CN103913985B - 一种利用光-电时差测量等离子体天线开启时间的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用光-电时差测量等离子体天线开启时间的方法，属于气体放电与无线通讯应用技术领域，该方法将等离子体天线发射光谱信号引入到放电等离子体天线开启时间测量中，利用原位光谱探测技术将等离子体发射的光信号转换为具有相同时间特征的电信号，并将该电信号建立的初始时刻与等离子体天线激励电源电压信号施加时刻比较，进而利用等离子体光电信号与激励电压信号的时间差获得等离子体天线的开启时间，避免了探针测量等离子体天线开启时间方法对放电等离子体和通讯信号的交互干扰，实现了准确、实时、无扰动测量，提高了等离子体天线开启时间的测量精度，为等离子体天线的研究和发展提供了一种新的测量方法和评价参量。

Description

一种利用光-电时差测量等离子体天线开启时间的方法

技术领域

本发明属于气体放电与无线通讯应用技术领域，涉及一种测量放电等离子体天线开启时间的方法，尤其是一种利用光-电时差测量等离子体天线开启时间的方法。

背景技术

现代化军事战争对武器装备的要求越来越高，其中以打击精度高、生存能力强最为重要。要满足武器装备具有强大的生存能力，就需要有先进的隐身技术作为支持，而现有的隐身技术均无法实现通讯天线的隐身，原因是传统金属天线存在很大的雷达散射截面(RCS)。

等离子体是由大量的相互作用的电子、离子、中性粒子和自由基等组成的且在宏观上表现为近似电中性的非凝聚体系，具有导电、发光、发热和化学等特性，气体放电是人工产生等离子体最有效的方法。随着等离子体科学技术的不断进步，由气体放电产生的等离子体应用也逐渐深入到了军事通信领域。等离子体天线就是依据等离子体的导电特性用气体放电产生的等离子体代替金属进行电磁波发射和接收的一种射频天线。当开启等离子体天线激励电源时，放电管中产生的等离子体在一定条件下可以作为通讯天线发射和接收电磁波，而当不需要通讯天线工作时，则可关闭等离子体天线激励电源，等离子体天线就成为绝缘的非金属管，雷达探测信号能直接穿过绝缘管而不被反射，因此大大降低了等离子体天线雷达散射截面(RCS)，等离子体天线隐身得以实现。

等离子体天线的建立速度是影响军用通讯天线性能的重要因素，目前还没有统一的评价和测量方法。如果能对等离子体天线的建立时间加以测量，无疑对等离子体天线的研制和技术发展极其有益。等离子体天线开启时间是指从开启等离子体天线激励电源时刻起，到气体放电管内建立稳定的放电等离子体时刻止的时间段，它反映了放电等离子体天线工作状态与非工作状态之间转换的快慢程度，也反映了等离子体天线建立与隐身转换的快慢程度。开启时间越短，等离子体天线建立速度就越快，越有利于武器装备形成战斗力。因此，等离子体天线的开启时间是评价放电等离子体天线性能的重要指标之一，对等离子体天线开启时间进行测量非常重要。目前，国内外对等离子体天线开关时间的报道，多数是将激励电源脉冲信号的上升、下降时间误认为是等离子体天线的开、关时间，它仅仅反映了激励信号本身产生所需要的时间，并未考虑开启激励电源时刻与气体放电管响应并产生稳定等离子体的时间延迟。在国外，一些研究者在放电管内设置金属探针，利用探针信号和等离子体气体放电管激励电压信号时间差测量等离子体天线的开启时间，但施加金属探针必然会影响等离子体放电状态，影响等离子体天线的通讯性能，且等离子体天线收发的射频信号也会对探针信号造成影响，影响测量结果的准确性。因此，建立一种准确、实时、无扰动的测量方法来测量等离子体天线的开启时间非常重要。

本发明依据等离子体受激发光的技术原理，利用原位光谱探测技术将放电等离子体发射的光信号转换为具有相同时间特征的电信号，并将该电信号建立的初始时刻与等离子体天线激励电源电压信号施加时刻比较，进而利用光信号与激励电压信号的时间差获得等离子体天线的开启时间。该方法避免了探针测量等离子体天线开启时间方法对放电等离子体和通讯信号的交互干扰，实现了准确、实时、无扰动测量，提高了等离子体天线开启时间的测量精度，为等离子体天线的研究和发展提供了一种新的测量方法和评价参量。

发明内容

本发明克服了现有等离子体天线开启时间测量方法的不足，提供了一种利用光-电时差测量等离子体天线开启时间的方法。本发明利用原位光谱探测技术将等离子体发射的光信号转换为具有相同时间特征的电信号，并将该电信号建立的初始时刻与等离子体天线激励电源电压信号施加时刻比较，进而利用光信号与激励电压信号的时间差获得等离子体天线的开启时间。

本发明的技术方案是：

一种利用光-电时差测量等离子体天线开启时间的方法，该方法通过高压分压器、光信号采集与转换组件和光电信号比较与显示组件三部分组合实现。其中，高压分压器用于将激励等离子体天线的高电压转换为同频低电压，要求所用高压分压器的最大峰值电压不低于30kV，带宽DC～50MHz，上升时间小于7ns，输入RC值为1000MΩ//5pF，高电压衰减不低于2000:1；光信号采集与转换组件用于将等离子体天线发射的光信号转换为具有相同时间特征的电信号，该组件包括光谱探头、光电倍增管和倍增电压控制器，光谱探头和光电倍增管之间采用光纤连接，光电倍增管和倍增电压控制器之间采用控制信号线连接，倍增电压控制器输出的控制电压不应高于5V；光电信号比较与显示组件用于比较高压分压器输入的激励电压信号和光信号采集与转换组件输入的光-电转换信号，依此计算等离子体天线辐射的光信号与激励电压信号的时间差，获得并显示等离子体天线的开启时间，该组件包括激励电压比较器、光电信号比较器、光-电时差计算器和显示器，激励电压比较器、光电信号比较器、光-电时差计算器和显示器之间均采用控制信号线连接。

测量前，首先使用高压电缆将高压分压器的输入端连接至等离子体天线的高压电极采集激励电压信号，再将高压分压器的输出端连接至光电信号比较与显示组件中的激励电压比较器的输入端；同时，将光信号采集与转换组件中的光谱探头垂直放电管放置在距离等离子体天线1～5cm处，光谱探头加装弱光镜，避免等离子体天线发出的强光损坏光电倍增管；光信号采集与转换组件中的光电倍增管信号输出端通过控制信号线连接至光电信号比较与显示组件中的光电信号比较器。

测量时，来自于等离子体天线高压电极的激励电压被高压分压器分压，衰减至0～15V低电压输出给光电信号比较与显示组件中的激励电压比较器；同时，光信号采集与转换组件中的光谱探头采集等离子体天线产生的辐射光，经由光纤传递给光电倍增管转换成具有相同时间特性的电信号输出给光电信号比较与显示组件中的光电信号比较器，光电倍增管输出的电信号最大电压幅值由倍增电压控制器设定；在光电信号比较与显示组件中，来自高压分压器的激励电压信号通过激励电压比较器与预设参考值比较，预设参考值设定为等离子体天线正常工作时激励电压的10％，如果由高压分压器输入的激励电压信号低于预设参考值，则激励电压比较器输出低电平，如果由高压分压器输入的激励电压信号高于预设参考值，则激励电压比较器输出高电平，该高电平给光-电时差计算器发出计时指令，光-电时差计算器开始计时；同时，来自光电倍增管输出的光电信号通过光电信号比较器与预设参考值比较，预设参考值设定为等离子体天线正常工作时光电倍增管输出电压信号的90％，如果由光电倍增管输入的光电信号低于预设参考值，则光电信号比较器输出低电平，如果由光电倍增管输入的光电信号高于预设参考值，则光电信号比较器输出高电平，该高电平给光-电时差计算器发出计时停止指令，光-电时差计算器计时停止，并将该计时时段送显示器显示，即可获得等离子体天线的开启时间。

等离子体天线开启时间的计算方法如下，假设对等离子体天线施加激励电压时刻为T₁，等离子体天线受激启动生成稳定放电等离子体的时刻为T₂，等离子体天线开启时间为T_on，则：

T_on＝T₂-T₁

为了消除误差信号扰动，等离子体天线施加激励电压时刻T₁设定为达到等离子体天线正常工作激励电压10％的时间，生成稳定放电等离子体时刻T₂设定为达到等离子体天线正常工作辐射光强90％的时间，以光电倍增管转换输出的光电信号参考计算。

在不具备光电信号比较与显示组件的情况下，也可以利用示波器替代光电信号比较与显示组件，其它组件的构成和连接方法不变，此时仅需要将高压分压器输出的激励电压信号和光电倍增管输出的光电信号同时输入到示波器的两个信号通道，再依据示波器上同步显示的光电倍增管输出信号和等离子体天线激励电压信号，依据等离子体天线开启时间T_on计算公式，人工计算获得等离子体天线的开启时间。

本发明的效果和益处是通过将等离子体天线发射光谱信号引入到放电等离子体天线开启时间测量中，利用原位光谱探测技术将等离子体发射的光信号转换为具有相同时间特征的电信号，并将该电信号建立的初始时刻与等离子体天线激励电源电压信号施加时刻比较，进而利用等离子体光电信号与激励电压信号的时间差获得等离子体天线的开启时间，避免了探针测量等离子体天线开启时间方法对放电等离子体和通讯信号的交互干扰，实现了准确、实时、无扰动测量，提高了等离子体天线开启时间的测量精度，为等离子体天线的研究和发展提供了一种新的测量方法和评价参量。

附图说明

图1是等离子体天线开启时间光-电时差法自动测量原理示意图。

图2是等离子体天线开启时间光-电时差法示波器测量原理示意图。

图中：1等离子体天线；2高压分压器；3光信号采集与转换组件；4光电信号比较与显示组件；5光谱探头；6光电倍增管；7倍增电压控制器；8激励电压比较器；9光电信号比较器；10光-电时差计算器；11显示器；12示波器；13光电倍增管输出信号；14等离子体天线激励电压信号。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

本发明所述的一种利用光-电时差测量等离子体天线开启时间的方法，包括两种实现方式：一是等离子体天线开启时间光-电时差法自动测量方式，如附图1所示；另一种是等离子体天线开启时间光-电时差法示波器测量方式，如附图2所示。

本发明所述的一种利用光-电时差测量等离子体天线开启时间的方法，当采用附图1所示的等离子体天线开启时间光-电时差法自动测量方式时，该方法需要通过高压分压器2、光信号采集与转换组件3和光电信号比较与显示组件4三部分组合实现。其中，高压分压器2用于将激励等离子体天线1的高电压转换为同频低电压，要求所用高压分压器的最大峰值电压不低于30kV，带宽DC～50MHz，上升时间小于7ns，输入RC值为1000MΩ//5pF，高电压衰减不低于2000:1；光信号采集与转换组件3用于将等离子体天线1发射的光信号转换为具有相同时间特征的电信号，该组件由光谱探头5、光电倍增管6和倍增电压控制器7组成，光谱探头5和光电倍增管6之间采用光纤连接，光电倍增管6和倍增电压控制器7之间采用控制信号线连接，倍增电压控制器7输出的控制电压不应高于5V；光电信号比较与显示组件4用于比较高压分压器2输入的激励电压信号和光信号采集与转换组件3输入的光-电转换信号，依此计算等离子体天线1发射的光信号与激励电压信号的时间差，获得并显示等离子体天线1的开启时间，该组件由激励电压比较器8、光电信号比较器9、光-电时差计算器10和显示器11组成，激励电压比较器8、光电信号比较器9、光-电时差计算器10和显示器11之间均采用控制信号线连接。

测量前，首先使用高压电缆将高压分压器2的输入端连接至等离子体天线1的高压电极采集激励电压信号，再将高压分压器2的输出端连接至光电信号比较与显示组件4中的激励电压比较器8的输入端；同时，将光信号采集与转换组件3中的光谱探头5垂直放电管放置在距离等离子体天线1的1～5cm处，光谱探头5加装弱光镜，避免等离子体天线1发出的强光损坏光电倍增管6；光信号采集与转换组件3中的光电倍增管6信号输出端通过控制信号线连接至光电信号比较与显示组件4中的光电信号比较器9。

测量时，来自于等离子体天线1高压电极的激励电压被高压分压器分压，衰减至0～15V低电压输出给光电信号比较与显示组件4中的激励电压比较器8；同时，光信号采集与转换组件3中的光谱探头5采集等离子体天线1产生的辐射光，经由光纤传递给光电倍增管6转换成具有相同时间特性的电信号输出给光电信号比较与显示组件4中的光电信号比较器9，光电倍增管6输出的电信号最大电压幅值由倍增电压控制器7设定；在光电信号比较与显示组件4中，来自高压分压器2的激励电压信号通过激励电压比较器8与预设参考值比较，预设参考值设定为等离子体天线1正常工作时激励电压的10％，如果由高压分压器2输入的激励电压信号低于预设参考值，则激励电压比较器8输出低电平，如果由高压分压器2输入的激励电压信号高于预设参考值，则激励电压比较器8输出高电平，该高电平给光-电时差计算器10发出计时指令，光-电时差计算器10开始计时；同时，来自光电倍增管6输出的光电信号通过光电信号比较器9与预设参考值比较，预设参考值设定为等离子体天线1正常工作时光电倍增管6输出电压信号的90％，如果由光电倍增管6输入的光电信号低于预设参考值，则光电信号比较器9输出低电平，如果由光电倍增管6输入的光电信号高于预设参考值，则光电信号比较器9输出高电平，该高电平给光-电时差计算器10发出计时停止指令，光-电时差计算器10计时停止，并将该计时时段送显示器11显示，即可获得等离子体天线的开启时间。

等离子体天线开启时间的计算方法如下，假设对等离子体天线1施加激励电压时刻为T₁，等离子体天线1受激启动生成稳定放电等离子体的时刻为T₂，等离子体天线1开启时间为T_on，则：

T_on＝T₂-T₁

为了消除误差信号扰动，等离子体天线1施加激励电压时刻T₁设定为达到等离子体天线1正常工作激励电压10％的时间，生成稳定放电等离子体时刻T₂设定为达到等离子体天线1正常工作辐射光强90％的时间，以光电倍增管6转换输出的光电信号参考计算。

本发明所述的一种利用光-电时差测量等离子体天线开启时间的方法，当采用附图2所示的等离子体天线开启时间光-电时差法示波器测量方式时，可以不使用光电信号比较与显示组件4，而使用具有至少两个通道的示波器12替代光电信号比较与显示组件4，高压分压器2和光信号采集与转换组件3的构成和连接方法与附图1所示的等离子体天线开启时间光-电时差法自动测量方式的构成和连接方法相同，仅需要将高压分压器2输出的等离子体天线激励电压信号和光电倍增管6输出的光电信号同时输入到示波器12的两个信号通道，再依据示波器上同步显示的光电倍增管输出信号13和等离子体天线激励电压信号14，依据等离子体天线1开启时间计算公式T_on＝T₂-T₁，人工读取T₁和T₂数值并计算等离子体天线1的开启时间T_on。

本发明将等离子体天线发射光谱信号引入到放电等离子体天线开启时间测量中，利用原位光谱探测技术将等离子体发射的光信号转换为具有相同时间特征的电信号，并将该电信号建立的初始时刻与等离子体天线激励电源电压信号施加时刻比较，进而利用等离子体光电信号与激励电压信号的时间差获得等离子体天线的开启时间，避免了探针测量等离子体天线开启时间方法对放电等离子体和通讯信号的交互干扰，实现了准确、实时、无扰动测量，提高了等离子体天线开启时间的测量精度，为等离子体天线的研究和发展提供了一种新的测量方法和评价参量。

Claims (2)

1.一种利用光-电时差测量等离子体天线开启时间的方法，其特征在于，

该方法通过高压分压器(2)、光信号采集与转换组件(3)和光电信号比较与显示组件(4)三部分组合实现；

高压分压器(2)的最大峰值电压不低于30kV，带宽DC～50MHz，上升时间小于7ns，输入RC值为1000MΩ//5pF，高电压衰减不低于2000:1；

光信号采集与转换组件(3)包括光谱探头(5)、光电倍增管(6)和倍增电压控制器(7)，光谱探头(5)和光电倍增管(6)采用光纤连接，光电倍增管(6)和倍增电压控制器(7)采用控制信号线连接，倍增电压控制器(7)输出的控制电压不应高于5V；

光电信号比较与显示组件(4)包括激励电压比较器(8)、光电信号比较器(9)、光-电时差计算器(10)和显示器(11)，激励电压比较器(8)、光电信号比较器(9)、光-电时差计算器(10)和显示器(11)之间均采用控制信号线连接；

测量前，先用高压电缆将高压分压器(2)的输入端连接至等离子体天线(1)的高压电极采集激励电压信号，再将高压分压器(2)的输出端连接至光电信号比较与显示组件(4)中的激励电压比较器(8)的输入端；同时，将光信号采集与转换组件(3)中的光谱探头(5)垂直放电管放置在距离等离子体天线(1)的1～5cm处，光谱探头(5)加装弱光镜，避免等离子体天线(1)发出的强光损坏光电倍增管(6)；光信号采集与转换组件(3)中的光电倍增管(6)信号输出端通过控制信号线连接至光电信号比较与显示组件(4)中的光电信号比较器(9)；

该利用光-电时差测量等离子体天线开启时间的方法，当采用等离子体天线开启时间光-电时差法自动测量方式时，步骤如下：

对等离子体天线(1)施加激励电压时刻为T₁，等离子体天线(1)受激启动生成稳定放电等离子体的时刻为T₂，等离子体天线(1)开启时间为T_on，则：

T_on＝T₂-T₁

为了消除误差信号扰动，等离子体天线(1)施加激励电压时刻T₁设定为达到等离子体天线(1)正常工作激励电压10％的时间，生成稳定放电等离子体时刻T₂设定为达到等离子体天线(1)正常工作辐射光强90％的时间，以光电倍增管(6)转换输出的光电信号参考计算。

2.一种利用光-电时差测量等离子体天线开启时间的方法，其特征在于，

该方法通过高压分压器(2)、光信号采集与转换组件(3)二部分组合实现；

高压分压器(2)的最大峰值电压不低于30kV，带宽DC～50MHz，上升时间小于7ns，输入RC值为1000MΩ//5pF，高电压衰减不低于2000:1；

光信号采集与转换组件(3)包括光谱探头(5)、光电倍增管(6)和倍增电压控制器(7)，光谱探头(5)和光电倍增管(6)采用光纤连接，光电倍增管(6)和倍增电压控制器(7)采用控制信号线连接，倍增电压控制器(7)输出的控制电压不应高于5V；

测量前，将高压分压器(2)输出的等离子体天线激励电压信号和光电倍增管(6)输出的光电信号同时输入到示波器(12)的两个信号通道，再依据示波器上同步显示的光电倍增管输出信号(13)和等离子体天线激励电压信号(14)；同时，将光信号采集与转换组件(3)中的光谱探头(5)垂直放电管放置在距离等离子体天线(1)的1～5cm处，光谱探头(5)加装弱光镜，避免等离子体天线(1)发出的强光损坏光电倍增管(6)；

该利用光-电时差测量等离子体天线开启时间的方法，当采用等离子体天线开启时间光-电时差法示波器测量方式时，步骤如下：

对等离子体天线(1)施加激励电压时刻为T₁，等离子体天线(1)受激启动生成稳定放电等离子体的时刻为T₂，等离子体天线(1)开启时间为T_on，则：

T_on＝T₂-T₁

为了消除误差信号扰动，等离子体天线(1)施加激励电压时刻T₁设定为达到等离子体天线(1)正常工作激励电压10％的时间，生成稳定放电等离子体时刻T₂设定为达到等离子体天线(1)正常工作辐射光强90％的时间，以光电倍增管(6)转换输出的光电信号参考计算。