一种基于激光电离空气的电磁波矢量分布测量系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于激光电离空气的电磁波矢量分布测量系统。该设计通过激光电离空气产生等离子体，生成的等离子体与待测电磁波进行相互作用，利用光源控制系统调整激光电离空气的空间位置，接收不同位置等离子体与待测电磁波相互作用后的电磁波信号，实现空间中任意位置的电磁波幅度和相位分布的测量。本发明专利技术不仅可以实现空间电磁波分布的快速测量，同时还避免了其它夹具、测量介质等引入对待测位置电磁波分布的影响，是一种快速、灵活、准确的测量手段。手段。手段。

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光电离空气的电磁波矢量分布测量系统


[0001]本专利技术属于电磁波测量领域，具体涉及一种基于激光电离空气的电磁波矢量分布测量系统。

技术介绍

[0002]获得电磁波的空间分布是电磁测量领域的一个重要研究内容，在天线测量、电磁兼容、雷达成像等领域有着广泛的应用。目前广泛使用的电磁波空间分布的测量手段是使用近场测量探头结合机械装置的形式，近场测量探头通常是一个开口波导，开口波导与矢量网络分析仪等信号接收处理装置连接，将开口波导固定在机械滑台上，控制机械滑台在空间中移动采样，完成采样区域电磁波分布的测量。然而，开口波导因其金属结构特点，会影响待测区域电磁波的分布；同时使用机械滑台控制探头移动完成扫描的测量时间通常十分漫长，当待测空间区域较大时，完成一次测量可能需要几十分钟甚至几个小时；在机械滑台承载探头移动时，连接线缆的移动也会对测试结果的准确性造成不利的影响。
[0003]为了解决近场探头扫描式电磁波测量系统存在的问题，J.H.Richmond曾发表“AModulatedScatteringTechniqueforMeasurementofFieldDistributions”，IRETransactionson MicrowaveTheoryandTechniques3(4),13
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15(1955)，提出了调制散射的方式实现电磁波分布的测量，该测量方法的“等效探头”尺寸较小，有效地提高了测量的分辨率并减少了对待测场的干扰；同时，基于散射原理的测量方式探头无需连接线缆，避免了测试过程中探头移动导致线缆跟随移动带来的误差，然而该方法还是无法避免对机械移动装置的依赖，仍然无法避免单次测量时间漫长的问题。马辽等人在“Real
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timeimagingofelectromagneticfields”，Opt.Express30(12),20431
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20440(2022)，提出了使用硅片作为测量介质，利用光电导现象对空间电磁波分布进行测量，该测量方法使用激光照射在硅片上，照射区域形成的等离子体视作“等效探头”，搭配光路控制系统能够迅速地实现电磁波空间分布的测量，然而，由于硅片的引入，会对待测位置的电磁波产生干扰，影响测量结果的准确性。
[0004]当超短脉冲激光在空间中聚焦于某一位置时，聚焦处的场强超过原子内部相互作用的库伦场，电子将脱离原子束缚，在该聚焦区域的空气被激发为等离子体。根据洛伦兹
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德鲁德模型，空气受激生成的等离子体的复介电常数发生变化，当电磁波穿过该等离子体区域时，电磁波的响应将发生改变。根据此现象，本专利技术提出使用激光在空间中逐点扫描激发等离子体，收集不同位置的待测电磁波响应，实现电磁波空间矢量分布的测量，该测量方法无需引入任何测量介质，保证了测试结果的准确性；通过光源控制系统可控制激光在空间任意位置聚焦，获得多维电磁波矢量空间分布信息；相较于传统机械滑台承载探头移动的形式，光束空间聚焦位置的变化速度更快，提高了测试效率；在测试过程中线缆无需移动，避免了线缆移动引入的误差。利用该测量系统能够实现高效、快速、准确的电磁波矢量分布测量。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于，提出了一种基于激光电离空气的电磁波矢量分布测量系统，该测量系统无需其它测试介质或测量探头，避免了对待测区域电磁波的干扰；测试系统不需要机械滑台等装置，极大的提高了测试效率；可灵活设定测试区域，结合光源控制系统可实现空间任意位置区域的多维电磁波矢量分布测量；在测试时，连接线缆不需要跟随移动，避免了测试线缆引入的测试误差。
[0006]为实现上述目的，本专利技术的具体方案如下：包括激光光源；光源控制系统；天线；信号接收处理装置；上位控制系统：
[0007]所述激光光源用于产生能够电离空气的激光；
[0008]所述光源控制系统用于控制激光在空间中电离空气的位置；
[0009]所述天线用于接收激光电离空气产生的等离子体与待测电磁波相互作用后的信号；
[0010]所述信号接收处理装置与天线相连接，用于处理天线接收的电磁波信号；
[0011]所述上位控制系统与接收装置及光源控制系统连接，用于控制光源控制系统及接收装置协同工作，实现对待测电磁波的矢量信号采集。
[0012]所述激光光源为脉冲激光光源，激光强度可达到在聚焦区域内出现可见的等离子体闪光。
[0013]所述光源控制系统包括功率控制模块、焦距控制模块及光束路径控制模块，用于控制激光的照射功率及聚焦电离空气的空间位置。
[0014]所述天线的工作带宽覆盖待测电磁波的频率，所述信号接收处理装置可接收待测电磁波频率的信号，并将接收信号处理为对应的幅度和相位。
[0015]所述上位控制系统可发送指令至光源控制系统及信号接收处理装置，协调同步测量，通过激光空间扫描完成待测电磁波幅度相位分布的测量。
[0016]其中，使用该系统测量电磁波分布的方法步骤如下：
[0017]步骤1：通过上位控制系统设置待测电磁波的空间扫描区域；
[0018]步骤2：通过上位控制系统设置信号接收处理装置的接收参数；
[0019]步骤3：上位控制系统发送指令至光源控制系统，控制激光聚焦在扫描区域的第一个位置，激光将扫描区域的第一个位置的空气电离，形成可见等离子体闪光；
[0020]步骤4：激光电离的等离子体与待测电磁波相互作用，天线及信号接收处理装置接收电磁波信号；
[0021]步骤5：信号接收处理装置接收待测电磁波与等离子体相互作用后的电磁波信号，并将信号解析为幅度和相位的表示形式；
[0022]步骤6：重复步骤3
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步骤5，上位控制系统控制激光聚焦在扫描区域的下一个位置，直至完成整个空间区域的扫描，最终可获得空间区域的电磁波幅度及相位分布。
[0023]本专利技术的有益效果为：相比于目前已有的测量技术，本专利技术测量装置简单便捷，不需要使用近场测量探头或者测量介质，不会对待测区域的电磁波分布产生干扰；不需要使用机械滑台等位移装置，极大地提高了测量速度，可将常规几十分钟甚至几小时的测量时长缩短为几分钟量级；可灵活设置测量区域，结合光源控制系统，可在空间任意区域实现多维电磁波矢量分布测量；由于测量时接收天线无需移动，不存在因连接线缆移动而导致测
量结果的不准确。本专利技术是一种高效、准确的电磁波测量方法。
附图说明
[0024]图1为本专利技术第一实施例的基于激光电离空气的电磁波矢量分布测量系统；
[0025]图1的附图标记说明：
[0026]1‑
激光光源；2
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光源控制系统；3
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上位控制系统；4
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信号接收处理装置；5
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天线；6
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激光光束；7
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激光电离空气形成的等离子体；8
‑
等离子体与待测电磁波相互作用后的电磁波信号；9...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于激光电离空气的电磁波矢量分布测量系统，其特征在于：包括激光光源；光源控制系统；天线；信号接收处理装置；上位控制系统：所述激光光源用于产生能够电离空气的激光；所述光源控制系统用于控制激光在空间中电离空气的位置；所述天线用于接收激光电离空气产生的等离子体与待测电磁波相互作用后的信号；所述信号接收处理装置与天线相连接，用于处理天线接收的电磁波信号；所述上位控制系统与信号接收处理装置及光源控制系统连接，用于控制光源控制系统及信号接收处理装置协同工作，实现对待测电磁波的矢量信号采集。2.根据权利要求1所述的一种基于激光电离空气的电磁波矢量分布测量系统，其特征在于：所述激光光源为脉冲激光光源，激光强度可达到在聚焦区域内出现可见的等离子体闪光。3.根据权利要求1所述的一种基于激光电离空气的电磁波矢量分布测量系统，其特征在于：所述光源控制系统包括功率控制模块、焦距控制模块及光束路径控制模块，用于控制激光的照射功率及聚焦电离空气的空间位置。4.根据权利要求1所述的一种基于激光电离空气的电磁波矢量分布测量系统，其特征在于：所述天线的工作带宽覆盖待测电磁波的频率，所述信号接收处理装置可接收待测电磁波频率...

【专利技术属性】
技术研发人员：白明，冷凝，马辽，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：