CN114698218A - 瞬态等离子体电子密度分布的七通道微波干涉仪测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高超声速风洞试验技术领域，公开了瞬态等离子体电子密度分布的七通道微波干涉仪测量方法。该七通道微波干涉仪测量方法使用专用的七通道微波干涉仪测量装置，采用单发七收的方式，利用8mm标准波导开口和单曲面透镜组合作为发射天线，利用7个平行且非对称排列的开口波导作为7个接收通道的接收天线。该七通道微波干涉仪测量方法包括安装七通道微波干涉仪测量装置；调整发射天线与接收天线的距离；调试七通道微波干涉仪测量装置的信号频率与输出功率；高超声速风洞产生等离子体；同步采集；关闭高超声速风洞；数据处理。该七通道微波干涉仪测量方法适用于高超声速风洞中模型尾迹流场和其它瞬态流场的电子密度分布的非接触测量。

Description

瞬态等离子体电子密度分布的七通道微波干涉仪测量方法
技术领域
本发明属于高超声速风洞试验技术领域，具体涉及瞬态等离子体电子密度分布的七通道微波干涉仪测量方法。
背景技术
高超声速飞行器在大气层中飞行时，由于飞行器与空气剧烈的相互作用，飞行器表面空气被部分电离，形成等离子体鞘套和等离子体尾迹。等离子体鞘套会影响飞行器与地面基站的通信，情况严重时出现通信中断现象。等离子体鞘套还影响高速飞行器的电磁散射特性，等离子体尾迹的雷达散射截面积有时可比飞行器本体大1～3个数量级。为了解决高速飞行器的通信中断问题、目标探测与识别问题，需要开展电磁波与等离子体鞘套的相互作用研究。通常，在地面通过弹道靶、激波管等地面风洞设备提供模拟高超声速飞行器的等离子体环境，开展电磁波在等离子体中传播特性试验以及高速飞行器电磁散射特性试验，同时对等离子体特性参数进行测量。
目前，等离子体电子密度测量方法主要有两类：接触测量和非接触测量。接触测量有静电探针、微波探针等，非接触测量有微波干涉法、微波反射法等。微波干涉仪是一种常用的等离子体电子密度装置。单通道的微波干涉仪只能用于积分电子密度的测量，无法获得积分路径上的电子密度分布。为了得到等离子体的径向分布，需要多个通道同时进行测量。弹道靶、激波管等模拟设备产生的等离子体存在时间短（几十μs~1ms量级），属于瞬态等离子体，要求测量系统响应时间达到μs量级。常用的多通道微波干涉仪测量系统一般用于稳态等离子体的测量，采用单发单收的方式，空间分辨率较低。而且，弹道靶模型产生的等离子体流场区域较小，还需要解决接收天线小型化问题以提高空间分辨率。
当前，亟需发展一种瞬态等离子体电子密度分布的七通道微波干涉仪测量方法。
发明内容
为了解决弹道靶、激波管等设备产生的瞬态流场等离子体径向分布测量问题，本发明提出了一种瞬态等离子体电子密度分布的七通道微波干涉仪测量方法。
本发明的瞬态等离子体电子密度分布的七通道微波干涉仪测量方法，其特点是，所述的七通道微波干涉仪测量方法使用的七通道微波干涉仪测量装置包括发射分机、本振分机、接收分机和工控机；
发射分机的发射天线和接收分机的接收天线均安装在高超声速风洞试验段内，发射天线位于风洞试验段内待测的等离子体区域的一侧，接收天线位于待测的等离子体区域的另一侧，发射天线与接收天线均与等离子体的流动方向垂直；
发射分机包括通过射频电缆或波导顺序连接的RF信号源、功放和发射天线，发射天线由波导开口天线和单曲面透镜组成；单曲面透镜面向待测等离子体区域的镜面为平面；
本振分机包括LO信号源和1分8功分器，1分8功分器将LO信号源分成8路信号，第1路~第7路信号用于进行下变频，第8路信号作为参考信号，用于监测本振信号的大小；
接收分机包括通过射频电缆或波导顺序连接的接收天线、射频接收前端、中频数字接收机和模数转换器ADC；接收天线包括7个平行且非对称排列的开口波导，以及与7个开口波导一一对应的7个接收通道；射频接收前端包括低噪声放大器和可变衰减器；中频数字接收机包括混频器、中频放大器、低通滤波器；
工控机中设置有数据采集与记录系统和软件系统；数据采集与记录系统由数据采集卡和数据采集软件模块组成；软件系统由自检模块、控制模块、数据采集模块、数据处理模块和数据管理模块组成；
RF信号源的RF信号经功放进入发射天线，发射天线通过波导开口天线和单曲面透镜，将RF信号折射形成用于探测等离子体的平面波，平面波穿过待测的等离子体后被接收天线接收；接收天线通过7个平行且非对称排列的开口波导，将接收到的信号分成7路，每路信号进入对应的接收通道，即开口波导1接收到的第1路信号进入接收通道1，开口波导2接收到的第2路信号进入接收通道2，直至开口波导7接收到的第7路信号进入接收通道7；每个接收通道进入各自的低噪声放大器、可变衰减器和混频器的射频端，混频器的本振端对应的LO信号源即本振信号源的分路信号，即接收通道1的混频器本振端输入LO信号源的第1路信号，接收通道2的混频器本振端输入LO信号源的第2路信号，直至接收通道7的混频器本振端输入LO信号源的第7路信号；随后，混频后的信号依次经中频放大器放大、低通滤波器滤波、模数转换器ADC转成数字信号，进入工控机的数据采集与记录系统，最后由软件系统进行信号解调和数据处理，提取出试验测量结果；同时，LO信号源的第8路信号进入工控机的数据采集与记录系统，作为参考信号，用于检测本振信号的输出大小；
所述的七通道微波干涉仪测量方法，包括以下步骤：
S10.安装七通道微波干涉仪测量装置；
S20.调整发射天线与接收天线的距离；
依据待测的等离子体宽度，调节发射天线的单曲面透镜天线与接收天线的开口波导之间距离，使得发射天线与接收天线的距离与待测的等离子体直径相适应；
S30.调试七通道微波干涉仪测量装置的信号频率与输出功率；
试验前准备，设定七通道微波干涉仪测量装置的发射分机的RF信号源的工作方式为点频，检查调试RF信号源的输出功率，确保七通道微波干涉仪测量装置工作正常，RF信号源采用点频工作方式，使数据采集系统处于待触发状态；
S40.高超声速风洞产生等离子体；
S41.第一种产生等离子体的高超声速风洞为弹道靶，弹道靶发射超高速模型，超高速模型在飞行过程中产生等离子体流场，弹道靶测控系统检测到超高速模型时，向七通道微波干涉仪测量装置提供触发信号；
S42.第二种产生等离子体的高超声速风洞为激波管，氢氧混合气体在驱动段内燃烧后破膜产生激波，激波经过1区气体后产生等离子体，形成试验需要的2区气体，当激波测速系统检测到等离子体产生时，向七通道微波干涉仪测量装置提供触发信号；
S50.同步采集；
7个接收通道互不干扰，在同一触发信号的触发下，开始同步采集；
S60.关闭高超声速风洞；
高超声速风洞试验结束后，关闭高超声速风洞；
S70.数据处理；
高超声速风洞试验获得七通道微波干涉仪测量装置的7个接收通道的传输相位和幅度衰减变化，经软件系统处理后绘制出等离子体电子密度二维分布曲线。
进一步地，所述的发射天线由8mm标准波导开口和单曲面透镜组合而成，形成平面波照射条件。
进一步地，所述的接收天线由7个平行且非对称排列的开口波导组成。
进一步地，所述的中频数字接收机的中频信号频率为10MHz、带宽5MHz条件下，每个接收通道瞬时线性动态范围优于62dB，响应时间优于1μs。
进一步地，所述的模数转换器ADC中的数据采集卡为80Msps、16bit、8通道的数据采集卡。
本发明的瞬态等离子体电子密度分布的七通道微波干涉仪测量方法采用单发七收的方式，利用8mm标准波导开口天线和单曲面透镜天线作为发射天线，在远小于测试远场的距离条件下实现平面波照射等离子体的条件；利用7个平行且非对称排列的开口波导作为7个接收通道的接收天线，在尽量覆盖等离子体尾迹产生的径向范围前提下最大限度地减小了接收天线口径，提高了测量的横向空间分辨率；每个接收通道不仅具有相位测量功能，能够实现等离子体电子密度测量，而且具备幅度测量功能，能够获得等离子体碰撞频率测量，还具备观测位置处电子密度随时间变化测量能力。每个接收通道均具备瞬时大动态范围信号接收能力，在中频信号带宽5MHz条件下每个接收通道瞬时线性动态范围优于62dB，响应时间优于1μs。
本发明的瞬态等离子体电子密度分布的七通道微波干涉仪测量方法，适用于高超声速风洞中模型尾迹流场电子密度分布的非接触测量，也适用于其它瞬态流场电子密度分布的非接触测量。
附图说明
图1为本发明的瞬态等离子体电子密度分布的七通道微波干涉仪测量方法的流程图；
图2为本发明的瞬态等离子体电子密度分布的七通道微波干涉仪测量方法使用的七通道微波干涉仪测量装置的系统结构图；
图3为本发明的瞬态等离子体电子密度分布的七通道微波干涉仪测量方法使用的七通道微波干涉仪测量装置在高超声速风洞安装示意图；
图4为本发明的瞬态等离子体电子密度分布的七通道微波干涉仪测量方法获得的等离子体电子密度二维分布曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的实施例中附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。
实施例1
图2给出了本发明的瞬态等离子体电子密度分布的七通道微波干涉仪测量方法使用的七通道微波干涉仪测量装置的系统结构图，值得说明的是，为了制图清晰，图2中只给出接收通道1的硬件电路图，其余6个接收通道与接收通道1相同。
如图2、图3所示，本发明的瞬态等离子体电子密度分布的七通道微波干涉仪测量方法使用的七通道微波干涉仪测量装置包括发射分机、本振分机、接收分机和工控机；
发射分机的发射天线和接收分机的接收天线均安装在高超声速风洞试验段内，发射天线位于风洞试验段内待测的等离子体区域的一侧，接收天线位于待测的等离子体区域的另一侧，发射天线与接收天线均与等离子体的流动方向垂直；
发射分机包括通过射频电缆或波导顺序连接的RF信号源、功放和发射天线，发射天线由波导开口天线和单曲面透镜组成；单曲面透镜面向待测等离子体区域的镜面为平面；
本振分机包括LO信号源和1分8功分器，1分8功分器将LO信号源分成8路信号，第1路~第7路信号用于进行下变频，第8路信号作为参考信号，用于监测本振信号的大小；
接收分机包括通过射频电缆或波导顺序连接的接收天线、射频接收前端、中频数字接收机和模数转换器ADC；接收天线包括7个平行且非对称排列的开口波导，以及与7个开口波导一一对应的7个接收通道；射频接收前端包括低噪声放大器和可变衰减器；中频数字接收机包括混频器、中频放大器、低通滤波器；
工控机中设置有数据采集与记录系统和软件系统；数据采集与记录系统由数据采集卡和数据采集软件模块组成；软件系统由自检模块、控制模块、数据采集模块、数据处理模块和数据管理模块组成；
RF信号源的RF信号经功放进入发射天线，发射天线通过波导开口天线和单曲面透镜，将RF信号折射形成用于探测等离子体的平面波，平面波穿过待测的等离子体后被接收天线接收；接收天线通过7个平行且非对称排列的开口波导，将接收到的信号分成7路，每路信号进入对应的接收通道，即开口波导1接收到的第1路信号进入接收通道1，开口波导2接收到的第2路信号进入接收通道2，直至开口波导7接收到的第7路信号进入接收通道7；每个接收通道进入各自的低噪声放大器、可变衰减器和混频器的射频端，混频器的本振端对应的LO信号源即本振信号源的分路信号，即接收通道1的混频器本振端输入LO信号源的第1路信号，接收通道2的混频器本振端输入LO信号源的第2路信号，直至接收通道7的混频器本振端输入LO信号源的第7路信号；随后，混频后的信号依次经中频放大器放大、低通滤波器滤波、模数转换器ADC转成数字信号，进入工控机的数据采集与记录系统，最后由软件系统进行信号解调和数据处理，提取出试验测量结果；同时，LO信号源的第8路信号进入工控机的数据采集与记录系统，作为参考信号，用于检测本振信号的输出大小；
如图1所示，所述的七通道微波干涉仪测量方法，包括以下步骤：
S10.安装七通道微波干涉仪测量装置；
S20.调整发射天线与接收天线的距离；
依据待测的等离子体宽度，调节发射天线的单曲面透镜天线与接收天线的开口波导之间距离，使得发射天线与接收天线的距离与待测的等离子体直径相适应；
S30.调试七通道微波干涉仪测量装置的信号频率与输出功率；
试验前准备，设定七通道微波干涉仪测量装置的发射分机的RF信号源的工作方式为点频，检查调试RF信号源的输出功率，确保七通道微波干涉仪测量装置工作正常，RF信号源采用点频工作方式，使数据采集系统处于待触发状态；
S40.高超声速风洞产生等离子体；
S41.第一种产生等离子体的高超声速风洞为弹道靶，弹道靶发射超高速模型，超高速模型在飞行过程中产生等离子体流场，弹道靶测控系统检测到超高速模型时，向七通道微波干涉仪测量装置提供触发信号；
S42.第二种产生等离子体的高超声速风洞为激波管，氢氧混合气体在驱动段内燃烧后破膜产生激波，激波经过1区气体后产生等离子体，形成试验需要的2区气体，当激波测速系统检测到等离子体产生时，向七通道微波干涉仪测量装置提供触发信号；
S50.同步采集；
7个接收通道互不干扰，在同一触发信号的触发下，开始同步采集；
S60.关闭高超声速风洞；
高超声速风洞试验结束后，关闭高超声速风洞；
S70.数据处理；
高超声速风洞试验获得七通道微波干涉仪测量装置的7个接收通道的传输相位和幅度衰减变化，经软件系统处理后绘制出如图4所示的等离子体电子密度二维分布曲线。
进一步地，所述的发射天线由8mm标准波导开口和单曲面透镜组合而成，形成平面波照射条件。
进一步地，所述的接收天线由7个平行且非对称排列的开口波导组成。
进一步地，所述的中频数字接收机的中频信号频率为10MHz、带宽5MHz条件下，每个接收通道瞬时线性动态范围优于62dB，响应时间优于1μs。
进一步地，所述的模数转换器ADC中的数据采集卡为80Msps、16bit、8通道的数据采集卡。
图4为直径
Figure DEST_PATH_IMAGE001
、靶室压力
Figure 1553DEST_PATH_IMAGE002
、飞行速度为
Figure DEST_PATH_IMAGE003
实验条件下，距离弹道靶球模型
Figure 981010DEST_PATH_IMAGE004
位置处尾迹电子密度径向二维分布曲线。
以上所述，仅为本发明的实施方案，并非对本发明做任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施方案所做的任何简单修改、变更及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.瞬态等离子体电子密度分布的七通道微波干涉仪测量方法，其特征在于，所述的七通道微波干涉仪测量方法使用的七通道微波干涉仪测量装置包括发射分机、本振分机、接收分机和工控机；
发射分机的发射天线和接收分机的接收天线均安装在高超声速风洞试验段内，发射天线位于风洞试验段内待测的等离子体区域的一侧，接收天线位于待测的等离子体区域的另一侧，发射天线与接收天线均与等离子体的流动方向垂直；
发射分机包括通过射频电缆或波导顺序连接的RF信号源、功放和发射天线，发射天线由波导开口天线和单曲面透镜组成；单曲面透镜面向待测等离子体区域的镜面为平面；
本振分机包括LO信号源和1分8功分器，1分8功分器将LO信号源分成8路信号，第1路~第7路信号用于进行下变频，第8路信号作为参考信号，用于监测本振信号的大小；
接收分机包括通过射频电缆或波导顺序连接的接收天线、射频接收前端、中频数字接收机和模数转换器ADC；接收天线包括7个平行且非对称排列的开口波导，以及与7个开口波导一一对应的7个接收通道；射频接收前端包括低噪声放大器和可变衰减器；中频数字接收机包括混频器、中频放大器、低通滤波器；
工控机中设置有数据采集与记录系统和软件系统；数据采集与记录系统由数据采集卡和数据采集软件模块组成；软件系统由自检模块、控制模块、数据采集模块、数据处理模块和数据管理模块组成；
RF信号源的RF信号经功放进入发射天线，发射天线通过波导开口天线和单曲面透镜，将RF信号折射形成用于探测等离子体的平面波，平面波穿过待测的等离子体后被接收天线接收；接收天线通过7个平行且非对称排列的开口波导，将接收到的信号分成7路，每路信号进入对应的接收通道，即开口波导1接收到的第1路信号进入接收通道1，开口波导2接收到的第2路信号进入接收通道2，直至开口波导7接收到的第7路信号进入接收通道7；每个接收通道进入各自的低噪声放大器、可变衰减器和混频器的射频端，混频器的本振端对应的LO信号源即本振信号源的分路信号，即接收通道1的混频器本振端输入LO信号源的第1路信号，接收通道2的混频器本振端输入LO信号源的第2路信号，直至接收通道7的混频器本振端输入LO信号源的第7路信号；随后，混频后的信号依次经中频放大器放大、低通滤波器滤波、模数转换器ADC转成数字信号，进入工控机的数据采集与记录系统，最后由软件系统进行信号解调和数据处理，提取出试验测量结果；同时，LO信号源的第8路信号进入工控机的数据采集与记录系统，作为参考信号，用于检测本振信号的输出大小；
所述的七通道微波干涉仪测量方法，包括以下步骤：
S10.安装七通道微波干涉仪测量装置；
S20.调整发射天线与接收天线的距离；
依据待测的等离子体宽度，调节发射天线的单曲面透镜天线与接收天线的开口波导之间距离，使得发射天线与接收天线的距离与待测的等离子体直径相适应；
S30.调试七通道微波干涉仪测量装置的信号频率与输出功率；
试验前准备，设定七通道微波干涉仪测量装置的发射分机的RF信号源的工作方式为点频，检查调试RF信号源的输出功率，确保七通道微波干涉仪测量装置工作正常，RF信号源采用点频工作方式，使数据采集系统处于待触发状态；
S40.高超声速风洞产生等离子体；
S41.第一种产生等离子体的高超声速风洞为弹道靶，弹道靶发射超高速模型，超高速模型在飞行过程中产生等离子体流场，弹道靶测控系统检测到超高速模型时，向七通道微波干涉仪测量装置提供触发信号；
S42.第二种产生等离子体的高超声速风洞为激波管，氢氧混合气体在驱动段内燃烧后破膜产生激波，激波经过1区气体后产生等离子体，形成试验需要的2区气体，当激波测速系统检测到等离子体产生时，向七通道微波干涉仪测量装置提供触发信号；
S50.同步采集；
7个接收通道互不干扰，在同一触发信号的触发下，开始同步采集；
S60.关闭高超声速风洞；
高超声速风洞试验结束后，关闭高超声速风洞；
S70.数据处理；
高超声速风洞试验获得七通道微波干涉仪测量装置的7个接收通道的传输相位和幅度衰减变化，经软件系统处理后绘制出等离子体电子密度二维分布曲线。
2.根据权利要求1所述的瞬态等离子体电子密度分布的七通道微波干涉仪测量方法，其特征在于，所述的发射天线由8mm标准波导开口和单曲面透镜组合而成，形成平面波照射条件。
3.根据权利要求1所述的瞬态等离子体电子密度分布的七通道微波干涉仪测量方法，其特征在于，所述的接收天线由7个平行且非对称排列的开口波导组成。
4.根据权利要求1所述的瞬态等离子体电子密度分布的七通道微波干涉仪测量方法，其特征在于，所述的中频数字接收机的中频信号频率为10MHz、带宽5MHz条件下，每个接收通道瞬时线性动态范围优于62dB，响应时间优于1μs。
5.根据权利要求1所述的瞬态等离子体电子密度分布的七通道微波干涉仪测量方法，其特征在于，所述的模数转换器ADC中的数据采集卡为80Msps、16bit、8通道的数据采集卡。
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