一种超高声速二维等离子体鞘套的测试系统及方法技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A testing system and method for two dimensional plasma sheath with ultra high sound velocity

The invention provides a testing system and method for a super high acoustic velocity two-dimensional plasma sheath, which is used to measure the electromagnetic scattering parameters of a super high velocity plasma sheath. The system includes: plasma generator, antenna, vector network analyzer, program controlled power supply system and plasma density diagnosis system. The plasma generator is placed on the turntable, and 1 8GHz antennas are placed on one side of the generator. The vector network analyzer is used to calibrate the antenna. The transmission and receiving signals of the antenna are recorded and processed through the port to obtain the scattering parameters. The plasma produced by plasma generator is diagnosed by spectrometer, and the important parameters of plasma are controlled by calculation. The invention makes up the blank of the parameter measurement of the two dimensional plasma sheath, which provides the experimental basis for the study of the electromagnetic simulation of the plasma sheath, and lays the foundation for the problem of exploring and solving the \black barrier\ of the communication of the aircraft.

【技术实现步骤摘要】
一种超高声速二维等离子体鞘套的测试系统及方法
本专利技术涉及微波测试技术，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。
技术介绍
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。在等离子体与电磁波相互作用模拟测试方面，目前也展开了一些研究，如专利申请CN106950433A公开了一种适应高真空度的低电磁散射背景环境实现方法，将低脱气量吸波材料制作成角锥形结构，然后加工制作圆柱形的不锈钢井字形背架，在井字形背架上挂装角锥形结构，在真空罐内部或真空罐热沉内部安装导轨，在不锈钢井字形背架底部安装滑轮，将角锥形结构与不锈钢井字形背架整体结构通过滑轮和导轨运输到真空罐中，形成适应高真空度的低电磁散射背景环境。该专利技术在真空罐现有基础上，增加低电磁散射测试功能，实现雷达隐身测试功能与真空红外测试功能的复合，为大气层外等离子体隐身测试提供试验环境条件，这类研究主要集中与等离子体的模拟环境，对于目标和等离子体的模型还未提及。专利申请CN205293101U公开了一种包含等离子体发生装置的飞机模型，包括机身、飞机进气道、等离子发生器组件，等离子发生器设置在机身上，具有喷射口，能够将所述等离子发生器所产生的等离子云团喷射至所述飞机进气道的进气口上。从而达到隐身的效果，当飞机受到电磁波照射时，等离子体云团阻挡电磁波进入进气道，从而提高飞机隐身性能，该专利为等离子体模拟测试提供了原型样机，但对于后续测试验证还未涉及。专利申请CN205982437U公开了一种低温等离子体中电磁波传播特性测试装置，包括等离子发生腔体，环状高压电极和环状地电极，还包括真空系统、控制系统和控制柜、控制主机和控制面板。腔体侧壁上开设进气口、出气口、观察窗和等离子浓度诊断口，真空系统的抽真空口与所述等离子体发生腔体连通，环状高压电极和环状地电极绝缘连接，内圈环状地电极和外圈环状地电极同心套设，环状高压电极和环状地电极均为金属电极，是一种低温等离子体中电磁波传播特性测试装置。该专利提供的装置由于腔体空间有限，仅能够提供等离子体与电磁特性的相互作用模拟测试，当置入目标时，腔体和目标之间的相互作用明显，模拟测试难度大。总之，以往对于等离子体和电磁波相互作用的研究主要集中在模拟仿真，尽管目前对于等离子体材料的特性研究有一定的相关基础，但对于目标和等离子体符合模型的演示验证系统还不多，能够实时调整等离子体材料的特性的实验测试验证涉及更少。
技术实现思路
为克服现有针对超高声速等离子体鞘套的模拟测试技术的不足，本专利技术提出一种超高声速二维等离子体鞘套的测试系统及方法，基于二维模型表面含等离子体的目标测试系统，利用转台，来测量不同入射方位、角度下复杂目标的电磁散射。本专利技术采用实验测试方法来对目标环境进行模拟，目标表面的等离子体能够根据不同环境进行调节，丰富了模拟验证目标真实状态的种类，测试效率高，测试成本低。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案在于提供一种超高声速二维等离子体鞘套的测试系统，包含等离子体发生器，其中设有金属钝锥体，外部设有层叠结构的多个等离子体管，各自通过低压汞蒸气放电来产生特定浓度的等离子体，以模拟超高声速等离子体鞘套密度的梯度分布。优选地，所述等离子体发生器布置有200支等离子体管：中部位置设有2-7层等离子体管，管外径为16mm；后部位置设有2层等离子体管，管外径25.4mm；金属钝锥体由铝合金材料制成，其底面直径为200mm，高度为240mm。优选地，电源的输入功率与等离子体管内的电子密度呈正比；通过程控电源系统控制放电功率，实现等离子体管同时或逐次变化。优选地，所述程控电源系统包括控制计算机、控制主机、网关、电子镇流器；每个电子镇流器输出端连接与之对应的一个或多个等离子体管；每个电子镇流器的输入端连接网关及电源，通过控制计算机对电源的输入功率进行调控。优选地，所述等离子体发生器一侧放置有位置可调的天线；所述天线连接在矢量网络分析仪的端口上，对发射及接收信号进行处理，天线频率为1-8GHz；所述等本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超高声速二维等离子体鞘套的测试系统，其特征在于，包含等离子体发生器，其中设有金属钝锥体，外部设有层叠结构的多个等离子体管，各自通过低压汞蒸气放电来产生特定浓度的等离子体，以模拟超高声速等离子体鞘套密度的梯度分布。

【技术特征摘要】
1.一种超高声速二维等离子体鞘套的测试系统，其特征在于，包含等离子体发生器，其中设有金属钝锥体，外部设有层叠结构的多个等离子体管，各自通过低压汞蒸气放电来产生特定浓度的等离子体，以模拟超高声速等离子体鞘套密度的梯度分布。2.如权利要求1所述超高声速二维等离子体鞘套的测试系统，其特征在于，所述等离子体发生器布置有200支等离子体管：中部位置设有2-7层等离子体管，管外径为16mm；后部位置设有2层等离子体管，管外径25.4mm；金属钝锥体由铝合金材料制成，其底面直径为200mm，高度为240mm。3.如权利要求1所述超高声速二维等离子体鞘套的测试系统，其特征在于，电源的输入功率与等离子体管内的电子密度呈正比；通过程控电源系统控制放电功率，实现等离子体管同时或逐次变化。4.如权利要求3所述超高声速二维等离子体鞘套的测试系统，其特征在于，所述程控电源系统包括控制计算机、控制主机、网关、电子镇流器；每个电子镇流器输出端连接与之对应的一个或多个等离子体管；每个电子镇流器的输入端连接网关及电源，通过控制计算机对电源的输入功率进行调控。5.如权利要求1所述超高声速二维等离子体鞘套的测试系统，其特征在于，所述等离子体发生器一侧放置有位置可调的天线；所述天线连接在矢量网络分析仪的端口上，对发射及接收信号进行处理，天线频率为1-8GHz；所述等离子体发生器放置在转台上，通过控制转台来测量不同方位角度的电磁散射参数。6.如权利要求5所述超高声速二维等...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾洁姝，梁子长，何鸿飞，许勇刚，郭良帅，
申请(专利权)人：上海无线电设备研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31