[发明专利]高速飞行器等离子体鞘套径向时变电子密度模拟方法

说明书

本发明属于航天测控通信技术领域，公开了一种高速飞行器等离子体鞘套径向时变电子密度模拟方法，包括：根据稳态电子密度在飞行器径向服从双高斯分布，生成稳态电子密度；由时变电子密度功率谱密度得到二维滤波器期望频率响应矩阵；生成二维高斯窗函数，对二维滤波器期望频率响应矩阵进行加窗函数处理，得到二维滤波器幅频响应；生成二维高斯白噪声并通过二维滤波器进行滤波处理，得到概率密度函数和功率谱密度符合要求的高速飞行器等离子体鞘套径向电子密度时变偏移量，与稳态电子密度相叠加得到时变等离子体鞘套电子密度序列。本发明避免了直接对二维电子密度建模的高难度和高复杂度；避免了介质模型误差引起的电磁计算误差。

技术领域

本发明属于航天测控通信技术领域，尤其涉及一种高速飞行器等离子体鞘套径向时变电子密度模拟方法。

背景技术

高速飞行器在再入大气的过程中当速度大于10马赫，飞行器表面形成激波，使高速飞行器的大量动能转化为热能，其表面附近的空气分子被高温电离，会产生一层包裹飞行器表面的等离子体鞘套层，鞘套层会对测控信号产生衰减，严重时会导致通信中断。等离子体的首要参数为电子密度，其与等离子体的介电常数直接相关。故对等离子体鞘套电子密度进行建模是研究等离子体中电磁波传播的基础。传统对等离子体中电磁波传播的研究仅仅为对透射系数的均值的粗略评估，建立的电子密度模型大多为稳态，即电子密度不随时间变化。通过理论与实验研究的深入，结果表明等离子体鞘套不是恒稳的，其物理参数是动态变化的。同时，由于动态等离子体鞘套电子密度的变化频率与测控通信的码元速度相当，严重影响测控通信的稳定性。尽管近年来国内外的研究对等离子体鞘套模型加入了时间项，但由于对电子密度时变规律认识的认识上存在不足，且缺乏适合的建模方法，所建立的模型过于简单，即仅仅在稳态电子密度模型基础上乘以一个随机序列，使得等离子体介质模型不准确进而导致了电磁计算结果误差较大，难以满足对等离子体鞘套所引起通信问题的研究需求。等离子体鞘套是一种随机时变介质，其三维空间分布和时变特性难以获取。实际上，电波传播和测控通信领域更为关注的是天线窗口传播路径上的电子密度分布和时变特性。研究表明天线窗口处径向等离子体鞘套电子密度时变规律为：其概率密度函数服从高斯分布，功率谱特性为单指数函数与高斯函数叠加形式，且径向不同位置的电子密度变化相关性较小。基于这些对电子密度变化时变特性的认识，满足这种规律变化的电子密度模拟方法可为电磁波传播计算提供最为关键的介质模型。因此，有必要提出一种能够快速准确生成径向时变等离子体鞘套电子密度的方法。

综上所述，现有技术存在的问题是：目前对等离子体鞘套模型加入了时间项，建立的模型过于简单，难以满足对等离子体鞘套所引起通信问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高速飞行器等离子体鞘套径向时变电子密度模拟方法。

本发明是这样实现的，一种高速飞行器等离子体鞘套径向时变电子密度模拟方法，所述高速飞行器等离子体鞘套径向时变电子密度模拟方法包括以下步骤：

步骤一，根据稳态电子密度在飞行器径向服从双高斯分布，生成稳态电子密度；

步骤二，由时变电子密度功率谱密度得到二维滤波器期望频率响应矩阵；

步骤三，生成二维高斯窗函数，对二维滤波器期望频率响应矩阵进行加窗函数处理，得到二维滤波器幅频响应；

步骤四，生成二维高斯白噪声并通过二维滤波器进行滤波处理，得到概率密度函数和功率谱密度符合要求的高速飞行器时变等离子体鞘套二维时变电子密度，与稳态电子密度相叠加得到时变等离子体鞘套电子密度序列。

进一步，所述高速飞行器等离子体鞘套径向时变电子密度模拟方法具体包括以下步骤：

步骤一，根据稳态电子密度在飞行器径向服从双高斯分布，由分布函数生成稳态电子密度；

步骤二，由时变电子密度功率谱密度得到二维滤波器期望频率响应矩阵；