CN112816795A - 临近空间高速目标等离子体电磁测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种临近空间高速目标等离子体电磁测量系统，包括圆柱卧式的真空腔体，等离子体进入真空腔体的喷口平面不能和真空腔体端面共面；透射测量系统的收发天线分别架设于两侧边的下导轨上，透射测量系统的收发天线对称架设且能够沿等离子体轴线方向和径向二维移动，散射测量系统的待测目标架设于中间的下导轨上，散射测量系统的收发天线均架设于上导轨上；内部电磁场测量系统的发射天线架设于两侧边的任意一组下导轨上，接收电磁场的电场/磁场探针架设于中间的下导轨上。本发明同时兼顾等离子体电磁测量中的透射测量、散射测量和内部电磁场测量三种测量系统，使得电磁散射实验和透射实验能够进行同时配置，并且互不影响。

Description

临近空间高速目标等离子体电磁测量系统

技术领域

本发明属于电磁测量技术领域，涉及一种临近空间高速目标等离子体电磁测量系统。

背景技术

临近空间是距地面20~100 km的空间区域，介于卫星和航空飞行区域之间，不仅是航天器往返外太空的必经之地，还是高超声速飞行器的飞行走廊。临近空间高速飞行器作为开发利用临近空间的重要载体，将开拓人类新的活动疆域。历史经验表明：哪个国家首先掌握进入和开拓新活动疆域的能力，就会在国际竞争中占据巨大的战略优势甚至绝对主导权。临近空间高速飞行器所具有的高速度、低高度、长航时、可重复使用等特点，使其成为灵活进出临近空间、全球快速到达、往返太空的重要运输载体，已经成为各科技大国研究的焦点。

飞行器高超声速飞行时，由于气动加热，温度可达到数千甚至上万摄氏度，空气分子被高温激发电离形成一层包覆在飞行器表面的“等离子鞘套”。等离子鞘套包含大量中性粒子、正离子和自由电子，其中带电粒子(主要为自由电子)会吸收、反射和散射电磁波，引发一系列电磁效应，使通信和探测信号产生畸变，导致信息系统特性发生改变，甚至产生通信“黑障”、目标探测异常等系列问题，已成为制约临近空间高速飞行器发展的瓶颈和亟待解决的世界难题。

等离子体具有很强的非均匀性，非均匀等离子体变化的特征长度与电磁波波长接近甚至更短，传统求解波动方程的理论描述将不完全适用；基于均匀等离子体的线性理论和模型在临近空间高速飞行器中的应用误差很大；截止效应的“黑障”物理现象认识、简单色散关系的等离子体介质模型等都可能在强非均匀条件下不完全适用，给揭示高速目标等离子体与电磁波相互作用新机理带来了极大挑战。

高速目标等离子体的动态特性对电磁波传播与散射特性有明显的影响，主要表现为等离子体的随机动态性影响电磁波传播的幅/相特性，体现出一种具有乘性干扰的信道特性。扰动周期与信号码元时间尺度相当，在信息传输过程中信号出现了异常的附加调制现象。即使电磁波能够穿透等离子体，但动态随机介质还会引发信号的附加调制、星座图相位旋转等信号畸变，严重时也会导致信号捕获、解调失败等。目前等离子体参数动态性导致信号层面问题的影响规律和机制认识尚不明确，给高速目标等离子体环境下的可靠信息传输带来了极大的挑战。

与此同时，雷达探测出现假目标、雷达回波异常、目标异常展宽、ISAR像散焦等现象与等离子鞘套的出现几乎同步，表明高速目标等离子体与雷达信号的相互作用存在未被认知和未被发现的新机理，且目前对等离子体高动态引起的雷达回波幅度、相位起伏、多普勒展宽等现象缺乏认识和描述，给现有雷达可靠探测临近空间高速飞行器提出了挑战。

为了发展适用于高速目标等离子体与电磁波作用的自洽理论体系、揭示高速目标等离子体与电磁波/信号之间作用机理、探索缓解和突破“黑障”的通信途径，都迫切需要深入开展理论和地面实验研究。

对于高速目标等离子体电磁科学问题的研究，主要采用理论研究、地面实验、飞行试验三种基本研究手段。飞行试验可用于理论与技术验证，但是其成本高、变量解耦难、可重复性差，因此结合理论研究，开展模拟逼真度高，可重复性好的地面实验是揭示高速目标等离子特性、研究电磁波传播和通信探测问题的重要手段。

在以往的研究中，研究者们针对不同的等离子体研究对象，研制了各种类型的实验装置。高速目标等离子体电磁科学实验主要是借助气动力、热研究装置进行，采用大型激波管、高温电弧风洞等手段来模拟高速目标等离子体。这些实验装置有效地模拟了高速高温流场，极大地推动了气动、力学、热学和材料学等方面的研究，在高速目标等离子体电磁波传播特性方面的研究中也起到重要作用，取得了一批关键的数据。但是，随着对高速目标等离子体电磁科学问题研究的深入，现有装置表现出了局限性，主要表现为：激波管依靠气体爆炸破膜的方式产生高速激波等离子体，其持续时间极短，限制了信号级时间尺度的研究，无法观测信号级时间尺度下的各种物理现象；等离子体风洞等用于气动力学和材料学研究的实验环境大多伴随冲击、烧蚀材料等不适应电子设备工作的条件，将可能在短时间内毁坏测试对象，还给电磁屏蔽和防绕射等措施带来极大困难；另外激波管和电弧风洞等实验环境中，等离子体的状态大多由诸多初始条件开环决定，不仅难以精确预测，更无法实时调整和调控，导致电磁观测实验状态重复性、可控性差，限制了实验观测的有效性。

随着从稳态等离子体电波传播研究到动态等离子体信号特性和目标特性研究的深化，迫切需要建立相关理论，模拟复现相应的电磁现象，获得大量实验数据。现有实验手段的不足极大地限制了等离子环境下电磁科学问题的深入研究，特别是面对上述无法解释的一系列电磁现象，迫切需要自行研制一套地面高速目标等离子体模拟实验装置，揭示新机理、发现新现象，为理论研究提供必要的研究平台和验证手段。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种临近空间高速目标等离子体电磁测量系统，平衡了真空应力、腔体尺寸和内部空间之间的矛盾，同时兼顾了等离子体电磁测量中的透射测量、散射测量和内部电磁场测量三种测量系统，使得电磁散射实验和透射实验能够同时配置，并且互不影响，解决了现有技术中存在的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种临近空间高速目标等离子体电磁测量系统，包括圆柱卧式的真空腔体，等离子体进入真空腔体的喷口平面不能和真空腔体端面共面；真空腔体内底部安装有平行于真空腔体轴线的三组下导轨，真空腔体顶部安装有平行于真空腔体轴线的上导轨；透射测量系统的收发天线分别架设于两侧边的下导轨上，透射测量系统的收发天线对称架设且能够沿等离子体轴线方向和径向二维移动，透射测量系统的收发天线高度和等离子体轴线平齐；散射测量系统的待测目标架设于中间的下导轨上，散射测量系统的收发天线均架设于上导轨上；内部电磁场测量系统的发射天线架设于两侧边的任意一组下导轨上，接收电磁场的电场/磁场探针架设于中间的下导轨上。

本发明的有益效果是：

1.本发明真空腔体使用卧式圆形的结构，平衡了腔体的真空应力、腔体尺寸和内部空间之间的矛盾；通过电磁散射测量所需要的远场条件，精确计算腔体半径，再通过高速等离子体流场特点，确定真空腔体的长度。

2.本发明在真空腔体内部合理配置电磁测量系统的测量设备，兼顾等离子体电磁测量中的透射测量、散射测量和内部电磁场测量三种测量系统，使得电磁散射实验和透射实验可以进行同时配置，并且互不影响。

3.根据真空腔体内金属壁在电磁散射实验时的电流分布，合理铺设吸波材料，满足电磁散射实验环境。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的总体架构示意图。

图2是本发明实施例的结构框图。

图3a-3d是本发明实施例中真空腔体应力分析图。

图4是本发明实施例中远场测量条件曲线。

图5a是本发明实施例中真空腔体的正视图。

图5b是本发明实施例中真空腔体的左视图。

图6a是本发明实施例中喷口锥台的结构示意图。

图6b是本发明实施例中喷口锥台与真空腔体、喷管的连接示意图。

图7是本发明实施例中透射测量系统框图。

图8是本发明实施例中测量系统微波暗室架构与系统组成测量系统。

图9是本发明实施例中测量系统示意图。

图10是本发明实施例中散射测量和透射测量配置图。

图11是本发明实施例中内部电磁场测量配置图。

图12是本发明实施例中真空腔体剖面图。

图13是本发明实施例中喷口和扩压器遮挡吸波材料示意图。

图14是本发明实施例中电磁仿真电流分布。

图15a是本发明实施例中吸波材料总体铺设位置的立体图。

图15b是本发明实施例中吸波材料总体铺设位置的正视图。

图中，1.控制系统，1.1.综合控制模块，1.2.运行优化模块，2.产生系统，2.1.进气检测调控模块，2.2.初级检测调控模块，2.3.次级检测调控模块，2.4.磁控检测调控模块，3.诊断系统，3.1.非接触式诊模块，3.2.接触式诊断模块，3.3.集成诊断模块，4.电磁测量系统，4.1.电场测量系统，4.2.磁场测量系统，411.多功能数字信号发生器，412.宽带上变频器，413.宽带功率放大器，414.透射测量发射天线，415. 透射测量接收天线，416.宽带低噪声放大器，417.宽带下变频器，418.宽带高速记录器，422.时码器，423.高稳频率基准源，424.直流稳压电源，425.GPS/北斗天线，4.3.透射测量系统，4.4.散射测量系统，4.5.集成与存储系统，5.气罐，6.真空腔体，6.1.上导轨，6.2.下导轨，6.3.目标支架，7.真空泵组，8.冷却泵组，9.调控模块，10.喷口锥台，11.喷口锥台法兰，12.船舱机构法兰，13.门，14.扩压器法兰，15.相机开窗，16.预留法兰，17.电气接口，18.实验支撑平板，19.激光诊断开窗，20.喷管法兰，21.喷管，22.吸波体，23.电磁场测量发射天线，24.二维移动平台，25.电场/磁场探针，26.扩压器，27.导轨伺服驱动模块，28.工控机，29.数据存储与分析处理模块，30.显示模块，31.隔离模块，32.矢量网络分析仪，33.制冷及伺服控制系统，34.散射测量发射天线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例一种临近空间高速目标等离子体电磁测量系统，如图1-2所示，由高速目标等离子体的控制系统1、高速目标等离子体的产生系统2、等离子体参数的诊断系统3、等离子体的电磁测量系统4组成；通过产生系统2和控制系统1产生模拟临近空间高速目标等离子体，再通过诊断系统3、电磁测量系统4对目标等离子体进行诊断、测量，从而进行电磁科学研究。

产生系统2包括进气段、初级电离段、加速段、次级电离加速段、磁控段、试验段、收集扩散降温段，收集扩散降温段包括真空泵组7、冷却泵组8。产生系统2产生的高速目标等离子体通过喷管21喷至真空腔体6内，真空腔体6为整个等离子体诊断和电磁科学研究的试验提供所需的实验环境。真空腔体6是临近空间高速目标等离子体电磁测量系统的试验段，为目标等离子体产生以及电磁测量所需的基础平台，研制ICP等离子体产生装置、真空暗室等，在真空腔体6（真空暗室）内形成具有圆形截面或矩形截面，且电子密度非均匀性可控的亚声速/超声速等离子体，为开展电磁实验准备条件。

控制系统1包括综合控制模块1.1、运行优化模块1.2，起到协调各类测量设备运行作用；进气检测调控模块2.1、初级检测调控模块2.2、次级检测调控模块2.3、磁控检测调控模块2.4、调控模块9分别用于检测调控进气段、初级电离段、次级电离加速段、磁控段、收集扩散降温段。

诊断系统3包括非接触式诊模块3.1、接触式诊断模块3.2、集成诊断模块3.3。

临近空间高速目标等离子体的电磁测量系统4主要有三个子系统组成：等离子体的透射测量系统4.3、等离子体的散射测量系统4.4、等离子体的内部电磁场测量系统，等离子体的内部电磁场测量系统包括电场测量系统4.1、磁场测量系统4.2。高速目标等离子体的动态特性对电磁波传播特性有明显的影响，主要表现为等离子体的随机动态性影响电磁波传播的幅/相特性，体现出一种具有乘性干扰的信道特性。

本发明实施例的真空腔体6采用圆柱卧式布局，应力分析见图3a-3d；这种结构和布局有以下优点：（1）加工相对简单，承压较高，加强筋较少，成本较低；（2）沿中心轴对称结构方便光学三维诊断相机位置布置；（3）较低反射电平，吸波材料使用较少。通过真空腔体6应力分析可以看到，圆柱腔体两个端面承受较大力，故需要在两个端面布置加强筋。同时，为了减小对腔体地面压强，需要为真空腔体6设计鞍座以便放置在场地中。

散射测量和透射测量配置如图8、10所示，真空腔体6内底部安装有平行于真空腔体6轴线的三组下导轨6.2，真空腔体6顶部安装有平行于真空腔体6轴线的上导轨6.1；透射测量发射天线414和透射测量接收天线415分别架设于两侧边的下导轨6.2上，透射测量系统4.3的收发天线对称架设且能够沿等离子体轴线方向和径向二维移动，透射测量系统的收发天线高度和等离子体轴线平齐；散射测量系统4.4的待测目标架设于中间的下导轨6.2上，散射测量发射天线34和接收天线均架设于上导轨6.1上；这种配置使得电磁散射实验和透射实验可以同时进行配置，并且互不影响。

如图7、10所示，透射测量系统4.3包括多功能数字信号发生器411、宽带上变频器412、宽带功率放大器413、透射测量发射天线414、透射测量接收天线415、宽带低噪声放大器（LNA）416、宽带下变频器417、宽带高速记录器418、时码器422、高稳频率基准源423、直流稳压电源424等。其中透射测量发射天线414、透射测量接收天线415、宽带低噪声放大器416、宽带功率放大器413安装布置于真空腔体6内部，其它设备位于真空腔体6外。

多功能数字信号发生器411，用于产生相应体制的1.5G中频信号；

宽带上变频器412，用于将1.5G中频信号变频为1.5G~40G的信号；

宽带功率放大器413，用于将1.5G~40G的信号放大后输送至透射测量系统的发射天线414；

透射测量发射天线414，用于发射射频信号；

透射测量接收天线415，用于接收穿过等离子体的射频信号；

宽带低噪声放大器416，用于将接收的射频信号进行放大，并输送至宽带下变频器417；

宽带下变频器417，用于将信号变频为中频信号；

宽带高速记录器418，用于将大动态范围中频信号高速采集、存储记录；

时码器422，用于为系统提供统一的时间基准；

GPS/北斗天线425，用于授时，作为时间基准；

高稳频率基准源423，用于为系统提供10MHz的频率基准信号；

网络交换机421，用于设备之间网络通信；

直流稳压电源424，用于为宽带功率放大器413、宽带低噪声放大器416提供电源。

等离子体的透射测量系统4.3可产生多种体制测控通信信号，包括多种调制体制和多种编码方式。系统可输出1.5~40G的宽频带信号进行试验。根据不同的信号体制，进行不同范围的多普勒模拟输出，模拟实际的动态信号穿透等离子体的试验。系统可提供线极化方式的发射和接收。发射、接收端天线均可发射、接收线极化信号。系统可控制天线在保持焦距不变的情况下在空间中移动，测量天线不同位置情况下的接收信号。

高速目标等离子体的动态特性对电磁波散射特性有明显的影响，主要表现为雷达探测出现假目标、雷达回波异常、目标异常展宽、ISAR像散焦等现象。测量雷达硬件平台拟以高性能矢量网络分析仪为核心构建，高性能矢量网络分析仪可发射覆盖多个频段的宽带扫频信号，可同时接收单路/多路扫频回波信号，采用同一本振实现回波信号的混频，具有极高的相位一致性精度，发射功率范围可调，系统灵敏度高，动态范围大，可满足对等离子体包覆目标电磁散射特性的高精度测量需要。

如图8、10所示，散射测量系统4.4包括真空腔体6（超宽带高性能微波屏蔽暗室）、矢量网络分析仪32、天线扫描架及伺服驱动模块27、标准喇叭天线、制冷系统（用于高温环境下的设备冷却）、目标支架6.3以及配套的待测目标、系统控制与工控机28等。

矢量网络分析仪32，用于发射覆盖多个频段的宽带扫频信号，同时接收单路/多路扫频回波信号，采用同一本振实现回波信号的混频；

宽带低噪声放大器416，用于将接收的射频信号进行放大，并输送至散射测量发射天线34；与透射测量系统4.3中的宽带低噪声放大器416功能相同，但是不是同一个设备；

标准喇叭天线包括散射测量发射天线34和接收天线，散射测量发射天线34，用于发射雷达信号；接收天线，用于接收经等离子体散射的信号，并输送至矢量网络分析仪；散射测量系统的收发天线距离大于等于3m；

天线扫描架安装于上导轨6.1；

被测目标位于真空腔体6中心前部等离子体射流喷口附近，被测目标被目标支架6.3所承托和固定，目标支架6.3为可升降式，安放在真空腔体6底部并沿腔体轴线位置可调，目标支架6.3的位置和升降可手动控制也可由仪器控制单元自动控制。测量雷达天线通过上导轨6.1安置于真空腔体6顶部，其位置可沿真空腔体6顶部水平轴线方向调整和运动，并通过圆弧导轨可沿真空腔体6圆周弧线方向运动，完成对目标区域的二维角度扫描。

等离子体是一种复杂的准电中性电磁介质，与电磁波的作用机制丰富而多样，不仅表现在等离子体对不同波段电磁波的宽域色散效应，而且电磁波还能够诱发等离子体多种效应，产生多种具有宽参数分布范围的电磁过程，包括模式激发、传播、模式转化和能量吸收等诸多复杂过程。高速目标等离子体具有高碰撞、非均匀、高动态、宽参数、长时间等特征。其中高碰撞下可能导致经典线性电磁理论失效，等效介质理论模型需要修正；飞行器姿态、大气环境、防热材料烧蚀产物随机扩散及湍流的发展等引发的高动态特性，不仅引起电磁波传播过程中的散射、耗散、畸变，干扰信号的调制特性，还会激发等离子体的不稳定性，空间色散、折射、绕射、模式转换等过程都会受到影响，引起新的电磁效应。所以，电磁波在其中的传播和吸收不能用传统的均匀、准稳态等离子体模型来描述，如何分析和理解电磁波和高速目标等离子体相互作用的物理过程是目前国际上的前沿问题。等离子体内部电磁场测量将电场磁场探针伸入等离子体内部进行测量，实验装置可以帮助深入、系统地研究高速目标等离子体中电磁波的传播、共振发射与吸收以及模式转换等一系列基础物理问题。为了深入、系统地研究高速目标等离子体中电磁波的传播、共振发射与吸收以及模式转换等一系列基础物理问题，本发明拟利用多端口矢量网络分析仪和电场/磁场探针，测量电/磁场在空间不同位置的场强幅度/相位/极化/波阻抗信息。从而得到等离子体内电磁波能量吸收、模式转化、传播规律等现象，从而支持这些现象的实验研究。

如图9、11所示，内部电磁场测量系统的发射天线架设于两侧边的任意一组下导轨6.2上，接收电磁场的电场/磁场探针25通过二维移动台24安装于中间的下导轨6.2上；使其可以伸入等离子体内，发射天线和电场/磁场探针均可以在对应导轨上进行二维移动。电磁场测量系统，包括电场测量系统4.1和磁场测量系统4.2，采用双端口的矢量网络分析仪32为核心进行系统搭建，矢量网络分析仪32的一端口接电场/磁场探针25，矢量网络分析仪32的另一端口接电磁场测量发射天线23，对两个端口的散射矩阵进行测量，通过移动和排列电场/磁场探针25，反推出电磁场的分布和传播特性，包括极化、空间分布、波阻抗等信息。

隔离模块31，用于通过高通滤波器对电场/磁场探针25输出射频数据的低频电压进行隔离，通过低噪声放大器对微弱电磁信号进行放大。

电磁测量系统4还包括：

伺服驱动模块27，用于驱动安装于上导轨6.1、下导轨6.2的测量设备完成对应的运动轨迹；

工控机28，用于接收宽带高速记录器418、矢量网络分析仪32的数据，通过数据存储与分析处理模块29对数据进行综合分析处理，通过显示模块30显示处理结果，对信号进行监控和分析处理。工控机28向伺服驱动模块27发送控制指令，例如工控机可以通过导轨伺服驱动模块27控制二维移动台24移动，进而控制电场/磁场探针25的运动轨迹。

本发明将测量配置分为两组，一组为等离子体透射测量和散射测量配置，透射测量和散射测量可以同时进行，另一组为等离子体内部电磁场测量；进行透射和散射测量时，内部电磁场测量的设备可以移动至真空腔体6一侧，不干扰等离子体也不干扰散射透射设备；同时，散射测量设备和透射测量设备由于其位置设置合理，不会干扰内部电磁场设备的正常使用。

三种测量系统共同使用真空腔体6作为测量环境，将三个测量系统合理科学的在真空腔体内进行配置，使得三个测量系统分别各自正常运行；满足了透射测量的收发天线分别放置在等离子体两侧，收发天线可以沿着等离子体轴线方向和径向方向二维移动。散射测量的收发天线放置在等离子体同侧，需要距离大于等于3m，收发天线同时沿着等离子体轴向移动，等离子体内部需要放置散射测量目标，目标需要沿着等离子体轴线方向和径向方向二维扫描。内部电磁场测量的：发射天线在等离子体一侧方向，可以沿着等离子体轴线方向和径向方向二维移动，电磁场测量探针在等离子体内部，也可以沿着等离子体轴线方向和径向方向二维扫描。

真空腔体6的半径主要由电磁测量中散射测量所需要的远场条件所决定。远场条件：测量频率为f、测量距离R、目标尺寸D有关，远场条件为R>2D2f/c，c表示光速。

将测量距离R（真空腔体6前端面与后端面之间的距离）固定设置为3m，图4中实曲线为3=2D2f/c中D（纵轴）和频率f（横轴）关系曲线，曲线上方为R<2D2f/c，不满足远场条件，曲线下方为R>2D2f/c，满足远场条件；虚曲线为光学区测量曲线，光学区测量曲线之下，目标和电磁波波长比拟，和实际RCS测量情况有较大差距，不满足测量条件，所以虚曲线和实曲线之间部分为远场电磁散射测量可用目标尺寸范围，若测量距离减小，实曲线沿着y轴下降，目标尺寸D上限将小于等离子体半径0.2m。所以，综合等离子体尺寸和测量频率范围，选定3m为散射测量基本距离要求，考虑到吸波材料和天线本身尺寸，真空腔体6的半径选择3.5m较为合适，大了真空泵能力不够，小了不满足远场条件。

若将等离子体喷口和扩压器26放置在圆柱体轴线之下，可以延长散射测量可用距离，但是这会导致多部三维成像相机和等离子体之间距离不统一，故等离子体喷口和扩压器26仍然放置在沿轴线位置较为合适。

真空腔体6的轴线长度主要由等离子体产生尺寸和扩压器26的收集性能决定，首先等离子体喷口平面不能和圆柱暗室端面共面，等离子体喷口需要向暗室内部伸出一部分，大致0.5m即可。同时扩压器26和等离子体喷口有距离要求，约为2m，超过此距离将会影响真空环境的建立。故选择3m作为暗室轴线长度；故腔体尺寸为DN7000×3000mm。

如图4、图5a-5b、图6a-6b，等离子体进出真空腔体6的等离子体喷口平面不能和真空腔体6端面共面，等离子体喷口通过圆形的喷口锥台10伸入真空腔体6内的距离b为0.5m，这样的设计主要基于以下考虑：（1）对于电磁测量中的散射测量，被测对象（等离子体及其包覆的目标）位置，即静区位置，需要在整个真空腔体6较为中心的区域，但是等离子体产生长度最小仅约为100mm，若喷口平面和腔体端面共面，测量用收发天线将距离腔体端面过近，被测对象也将远离腔体中心位置，这样会对电磁测量有较大影响，故等离子体喷口需伸入腔体内。考虑到安装方便等因素，伸入腔体内的结构设计成喷口锥台10，喷口锥台10的大底通过喷口锥台法兰11和真空腔体6端面连接，喷口锥台10的小底通过喷管法兰20和喷管21连接。（2）由于喷口锥台10同高温等离子体喷口直接机械连接，同时距离高温等离子体温度较近，故采用夹层水冷对喷口锥台10进行冷却。（3）考虑到对等离子体磁调控系统的影响，喷口锥台10采用316L无磁不锈钢作为材料。

真空腔体6内吸波材料铺设设计：

由于真空腔体6使用金属不锈钢材料，电磁测量实验中，由于金属壁对电磁波的散射，会对电磁测量产生较大影响，尤其是散射测量，会降低测量精度，常用微波暗室中需要对暗室壁进行吸波材料的铺设，然而由于等离子体的高温特性，在等离子体喷口周围大面积铺设吸波材料是不切实际的，所以需要在距离等离子体喷口中心一定距离的位置铺设吸波材料，尽可能减小高温对材料的烧蚀。

首先通过图12的剖面图可以看到，最大的散射源是扩压器26和喷口锥台10，于是首先需要使用吸波材料对喷口和喷口锥台10进行遮挡，经过实际测量，将吸波体22铺设在距离喷口1.2m的圆弧位置，吸波体22采用吸波材料制得，具有足够的耐温，如图13所示。

在遮挡的基础上进行电磁仿真，如图14所示，上部的小方框为散射测量发射天线34，可以看到，在腔体壁中线以下的地面、侧壁和端面，具有较强电流分布，于是总体的铺设方案为将真空腔体6中轴线之下全部铺设吸波体22，见图15a-15b。

本发明的优势：

1.真空腔体6使用卧式圆形的结构，可以有效地兼顾腔体的真空应力、腔体尺寸和内部空间之间的矛盾；通过电磁散射测量所需要的远场条件，精确计算腔体半径，在通过高速等离子体流场特点，确定真空腔体6的长度，需要满足电磁测量中散射测量的远场条件，同时必须保证腔体整体结构满足整体系统要求。

2.由于等离子体的透射测量、散射测量和内部电磁场测量需求不同，均需要较好的收发天线安装位置，但是真空腔体6内空间有限；现有临近空间高速目标等离子体电磁测量系统难以兼顾三种测量系统；本发明通过合理设计腔体结构和尺寸、增设上下导轨、合理布置收发天线，使得真空腔体6的内部合理配置，兼顾等离子体电磁测量中的透射测量、散射测量和内部电磁场测量三种测量系统，使得电磁散射实验和透射实验可以同时进行同时配置，并且互不影响；研究等离子体包覆目标的散射特性同时，研究电磁波在其中的投射特性，和电磁波在内部传播规律。

3. 高温环境使得正常铺设吸波材料变得很难实现；本发明根据真空腔体6内金属壁在电磁散射实验时的电流分布，合理铺设吸波材料，满足电磁散射实验环境，同时尽量减小了吸波材料铺设面积；本发明不同于常规电磁测量，高温使得吸波材料无法正常铺设，腔体结构受等离子体发生装置较大限制，同时需要协调多种测量设备布置，设计难度较大。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种临近空间高速目标等离子体电磁测量系统，其特征在于，包括圆柱卧式的真空腔体（6），等离子体进入真空腔体（6）的喷口平面不能和真空腔体（6）端面共面；真空腔体（6）内底部安装有平行于真空腔体（6）轴线的三组下导轨（6.2），真空腔体（6）顶部安装有平行于真空腔体（6）轴线的上导轨（6.1）；透射测量系统的收发天线分别架设于两侧边的下导轨（6.2）上，透射测量系统的收发天线对称架设且能够沿等离子体轴线方向和径向二维移动，透射测量系统的收发天线高度和等离子体轴线平齐；散射测量系统的待测目标架设于中间的下导轨（6.2）上，散射测量系统的收发天线均架设于上导轨（6.1）上；内部电磁场测量系统的发射天线架设于两侧边的任意一组下导轨（6.2）上，接收电磁场的电场/磁场探针（25）架设于中间的下导轨（6.2）上。

2.根据权利要求1所述的一种临近空间高速目标等离子体电磁测量系统，其特征在于，所述透射测量系统包括：

多功能数字信号发生器（411），用于产生相应体制的1.5G中频信号；

宽带上变频器（412），用于将1.5G中频信号变频为1.5G~40G的信号；

宽带功率放大器（413），用于将1.5G~40G的信号放大后输送至透射测量系统的发射天线（414）；

透射测量发射天线（414），用于发射射频信号；

透射测量接收天线（415），用于接收穿过等离子体的射频信号；

宽带低噪声放大器（416），用于将接收的射频信号进行放大，并输送至宽带下变频器（417）；

宽带下变频器（417），用于将信号变频为中频信号；

宽带高速记录器（418），用于将大动态范围中频信号高速采集、存储记录；

时码器（422），用于为系统提供统一的时间基准；

高稳频率基准源（423），用于为系统提供频率基准信号；

直流稳压电源（424），用于为宽带功率放大器（413）、宽带低噪声放大器（416）提供电源。

3.根据权利要求1所述的一种临近空间高速目标等离子体电磁测量系统，其特征在于，所述散射测量系统包括：

矢量网络分析仪（32），用于发射覆盖多个频段的宽带扫频信号，同时接收单路/多路扫频回波信号，采用同一本振实现回波信号的混频；

低噪声放大器，用于将接收的射频信号进行放大，并输送至散射测量系统的发射天线；

散射测量发射天线（34），用于发射雷达信号；

散射测量接收天线，用于接收经等离子体散射的信号，并输送至矢量网络分析仪（32）。

4.根据权利要求1所述的一种临近空间高速目标等离子体电磁测量系统，其特征在于，所述散射测量系统的收发天线距离大于等于3m。

5.根据权利要求1所述的一种临近空间高速目标等离子体电磁测量系统，其特征在于，所述内部电磁场测量系统包括：

多端口的矢量网络分析仪（32），一端口接电场/磁场探针（25），二端口接电磁场测量发射天线（23），对两个端口的散射矩阵进行测量，通过移动和排列电场/磁场探针（25），反推出电磁场的分布和传播特性；

隔离模块（31），用于通过高通滤波器对磁场探针输出射频数据的低频电压进行隔离，通过低噪声放大器对微弱电磁信号进行放大。

6.根据权利要求2、3或5所述的一种临近空间高速目标等离子体电磁测量系统，其特征在于，还包括：

伺服驱动模块（27），用于驱动安装于上导轨（6.1）、下导轨（6.2）的测量设备完成对应的运动轨迹；

工控机（28），用于接收宽带高速记录器（418）、矢量网络分析仪（32）的数据，对数据进行综合分析、存储及显示；并向伺服驱动模块（27）发送控制指令。

7.根据权利要求1所述的一种临近空间高速目标等离子体电磁测量系统，其特征在于，所述等离子体喷口向真空腔体（6）内部伸入的结构为喷口锥台（10），喷口锥台（10）的大底通过喷口锥台法兰（11）和真空腔体（6）端面连接，喷口锥台（10）的小底通过喷管法兰（20）和喷管（21）连接；喷口锥台（10）设有夹层，通过冷却介质的方式进行冷却。

8.根据权利要求1所述的一种临近空间高速目标等离子体电磁测量系统，其特征在于，所述真空腔体（6）的半径由散射测量所需要的远场条件决定，远场条件为R>2D2f/c，其中，c表示光速，f表示测量频率，R表示测量距离，D表示目标尺寸。

9.根据权利要求1所述的一种临近空间高速目标等离子体电磁测量系统，其特征在于，所述真空腔体（6）的轴线长度由等离子体产生尺寸和扩压器（26）决定，等离子体喷口向真空腔体（6）内部伸入0.5m，同时扩压器（26）和等离子体喷口的距离为2m。

10.根据权利要求1所述的一种临近空间高速目标等离子体电磁测量系统，其特征在于，所述被测目标通过目标支架（6.3）承托和固定，目标支架（6.3）为可升降式，安放在真空腔体（6）底部并能够沿真空腔体（6）轴线运动。

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