编码信号。

所述数据采集系统的采样速率最大为100MHz。

本发明与现有技术相比的有益效果是：该方法设计了等离子体对空间传输通信信号特征影响的测试方案，针对等离子体区域持续从几百微秒量级至上千秒级，信号载波频率范围从几十兆赫兹量级至几十吉赫兹量级，信号采样速率最大为100MHz，给出了空间传输通信信号在等离子体区域(等离子体区域的电子密度、碰撞频率、空间尺寸分别为常量或变量等条件)传输与在无等离子体区域传输对比的已调制信号时域特征、频域(包括幅频和相频)特征、解调解码后眼图特征、星座图特征的对比结果以及误码统计结果，该测试方法可对多种工作模式产生的特征参数任意分布形式的等离子体对不同调制形式的通信信号特征改变变化规律进行测试和效果分析，为开展不同试验环境压力状态下特征参数任意分布等离子体对空间传输通信信号特征影响地面验证试验提供测试平台，同时为不同特征参数状态下等离子体对地面模拟通信调制信号传输链路影响的分析与规律总结提供相对准确的测量和数据处理结果。

附图说明

图1为本发明的实现原理图；

图2为等离子体区域分布形式与通信信号传输方向关系图；

图3为有无等离子体区域时收发天线两端时域信号特征对比结果图；

图4为有无等离子体区域时收发天线两端相位差特征对比结果图；

图5为有无等离子体区域时接收端眼图特征改变结果图；

图6为有无等离子体区域时接收端星座图特征改变结果图；

图7为有无等离子体区域时图像传输特征改变结果图。

具体实施方式

本发明与国内外已有的相关研究工作相比明显的差别如下：

(1)本发明采用的等离子体是的均匀或非均匀分布、空间尺度可变、分布模式可变的等离子体区域；等离子体区域生成特征参数包括电子密度、碰撞频率、空间尺度，这些特征参数的状态为：等离子体区域可以是近似均匀等离子体，即一定空间尺寸条件下，电子密度和碰撞频率为常量；等离子体区域还可以是非均匀分布的等离子体，即等离子体电子密度和碰撞频率是随着空间尺寸的变化呈一定规律变化的。

(2)本发明采用的空间传输通信信号形式为数字调制信号，调制形式涵盖了二进制和多进制的FSK、PSK、DPSK以及ASK等，载波频率范围从几十兆赫兹到几十吉赫兹可调，基带编码信号涵盖了图像信息、音频信息和随机编码等；

(3)本发明研究特征参数任意分布的等离子体对在其中传输的通信信号的全屏蔽特性、等离子体对通信信号的时域特征、频域特征的影响特性，以及由此对通信系统星座图、眼图特征的影响特性、对通信系统误码率影响特性。

本发明的测试原理是：基于已设计的地面模拟通信系统(通信子系统、同步数据采集子系统、数据处理及显控子系统)，针对空间传输通信信号的特定编码形式、调制形式、载波频率、极化形式等特征，确定真空环境中等离子体参数状态，给出试验测量和数据处理方案，通过对测量数据的处理与分析获取有无等离子体区域时空间传输通信信号时域和频域特征对比结果、解调解码后眼图和星座图对比结果以及地面模拟通信系统相对误码率统计结果。

具体的测量技术实现原理是：基带信号数据源通过基带信号生成与调制系统先生成中频调制信号，在此设置测量端口，提取信号发射端的中频信号数据，同时将中频信号再次上变频至射频已调制信号，将此信号经发射天线引入产生等离子体区域的试验容器，已调制信号经试验容器透射后，通过接收天线将信号引出，经下变频至中频信号，同样在此设置测量端口，提取信号接收端的中频信号数据，采集获取的原始数据是二进制的数据流。

如图1所示，该技术方案具体实现如下：测试环境主要包括等离子体区域生成环境、等离子体区域生成装置、通信信号生成系统、通信信号采集系统、数据处理系统等组成。

等离子体区域生成环境为等离子体区域的持续存在提供一定真空度的真空环境；

等离子体区域生成装置形成特定区域及其空间分布的等离子体区域；地面试验环境下不同空间尺度、不同电子密度和碰撞频率及其空间分布的均匀或非均匀等离子体区域生成技术的实现原理包括多种：其一是在一个尺寸可调的密闭容器或设备内，采用气体压缩和加热方式产生等离子体区域；其二是真空试验环境中利用气体或固体工质的等离子体生成装置直流放电产生等离子体区域；其三是在有形密闭腔体内对不同组元混合气体的射频放电产生等离子体区域。

通信信号生成系统能够生成不同调制形式、不同载波频率的空间传输通信信号；适用于测试的基带编码信号可以是图像信号、音频信号或随机数字编码信号。信号发生系统形成的空间传输通信信号经发射天线引入等离子体区域，等离子体区域可为均匀或非均均匀，等离子体区域参数的大小可在6个量级范围内变化，等离子体区域非均匀分布形式也可改变，经等离子体区域透射的通信信号由接收天线引出，由数据采集和测量系统获取相应数据信息。

通信信号采集系统完成数据的采集；等离子体对空间传输通信信号特征影响的数据测量点设置在收/发天线两端，测量信号的通道数可根据实际需要灵活设置，数据采样率、信息传输速率也可根据等离子体区域存在时间的长短调整。基带信号数据源通过基带信号生成与调制系统先生成中频调制信号，在此设置测量端口，提取信号发射端的中频信号数据，同时将中频信号再次上变频至射频已调制信号，将此信号经发射天线引入等离子体区域环境，已调制信号经透射后，通过接收天线将信号引出，经下变频至中频信号，同样在此设置测量端口，提取信号发射端的中频信号数据，通过对收发天线两端的中频信号采样数据进行数据处理，分别获得收发天线两端、有无等离子体时中频时域和频域特性数据、接收端系统相对误码结果。

数据处理系统给出有无等离子体干扰时信号特征的结果。根据收发天线两端获取的原始数据，利用有无等离子体区域时收发天线两端时域特征曲线的改变，通过快速傅立叶变换、信号解调和解码等方法，最终获取等离子体区域干扰前后时域特征曲线、相频特征、幅频特征、星座图特征、眼图特征等的对比结果，并统计出有无等离子体区域时地面模拟通信系统码元传输的相对误码统计结果。根据已处理的试验结果，给出等离子体对空间传输通信信号影响效果的分析方法和判断依据：采用理论仿真模型和地面原理验证试验相结合的方法，给出因不同特征参数和不同分布形式的等离子体区域对空间传输通信信号的幅度、相位以及频率特征的改变大小，导致通信系统的星座图、眼图以及地面模拟通信系统信息传输误码率改变程度的结果及变化规律，形成较为完备的分析模型。数据采集系统采样速率最大为100MHz，可以完成等离子体区域持续时间从几百微秒至几百秒范围的数据采集任务。数据处理系统，将试验数据采集的原始数据转换为系统可处理和分析的数据文件，单次试验数据文件大小最大可达0.5G量级，后处理形成的信号特征结果的曲线共计可达近200万幅。

等离子体对空间传输通信信号特征影响分析技术的实现原理是：将试验采集到的有无等离子体区域两种情况下收发天线两端通信信号的二进制数据流转换成可进行数据处理和分析的*.dat或*.txt文件；利用数据处理软件，通过直接读取转换后文件的形式，给出发射端和接收端时域特征结果和频域特征结果曲线，根据处理结果曲线对比出有无等离子体区域时时域信号波形的畸变、幅频特性中能量的衰减域波形的畸变以及相频特性中相位的改变等对比结果；以天线接收端转换后的数据为输入参数，利用解调解码硬件和数据处理软件，给出在有无等离子体区域时接收端解调解码后眼图和星座图特征的对比结果；以基带图像、音频或随机码为信源，利用测试软硬件系统和数据处理软硬件系统，给出地面模拟通信系统在有无等离子体区域时误码率改变的统计结果。

图2确定了等离子体对空间传输通信信号特征改变地面测试中等离子体区域与通信信号传输方向，等离子体区域可为电子密度和碰撞频率为常数的均匀分布，均匀等离子体的空间尺度可调；等离子体区域也可为非均匀等离子体，电子密度和碰撞频率值随通信信号的传播方向而改变，空间尺度可调，非均匀分布形式可为线性、指数形式等。

在等离子体对空间传输通信信号特征改变测试中，通过数据采集和数据处理，可以获取有无等离子体区域影响时信号的时域特征，如图3所示，图中上面的曲线为发射天线端信号时域特征曲线，下面的曲线为天线接收端信号时域特征曲线，左图为无等离子体区域时收发端信号时域特征曲线，右图为有等离子体区域时收发端信号时域特征曲线，由图3可以看出，与无等离子体干扰时相比，有等离子体区域干扰时时域信号特征可产生严重畸变。

在等离子体对空间传输通信信号特征改变测试中，通过数据采集和数据处理，可以获取有无等离子体区域影响时信号的相频特征，如图4所示，左图为无等离子体区域时收发端信号相位差值曲线，右图为有等离子体区域时收发端信号相位差值曲线，由图4可以看出，与无等离子体干扰时收发端相位差呈线性变化相比，有等离子体区域干扰时，收发端相位改变特征无规律。

在等离子体对空间传输通信信号特征改变测试中，通过数据采集和数据处理，可以获取有无等离子体区域干扰时接收端通信信号的眼图结果，如图5所示，图中，上面的曲线为I路眼图，下面的曲线为Q路眼图，左图为无等离子体区域干扰时通信信号眼图特征，右图为有等离子体区域干扰时通信信号眼图特征，由图5可以看出，与无等离子体干扰时相比，当等离子体区域干扰时，眼图特征产生严重畸变。

在等离子体对空间传输通信信号特征改变测试中，通过数据采集和数据处理，可以获取有无等离子体区域干扰时接收端通信信号的星座图结果，如图6所示，左图为无等离子体区域干扰时的星座图结果，右图为有等离子体区域干扰时的星座图结果，由图6可以看出，对于某种典型的调制形式信号，与无等离子体区域干扰相比，在有等离子体区域干扰时，信号的星座图产生很明显的改变。

如图7所示，在信号发送端以一定调制形式形成的通信信号将图像信息发出，经等离子体区域传输后，在接收端解调解码后，由于等离子体区域对在其中传输通信信号时域和频域特征产生的严重畸变，导致信号的眼图和星座图严重失真，从而导致图像信息无法在接收端恢复原样，最终体现在通信系统的误码率大大提升。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (7)

1.一种测试等离子体对空间通信信号特征影响的方法，其特征在于步骤如下：

(1)建立等离子体区域生成环境，建立的方法为：在一个尺寸可调的密闭容器或设备内采用气体压缩和加热方式产生等离子体区域，或者利用固体或气体工质组元等离子体生成装置通过直流放电产生等离子体区域，或者在密闭腔体内对不同组元混合气体射频放电产生等离子体区域；

(2)利用基带信号源生成基带编码信号用来模拟空间通信信号的信源，基带编码信号一路传送给数据处理系统，另一路经过编码和调制后变成中频调制信号，中频调频信号一路传送给数据处理系统，另一路经过上变频至射频调制信号，射频调制信号通过发射天线引入等离子体区域生成环境；

(3)射频调制信号经等离子体区域生成环境透射后，通过接收天线将射频调制信号引出，透射后的射频调制信号经下变频形成透射后的中频调制信号，透射后的中频调制信号一路传送给数据处理系统，另一路经过解码解调形成透射后的基带编码信号，透射后的基带编码信号经过数据宿后传送给数据处理系统；

(4)数据处理系统对透射前的中频调制信号和透射后的中频调制信号进行数据处理，得到等离子体区域干扰前后模拟空间通信信号在时域特征、相频特征、幅频特征的对比结果，数据处理系统对透射后的中频信号进行解调解码，得到等离子体区域干扰前后模拟通信信号的星座图特征、眼图特征的对比结果，数据处理系统对透射前的基带编码信号和透射后的基带编码信号进行码元对比，得到等离子体区域干扰前后模拟空间通信信号码元传输的相对误码统计结果；

(5)根据步骤(4)得到的等离子体区域干扰前后模拟空间通信信号在时域特征、相频特征、幅频特征、星座图特征、眼图特征的对比结果和等离子体区域干扰前后模拟空间通信信号码元传输的相对误码统计结果得出等离子体对空间通信信号的特征影响。

2.根据权利要求1所述的一种测试与分析等离子体对空间通信信号特征影响的方法，其特征在于：所述步骤(1)建立的等离子体区域环境为一定空间尺寸条件下电子密度和碰撞频率为常量的均匀分布等离子体区域，或等离子体电子密度和碰撞频率随空间尺寸变化而变化的非均匀分布等离子体区域。

3.根据权利要求1所述的一种测试与分析等离子体对空间通信信号特征影响的方法，其特征在于：所述步骤(1)中等离子体生成装置采用的固体工质组元为碱金属或碱土金属族组元。

4.根据权利要求1所述的一种测试与分析等离子体对空间通信信号特征影响的方法，其特征在于：所述步骤(1)中等离子体生成装置采用的气体工质组元为惰性气体族组元。

5.根据权利要求1所述的一种测试与分析等离子体对空间通信信号特征影响的方法，其特征在于：所述步骤(1)中不同组元混合气体包括惰性气体族、空气和汞。

6.根据权利要求1所述的一种测试与分析等离子体对空间通信信号特征影响的方法，其特征在于：所述步骤(2)生成的基带编码信号为图像信号、音频信号或随机数字编码信号。

7.根据权利要求1所述的一种测试与分析等离子体对空间通信信号特征影响的方法，其特征在于：所述数据采集系统的采样速率最大为100MHz。

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