CN112153796B

CN112153796B - 时变等离子体电子密度抖动频率的测量方法

Info

Publication number: CN112153796B
Application number: CN202011032667.1A
Authority: CN
Inventors: 谢曜聪; 沈方芳; 白博文; 李小平; 陈旭阳; 刘彦明
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2020-09-27
Filing date: 2020-09-27
Publication date: 2021-07-20
Anticipated expiration: 2040-09-27
Also published as: CN112153796A

Abstract

本发明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。

Description

时变等离子体电子密度抖动频率的测量方法

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

本发明申请人在相关的范围内搜索和查新，没有发现与本发明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。

发明内容

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。

本发明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f_Ne为电子密度抖动频率，Δd为峰值扩展距离，B为带宽，T_p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。

本发明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。

本发明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。

本发明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，本发明的技术优势：

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：本发明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：本发明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：本发明提出的测量方法，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是本发明的流程示意图；

图2是本发明中得到的等离子体反射系数幅频与相频关系图；

图3是本发明得到的线性调频信号回波一维距离像图；

图4是本发明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是本发明计算出的等离子体不同位置的电子密度抖动频率值。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案更加清楚，以下结合实施例，对本发明进行具体说明。

实施例1

目前针对等离子体电子密度的测量方法都是对瞬时电子密度静态数值的测量，对于时变等离子体电子密度抖动频率这种动态参数，现有的方法无法通过单次测量对抖动频率进行有效的测量。本发明对此展开了研究，提出了一种时变等离子体电子密度抖动频率的测量方法。

本发明是一种时变等离子体电子密度抖动频率的测量方法，参见图1，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，等离子体中需要测量的部位对发射的线性调频脉冲信号产生反射作用，反射信号沿着发射信号的路径返回，接收天线放在发射天线旁边，接收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，在脉冲压缩处理中计算得到时变等离子体反射信号的一维距离像。根据线性调频回波信号脉冲压缩原理，常规目标反射回波的一维距离像，只包含一个峰值，该峰值的横坐标为回波反射点与发射天线的距离。参见图3，本发明在实验过程中发现一维距离像中包含三个峰值，其中正中间的峰值高度为7000的是主峰，对应的横坐标为等离子体回波反射点与发射天线的距离；主峰两侧两个高度约为3000的是新出现的扩展峰，扩展峰是由等离子体电子密度抖动引起，在主峰两侧对称分布，主峰与其中一个扩展峰对应横坐标数值差Δd，就是峰值扩展距离；在主峰和扩展峰周围有许多幅度小于1000的峰值起伏，属于系统噪声。

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值，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回波反射点处的电子密度抖动频率，抖动频率计算公式如下：

式中f_Ne为电子密度抖动频率，Δd为峰值扩展距离，B为带宽，T_p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由于时变等离子体动态特性随时间发生变化，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；由于时变等离子体具有分布不均匀性，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。

在模拟再入式飞船返回阶段时变等离子体通信实验中，现有方法单次测量只能完成电子密度瞬时静态数值的测量，需要通过多次测量和数据采集，才可以计算出电子密度抖动频率，测量步骤繁琐。由于时变等离子体具有动态变化和非均匀分布特点，需要在多个时间点对等离子体的多个位置进行电子密度抖动频率测量才能满足实验所需的等离子体动态特性分析，采用现有方法，获得一次结果耗时较长，无法满足模拟实验中对实时性的要求。本发明为了提高抖动频率测量效率，经过实验与研究，提供一种电子密度抖动频率单次测量方法。

本发明的发明构思是利用电子密度抖动频率与线性调频脉冲信号回波一维距离像峰值扩展距离之间的关系，通过单次测量，获得包含扩展峰的时变等离子体回波一维距离像，测量峰值扩展距离，采用抖动频率计算公式反算出电子密度抖动频率，是一种简便有效的时变等离子体电子密度抖动频率测量方法。

实施例2

时变等离子体电子密度抖动频率的测量方法同实施例1，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T_p，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：

Ne_tv(z,t)＝Ne(z)(1+σsin(2πf_Net))

Ne(z)为电子密度沿厚度的分布，σ为抖动系数，f_Ne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Ne_tv(z,t)所对应的反射系数幅频与相频关系。其中幅频关系可表示为余弦函数，参见图2，图2是本发明中得到的等离子体反射系数幅频与相频关系图，图2的横坐标为频率，左侧纵坐标为幅度，图中的虚线表示幅频曲线，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。

相频关系可表示为线性函数，参见图2，横坐标为频率，右侧纵坐标为相位，图中的实线表示相频曲线，相频关系表达式为：

θ_p(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(A_p(f)exp(jθ_p(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：

结合线性调频信号表达式s(t)、时变等离子体反射系数r(t)和匹配滤波函数h(t)，得到一维距离像s_o(t)表达式为：

其中τ是反射信号的回波真实时延。从上式可以看到，时变等离子体反射系数引入反射信号一维距离像表达式后，一维距离像表达式由三个sinc函数组成，即一维距离像曲线有三个峰值，如图3所示，第一个sinc函数的峰值所在位置为时延为

的位置，称为主峰，代表信号回波反射点对应的距离，后面两个sinc函数的峰值所在位置分别为时延为

和

的位置，称为扩展峰，这两个峰值是由等离子体电子密度抖而引入的异常峰值。从上式可以看出，主峰与其中任意一个扩展峰的时延之差都为τ′，主峰与扩展峰之间的距离记为Δd，c为光速，由于时延差τ′表示电磁波往返的时间，因此Δd与τ′的关系为：

S3.3确定时变等离子体的抖动频率，具体表示如下：

根据等离子体反射系数幅频关系表达式

可知，τ′为该余弦表达式的波动频率，由于该表达式变量f是频率值，因此τ′表示单位频率上反射系数幅度波动次数。如图2中虚线所示，设反射系数幅度在信号带宽B范围内波动N_amp次，则波动频率

设脉宽时间T_p内电子密度抖动次数为N_Ne，则N_Ne＝T_p*f_Ne，其中f_Ne为电子密度抖动频率。对于线性调频信号来说，信号频率扫过带宽B所用的时间就是脉冲宽度T_p，此时时域上时间T_p内电子密度抖动次数N_Ne和频域上带宽B内反射系数幅度波动次数N_amp相等，即N_amp＝N_Ne，由N_Ne＝T_p*f_Ne可知N_amp＝T_p*f_Ne，表达式

可以表示为：

将上式代入

可以得到主峰与扩展峰的距离Δd与时变等离子体电子密度抖动频率f_Ne的关系，即抖动频率计算公式如下：

本发明通过计算经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，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，即电子密度抖动频率计算公式。

本发明在实验中发现了时变等离子体线性调频信号回波通过脉冲压缩后的一维距离像出现峰值扩展现象，通过理论分析与公式推导，得到了峰值扩展距离与电子密度抖动频率的关系式，找到了通过单次测量完成电子密度抖动频率测量的方法，解决了现有方法无法单次测量获得电子密度抖动频率的不足。

实施例3

本发明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，时变等离子体电子密度抖动频率的测量方法同实施例1-2，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。

在等离子体地面实验中，需要模拟再入式航天器返回过程中航天器表面等离子体的变化过程。实验中为了模拟返回高度随着时间逐步降低过程中航天器表面等离子体动态特性逐步变化，实验装置会随着时间逐步设置不同的电子密度抖动频率。为了计算航天器模拟返回过程中等离子体通信干扰影响最小的时间，需要对航天器表面等离子体不同典型时间进行电子密度参数测量。采用以前的测量方法，在有限的实验时间内，只能获得不同时间航天器表面某个固定位置电子密度静态数值，无法获取不同时间的电子密度抖动频率这种动态数值。采用本发明方法，可以在实验时间内持续快速测量电子密度抖动频率，实时跟踪航天器表面等离子体电子密度抖动频率的变化规律，为航天器表面等离子体的跟踪测量提供有效手段。本发明用在等离子体地面实验中，解决了航天器表面等离子体在不同模拟高度下动态特性分析问题，有助于寻找再入式航天器返回阶段等离子体对通信干扰影响最小的时间，即最佳的通信时间。

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。

在等离子体地面实验中，需要模拟再入式航天器返回过程中航天器表面等离子体的空间分布规律。实验中会模拟航天器再入过程中等离子体的分布效果，航天器表面不同位置的等离子体动态特性会呈现不一致性，不同位置的等离子体，对通信信号的干扰效果也不同。为了计算航天器模型上等离子体通信干扰影响最小的位置，需要对航天器表面等离子体不同典型位置进行电子密度参数测量。采用以前的测量方法，在有限的实验时间内，只能获取航天器表面等离子体上不同位置电子密度静态数值，无法获取在不同位置的电子密度抖动频率这种动态数值。采用本发明方法，可以在实验时间内快速测量航天器表面多个典型位置的电子密度抖动频率，通过分析航天器表面电子密度抖动频率分布规律，为航天器表面等离子体的全方位测量提供有效手段。本发明用在等离子体地面实验中，解决了航天器表面等离子体动态特性分布规律的快速测量的问题，有助于寻找再入式航天器表面等离子体对通信干扰影响最小的位置，即航天器上最佳的通信天线安装位置。

在等离子体地面实验中，通信信号会被航天器表面等离子体干扰，造成通信中断，为了减弱等离子体的干扰，需要调整通信参数以实现干扰补偿，通信参数的补偿值需要用电子密度参数测量结果解算出来。采用以前的方法，只能获取到电子密度静态数据，使用静态参数来解算通信系统的发射补偿参数，由于等离子体电子密度具有抖动性，静态数据与实际值偏差较大，无法实现精确补偿。采用本发明方法，实时获取到航天器表面等离子体电子密度抖动频率，用该动态参数解算通信系统的发射补偿参数，参数更接近真实情况，可以实现精确补偿。本发明用在等离子体地面实验中，解决了地面通信系统针对等离子体抖动干扰的补偿问题，有助于找到更符合动态变化特性的等离子体通信干扰的最优补偿参数。

本发明的效果可以通过以下仿真实验进行说明：

实施例4

时变等离子体电子密度抖动频率的测量方法同实例1-3。

实验条件：

在等离子体实验装置中，等离子体电离之后通过喷管喷射到实验舱内，线性调频脉冲信号发射天线通过实验舱上的观察窗对准等离子体。通过设置等离子体电离电压的变化频率，控制等离子体电子密度进行抖动变化，通过设置电离电压变化频率随时间改变，使得等离子体中心位置电子密度抖动频率在不同时刻有不同的值。

发射的线性调频脉冲信号参数信息为，载频10GHz，带宽1GHz，脉宽150μs，信噪比10dB。

仿真内容：

将实验参数中的时变等离子体参数信息与线性调频信号参数信息，分别输入到本发明的步骤中，按照本发明方法进行计算仿真，包括对固定位置在不同时间下的测量和对不同位置的测量。

仿真结果和分析：

实验中得到的回波一维距离像参见图3，图中横坐标为距离，纵坐标为幅度。图中曲线为回波一维距离像。一维距离像上出现3个峰值，中间的为主峰，代表线性调频脉冲信号在等离子中反射点位置与发射天线的距离，两侧的为扩展峰，是由等离子体电子密度抖动而产生的附加峰值。测量得出主峰与其中一个扩展峰之间的距离Δd，通过抖动频率计算公式

反算出等离子体电子密度抖动频率。

本发明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，通过对线性调频回波信号进行脉冲压缩处理，很方便得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。

实施例5

时变等离子体电子密度抖动频率的测量方法同实例1-3，仿真实验的条件和内容同实施例4。

仿真结果和分析：

参见图4，图4是本发明计算出的等离子体中心位置不同时间电子密度抖动频率值，设置等离子体电离电压随时间变化，变化的频率值分别为50kHz、55kHz、60kHz、65kHz、70kHz、75kHz、80kHz、85kHz、90kHz、95kHz、100kHz，变化速度为每一秒钟变化一次，将发射天线对准等离子体中心位置，使用本发明方法测量出等离子体中心位置在不同时刻的电子密度抖动频率。图4给出了等离子体电子密度抖动频率在时间上的分布，从曲线分布可见，每次改变频率，都快速及时获得了准确的测量结果，本发明是稳定可靠的。

实施例6

仿真结果和分析：

参见图5，图5是本发明计算出的等离子体不同位置电子密度抖动频率值。将等离子体电离电压的变化频率固定为50kHz，将发射天线分别对准等离子体中心位置及中心位置向上、向下、向左、向右各偏离0.1m的位置，使用本发明方法测量出了等离子体上5个典型位置的电子密度抖动频率，图5给出了等离子体电子密度抖动频率在空间上的分布。

本发明提出的测量方法，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，实现了对航天器再入阶段选择最佳通信时间的宏观分析与航天器表面选择天线最佳安装位置的微观分析，为研究等离子体对通信干扰的补偿方法，提供了便捷可靠的测量。

本发明弥补了现有等离子体电子密度测量方法无法单次测量完成对时变等离子体电子密度动态参数测量的不足，通过测量等离子体回波一维距离像峰值扩展距离，采用抖动频率计算公式，实现了单次测量对时变等离子体电子密度抖动频率的测量。

简而言之，本发明公开的时变等离子体电子密度抖动频率的测量方法，解决了现有等离子体电子密度测量方法无法满足单次测量获取时变等离子体电子密度动态参数的问题。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；计算回波信号一维距离像，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，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，通过测量回波一维像峰值扩展距离，反算出电子密度抖动频率，得到了一种简便有效的时变等离子体电子密度抖动频率测量方法，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。

Claims

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：

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；

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：

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：

Ne_tv(z,t)＝Ne(z)(1+σsin(2πf_Net))

Ne(z)为电子密度沿厚度的分布，σ为抖动系数，f_Ne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Ne_tv(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：

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：

θ_p(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(A_p(f)exp(jθ_p(f)))

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)

其中τ是反射信号的回波真实时延；从上式可以看到，反射信号一维距离像表达式，由三个sin c函数组成，第一个sin c函数的峰值所在位置为时延为

的位置，称为主峰，代表信号回波反射点对应的距离，后面两个sin c函数的峰值所在位置分别为时延为

和

的位置，称为扩展峰，这两个峰值是由等离子体电子密度抖而引入的异常峰值；从上式可以看出，主峰与其中任意一个扩展峰的时延之差都为τ′，主峰与扩展峰之间的距离记为Δd，c为光速，由于时延差τ′表示电磁波往返的时间，因此Δd与τ′的关系为：

S3.3确定时变等离子体的抖动频率，具体表示如下：

根据等离子体反射系数幅频关系表达式

可知，τ′为该余弦表达式的抖动频率，由于该表达式变量f是频率值，因此τ′表示单位频率上反射系数幅度波动次数；设反射系数幅频曲线在信号带宽B范围内波动N_amp次，则波动频率

设脉宽时间T_p内电子密度抖动次数为N_Ne，则N_Ne＝T_p*f_Ne，其中f_Ne为电子密度抖动频率；对于线性调频信号来说，信号频率扫过带宽B所用的时间就是脉冲宽度T_p，此时时域上时间T_p内电子密度抖动次数N_Ne和频域上带宽B内反射系数幅度波动次数N_amp相等，即N_amp＝N_Ne，由N_Ne＝T_p*f_Ne可知N_amp＝T_p*f_Ne，表达式

可以表示为：

将上式代入

对时变等离子体反射的信号回波进行脉冲压缩处理，得到包含扩展峰值的一维距离像，通过测量一维距离像中主峰与扩展峰之间的距离，采样抖动频率计算公式反算出时变等离子体的电子密度抖动频率，实现对等离子体电子密度抖动频率的测量。

3.一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，权利要求1或2限定的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，快速计算出飞行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。