CN116520034A - 临近空间等离子体环境中电磁传输测量地面模拟系统 - Google Patents
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Abstract
临近空间等离子体环境中电磁传输测量地面模拟系统，它涉及一种电磁传输测量地面模拟系统。本发明为了解决电磁信号穿过等离子体鞘套由于等离子体的随机特性，对信号方向图、星座图的幅相特性造成畸变和调制，使得雷达在探测时出现假目标、信号返回异常、逆合成孔径雷达图像散焦的问题。本发明中顶部天线阵列及运动系统安装在所述真空微波暗室系统内的顶部，底部天线阵列通过底部天线运动系统安装在所述真空微波暗室系统内的底部，中间天线阵列通过目标模拟系统及内部天线运动系统安装在所述真空微波暗室系统内的中部，等离子体发生系统安装在所述真空微波暗室系统内一端的中部。本发明属于电磁测量技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种电磁传输测量地面模拟系统，属于电磁测量技术领域。
背景技术
天地往返运输系统是指在地面和地球低轨道之间往返运送人员和货物的运输工具，包括飞船，航天飞机和空天飞机等。当天地往返运输系统在临近空间，特别是在20～100km的空间区域以超过5马赫以上速度飞行时，飞行器表面由于气动效应及表面烧蚀效应会在其表面形成弓形激波，飞行器表面温度最高可达上万摄氏度，此时飞行器表面附近空气分子被高温激发进而电离在其表面形成一层致密的等离子体鞘套。该等离子体鞘套包括大量中性粒子及带电粒子，其中带电粒子具有密度高、碰撞强的特性，因此会对飞行器内部及外部的电磁波进行吸收、反射和散射，从而引起电磁信号畸变甚至中断，这一现象被称为黑障现象。自上世纪60年代起，美国就将黑障现象列为航空航天十大难题之一，至今我国尚未完全解决该技术难题，这一难题已成为制约我国临近空间天地往返运输系统发展的瓶颈及亟待解决的关键难题。由于真实飞行试验数据代价昂贵且可重复性不高，因此迫切需要一种可在地面对临近空间等离子体环境中电磁传输测量地面模拟系统。
飞行器在进行电磁通讯过程中，其表面等离子体的动态特性对电磁信号的传播及散射特性有着直接的影响，这主要体现在等离子体对电磁信号的幅/相扰动及调制特性。这使得电磁信号即使穿过等离子体鞘套也会由于等离子体的随机特性对信号方向图/星座图的幅相特性造成畸变及调制，这会使得雷达在探测时出现假目标、信号返回异常、逆合成孔径雷达图像散焦等问题。目前针对等离子体参数动态特性导致电磁信号调制及解析规律/机制尚不全面，对于等离子体调制下的电磁信号机理仍缺乏全面的认知与描述，这均为临近空间天地往返运输系统的运行及可靠探测提出了新的挑战。
为了能够突破和解决这一关键问题，并发展、完善、形成适用于临近空间可重复天地往返运输系统飞行器表面等离子体鞘套与电磁信号相互作用规律、机制以及理论体系，都迫切需要进行深入的理论认知以及可实现更为精准的地面实验研究。
发明内容
本发明为解决电磁信号穿过等离子体鞘套由于等离子体的随机特性，对信号方向图、星座图的幅相特性造成畸变和调制，使得雷达在探测时出现假目标、信号返回异常、逆合成孔径雷达图像散焦的问题，进而提出临近空间等离子体环境中电磁传输测量地面模拟系统。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括真空微波暗室系统、等离子体发生系统、底部天线运动系统、底部天线阵列、顶部天线阵列及运动系统、中间天线阵列和目标模拟系统及内部天线运动系统；顶部天线阵列及运动系统安装在所述真空微波暗室系统内的顶部，底部天线阵列通过底部天线运动系统安装在所述真空微波暗室系统内的底部，中间天线阵列通过目标模拟系统及内部天线运动系统安装在所述真空微波暗室系统内的中部，等离子体发生系统安装在所述真空微波暗室系统内一端的中部，且等离子体发生系统的等离子体发射口朝向目标模拟系统及内部天线运动系统。
进一步的，所述真空微波暗室系统由真空仓本体和真空微波暗室骨架组成，真空仓本体安装在真空微波暗室骨架上。
进一步的，本发明还包括真空微波暗室轨道车；真空仓本体设置在真空微波暗室轨道车上。
进一步的，顶部天线阵列及运动系统包括顶部天线运动系统、第一天线组、第二天线组和第三天线组；第一天线组、第二天线组和第三天线组并排安装在顶部天线运动系统的下表面，顶部天线运动系统安装在所述真空微波暗室系统内的顶部。
进一步的，所述第一天线组由阵子天线C1、喇叭天线C2和介质棒天线C3组成；所述第二天线组由阵子天线E1、喇叭天线E2和介质棒天线E3组成；所述第三天线组由阵子天线F1、喇叭天线F2和介质棒天线F3组成。
进一步的，中间天线阵列由阵子天线G1、阵子天线G2和阵子天线G3组成；阵子天线G1、阵子天线G2和阵子天线G3安装在目标模拟系统及内部天线运动系统的内部天线运动系统上。
进一步的，底部天线阵列由阵子天线D1、喇叭天线D2和介质棒天线D3组成；阵子天线D1、喇叭天线D2和介质棒天线D3安装在底部天线运动系统上。
本发明的有益效果是：
1、本发明在更宽的频率范围内实现更多的测量功能及指标参数；
2、本发明所产生的等离子体密度在不同外施参数条件下，可以实现1011cm-3～1013cm-3变化，参数可选取范围更广；
3、本发明的电磁传输测量系统功能更为全面，可以实现电磁信号的反射、透射、散射测量及内部电磁近场量四种测量功能；
4、本发明所需使用的发射/接收天线运动行程更长，可延着等离子体喷射方向进行长距离移动，以实现在不同等离子体鞘密度及厚度条件下进行上述四种功能测量。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明所使用发射/接收电磁信号天线阵列整体布局示意图；
图3是目标模拟系统及内部天线阵列运动的侧视图；
图4是本发明微波传输测量系统在实现反射、透射、散射测量及内部电磁近场量四种测量功能切换电路图；
图5是依据本发明在存在等离子体环境条件下的电磁透射特性示意图；
图6是依据本发明在存在等离子体环境条件下的电磁反射特性示意图；
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述临近空间等离子体环境中电磁传输测量地面模拟系统包括真空微波暗室系统、等离子体发生系统3、底部天线运动系统4、底部天线阵列5、顶部天线阵列及运动系统6、中间天线阵列7和目标模拟系统及内部天线运动系统8；顶部天线阵列及运动系统6安装在所述真空微波暗室系统内的顶部，底部天线阵列5通过底部天线运动系统4安装在所述真空微波暗室系统内的底部，中间天线阵列7通过目标模拟系统及内部天线运动系统8安装在所述真空微波暗室系统内的中部，等离子体发生系统3安装在所述真空微波暗室系统内一端的中部，且等离子体发生系统3的等离子体发射口朝向目标模拟系统及内部天线运动系统8。
本实施方式中等离子体发生系统3是由等离子体源系统、进气系统、冷却系统共同组成，电磁诊断测量系统则是由矢量网络分析仪、功率放大器、低噪声放大器、开关矩阵、信号传输线缆共同组成。
所述真空微波暗室内置于真空舱内部，真空舱顶部穿舱法兰与天线阵列连接，真空舱底部通过真空管道分别与蝶阀、角阀、真空规及真空泵进行连接获取并精准控制背景气压。所述天线阵列系统可分为五组，其中四组另外各由一个低频振子天线、一个中频喇叭天线、一个高频介质棒天线组成，实现0.1～40GHz宽频率范围内电磁信号的发射及接收。另外三个天线分别放置在目标模拟系统中，分别为低频振子天线、中频振子天线及高频振子天线，同时目标模拟系统及所对应的天线阵列由天线运动/转动/摆动系统连接进而实现天线在不同姿态-方位的移动。所述电磁诊断测量系统通过线缆与天线阵列连接，共同实现临近空间等离子体环境下的电磁信号测量。
具体实施方式二：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述临近空间等离子体环境中电磁传输测量地面模拟系统的所述真空微波暗室系统由真空仓本体1和真空微波暗室骨架2组成，真空仓本体1安装在真空微波暗室骨架2上。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述临近空间等离子体环境中电磁传输测量地面模拟系统还包括真空微波暗室轨道车9；真空仓本体1设置在真空微波暗室轨道车9上。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同：
具体实施方式四：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述临近空间等离子体环境中电磁传输测量地面模拟系统的顶部天线阵列及运动系统6包括顶部天线运动系统601、第一天线组、第二天线组和第三天线组；第一天线组、第二天线组和第三天线组并排安装在顶部天线运动系统601的下表面，顶部天线运动系统601安装在所述真空微波暗室系统内的顶部。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述临近空间等离子体环境中电磁传输测量地面模拟系统的所述第一天线组由阵子天线C1、喇叭天线C2和介质棒天线C3组成；所述第二天线组由阵子天线E1、喇叭天线E2和介质棒天线E3组成；所述第三天线组由阵子天线F1、喇叭天线F2和介质棒天线F3组成。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述临近空间等离子体环境中电磁传输测量地面模拟系统的中间天线阵列7由阵子天线G1、阵子天线G2和阵子天线G3组成；阵子天线G1、阵子天线G2和阵子天线G3安装在目标模拟系统及内部天线运动系统8的内部天线运动系统上。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述临近空间等离子体环境中电磁传输测量地面模拟系统的底部天线阵列5由阵子天线D1、喇叭天线D2和介质棒天线D3组成；阵子天线D1、喇叭天线D2和介质棒天线D3安装在底部天线运动系统4上。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述临近空间等离子体环境中电磁传输测量地面模拟方法的具体步骤如下：
步骤1：将天线阵列分别与真空舱顶部天线运动/转动/摆动系统6、底部天线运动/转动/摆动系统4、目标模拟系统中天线运动/转动/摆动系统相连接8，并通过穿舱法兰将天线阵列与外部电磁诊断测量系统相连接；为便于安装和更换，天线阵列中与线缆接头均为标准2.92mm射频接头，可实现线缆与天线、线缆与穿舱法兰的快速插拔；
步骤2：将真空微波暗室通过轨道车推入真空舱内，并将顶部穿舱法兰降下，通过O圈实现真空密封；后先后关闭真空微波暗室大门及真空舱端面封头法兰，通过气缸卡钳实现连接；
步骤3：打开真空系统，将真空舱内真空度抽至极限真空；打开等离子体发生系统中的进气系统，关闭真空系统中的插板阀，打开蝶阀与角阀，并设置所需真空工作气压；
步骤4-1：待真空舱内达到所需工作气压后，打开真空系统中的水冷系统；
步骤4-2：根据所需实验工况，设置天线运动位置、方位及姿态；
步骤4-3：启动电磁诊断测量系统中校准测量功能，获得无等离子体环境下电磁反射、透射、散射及内部电磁场信号；
步骤5：待完成上述步骤后，打开等离子体发生系统产生目标所需等离子体；
步骤6：再次启动电磁诊断测量系统中测量功能，并根据目标需求得到等离子体环境下的电磁反射、透射、散射及内部电磁场信号，并与无等离子体环境下的参数进行比对，获得等离子体动态调制下电磁特性；
临近空间等离子体环境中的真空背景是通过真空泵组、等离子体源进气系统、真空阀门(插板阀、蝶阀、角阀)共同决定的，先将真空舱内背景气压抽至极限，后通过进气系统中质量流量计对进入真空舱气气流流速进行控制，并通过PID控制反馈系统，实现工作气压的设定。
临近空间等离子体环境则是在已设定好的背景气压下，开启等离子体发生系统产生目标所需等离子体，由于本发明专利所述等离子体发生系统为直流驱动，且该等离子体发生系统的典型特点为稳定、洁净，因此无需担心由电极溅射金属杂质对电磁诊断测量过程中的畸变及影响。
工作原理
本发明所述真空系统在不带载时，即真空微波暗室不推入真空舱时，极限背景气压为10-4Pa，带载时的极限背景气压则小于10Pa。为真实再现临近空间20～100km范围处气压，因此实验测量时的工作气压范围为100～1000Pa精准可调且气压精度小于±5Pa；
本发明真空微波暗室可为实验提供更接近真空临近自由空间的无电磁反向环境，且在0.1～40GHz全频段电平波动不大于2dB；
本发明所提供等离子体发生系统将产生高密度、强碰撞、高稳定等离子体束流，且与目标模拟系统组合共同形成临近空间等离子体环境。其等离子体在目标模拟系统表面承非均匀分布，在目标模拟头部位置处等离子体密度最高达以超过1013cm-3，以目标模拟边缘外等离子体密度1010cm-3为边界，所形成等离子体鞘套厚度在3～7cm可调；
本发明所述电磁诊断测量系统通过内置开关矩阵，将实现0.1～40GHz频段内电磁信号的反射、透射、散射及内部电磁场测量。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (7)
1.临近空间等离子体环境中电磁传输测量地面模拟系统，其特征在于：所述临近空间等离子体环境中电磁传输测量地面模拟系统包括真空微波暗室系统、等离子体发生系统(3)、底部天线运动系统(4)、底部天线阵列(5)、顶部天线阵列及运动系统(6)、中间天线阵列(7)和目标模拟系统及内部天线运动系统(8)；顶部天线阵列及运动系统(6)安装在所述真空微波暗室系统内的顶部，底部天线阵列(5)通过底部天线运动系统(4)安装在所述真空微波暗室系统内的底部，中间天线阵列(7)通过目标模拟系统及内部天线运动系统(8)安装在所述真空微波暗室系统内的中部，等离子体发生系统(3)安装在所述真空微波暗室系统内一端的中部，且等离子体发生系统(3)的等离子体发射口朝向目标模拟系统及内部天线运动系统(8)。
2.根据权利要求1所述的临近空间等离子体环境中电磁传输测量地面模拟系统，其特征在于：所述真空微波暗室系统由真空仓本体(1)和真空微波暗室骨架(2)组成，真空仓本体(1)安装在真空微波暗室骨架(2)上。
3.根据权利要求1或2所述的临近空间等离子体环境中电磁传输测量地面模拟系统，其特征在于：所述临近空间等离子体环境中电磁传输测量地面模拟系统还包括真空微波暗室轨道车(9)；真空仓本体(1)设置在真空微波暗室轨道车(9)上。
4.根据权利要求1所述的临近空间等离子体环境中电磁传输测量地面模拟系统，其特征在于：顶部天线阵列及运动系统(6)包括顶部天线运动系统(601)、第一天线组、第二天线组和第三天线组；第一天线组、第二天线组和第三天线组并排安装在顶部天线运动系统(601)的下表面，顶部天线运动系统(601)安装在所述真空微波暗室系统内的顶部。
5.根据权利要求4所述的临近空间等离子体环境中电磁传输测量地面模拟系统，其特征在于：所述第一天线组由阵子天线C1、喇叭天线C2和介质棒天线C3组成；所述第二天线组由阵子天线E1、喇叭天线E2和介质棒天线E3组成；所述第三天线组由阵子天线F1、喇叭天线F2和介质棒天线F3组成。
6.根据权利要求1所述的临近空间等离子体环境中电磁传输测量地面模拟系统，其特征在于：中间天线阵列(7)由阵子天线G1、阵子天线G2和阵子天线G3组成；阵子天线G1、阵子天线G2和阵子天线G3安装在目标模拟系统及内部天线运动系统(8)的内部天线运动系统上。
7.根据权利要求1所述的临近空间等离子体环境中电磁传输测量地面模拟系统，其特征在于：底部天线阵列(5)由阵子天线D1、喇叭天线D2和介质棒天线D3组成；阵子天线D1、喇叭天线D2和介质棒天线D3安装在底部天线运动系统(4)上。
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| 聂秋月 等: "临近空间地面模拟装置等离子体源仿真研究", 宇航学报, vol. 43, no. 10, pages 1420 - 1428 * |
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