CN112611921B - 一种大气声场模拟装置及其电磁散射特性测试方法 - Google Patents

一种大气声场模拟装置及其电磁散射特性测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大气声场模拟装置及其电磁散射特性测试方法，所述大气声场模拟装置包括：泡沫支架；多个泡沫板，各个泡沫板按相同的间隔竖直且平行的固定在所述泡沫支架上。利用该装置，进行电磁散射特性测试，其具体方法包括以下步骤：S1：根据待分析声波强度特征选择泡沫板密度；S2：根据待分析声波波长设计泡沫板周期结构，制作大气声场模拟装置；S3：计算测试参数，包括需要入射的电磁波波长、角度；S4：开展大气声场模拟装置的散射场测试；S5：大气声场模拟装置散射场测试数据后处理。其优点在于，使用泡沫材料板模拟稳定的声场结构，避免直接测试大气声场带来的不确定性。

Description

一种大气声场模拟装置及其电磁散射特性测试方法
技术领域
本发明所涉及的是电磁散射测试领域，尤其涉及一种大气声场电磁相干散射原理模拟测试技术。
背景技术
声波作为一种机械波，在大气中传播时压缩空气，使大气形成密度周期性变化的声场。以这种大气声场作为散射体，分析其电磁散射特性，可以得到Bragg相干散射增强、多普勒频移等散射特性。目前，在多种对空雷达探测中，需要利用大气声场的电磁散射特性达到探测目的。典型的应用案例有：无线电声波探测系统(RASS)，用于测量直至低平流层高度(约20km)的大气温度剖面，也可用于底层气象观测；民航飞机尾流微波雷达探测，以保障机场飞机安全间距；对流程散射通讯；高超声速飞行器噪声场的雷达反隐身探测等。声场扰动大气气团属于极低散射体，而且易受风场、温度、气压等气象量的影响，极其不稳定，直接进行外场电磁散射测量难以控制，难以排除影响因素，难以分析得到大气声场散射特征。所以，需要通过传统材料接近空气的介电常数，模拟大气声场结构，设计实验室可控制的待测体，达到原理验证的目的。
本发明介绍一种大气声场模拟装置及其电磁散射特性测试方法，用于分析大气声场Bragg散射特性。由于声波扰动造成空气介电常数变化微小，一般介质材料不能满足介电常数要求。聚苯乙烯泡沫(EPS)塑料成分中的97％是空气或其它气体，只有3％是塑料成分，所以介电常数跟空气非常接近。随着密度的降低，聚苯乙烯泡沫材料的相对介电常数降低，密度为32.04kg/m3的聚苯乙烯泡沫塑料的相对介电常数为1.037；密度为16.02kg/m3时相对介电常数为1.019。本专利使用空气中周期性排列的聚苯乙烯泡沫塑料平板模拟大气声场，在微波暗室中使用以矢量网络分析仪为核心的低散射目标散射场测试系统测试模拟声场的散射特性。
在检索到的国内外公开及有限范围发表的文献中，有论文研究重载低散射泡沫支架系统，对泡沫材料的电磁散射特性做了研究，认为聚苯乙烯泡沫和聚氨酯泡沫具有大承重和低电磁散射特性，可用于散射测试中的承重支架。在可检索到的文献中，没有使用泡沫材料模拟空气压缩体的报道，也没有开展大气声场实验室内模拟试验的研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大气声场模拟装置及其电磁散射特性测试方法，用于分析大气声场作为散射体的电磁散射特性，分析布拉格相干散射增强、多普勒频移等散射特性，从而指导需要利用大气声场相干电磁散射特性的多种雷达探测应用。
为了达到上述发明目的，本发明为解决其技术问题采用以下技术方案：
提供一种大气声场模拟装置，用于大气声场电磁相干散射特性原理验证试验。
所述大气声场模拟装置包括：
泡沫支架；
多个规格相同的泡沫板，各个泡沫板按相同的间隔竖直且平行的固定在所述泡沫支架上。
其中，各个所述泡沫板的密度与需模拟的大气声场中的声波强度相匹配，声波强度越强相应的选用的泡沫板的密度越大，且泡沫板的相对介电常数与泡沫板的密度成正相关关系。
进一步地，多个所述泡沫板的周期的大小与需模拟的大气声场中的声波波长的大小相等，所述周期的大小等于相邻两个泡沫板的前沿面之间的距离。
优选地，所述泡沫支架材质包括：聚苯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫。
优选地，所述泡沫板材质包括：聚苯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫。
优选地，多个所述泡沫板的数量不少于十个。
其中，利用上述大气声场模拟装置，用于大气声场电磁散射特性测试方法包含以下步骤：
S1：根据待分析声波强度特征选择泡沫板密度；
S2：根据待分析声波波长设计泡沫板周期结构，制作大气声场模拟装置；
S3：计算测试参数，包括入射电磁波中心频率fc、带宽Df、频率间隔δf；
S4：开展大气声场模拟装置的散射场测试；
S5：大气声场模拟装置散射场测试数据进行处理。
其中，所述S3步骤的测试参数根据布拉格散射原理满足公式：
Figure BDA0002826561140000031
fc＝c/λ，
其中Λ指声波波长，λ指电磁波波长，θ是入射电磁波矢方向与声波波前之间的夹角，m为常数，fc为中心频率，c为真空中电磁波的传播速度，根据计算得到的fc值设置带宽Df以及频率间隔δf。
其中，所述S4步骤的具体步骤包括以下步骤：
S41：将大气声场装置放在转台上，使得各个所述泡沫板与转台平面垂直，转台带动大气声场装置连续旋转，利用电磁波发射装置发射水平方向的宽带电磁波并通过接收装置接收后向散射回波，以寻找回波最大的泡沫板位置；
S42：测试定标体；所述定标体为金属平板，当大气声场模拟装置测试完毕后，在相同的测试环境和测试设备中，将定标体放在之前大气声场模拟装置放置的位置，以相同的方法进行测试，得到系统定标值，即通过转台带动定标体连续旋转，利用电磁波发射装置发射水平方向的宽带电磁波并通过接收装置接收后向散射回波；
S43：测试空背景回波；空背景是指去除大气声场模拟装置以及测试定标体，在相同的测试环境和测试设备中，测得的背景散射回波，用来做背景杂波消除。
本发明带来以下有益效果：
本发明提出一种大气声场模拟装置及其电磁散射特性测试方法，其优点在于，避免直接测试大气声场带来的不确定性，使用泡沫材料板模拟稳定的声场结构，在微波暗室开展可控制的电磁散射测试，分析模拟声场的电磁散射特性，为依据布拉格相干散射机理进行探测的雷达应用提供理论基础。
附图说明
图1大气声场模拟装置结构示意图，图1(B)为图1(A)选区中的局部放大图；
图2大气声场模拟装置及其电磁散射特性测试方法流程图；
图3大气声场装置散射特性预先仿真结果曲线图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种大气声场模拟装置及其电磁散射特性测试方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
本发明提供一种大气声场模拟装置及其电磁散射特性测试方法，其大气声场模拟装置设计原理如下：
本发明通过周期性排列聚苯乙烯泡沫材料板模拟声场在大气中传播时压缩大气的状态，如图1所示，每层泡沫板厚度保持一致，泡沫板间的间距保持一致，如此排列成泡沫、空气、泡沫、空气、…的疏密相间的结构，形成大气声场模拟装置。当入射电磁波照射到大气声场模拟装置上时，当满足布拉格散射条件时，产生相干增强现象，在电磁散射特性测试中将获得最大散射回波。
具体地，所述大气声场模拟装置包括：
泡沫支架；
多个泡沫板，本实施例中，需要不少于十个规格一样的泡沫板，各个泡沫板按相同的间隔竖直且平行的固定在所述泡沫支架上。
其中，各个所述泡沫板的密度与需模拟的大气声场中的声波强度相匹配，声波强度越强，则相应选用的泡沫板的密度越大，且泡沫板的相对介电常数与泡沫板的密度成正相关关系。本优选例中，所述泡沫支架、泡沫板材质均可以是聚苯乙烯泡沫或者聚氨酯泡沫。本实施例中选择了泡沫板密度为8.05kg/m3的聚苯乙烯(EPS)泡沫材料。根据测量，泡沫板的相对介电常数和泡沫板的密度关系如下表1所示：
Figure BDA0002826561140000051
表1、几种典型泡沫材料密度与相对介电常数的对应关系表
进一步地，所述泡沫板的周期的大小与需模拟的大气声场中的声波波长的大小相等，所述周期的大小等于相邻两个泡沫板的前沿面之间的距离(即单个泡沫板的厚度加上相邻两个泡沫板之间的间距)。本优选例中，泡沫板的规格为500mm×500mm×8mm，泡沫板之间的间隔为7mm，即每个周期为15mm。相应的，待研究声场频率为23kHz(声速345m/s)，声波波长为15mm，如图1所示，多层泡沫板按设计好的尺寸及间隔用泡沫专用胶水黏竖直的贴在另一块圆柱形泡沫支架上，并在顶层用相同的泡沫专用胶水将同材质的泡沫板横向的黏贴在多层泡沫板装置上，使得各个泡沫板之间更加稳固。在验证试验中，泡沫板的周期个数取为10。
图2是大气声场模拟装置及其电磁散射特性测试方法流程图，如图2所示，其中，所述大气声场电磁散射特性测试方法包含以下步骤：
S1：根据待分析声波强度特征选择泡沫板密度；
S2：根据待分析声波波长设计泡沫板周期结构，制作大气声场模拟装置；
S3：计算测试参数包括入射电磁波中心频率fc、带宽Df、频率间隔δf等；
S4：开展大气声场模拟装置的散射场测试；具体地，测试在微波暗室中开展大气声场模拟装置的散射场测试，将大气声场模拟装置架设在可连续转动的转台上，为保证泡沫板法线方向与电磁波入射方向成90°夹角，转台带动大气声场模拟装置连续转动，同时进行宽带扫频测量，以便找到最大后向散射回波值(理论上最大后向散射值对应着入射方向为90°)，得到大气声场模拟装置的后向宽带散射回波信号；
S5：大气声场模拟装置散射场测试数据进行处理。通过背景滤波、空时域滤波、定标等数据处理之后，分析大气声场模拟装置后向散射回波的频域特征，找大最大散射频点、布拉格散射带宽、布拉格散射频移等散射特征量。
其中，所述S3步骤的测试参数根据布拉格散射原理满足公式：
Figure BDA0002826561140000061
fc＝c/λ，
其中Λ指声波波长，λ指电磁波波长，θ是入射电磁波矢方向与声波波前(即泡沫板平面法线方向)之间的夹角，m为常数，当m＝1时散射强度最大。通常泡沫板模拟周期数大于十个周期。根据声场周期长度Λ，设置入射电磁波中心波长λ。当m取典型值1，θ＝90°时，中心入射波长λ＝2Λ＝30mm，则中心频率fc＝c/λ≈10GHz，c为真空中电磁波的传播速度。根据仿真结果如图3所示，设置扫频带宽和间隔，在典型试验中扫频带宽Df为1GHz，扫频间隔δf优于50MHz。
其中，所述S4步骤的具体步骤包括以下步骤：
S41：在微波暗室中开展大气声场模拟装置的散射场测试，将大气声场装置放在转台上，使得各个所述泡沫板与转台平面垂直，转台带动大气声场模拟装置连续转动，利用电磁波发射装置发射水平方向的宽带电磁波并通过接收装置接收后向散射回波，以寻找回波最大的泡沫板位置；
S42：测试定标体；具体地，所述定标体为边长为180mm的金属平板，当大气声场模拟装置测试完毕后，在相同的测试环境和测试设备中，将定标体放在之前大气声场模拟装置放置的位置，以相同的方法进行测试，得到系统定标值，即通过转台带动定标体连续旋转，利用电磁波发射装置发射水平方向的宽带电磁波并通过接收装置接收后向散射回波；定标值指的是定标体理论电磁散射回波值除以测试回波，其作用是对测试系统进行标定。在本发明中定标体采用金属平板，其理论电磁散射回波为4πh4/λ2，其中h为平板边长，λ为入射电磁波波长；
S43：测试空背景回波；具体地，空背景是指去除大气声场模拟装置以及测试定标体，在相同的测试环境和测试设备中，测得背景散射回波，用来做背景杂波消除。
基于优选的实施例可知，本发明所述大气声场模拟装置，借助泡沫材料相对介电常数与空气相近的特点，用泡沫平板模拟大气被声波压缩后的状态，用多层平板模拟多个周期大气声场，形成大气声场模拟装置。在微波暗室中，使用网络分析仪为核心的射频测试系统，联合高精度转台，对大气声场模拟装置进行后向散射场测试，同时测试背景回波并进行定标，对比分析大气声场的电磁散射特性。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种大气声场模拟装置，其特征在于，包括：
泡沫支架；
多个规格相同的泡沫板，各个泡沫板按相同的间隔竖直且平行的固定在所述泡沫支架上；
各个所述泡沫板的密度与需模拟的大气声场中的声波强度相匹配，声波强度越强，相应选用的泡沫板的密度越大，且泡沫板的相对介电常数与泡沫板的密度成正相关关系；
多个所述泡沫板的周期的大小与需模拟的大气声场中的声波波长的大小相等，所述周期的大小等于相邻两个泡沫板的前沿面之间的距离。
2.如权利要求1所述的大气声场模拟装置，其特征在于，所述泡沫支架材质包括：聚苯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫。
3.如权利要求1所述的大气声场模拟装置，其特征在于，所述泡沫板材质包括：聚苯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫。
4.如权利要求1所述的大气声场模拟装置，其特征在于，多个所述泡沫板的数量不少于十个。
5.一种大气声场电磁散射特性测试方法，其特征在于，采用如权利要求1-4中任一项所述的大气声场模拟装置实现，所述大气声场电磁散射特性测试方法包括以下步骤：
S1：根据待分析声波强度选择泡沫板密度；
S2：根据待分析声波波长选择泡沫板的周期大小，制作大气声场模拟装置；
S3：计算测试参数，包括入射电磁波中心频率fc、带宽Df、频率间隔δf；
S4：开展大气声场模拟装置的散射场测试；
S5：大气声场模拟装置散射场测试数据进行处理。
6.如权利要求5所述的大气声场电磁散射特性测试方法，其特征在于，所述S3步骤的测试参数根据布拉格散射原理满足公式：
Figure FDA0003728582100000021
fc＝c/λ，
其中Λ指声波波长，λ指电磁波波长，θ是入射电磁波矢方向与声波波前之间的夹角，m为常数，fc为中心频率，c为真空中电磁波的传播速度，根据计算得到的fc值设置带宽Df以及频率间隔δf。
7.如权利要求5所述的大气声场电磁散射特性测试方法，其特征在于，所述
S4步骤的具体包括以下步骤：
S41：将大气声场模拟装置放在转台上，使得所述泡沫板与转台平面垂直，转台带动大气声场模拟装置连续旋转，利用电磁波发射装置发射水平方向的宽带电磁波并通过接收装置接收后向散射回波，以寻找回波强度最大对应的泡沫板位置；
S42：测试定标体；所述定标体为金属平板，当大气声场模拟装置测试完毕后，在相同的测试环境和测试设备中，将定标体放在之前大气声场模拟装置放置的位置，通过转台带动定标体连续旋转，利用电磁波发射装置发射水平方向的宽带电磁波并通过接收装置接收后向散射回波，得到系统定标值；
S43：测试空背景回波；空背景是指去除大气声场模拟装置以及测试定标体，在相同的测试环境和测试设备中，测得背景散射回波，用于背景杂波消除。
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