CN113848392A - 基于激波管的多频点低频电磁波传播特性测量装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于激波管的多频点低频电磁波传播特性测量装置及试验方法，包括：激波管，用于产生激波，激波电离气体形成等离子体；低频电磁复合探头感知等离子体影响下的多频点低频电磁波信号，输出低频电场信号和低频磁场信号；多频点发射装置，用于产生并向外辐射多频点低频电磁波信号；多频点接收测量装置，用于通过处理波形数据获得多频点低频电磁波的传播特性；等离子体诊断装置，用于测量等离子体的电子密度、碰撞频率和激波速度。本发明基于激波管的多频点低频电磁波传播特性测量装置及试验方法实现了多频点低频电磁波的电场分量与磁场分量同位置同时测量，提高了激波等离子体参数的试验条件一致性，提高了激波管实验的测量效率。
Description
技术领域
本发明属于电磁特性测量技术领域，涉及基于激波管的多频点低频电磁波传播特性测量装置及试验方法。
背景技术
激波管是一种利用压差产生激波的试验装置，高速前进的激波压缩低压区的气体，产生期待马赫数的高温等离子体流场，激波管是实验研究电磁波与等离子体相互作用的重要试验装置。现有的电磁波与等离子体相互作用的激波管试验研究主要在微波频段(300MHz-3000GHz)开展，通常接收并测量微波的电场分量信号以获得该频段的传播特性。
近些年低频电磁波在等离子体中的传播特性受到学者们关注(低频电磁波频率范围覆盖0.1至50MHz)。理论发现当低频电磁波频率fc远低于等离子体的碰撞频率ve，等离子体尺寸远小于低频电磁波波长时，低频电磁波的磁场分量与电场分量的传播特性不再相同，低频电磁波的磁场分量在等离子体鞘套中衰减远低于其电场分量衰减。高透射能力的低频磁场分量有望在飞行器黑障段传递关键信息，然而该理论仍未在实际高超声速等离子体环境中得到证实。因此，基于激波管实验装置产生的高超声速等离子体，有待开展激波管实验研究低频频段(0.1MHz～50MHz)电磁波与等离子体的相互作用。
然而，现有微波频段的激波管实验装置并不适用于低频电磁波频段。由于低频电磁波的波长大(长达数十米)，首先难以用小尺寸聚焦天线实现定向传输；其次难以在激波管的有限空间内设计电磁屏蔽结构，低频电磁波会绕射传播；再次小口径的透波窗口与金属激波管管壁引起截止波导效应，在截止频率以下的低频电磁波被截止无法穿透透波窗口与等离子体。因此，本申请需要对现有的激波管实验装置及结构进行改进，以适应低频电磁波的传播特性测量要求。
为了开展激波管实验研究低频电磁波与等离子体的相互作用，低频电磁波传播特性的激波管实验装置和实验方法被提出。理论研究表明，低频电磁波传播特性需要解耦为低频电场传播特性与低频磁场传播特性。因此，在低频电磁波频段进行激波管试验时需要将低频电磁波解耦为低频电场与低频磁场，以分开独立地感应低频电场与低频磁场在等离子体中的变化信号，并分别对其进行测量。然而，现有测量低频电磁波传播特性的激波管实验装置或者只提供测量低频磁场的低频磁场探头，没有可测量低频电场的装置，导致不能测量低频电场的传播特性；或者在激波管内两个不同位置分别安装感应低频磁场和低频电场的传感器，这种安装方式不仅需要额外增加安装位置，还会存在两路传感器的测试条件不同造成的测试时间偏差的问题，导致无法精确地获得低频电磁波在等离子体中的传播特性。
现有测量低频电磁波传播特性的激波管实验方法中，一次试验只能测量一个频点的低频电磁波在等离子体中的传播特性，若要测量多个频点的低频电磁波在等离子体中的传播特性必须开展多次激波管试验，这使得现有实验方法的测量效率极低。中国专利CN108229067A指出，激波管等离子体是通过激波压缩低压区被驱动段的气体产生的，在激波管试验中等离子体流场具有随机性与不均匀性。虽然每次试验的激波管初始条件相同，但是每次试验中耦合随机性不均匀性的等离子体流场是不相同的，导致现有的测试方法无法保证每次试验的等离子体状态参数的试验条件一致性，使得测量实验结果除了存在不同低频电磁波频点的影响外，还存在每个时刻下不同等离子体电子密度、碰撞频率的影响，测量实验结果只能在时域中定性地比较每个频点下低频电磁波的峰值衰减和峰值相移。
综合上述，目前测量低频电磁波与等离子体相互作用的激波管测量装置及实验方法，不能解决等离子体参数的试验条件一致性的问题，也不能解决在同一位置同时测量低频电场和低频磁场的问题，因此，需要在现有测量装置及试验方法上都进行重要改进，以提供测量低频电磁波与等离子体相互作用的适应性装置及方法。
发明内容
为了达到上述目的，本发明实施例提供一种基于激波管的多频点低频电磁波传播特性测量装置及试验方法，根据频分复用原理同时发射多个频点叠加的低频电磁波，让该多频点低频电磁波同时穿过共用相同的激波等离子体，低频电磁复合探头同时接收多频点低频电场分量与低频磁场分量，根据所提的试验方法获得多频点低频电磁波的传播特性，本发明实现了多频点低频电磁波的电场分量与磁场分量同位置同时测量，提高了激波等离子体参数的试验条件一致性，提高了激波管实验的测量效率，克服了现有试验方法中多次试验造成的激波等离子体状态不一致的问题，以及不能在同一位置同时测量低频电场和低频磁场的问题。
本发明实施例所采用的技术方案是，基于激波管的多频点低频电磁波传播特性测量装置，包括：
激波管，用于产生激波，激波电离气体形成等离子体，建立低频电磁波传播路径与通道；
低频电磁复合探头，用于感知等离子体影响下的多频点低频电磁波信号，输出低频电场信号和低频磁场信号；
多频点发射装置，用于产生并向外辐射多频点低频电磁波信号；
多频点接收测量装置，用于接收输出的低频电场信号和低频磁场信号，记录低频电场信号与低频磁场信号的波形数据，并通过处理波形数据获得多频点低频电磁波的传播特性；
等离子体诊断装置，用于测量等离子体的电子密度、碰撞频率和激波速度。
进一步地，激波管设有驱动段，被驱动段以及透波试验段，低频电磁复合探头被安装于透波试验段内部；低频电磁复合探头，包括金属头部、透波弹体、低频电场磁场感应计；透波弹体的内部中空，安装低频电场磁场感应计；低频电场磁场感应计由磁芯、闭合金属线圈、双层金属圆柱形板构成；低频电场磁场感应计的中心为磁芯，磁芯表面缠绕闭合金属线圈，闭合金属线圈外侧包裹侧面留有缝隙开口的双层金属圆柱形板。
更进一步地，透波弹体为流线型弹体形状，为透波材料制成。
更进一步地，双层金属圆柱形板包括内层金属圆柱形板和外层金属圆柱形板，内层金属圆柱形板贴近闭合金属线圈，外层金属板位于内层金属圆柱形板的外侧；其中内层金属圆柱形板接地，外层金属圆柱形板用于感应低频电场。
进一步地，低频电磁复合探头包括两路输出，一路输出低频电场信号，一路输出低频磁场信号。
进一步地，多频点发射装置，包括信号源与宽带低频发射天线；信号源，通过射频电缆电性连接宽带低频发射天线，用于产生n个频点的低频电磁波信号激励宽带低频发射天线；宽带低频发射天线，用于接收信号源发送的多频点低频电磁波信号，并向外辐射多频点低频电磁波。
进一步地，多频点接收测量装置，包括依次连接的低噪声放大器、多通道记录仪、计算机；低噪声放大器，通过射频电缆电性连接低频电磁复合探头的两个输出；多通道记录仪通过射频电缆电性连接低噪声放大器；计算机与多通道记录仪信号连接，用于处理多通道记录仪记录的低频电场信号与低频磁场信号的波形数据，获得多频点低频电磁波的传播特性。
本发明的另一发明目的，在于提供一种上述基于激波管的多频点低频电磁波传播特性测量装置的试验方法，包括以下步骤：
步骤1，通过射频电缆电性连接多频点发射装置的信号源和宽带低频发射天线，设置信号源输出n个频点低频电磁波信号，激励宽带低频发射天线，宽带低频发射天线辐射多频点低频电磁波；
步骤2，多频点低频电磁波穿过透波试验段，低频电磁复合探头感应多频点低频电磁波，输出低频电场信号和低频磁场信号；
步骤3，多频点接收测量装置的低噪声放大器放大低频电场信号与低频磁场信号，多通道记录仪设置为连续工作模式，并显示低频电场信号波形与低频磁场信号波形；
步骤4，将多通道记录仪与等离子体诊断装置调整为触发模式，等待激波管点火开始实验；
步骤5，激波管点火，驱动段的高压气体爆炸，在被驱动段产生激波，激波沿着被驱动段前进同时产生触发信号，激波在低频电磁复合探头周围形成包裹的等离子体，低频电磁复合探头感应等离子体影响的多频点低频电磁波；
步骤6，触发信号分别传给多通道记录仪与等离子体诊断装置，多通道记录仪记录等离子体影响的低频电场信号波形、低频磁场信号波形与触发信号波形，等离子体诊断装置测量电子密度、碰撞频率、激波速度；
步骤7，计算机读取多通道记录仪记录的低频电场信号波形、低频磁场信号波形，令i＝1，i≤n，建立频点为fi＝f1的同相参考信号r1(t)和正交参考信号r2(t)，处理低频电场信号和低频磁场信号，提取频点为fi的低频磁场信号和低频电场信号；
步骤8，将步骤7得到的提取频点为fi的低频磁场信号和低频电场信号的衰减、相移、功率谱组成频点为fi的低频电磁波传播特性；
步骤9，令i*＝i+1，判断i*与n的大小，当i*<n时，循环步骤7～步骤8，处理下一个频点的低频电磁波传播特性，直到i*>n时存储数据并结束。
进一步地，步骤1中，低频电磁波信号的数学表达式为
s(t)为发射的低频电磁波信号，t表示时刻，单位为s，i表示频点的编号，n表示频点的个数，fi为第i个频点信号的频率，单位为Hz。
进一步地，步骤7中，处理低频电场信号和低频磁场信号，具体为
所述处理低频磁场信号时，把读取的低频磁场信号x(t)分别与同相参考信号r1(t)、正交参考信号r2(t)进行相乘运算，得到同相磁场混频信号y1(t)＝x(t)·r1(t)和正交磁场混频信号y2(t)＝x(t)·r2(t)；
将输出的同相磁场混频信号y1(t)和正交磁场混频信号y2(t)经过低通滤波器滤掉高频信号，即滤除两倍频点2fi信号，分别得到同相磁场滤波信号u1(t)和正交磁场滤波信号u2(t)，将u1(t)和u2(t)矢量相加，得到解调后的磁场信号
频点为fi的低频磁场信号的幅度为
频点为fi的低频磁场信号的相移为
同时其他频点的低频磁场信号经过相乘运算、低通滤波后被当作干扰信号抑制掉；
利用功率谱估计方法获得频点为fi的低频磁场信号的功率谱特性，其中功率谱估计方法包括周期图法、平均周期图法、自相关函数法中的任一种；
低频电场信号的处理过程除处理信号为低频电场信号，其余均与低频磁场信号的处理过程相同。
本发明的有益效果是：
(1)低频电磁波的电场磁场分量同位置同时测量：本申请提出了新型低频电磁复合探头，该探头在现有测量装置中引入感应电场的双层圆柱形板，双层圆柱形板留有缝隙开口能避免产生感应环流，从而在感应低频电场时不影响低频磁场的感应，实现了在一个探头上同位置同时测量低频电场与低频磁场。
(2)试验条件一致性：本申请提出了多频点低频电磁波传播特性试验方法，基于频分复用原理同时发射接收多个频点叠加的低频电磁波，让该多频点低频电磁波同时穿过共用的等离子体，实现在一次激波管试验中同时测量多频点低频电磁波传播特性，克服了现有试验方法中多次试验造成的激波等离子体状态不一致的问题，该试验方法保证了试验条件的一致性。
(3)时域频域下定量分析多个频点低频电磁波的传播特性：现有试验方法在测量多频点低频电磁波传播特性时，无法保证等离子体状态的一致性，只能在时域频域中定性比较每个频点低频电磁波传播特性，例如每个频点的峰值衰减和峰值相移。本发明使用多频点低频传播特性试验方法保证了等离子体状态的一致性，而且多频点低频电场/磁场数据处理方法获得了时域频域下多个频点的低频电磁波传播特性的试验数据，在时域频域下定量分析每个时刻的衰减特性、相移特性，以及整个试验期间的功率谱特性。
(4)提高测量效率：现有试验方法中一次激波管试验只能测量一个频点低频电磁波传播特性，而且为了产生相似的等离子体状态一个频点通常要开展3到5次试验。本发明采用多频点低频传播特性试验方法，在一次激波管试验中同时测量多个频点的低频电磁波传播特性，保证多个频点低频电磁波对应相同的等离子体状态，因此本发明的测量效率是现有试验技术的5倍以上。
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是本发明实施例多频点低频电磁波传播特性测量装置示意图。
图2是本发明实施例低频电磁复合探头的结构示意图。
图3是本发明实施例低频电磁复合探头的低频电场磁场感应计的结构示意图。
图4是本发明实施例多频点低频电磁波的传播特性的试验方法流程图。
图5是本发明实施例四频点低频电磁波在等离子体下的传播特性激波管测量试验示意图。
图6是本发明实施例四频点低频磁场的衰减相移特性曲线。
图7a是本发明实施例频点为1MHz的低频磁场的功率谱特性曲线。
图7b是本发明实施例频点为3MHz的低频磁场的功率谱特性曲线。
图7c是本发明实施例频点为10MHz的低频磁场的功率谱特性曲线。
图7d是本发明实施例频点为30MHz的低频磁场的功率谱特性曲线。
图中，100-激波管、200-低频电磁复合探头、300-多频点发射装置、400-多频点接收测量装置、500-等离子体诊断装置、110-驱动段、120-被驱动段、130-透波试验段、210-金属头部、220-透波弹体、230-低频电场磁场感应计、230-1-磁芯、230-2-闭合金属线圈、230-3-双层金属圆柱形板、230-4-缝隙开口、310-信号源、320-宽带低频发射天线、410-低噪声放大器、420-多通道记录仪、430-计算机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。
如图1所示，本申请提供一种基于激波管的多频点低频电磁波传播特性测量装置，包括：
激波管100，用于产生激波，激波电离气体形成等离子体，建立低频电磁波传播路径与通道；
低频电磁复合探头200，用于感知等离子体影响下的多频点低频电磁波信号，输出低频电场信号和低频磁场信号；
多频点发射装置300，用于产生并向外辐射多频点低频电磁波信号；
多频点接收测量装置400，用于接收输出的低频电场信号和低频磁场信号，记录低频电场信号与低频磁场信号的波形数据，并通过处理波形数据获得多频点低频电磁波的传播特性；
等离子体诊断装置500，用于测量等离子体的电子密度、碰撞频率和激波速度。
激波管100为金属管状结构，包括驱动段110和被驱动段120，驱动段110与被驱动段120由膜片隔开，激波管工作时，驱动段110的高压气体爆炸，在被驱动段120产生激波，激波前进至透波试验段130从而影响低频电磁波传播。具体来说，高压气源(例如H2，O2，N2)向驱动段110填充驱动气体，真空系统抽气被驱动段120气压直到指定气压为止。试验点火后，驱动气体发生爆炸并打破膜片，驱动气体快速膨胀，在被驱动段120形成高超声速的激波，激波前进过程中周围气体因高温高压电离形成高密度等离子体。被驱动段120远离驱动段110的末端设有一节管状的试验段，试验段整体由透波的特氟龙材料加工而成，简称为透波试验段130，电磁波能够从各个方向基本无损耗进入透波试验段130内部。低频电磁复合探头200能够在相同位置同时感应低频电磁波的电场分量和磁场分量，低频电磁复合探头200被固定于一个金属底座，这二者共同固定在透波试验段130的内部，使得低频电磁复合探头200位于透波试验段130的轴线位置，等离子体流场到来时完全包裹低频电磁复合探头200。
多频点发射装置300向自由空间同时辐射多频点低频电磁波，多频点低频电磁波从远距离传播至透波试验段130，穿透透波试验段130到达低频电磁复合探头200，低频电磁复合探头200感应多频点低频电磁波的电场分量与磁场分量，通过射频电缆输出一路低频电场信号与一路低频磁场信号。低频电场信号和低频磁场信号传递至多频点接收测量装置400，多频点接收测量装置400检测低频电场信号与低频磁场信号的幅度与相位，获得多频点低频电场和低频磁场的传播特性。在实验期间，等离子体诊断装置500测量电子密度、碰撞频率、激波速度。
多频点发射装置300，包括信号源310与宽带低频发射天线320；信号源310，通过射频电缆电性连接宽带低频发射天线320，用于产生n个频点的低频电磁波信号激励宽带低频发射天线320，低频电磁波信号的数学表达式为
s(t)为发射的低频电磁波信号，t表示时刻(单位为s)，i表示频点的编号，n表示频点的个数，fi为第i个频点信号的频率(单位为Hz)；本申请采用的信号源310包括波形发生器、射频/矢量信号源、模拟/数字频率合成器中的任一种；宽带低频发射天线320，用于接收信号源310发送的多频点低频电磁波信号，并向外辐射多频点低频电磁波。
激波管100设有透波试验段130，透波试验段130设有低频电磁复合探头200，低频电磁复合探头200包括两路输出，一路输出低频电场信号，一路输出低频磁场信号。低频电磁复合探头200，如图2所示，包括金属头部210、透波弹体220、低频电场磁场感应计230；金属头部210用于抵抗激波的冲击力；透波弹体220为流线型弹体形状，使得激波流场能够360度完全包裹住透波弹体220，由透波材料制成；透波弹体220的内部中空，安装低频电场磁场感应计230；低频电场磁场感应计230用于感应穿过透波试验段130、等离子体、透波弹体220的多频点低频电磁波信号；如图3所示，低频电场磁场感应计230由高磁导率的磁芯230-1(在0.1至50MHz频段内，相对磁导率要求大于10，磁导率越高接收灵敏度越高)、闭合金属线圈230-2、双层金属圆柱形板230-3构成；低频电场磁场感应计230的中心为高磁导率的磁芯230-1，磁芯230-1表面缠绕闭合金属线圈230-2，闭合金属线圈230-2外侧包裹侧面留有缝隙开口230-4的双层金属圆柱形板230-3，缝隙开口230-4的角度范围为20度～180度，缝隙开口230-4以双层金属圆柱形板230-3轴线圆心处为角度顶点，缝隙开口230-4的夹角为开口角度，当开口角度高于180度时，虽然不容易感应环流，但是由于金属圆柱形板230-3的表面积减小导致低频电场的测量灵敏度降低，因此需要在感应环流强度与低频电场测量灵敏度之间保持平衡，采用缝隙开口230-4角度大于20度小于180度范围；侧面留有缝隙开口230-4的双层金属圆柱形板230-3等效为电容器，用于感应低频电场并输出低频电场信号；双层金属圆柱形板230-3包括内层金属圆柱形板和外层金属圆柱形板，内层金属圆柱形板贴近闭合金属线圈230-2，外层金属圆柱形板位于内层金属圆柱形板的外侧；其中内层金属圆柱形板接地，外层金属圆柱形板用于感应低频电场；当周围空间存在低频电磁波时，双层金属圆柱形板230-3感应交变的低频电场并输出低频电场信号；由于双层金属圆柱形板230-3留有缝隙开口230-4，交变的低频磁场不会在双层金属圆柱形板230-3形成沿周向的感应电流，外部低频磁场能够进入双层金属圆柱形板230-3的内部而不会被感应电流生成的反向磁场抵消，处于双层金属圆柱形板230-3内部的闭合金属线圈230-2感应低频磁场并输出低频磁场信号；低频电磁复合探头200的设置方式实现了低频电磁波的电场磁场的复合式同时同位置测量。
多频点接收测量装置400，包括依次连接的低噪声放大器410、多通道记录仪420、计算机430。低噪声放大器410，通过射频电缆电性连接低频电磁复合探头200的两个输出，用于放大电场信号和磁场信号；多通道记录仪420通过射频电缆电性连接低噪声放大器410，用于记录低频电场信号波形、低频磁场信号波形与触发信号波形；计算机430接收多通道记录仪420记录的低频电场信号与低频磁场信号的波形数据，通过处理这些波形数据，最后获得多频点低频电磁波的传播特性。
如图4所示，基于激波管的多频点低频电磁波传播特性的试验方法，包括以下步骤：
步骤1，通过射频电缆电性连接多频点发射装置300的信号源310和宽带低频发射天线320，设置信号源310输出n个频点低频电磁波信号，激励宽带低频发射天线320，宽带低频发射天线320辐射多频点低频电磁波；
步骤2，多频点低频电磁波穿过透波试验段130，低频电磁复合探头200感应多频点低频电磁波，输出低频电场信号和低频磁场信号；
步骤3，多频点接收测量装置400的低噪声放大器410放大低频电场信号与低频磁场信号，多通道记录仪420设置为连续工作模式，并显示低频电场信号波形与低频磁场信号波形，典型情况下信号波形是恒包络的；
步骤4，将多通道记录仪420与等离子体诊断装置500调整为触发模式，等待激波管100点火开始实验；
步骤5，激波管100点火，驱动段110的高压气体爆炸，在被驱动段120产生激波，激波沿着被驱动段120前进同时产生触发信号，激波在低频电磁复合探头200周围形成包裹的等离子体，低频电磁复合探头200感应等离子体影响的多频点低频电磁波；
步骤6，触发信号分别传给多通道记录仪420与等离子体诊断装置500，多通道记录仪420记录等离子体影响的低频电场信号波形、低频磁场信号波形与触发信号波形，等离子体诊断装置500测量电子密度、碰撞频率、激波速度；
步骤7，计算机430读取多通道记录仪420记录的低频电场信号波形、低频磁场信号波形，令i＝1，i≤n，建立频点为fi＝f1的同相参考信号r1(t)和正交参考信号r2(t)，处理低频电场信号和低频磁场信号，提取频点为fi的低频磁场信号和低频电场信号；
所述处理低频磁场信号时，把读取的低频磁场信号x(t)分别与同相参考信号r1(t)、正交参考信号r2(t)进行相乘运算，得到同相磁场混频信号y1(t)＝x(t)·r1(t)和正交磁场混频信号y2(t)＝x(t)·r2(t)；将输出的同相磁场混频信号y1(t)和正交磁场混频信号y2(t)经过低通滤波器滤掉高频信号，即滤除两倍频点2fi信号，分别得到同相磁场滤波信号u1(t)和正交磁场滤波信号u2(t)，将u1(t)和u2(t)矢量相加，得到解调后的磁场信号
频点为fi的低频磁场信号的幅度为
频点为fi的低频磁场信号的相移为
同时其他频点的低频磁场信号经过相乘运算、低通滤波后被当作干扰信号抑制掉；利用功率谱估计方法获得频点为fi的低频磁场信号的功率谱特性，其中功率谱估计方法包括周期图法、平均周期图法、自相关函数法等。
低频电场信号的处理过程除处理信号为低频电场信号，其余均与低频磁场信号的处理过程相同。
步骤8，将步骤7得到的提取频点为fi的低频磁场信号和低频电场信号的衰减、相移、功率谱组成频点为fi的低频电磁波传播特性。
步骤9，令i*＝i+1，判断i*与n的大小，当i*<n时，循环步骤7～步骤8，处理下一个频点的低频电磁波传播特性，直到i*>n时存储数据并结束算法。
实施例
图5展示了四频点低频电磁波在等离子体下的传播特性激波管测量试验。在低频电磁波收发装置的设置中，信号源310(波形发生器)产生四个频点叠加的低频信号，数学表达式为
这四个频点分别为1MHz、3MHz、10MHz、30MHz。任意信号源310(波形发生器)激励宽带低频发射天线320向周围空间辐射这四频点的低频电磁波，宽带低频发射天线320的带宽为1MHz至30MHz，四频点低频电磁波同时穿过透波试验段130、激波等离子体到达低频电磁复合探头200。
透波试验段130与低频电磁复合探头200的透波弹体220由特氟龙材料制成，该材料能以低损耗透射低频电磁波。低频电磁复合探头200的磁芯230-1为相对磁导率为20的磁性材料，双层金属圆柱形板230-3的侧面缝隙开口230-4角度为30度。基于双层金属圆柱形板230-3、闭合金属线圈230-2复合电学结构，使得低频电磁复合探头200始终独立接收低频电场与低频磁场，并通过屏蔽线把两路信号传递至两路增益为30dB的低噪声放大器410，其带宽为直流至50MHz覆盖接收信号的带宽。多通道记录仪420使用4通道示波器设置为单次触发模式，用于采集一路低频电场信号、一路低频磁场信号、一路触发信号，其垂直分辨率为12位，采样率为125MHz。
在激波管100的设置中，高压气源向驱动段110填充驱动气体(H2，O2，N2)，被驱动段120与试验段连接，真空系统抽气被驱动段120与试验段的气压直到指定气压为止，驱动段110与被驱动段120之间由铝箔片隔开，同时等离子体诊断装置500设置为触发模式。在实验开始时，驱动段110点燃驱动气体发生爆炸，爆炸炸开铝膜片后，在被驱动段120形成高超声速的激波，激波前进过程中周围气体因高温高压电离形成高密度等离子体。当激波等离子体经过激波管100内部的低频接收装置时，激波等离子体作为电磁屏蔽360度范围内包裹该低频接收装置，四频点低频电磁波同时穿过共用的激波等离子体，造成低频磁场造成动态影响。激波等离子体经过时产生触发信号，触发信号传递至多通道记录仪420与等离子体诊断装置500，多通道记录仪420开始存储低频电场、低频磁场、触发信号，等离子体诊断装置500开始测量电子密度、气体压强、碰撞频率、激波速度。
等离子体诊断装置500的试验结果表明，激波等离子体的电子密度在1.20×1013到1.97×1013/cm3的范围内，碰撞频率约为9.8GHz，气体压强为11kPa，激波的速度为6km/s，等离子持续时间约为40μs。
根据本申请基于激波管的多频点低频电磁波传播特性测量装置及试验方法，本发明分析了多通道记录仪420采集的低频电场与低频磁场的试验数据，获得了低频电磁波的衰减、相移以及功率谱试验结果。以低频磁场为例，分别建立频点为f1，f2，f3，f4的参考信号，然后通过相关运算、矢量合成获得了这四频点低频磁场的衰减、相移特性，如图6所示；利用周期图法提取四频点低频磁场的功率谱特性，如图7a～图7d所示。
本发明提出的测量试验技术保证了等离子体状态的一致性，在相同时刻下不同频点接收信号对应的电子密度相同，随着低频磁场的频点增加，其衰减与相移增加，如图6所示；无等离子体影响时低频磁场功率谱较窄，有等离子体影响时功率谱都发生展宽现象，随着低频磁场的频点增加，功率谱扩展变宽，如图7a～图7d所示，上述结果证实了本发明能在时域频域中定量分析四频点低频磁场传播特性。而且一次激波管试验同时有效地测量四频点低频磁场和低频电场的传播特性，这证实了本发明能大幅度提高现有试验方法的测量效率。
需要说明的是，在本申请中，诸如第一、第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
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.基于激波管的多频点低频电磁波传播特性测量装置，其特征在于，包括：
激波管(100)，用于产生激波，激波电离气体形成等离子体，建立低频电磁波传播路径与通道；
低频电磁复合探头(200)，用于感知等离子体影响下的多频点低频电磁波信号，输出低频电场信号和低频磁场信号；
多频点发射装置(300)，用于产生并向外辐射多频点低频电磁波信号；
多频点接收测量装置(400)，用于接收输出的低频电场信号和低频磁场信号，记录低频电场信号与低频磁场信号的波形数据，并通过处理波形数据获得多频点低频电磁波的传播特性；
等离子体诊断装置(500)，用于测量等离子体的电子密度、碰撞频率和激波速度。
2.根据权利要求1所述的基于激波管的多频点低频电磁波传播特性测量装置，其特征在于，所述激波管(100)设有驱动段(110)，被驱动段(120)以及透波试验段(130)，低频电磁复合探头(200)被安装于透波试验段(130)内部；所述低频电磁复合探头(200)，包括金属头部(210)、透波弹体(220)、低频电场磁场感应计(230)；所述透波弹体(220)的内部中空，安装低频电场磁场感应计(230)；所述低频电场磁场感应计(230)由磁芯(230-1)、闭合金属线圈(230-2)、双层金属圆柱形板(230-3)构成；所述低频电场磁场感应计(230)的中心为磁芯(230-1)，磁芯(230-1)表面缠绕闭合金属线圈(230-2)，闭合金属线圈(230-2)外侧包裹侧面留有缝隙开口(230-4)的双层金属圆柱形板(230-3)。
3.根据权利要求2所述的基于激波管的多频点低频电磁波传播特性测量装置，其特征在于，所述透波弹体(220)为流线型弹体形状，为透波材料制成。
4.根据权利要求2所述的基于激波管的多频点低频电磁波传播特性测量装置，其特征在于，所述双层金属圆柱形板(230-3)包括内层金属圆柱形板和外层金属圆柱形板，内层金属圆柱形板贴近闭合金属线圈(230-2)，外层金属板位于内层金属圆柱形板的外侧；其中内层金属圆柱形板接地，外层金属圆柱形板用于感应低频电场。
5.根据权利要求1所述的基于激波管的多频点低频电磁波传播特性测量装置，其特征在于，所述低频电磁复合探头(200)包括两路输出，一路输出低频电场信号，一路输出低频磁场信号。
6.根据权利要求1所述的基于激波管的多频点低频电磁波传播特性测量装置，其特征在于，所述多频点发射装置(300)，包括信号源(310)与宽带低频发射天线(320)；所述信号源(310)，通过射频电缆电性连接宽带低频发射天线(320)，用于产生n个频点的低频电磁波信号激励宽带低频发射天线(320)；所述宽带低频发射天线(320)，用于接收信号源(310)发送的多频点低频电磁波信号，并向外辐射多频点低频电磁波。
7.根据权利要求1所述的基于激波管的多频点低频电磁波传播特性测量装置，其特征在于，所述多频点接收测量装置(400)，包括依次连接的低噪声放大器(410)、多通道记录仪(420)、计算机(430)；低噪声放大器(410)，通过射频电缆电性连接低频电磁复合探头(200)的两个输出；多通道记录仪(420)通过射频电缆电性连接低噪声放大器(410)；计算机(430)与多通道记录仪(420)信号连接，用于处理多通道记录仪(420)记录的低频电场信号与低频磁场信号的波形数据，获得多频点低频电磁波的传播特性。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的基于激波管的多频点低频电磁波传播特性测量装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，通过射频电缆电性连接多频点发射装置(300)的信号源(310)和宽带低频发射天线(320)，设置信号源(310)输出n个频点低频电磁波信号，激励宽带低频发射天线(320)，宽带低频发射天线(320)辐射多频点低频电磁波；
步骤2，多频点低频电磁波穿过透波试验段(130)，低频电磁复合探头(200)感应多频点低频电磁波，输出低频电场信号和低频磁场信号；
步骤3，多频点接收测量装置(400)的低噪声放大器(410)放大低频电场信号与低频磁场信号，多通道记录仪(420)设置为连续工作模式，并显示低频电场信号波形与低频磁场信号波形；
步骤4，将多通道记录仪(420)与等离子体诊断装置(500)调整为触发模式，等待激波管(100)点火开始实验；
步骤5，激波管(100)点火，驱动段(110)的高压气体爆炸，在被驱动段(120)产生激波，激波沿着被驱动段(120)前进同时产生触发信号，激波在低频电磁复合探头(200)周围形成包裹的等离子体，低频电磁复合探头(200)感应等离子体影响的多频点低频电磁波；
步骤6，触发信号分别传给多通道记录仪(420)与等离子体诊断装置(500)，多通道记录仪(420)记录等离子体影响的低频电场信号波形、低频磁场信号波形与触发信号波形，等离子体诊断装置(500)测量电子密度、碰撞频率、激波速度；
步骤7，计算机(430)读取多通道记录仪(420)记录的低频电场信号波形、低频磁场信号波形，令i＝1，i≤n，建立频点为fi＝f1的同相参考信号r1(t)和正交参考信号r2(t)，处理低频电场信号和低频磁场信号，提取频点为fi的低频磁场信号和低频电场信号；
步骤8，将步骤7得到的提取频点为fi的低频磁场信号和低频电场信号的衰减、相移、功率谱组成频点为fi的低频电磁波传播特性；
步骤9，令i*＝i+1，判断i*与n的大小，当i*<n时，循环步骤7～步骤8，处理下一个频点的低频电磁波传播特性，直到i*>n时存储数据并结束。
9.根据权利要求8所述的基于激波管的多频点低频电磁波传播特性测量装置的试验方法，其特征在于，步骤1中，所述低频电磁波信号的数学表达式为
s(t)为发射的低频电磁波信号，t表示时刻，单位为s，i表示频点的编号，n表示频点的个数，fi为第i个频点信号的频率，单位为Hz。
10.根据权利要求8所述的基于激波管的多频点低频电磁波传播特性测量装置的试验方法，其特征在于，步骤7中，所述处理低频电场信号和低频磁场信号，具体为
所述处理低频磁场信号时，把读取的低频磁场信号x(t)分别与同相参考信号r1(t)、正交参考信号r2(t)进行相乘运算，得到同相磁场混频信号y1(t)＝x(t)·r1(t)和正交磁场混频信号y2(t)＝x(t)·r2(t)；
将输出的同相磁场混频信号y1(t)和正交磁场混频信号y2(t)经过低通滤波器滤掉高频信号，即滤除两倍频点2fi信号，分别得到同相磁场滤波信号u1(t)和正交磁场滤波信号u2(t)，将u1(t)和u2(t)矢量相加，得到解调后的磁场信号
频点为fi的低频磁场信号的幅度为
频点为fi的低频磁场信号的相移为
同时其他频点的低频磁场信号经过相乘运算、低通滤波后被当作干扰信号抑制掉；
利用功率谱估计方法获得频点为fi的低频磁场信号的功率谱特性，其中功率谱估计方法包括周期图法、平均周期图法、自相关函数法中的任一种；
低频电场信号的处理过程除处理信号为低频电场信号，其余均与低频磁场信号的处理过程相同。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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