[發(fā)明專利]基于波阻抗不變點(diǎn)的等離子體電子密度和碰撞頻率聯(lián)合診斷方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110428114.6
• 申請日: 2021-04-21
• 公開（公告）號: CN113128050B
• 公開（公告）日: 2023-04-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊敏;董鵬;李小平;謝楷;權(quán)磊;陳燕揚(yáng);李瑾;劉彥明
• 申請（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué);北京臨近空間飛行器系統(tǒng)工程研究所
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;H05H1/00
• 代理公司: 西安知誠思邁知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 61237
• 代理人: 麥春明

本發(fā)明公開了基于波阻抗不變點(diǎn)的等離子體電子密度和碰撞頻率聯(lián)合診斷方法，通過寬帶掃頻天線發(fā)射一定頻帶寬度內(nèi)的多個頻點(diǎn)電磁波，得到由等離子體引起的各個頻率的反射信號的復(fù)反射系數(shù)，再根據(jù)波阻抗理論由復(fù)反射系數(shù)與介電常數(shù)間的關(guān)系求得介電常數(shù)的倒數(shù)，然后由介電常數(shù)的倒數(shù)得到等離子體特征頻率并反推出電子密度，最后通過求解介電常數(shù)的倒數(shù)極值點(diǎn)反推出碰撞頻率。本發(fā)明基于波阻抗不變點(diǎn)的等離子體電子密度和碰撞頻率聯(lián)合診斷方法，診斷儀器的小型化，診斷儀器構(gòu)成簡單、對使用環(huán)境適應(yīng)性廣且儀器小型化，有利于在機(jī)載系統(tǒng)中被采用，并且無介入性，可多次重復(fù)使用，可同時在線診斷電子密度和碰撞頻率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于等離子體診斷技術(shù)領(lǐng)域，涉及基于波阻抗不變點(diǎn)的等離子體電子密度和碰撞頻率聯(lián)合診斷方法。

背景技術(shù)

高速飛行器以幾倍馬赫數(shù)甚至十幾倍馬赫數(shù)在大氣層內(nèi)飛行時，飛行器對空氣的擠壓以及飛行器表面與空氣產(chǎn)生的高速摩擦，產(chǎn)生高溫，造成飛行器機(jī)體表面材料以及空氣中的氣體分子發(fā)生不同程度的離解反應(yīng)，形成等離子體，并包覆在飛行器四周形成等離子體鞘套。等離子體鞘套會對在其中傳播的電磁波表現(xiàn)出吸收、散射、反射等特性，使得通信質(zhì)量惡化，嚴(yán)重時將產(chǎn)生黑障現(xiàn)象，飛行器與外界的通信聯(lián)絡(luò)被完全中斷。

為了削弱甚至解決黑障現(xiàn)象，便需要能夠?qū)Φ入x子體鞘套參數(shù)進(jìn)行診斷分析，其中以電子密度和碰撞頻率這兩個參數(shù)最為重要。目前針對等離子體鞘套參數(shù)的診斷方法主要有朗繆爾探針法、微波反射法、光譜法和激光診斷法等。其中，(1)朗繆爾探針又稱靜電探針，是一種介入式診斷方法，將由導(dǎo)電金屬制成的針頭深入等離子體內(nèi)部，測量等離子體的伏安特性曲線，從而計算獲得等離子體鞘套內(nèi)部參數(shù)，但朗繆爾探針法受到氣動加熱以及雜質(zhì)覆蓋的雙重影響只能一次性使用；(2)微波反射法利用電磁波在等離子體中的傳播特性，由于微波頻段與等離子體的特征頻率在數(shù)量級上可以相比擬，可計算電磁波在等離子體中幅度和相位的變化來反推等離子體鞘套的電子密度，但傳統(tǒng)微波反射法還無法做到對電子密度和碰撞頻率的同時在線診斷；(3)光譜法對等離子體輻射光譜進(jìn)行分析，了解等離子體內(nèi)部發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)，可以獲得等離子體鞘套中的一些參數(shù)；(4)激光具有很高的時空相干性，當(dāng)其穿透等離子體時會引起光干涉條紋的變化，通過測量光的干涉條紋反推等離子體折射率最終計算出等離子體鞘套參數(shù)；但激光診斷法和和光譜法受到設(shè)備儀器復(fù)雜、難以小型化的局限，目前都只在地面系統(tǒng)中被采用。

然而在高超環(huán)境下在線診斷等離子體鞘套時，機(jī)上載荷都有嚴(yán)苛的裝填空間限制和重量限制，要求診斷儀器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，還必須為單端口設(shè)計。本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足結(jié)合高超環(huán)境下在線診斷要求的特殊性，提出了一種基于波阻抗不變點(diǎn)的等離子體電子密度和碰撞頻率聯(lián)合診斷方法，能夠同時測量出電子密度和碰撞頻率。

發(fā)明內(nèi)容

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明實(shí)施例提供一種基于波阻抗不變點(diǎn)的等離子體電子密度和碰撞頻率聯(lián)合診斷方法，使得診斷儀器的小型化，診斷儀器構(gòu)成簡單、對使用環(huán)境適應(yīng)性廣且儀器小型化，有利于在機(jī)載系統(tǒng)中被采用，并且無介入性，可多次重復(fù)使用，可同時在線診斷電子密度和碰撞頻率，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的診斷儀器設(shè)計復(fù)雜、體量大、使用環(huán)境局限以及有介入性、不可重復(fù)使用，不可同時在線診斷電子密度和碰撞頻率等問題。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，基于波阻抗不變點(diǎn)的等離子體電子密度和碰撞頻率聯(lián)合診斷方法，包括以下步驟：

S1，寬帶掃頻天線對等離子體發(fā)射設(shè)定頻帶寬度內(nèi)的n個頻點(diǎn)電磁波f_i，i＝1,2,…,n，由測量接收的各個頻點(diǎn)電磁波的回波損耗R_ai計算得到n個頻點(diǎn)電磁波由等離子引起的真實(shí)復(fù)反射系數(shù)R_i；