CN115100830B - 基于等离子体及光敏二极管的高功率微波探测告警平台 - Google Patents

基于等离子体及光敏二极管的高功率微波探测告警平台 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于等离子体及光敏二极管的高功率微波探测告警平台，它包括光敏检测电路，其作为高功率微波的探测后端，通过设置对光敏感的光敏二极管用于响应光照辐射；金属屏蔽箱，其用于放置光敏检测模块，在将光敏检测模块处于黑暗环境下的同时避免光敏检测模块直接暴露于高功率微波的环境中；等离子阵列，其作为高功率微波的探测前端，直接面对高功率微波的辐照；信号处理及告警模块，其用于实时判断高功率微波脉冲的有无。本发明使用气体放电管与光敏电路模块共同实现HPM探测告警，利用等离子体的光电效应探测到HPM，利用光敏检测模块实现对HPM的告警，该发明结构简单，成本低廉、易于实现和应用。

Description

基于等离子体及光敏二极管的高功率微波探测告警平台
技术领域
本发明涉及高功率微波探测技术领域，具体涉及一种基于等离子体及光敏二极管的高功率微波探测告警平台。
背景技术
现代化无人机群协同攻击对于重要的作战指挥单元造成巨大威胁，而高功率微波（HPM，功率在兆瓦量级）武器对无人机的电子系统具有强大的破坏效能，其通过辐照高能量的电磁脉冲对飞行目标的电子设备造成破坏，损伤或烧毁电子设备内部的敏感元件，干扰电子系统正常工作，高功率微波武器具有攻击速度“快”、杀伤范围“广”、作战时效“长”等特点，目前是防御无人机群攻击的最有效的方法。
由于HPM武器装备具有极强的隐蔽性与机动性，如非其主动攻击，难以被侦测发现，其攻击区域也难以被准确标定。无人机群协同作战方式中，对于HPM的探测预警是无人机反HPM武器的前提。HPM具有功率高，脉冲时间短等特点，这为传统侦测手段带来了巨大的挑战。HPM脉冲的峰值功率远远高于常规雷达发射的微波信号，其超高的峰值功率严重影响普通电子侦测设备的正常工作。
等离子体是一种包含大量的自由运动的分子（或原子）、自由电子、离子的特殊媒质，处于非束缚态的带电粒子极易受到外部所加电磁场的影响，从而做出较强的响应。当HPM发出的电场强度超过了气体放电管内气体的击穿阈值电场强度时，种子电子获得的能量将大于气体原子或分子的电离能，高速电子在与中性分子或原子碰撞过程中会使其电离，产生更多的自由电子。这一过程重复下去，在气体放电管气体中产生越来越多的自由电子，从而产生等离子体，氩气加汞组成的混合物质所形成的等离子体会产生紫外线、可见光及红外辐射，随着等离子体内电子密度的不断增加，其产生的光强也在不断增加。往往距离HPM源越近，等离子体的电子密度越大，其产生的光强越强。
由此，可通过构建探测装置，根据高功率微波作用下气体放电管内会产生等离子体，并且会产生多种光信号，这一变化会直接改变光敏二极管的阻值等状态的变化来对高功率微波进行检测告警。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于等离子体及光敏二极管的高功率微波探测告警平台。
为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于等离子体及光敏二极管的高功率微波探测告警平台，它包括光敏检测电路，其作为高功率微波的探测后端，通过设置对光敏感的光敏二极管用于响应光照辐射；
金属屏蔽箱，其用于放置光敏检测模块，在将光敏检测模块处于黑暗环境下的同时避免光敏检测模块直接暴露于高功率微波的环境中；所述金属屏蔽箱侧壁上还设置多组耦合孔，用于高功率微波能够通过耦合孔耦合进入金属屏蔽箱内；
等离子体阵列，其作为高功率微波的探测前端，直接面对高功率微波的辐照；所述等离子体阵列设置在金属屏蔽箱侧壁上，一侧覆盖耦合孔，高功率微波通过耦合孔辐照等离子体阵列；所述等离子体阵列是由管状封闭式低压等离子体发生器产生的等离子体；所述管状封闭式低压等离子体发生器为多组带有黑色管状封闭腔的气体放电管排列组成，当处于高功率微波的环境时，气体放电管被激发产生等离子体，同时发生强烈的紫外光、可见光和红外辐射；
信号处理及告警模块，其用于实时判断高功率微波脉冲的有无，通过设置光学参量放大器和模拟信号转换器将光敏检测电路中的电流信号转换成相应的数字信号，再由信号控制器将数字信号传递给上位机，从而完成高功率微波脉冲的预测告警。
进一步的，所述气体放电管由两端带电极、密封的石英玻璃管组成，管内填充的是低压混合气体，混合气体是惰性气体与汞的混合气体，气体压强为500 Pa-1500 Pa。
再进一步的，所述光敏检测电路中串联多组不同种类光敏二极管确保能够准确监测高功率微波信号，其中不同种类光敏二极管包括对紫外线敏感的光敏二极管，对可见光敏感的光敏二极管以及对红外辐射敏感的光敏二极管。
特别的，所述气体放电管两端通过弹性卡具固定在金属屏蔽箱侧壁上，弹性卡具后侧通过螺栓固定在金属屏蔽箱侧壁上；所述气体放电管和耦合孔之间还设置一层黑色避光层。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明提出了一种能够探测HPM的探测告警平台，该系统具有耐受功率高、探测范围宽、响应时间短、灵敏度高等特点；
2、本发明使用气体放电管与光敏电路模块共同实现HPM探测告警，利用等离子体的光电效应探测到HPM，利用光敏检测模块实现对HPM的告警，该发明结构简单，成本低廉、易于实现和应用；
3、低压气体放电管在受到HPM的作用时，其内部能够在1μs内反生变化，产生等离子体，光敏二极管检测到紫外光与可见光后立即做出响应，在几十μs内。本发明该发明响应时间在μs 量级,因此响应是非常及时的；
4、将光敏检测系统置于金属屏蔽腔内，金属屏蔽腔可以抵挡住HPM的攻击，但是HPM依然可以通过金属屏蔽腔上的开孔耦合进入金属屏蔽箱内部，由于等离子体模块置于金属屏蔽腔的开孔处，等离子体可以对HPM攻击做出快速响应，表现出类金属性，抵挡住HPM能量进一步耦合进入金属屏蔽腔，从而避免了HPM对探测系统后端电路造成损伤。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明原理的分布图；
实施方式
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不构成对本发明的任何限制。
本发明旨在根据高功率微波作用下气体放电管内会产生等离子体，并且会产生多种光信号，这一变化会直接改变光敏二极管的阻值等状态的变化来对高功率微波进行检测告警；等离子体是一种由大量的自由运动的分子（或原子）、电子、离子构成的特殊媒质，其电磁特性与内部带电粒子的变化密切相关。当高功率微波入射到等离子体中时，两者之间的相互作用明显。一方面，入射波在等离子体区域产生强电磁场，带电粒子在强电磁场的作用下产生加速运动，等离子体内能提高，内部碰撞反应、非弹性碰撞加剧，等离子体状态产生剧烈变化，内部电子密度、电子能量、重粒子密度不断产生增加；另一方面，等离子体的电磁特性也会发生较大改变，对入射波的损耗性能加剧，同时，当不断增加的电子数密度达到电磁截止密度时，等离子体就会对入射波产生屏蔽作用，高功率微波无法透过等离子体区域；
（1）气体的击穿
一般电磁脉冲均表现为具有比较高的电场强度，而磁场强度很小，同时，等离子体中的离子质量比电子要大得多，其对入射电磁脉冲的响应要比电子慢的多，因而，在研究电磁脉冲和等离子体相互作用时，可以忽略电磁脉冲 磁场对等离子体的影响以及电磁脉冲对等离子体中离子的影响，主要研究电磁脉冲电场对等离子体中电子的影响，电磁脉冲与气体相互作用时，气体被电离会产生电子，同时因电子附着、扩散等原因会使电子消失，当电场强度超过一定值时，会使电子产生快于电子消失; 当气体电离产生电子的速率与电子消失的 速率相等时，整个过程便处于临界状态，定义此刻的电场强度为气体被击穿时的电场强度阈值，
式中，A、B、C为常数，φi 为电离能，p 为压强，r 为填充气体的粒子碰撞半径; f为入射电磁脉冲的频率; Λ 为特征扩散长度； T 为气体温度; Te 为电子温度；由此可知气体击穿场强阈值与填充气体种类、气体温度 T、气体气压 p、粒子碰撞半径 r、入射波频率f，以及容器的特征扩散长度 Λ 有关，而关于容器的特征扩散长度 Λ，于圆柱形容器来说，特征扩散长度 Λ 为
其中Ｒ是圆柱容器半径，L是圆柱容器长度，因此通过改变圆柱容器半径和长度或填充气体的种类而预警不同频段、不同能量密度高功率微波成为可能。
（2）等离子体的雪崩效应
等离子体内部存在着大量的带电粒子, 当电磁波入射到等离子体中时, 等离子体中的带电粒子就会在电磁波的作用下加速运动, 电磁波部分能量转 移为带电粒子内能, 电磁波传输能量受到衰减; 与此同时, 带电粒子的加速运动会导致等离子体内碰撞反应增加, 电子数密度增大. 当入射电磁波功率足够大时, 等离子体内部就会产生雪崩效应, 电子数密度急剧增加，在电子密度激增的过程中，等离子体会发出可见光，紫外光，红外光，从而被光敏二极管探测到。
（3）等离子体的电磁屏蔽作用
当等离子体区域产生电子雪崩效应.，等离子体内部会产生一定的平衡势垒, 具有较大的破坏容限, 可阻碍或修复外界因素对内部平衡的干扰. 在新的平衡下, 等离子体平均电子密度约为1 × 1020 m−3 , 远大于6 GHz电磁波的截止电子密度(4.464×1017 m−3 ), 入射微波无法在等离子体中传输, 等离子体产生屏蔽作用；
基于上述理论，通过光敏二极管检测高功率微波作用下气体放电管内等离子体产生雪崩效应，在在电子密度激增的过程中，等离子体发出的各种光源，来对高功率微波进行检测告警，其具体结构如下:
参照图1所示，一种基于等离子体及光敏二极管的高功率微波探测告警平台，它包括光敏检测电路100，其作为高功率微波的探测后端，通过设置对光敏感的光敏二极管用于响应光照辐射；光敏检测电路中串联多组不同种类光敏二极管确保能够准确监测高功率微波信号，其中不同种类光敏二极管包括对紫外线敏感的光敏二极管，对可见光敏感的光敏二极管以及对红外辐射敏感的光敏二极管；
金属屏蔽箱200，其用于放置光敏检测模块，在将光敏检测模块处于黑暗环境下的同时避免光敏检测模块直接暴露于高功率微波的环境中；所述金属屏蔽箱侧壁上还设置多组耦合孔400，用于高功率微波能够通过耦合孔耦合进入金属屏蔽箱内；
等离子体阵列，其作为高功率微波的探测前端，直接面对高功率微波的辐照；所述等离子体阵列设置在金属屏蔽箱侧壁上，一侧覆盖耦合孔，高功率微波通过耦合孔辐照等离子体阵列；等离子体阵列是由管状封闭式低压等离子体发生器产生的等离子体；管状封闭式低压等离子体发生器为多组带有黑色管状封闭腔的气体放电管300排列组成，当处于高功率微波的环境时，气体放电管被激发产生等离子体，同时发生强烈的紫外光、可见光和红外辐射；其中气体放电管由两端带电极、密封的石英玻璃管组成，管内填充的是低压混合气体，混合气体是惰性气体与汞的混合气体，气体压强为500 Pa-1500 Pa；气体放电管300两端通过弹性卡具500固定在金属屏蔽箱侧壁200上，气体放电管300和耦合孔400之间还设置一层黑色避光层600，用于将光敏检测模块处于黑暗环境下减少可见光对光敏检测模块的影响。
参照图2所示，信号处理及告警模块，其用于实时判断高功率微波脉冲的有无，通过设置光学参量放大器和模拟信号转换器将光敏检测电路中的电流信号转换成相应的数字信号，再由信号控制器将数字信号传递给上位机，从而完成高功率微波脉冲的预测告警。
不同种类的光电二极管的响应率、暗电流、响应时间是不一样的，以等功率的不同单色辐射波长的光作用于光电二极管时,其电流灵敏度与波长的关系称为其光谱响应,不同材料的光谱响应范围不同。在探测紫外光时，一般都用指硒光电二极管，探测可见光时，通常采用硅光电二极管，在对红外光和热状态物体进行探测时，则采用锗管较为适宜。针对等离子体发出不同波段的光线，采用多种类光电二极管对光信号进行探测，提高了探测的准确性，同时气体放电管的长度根据目标尺寸进行相应的定制，通常在0.1-0.3 m范围内。为增加等离子体密度，气体放电管内充入的是惰性气体与汞（可根据HPM的频段、能量密度进行调整）的混合气体，当气体放电管被HPM激发时，部分汞蒸气会被电离，产生更多的种子电子，从而提高了等离子体的电子密度；部分汞蒸气会附着在放电管的管壁上，从而使部分电磁波在气体放电管内产生强烈的散射，用以提高电子发射率。此外封闭腔内加入汞之后，当气体放电管被激发产生等离子体时，同时会产生强烈的紫外光、可见光、红外辐射，光辐射光敏二极管时使得光敏二极管的阻值变小，光敏检测电路中电流增大，相应的LED灯会被点亮，所获取到的模拟信号经过信号放大器后，在由数模信号转换器转换成相应的数字信号，再由信号处理器，信号传输链路等模块，将HPM有无的信号传递给上位机系统，处理系统根据信号指令做出相应的操作，从而完成HPM的预测告警。
以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。

Claims (4)

1.一种基于等离子体及光敏二极管的高功率微波探测告警平台，其特征在于：它包括光敏检测电路，其作为高功率微波的探测后端，通过设置对光敏感的光敏二极管用于响应光照辐射；
金属屏蔽箱，其用于放置光敏检测模块，在将光敏检测模块处于黑暗环境下的同时避免光敏检测模块直接暴露于高功率微波的环境中；所述金属屏蔽箱侧壁上还设置多组耦合孔，用于高功率微波能够通过耦合孔耦合进入金属屏蔽箱内；
等离子体阵列，其作为高功率微波的探测前端，直接面对高功率微波的辐照；所述等离子体阵列设置在金属屏蔽箱侧壁上，一侧覆盖耦合孔，高功率微波通过耦合孔辐照等离子体阵列；所述等离子体阵列是由管状封闭式低压等离子体发生器产生的等离子体；所述管状封闭式低压等离子体发生器为多组带有黑色管状封闭腔的气体放电管排列组成，当处于高功率微波的环境时，气体放电管被激发产生等离子体，同时发生强烈的紫外光、可见光和红外辐射；
信号处理及告警模块，其用于实时判断高功率微波脉冲的有无，通过设置光学参量放大器和模拟信号转换器将光敏检测电路中的电流信号转换成相应的数字信号，再由信号控制器将数字信号传递给上位机，从而完成高功率微波脉冲的预测告警。
2.按照权利要求1所述的一种基于等离子体及光敏二极管的高功率微波探测告警平台，其特征在于：所述气体放电管由两端带电极、密封的石英玻璃管组成，管内填充的是低压混合气体，混合气体是惰性气体与汞的混合气体，气体压强为500 Pa-1500 Pa。
3.按照权利要求1所述的一种基于等离子体及光敏二极管的高功率微波探测告警平台，其特征在于：所述光敏检测电路中串联多组不同种类光敏二极管确保能够准确监测高功率微波信号，其中不同种类光敏二极管包括对紫外线敏感的光敏二极管，对可见光敏感的光敏二极管以及对红外辐射敏感的光敏二极管。
4.按照权利要求1所述的一种基于等离子体及光敏二极管的高功率微波探测告警平台，其特征在于：所述气体放电管两端通过弹性卡具固定在金属屏蔽箱侧壁上，弹性卡具后侧通过螺栓固定在金属屏蔽箱侧壁上；所述气体放电管和耦合孔之间还设置一层黑色避光层。
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新型扫描微波显微术;许瑞;物理学进展;第第35卷卷(第第6期期);第241-254页 *
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