[发明专利]临近空间高速目标等离子体电磁测量系统

说明书

本发明公开了一种临近空间高速目标等离子体电磁测量系统，包括圆柱卧式的真空腔体，等离子体进入真空腔体的喷口平面不能和真空腔体端面共面；透射测量系统的收发天线分别架设于两侧边的下导轨上，透射测量系统的收发天线对称架设且能够沿等离子体轴线方向和径向二维移动，散射测量系统的待测目标架设于中间的下导轨上，散射测量系统的收发天线均架设于上导轨上；内部电磁场测量系统的发射天线架设于两侧边的任意一组下导轨上，接收电磁场的电场/磁场探针架设于中间的下导轨上。本发明同时兼顾等离子体电磁测量中的透射测量、散射测量和内部电磁场测量三种测量系统，使得电磁散射实验和透射实验能够进行同时配置，并且互不影响。

技术领域

本发明属于电磁测量技术领域，涉及一种临近空间高速目标等离子体电磁测量系统。

背景技术

临近空间是距地面20~100 km的空间区域，介于卫星和航空飞行区域之间，不仅是航天器往返外太空的必经之地，还是高超声速飞行器的飞行走廊。临近空间高速飞行器作为开发利用临近空间的重要载体，将开拓人类新的活动疆域。历史经验表明：哪个国家首先掌握进入和开拓新活动疆域的能力，就会在国际竞争中占据巨大的战略优势甚至绝对主导权。临近空间高速飞行器所具有的高速度、低高度、长航时、可重复使用等特点，使其成为灵活进出临近空间、全球快速到达、往返太空的重要运输载体，已经成为各科技大国研究的焦点。

飞行器高超声速飞行时，由于气动加热，温度可达到数千甚至上万摄氏度，空气分子被高温激发电离形成一层包覆在飞行器表面的“等离子鞘套”。等离子鞘套包含大量中性粒子、正离子和自由电子，其中带电粒子(主要为自由电子)会吸收、反射和散射电磁波，引发一系列电磁效应，使通信和探测信号产生畸变，导致信息系统特性发生改变，甚至产生通信“黑障”、目标探测异常等系列问题，已成为制约临近空间高速飞行器发展的瓶颈和亟待解决的世界难题。

等离子体具有很强的非均匀性，非均匀等离子体变化的特征长度与电磁波波长接近甚至更短，传统求解波动方程的理论描述将不完全适用；基于均匀等离子体的线性理论和模型在临近空间高速飞行器中的应用误差很大；截止效应的“黑障”物理现象认识、简单色散关系的等离子体介质模型等都可能在强非均匀条件下不完全适用，给揭示高速目标等离子体与电磁波相互作用新机理带来了极大挑战。

高速目标等离子体的动态特性对电磁波传播与散射特性有明显的影响，主要表现为等离子体的随机动态性影响电磁波传播的幅/相特性，体现出一种具有乘性干扰的信道特性。扰动周期与信号码元时间尺度相当，在信息传输过程中信号出现了异常的附加调制现象。即使电磁波能够穿透等离子体，但动态随机介质还会引发信号的附加调制、星座图相位旋转等信号畸变，严重时也会导致信号捕获、解调失败等。目前等离子体参数动态性导致信号层面问题的影响规律和机制认识尚不明确，给高速目标等离子体环境下的可靠信息传输带来了极大的挑战。

与此同时，雷达探测出现假目标、雷达回波异常、目标异常展宽、ISAR像散焦等现象与等离子鞘套的出现几乎同步，表明高速目标等离子体与雷达信号的相互作用存在未被认知和未被发现的新机理，且目前对等离子体高动态引起的雷达回波幅度、相位起伏、多普勒展宽等现象缺乏认识和描述，给现有雷达可靠探测临近空间高速飞行器提出了挑战。

为了发展适用于高速目标等离子体与电磁波作用的自洽理论体系、揭示高速目标等离子体与电磁波/信号之间作用机理、探索缓解和突破“黑障”的通信途径，都迫切需要深入开展理论和地面实验研究。

对于高速目标等离子体电磁科学问题的研究，主要采用理论研究、地面实验、飞行试验三种基本研究手段。飞行试验可用于理论与技术验证，但是其成本高、变量解耦难、可重复性差，因此结合理论研究，开展模拟逼真度高，可重复性好的地面实验是揭示高速目标等离子特性、研究电磁波传播和通信探测问题的重要手段。