[发明专利]一种超高声速二维等离子体鞘套的测试系统及方法

说明书

本发明提供一种超高声速二维等离子体鞘套的测试系统及方法，用来测量超高声速等离子体鞘套的电磁散射参数。系统包括：等离子体发生器，天线、矢量网络分析仪，程控电源系统和等离子体密度诊断系统；将模拟超高声速等离子体鞘套的等离子体发生器放置在转台上，在发生器一侧放置1‑8GHz天线，利用矢量网络分析仪对天线进行校准，通过端口对天线的发射和接收信号进行记录和处理，得到散射参数。利用光谱仪对等离子体发生器内产生的等离子体进行诊断，通过计算从而控制等离子体相关重要参数。本发明弥补了超高声速二维等离子体鞘套参数测量的空白，为研究等离子体鞘套电磁仿真提供实验依据，为探究及解决飞行器的通讯“黑障”问题奠定基础。

技术领域

本发明涉及微波测试技术，特别涉及一种超高声速二维等离子体鞘套，其主要针对超高声速飞行器等离子体鞘套进行模拟测试，为解决“黑障”问题提供依据。

背景技术

等离子体是除了物质的液态、固态、气态之外存在的第四种状态。当呈中性的气体被自然界的高能以某种物理或是化学方式反应后，这些中性气体就变为由很多电子、带正电的粒子和中性原子构成的混合物体。近年来无论是载人航天器返回地球进入大气层，超高声速武器再入轨，还是低散射飞行器主动采用等离子材料进行吸波等，这些情况都和电磁波在等离子体中的传播、衰减、反射特性有关。

目前等离子体和电磁波的相互作用一直是人们不断探索的问题，以往较为节省成本的方式主要以模拟仿真为主，如专利申请CN106611083A涉及一种高超声速飞行器等离子体鞘套与电磁波相互作用预测方法，采用非均匀等离子鞘套自适应分层模型，分析电磁波在等离子鞘套中的传播特性，预测不同再入高度下测控信号穿过等离子鞘套的衰减情况，对再入过程中“黑障”高度进行了预示，结果与实际测试结果相符，显著提高了等离子体鞘套与电磁波相互作用的预测精度，该方法主要以模拟仿真为主，重点主要集中在模型再入高度的预测，对于等离子体在目标表面的散射问题还未涉及。

文献“进气道内衬筒形等离子体隐身性能三维模拟，强激光与粒子束，2015，27(5):108-113”，针对飞机进气道等离子体隐身问题，建立了三维筒形进气道模型，采用有限元求解波动方程，计算了腔体内壁覆盖均匀等离子体时的雷达散射截面。结果表明腔体内覆盖等离子体时可以有效吸收入射电磁波能量，由于腔体结构作用会存在几个吸收峰；吸收随电子数密度增加而增强，电子数密度过高时吸收效果会变差；最佳碰撞频率虽然与电磁波频率和电子数密度有关；吸收随等离子体厚度增加而变大，但在较大电子数密度时，由于电磁波在等离子体与空气交界面处反射导致厚度增加，从而使得吸收变小。该研究模拟了目标局部包含等离子体材料的过程，但对于等离子体分布情况未涉及。

文献“管状封闭式等离子体发生器隐身性能分析，重庆邮电大学学报:自然科学版,2016,28(4):481-486”依据准经典WKB法进行数值分析和模拟，系统研究了电磁波垂直入射封闭式等离子体管时，电磁波衰减系数与管内等离子体温度、等离子体密度、等离子体层厚度的关系，结果表明封闭式等离子体发生器参数对等离子体隐身性能有更加显著的作用，衰减系数存在最优入射角度。这类研究针对等离子体与目标的相互作用进行了数值计算和模拟仿真，但对于实物的验证还未涉及。

文献“飞机局部等离子体隐身探索研究，2010，南京理工大学，博士学位论文”针对进气道对L波段(1GHz～2GHz)雷达隐身效果有限的问题，设计了进气道内衬筒状等离子体腔体的隐身模型。利用电磁波时域有限差分法模拟了进气道等离子体隐身的物理过程，明确电磁波在腔体内的传播路径，直观地反映出腔体内电磁波复杂的时空变化关系，并计算了隐身效果。实验利用荧光灯等离子体管覆盖金属腔体内壁，测量了筒状等离子体覆盖的金属腔体对电磁波的回波衰减。实验结果表明，金属圆筒内壁的等离子体能够有效吸收L波段的探测雷达波，单程吸收平均超过10dB。该研究针对目标表面包含等离子体的模型进行模拟仿真，并采用嵌入荧光灯管的方法对实验进行了验证，研究重点集中在等离子体的隐身效果，而测试过程中并未对引入的多余散射源去除、等离子体分布特性的实验验证等还未考虑。