一种临近空间高动态飞行器等离子鞘套自动判别方法

临近空间高动态飞行器在高速飞行过程中与大气强烈作用,形成十分复杂的高温等离子鞘套,改变了目标的散射回波特性,给目标探测带来不确定性,需要及时判别当前目标是否处于等离子鞘套状态。本文提出一种基于波形熵判别和变带宽确认的等离子鞘套自动判别方法,首先提取目标回波波形熵、包络长度等特征信息,利用模糊分类器进行基于波形熵的群目标判别,其次根据鞘套与目标和目标之间的距离与信号带宽的关系差异,通过检测不同带宽回波的包络长度变化,对鞘套和目标进行判别。仿真结果验证了本文所提方法的有效性。

强等离子鞘套下航天返回舱相控阵雷达探测问题研究

为了有效应对强等离子鞘套环境下相控阵雷达对再入航天器的探测跟踪任务,设计采用多种波形的航天器目标多通道临空复制跟踪策略。针对等离子鞘套的特性和对雷达探测跟踪的不利影响,分别从信号带宽、检测门限和信号波形等方面进行了适应性改进。采用大的跟踪带宽、慢门限凝聚检测送点方式提升常规线性调频信号检测能力;采用宽、窄带交替跟踪方式提升目标距离分辨与检测能力;采用相位编码波形屏蔽鞘套的影响,稳定跟踪目标;采用正负LFM信号检测产生相关强点迹,以保持目标跟踪;复制跟踪策略在实际任务中进行了应用验证,取得了较好的效果。

等离子鞘套下空间高速目标逆合成孔径雷达距离像散焦补偿算法

针对等离子鞘套包覆空间高速目标ISAR成像时出现距离维散焦问题,开展了等离子鞘套包覆空间高速目标ISAR像距离维散焦机理及补偿算法研究。通过分析等离子鞘套的高速流场分布特性,建立了等离子鞘套包覆空间高速目标的回波模型,通过分析回波信号解线调频处理后的相位解析式,揭示了等离子鞘套流场速度的非均匀分布导致ISAR像距离维散焦的机理。为了实现距离维的散焦抑制,采用分数阶傅里叶变换法对等离子鞘套的耦合速度进行估计,构建了相位补偿因子消除等离子鞘套的影响,最终获得了等离子鞘套包覆下空间高速目标的ISAR距离维可靠成像。最后基于流场数据仿真验证了该算法的有效性。

等离子鞘套中的电波传播问题研究

高速飞行器再入时表面形成的等离子鞘套对飞行器的通讯联络、飞行控制产生不可忽略的影响,本文研究再入飞行器包覆等离子体对电波传播特性影响的关键问题。通过研究空间高速飞行器包覆等离子体的形成物理机理,根据N-S动力学方程及k-epsilon湍流模型,模拟高速飞行器表面包覆等离子体的流场参数,计算了包覆流场中的电子密度及等离子鞘套对电波的衰减,并且根据电磁窗口装置原理图,对磁化等离子体中的电波传播进行了仿真,结果表明该装置可明显降低电磁波衰减,对飞行器再入控制、通信研究具有明显意义。

时变等离子鞘套相位抖动对GPS导航的影响

飞行器再入过程中产生的时变等离子鞘套会引起信号的时变衰减和相位抖动,其产生的相位抖动对调相体制的GPS导航系统必然产生影响。探讨了时变等离子鞘套引起信号相位抖动的机理,通过传输矩阵法计算了由时变等离子鞘套引起GPS导航信号的相位抖动的统计特性,结合Hilbert方法建立了受到相位抖动影响的GPS信号模型,研究了黑障发生前等离子鞘套的相位抖动对GPS导航的影响。仿真结果表明GPS导航受到影响的程度和相位抖动方差大小密切相关。在NASA数据下相位抖动方差为0.1142时,定位变化大于10m的最大比例超出了1.5%,大于5m的最大比例超出了14%。

等离子鞘层在等离子弧焊中的应用

指出了尾焰电压和等离子云探针检测方法的本质,都是检测电弧的等离子焰.根据等离子体鞘层理论分析,用尾焰电压和等离子云探针检测等离子焰时,在金属检测板或金属探针表面附近将产生鞘层电压,相对于被焊工件为负电压值.鞘层电压与等离子体的温度及等离子体组分有关.动态平衡时,在金属检测板或金属探针表面的负电压值为一常量,可以根据公式计算该电压值.文中提出了一种无源探针检测等离子云的方法,该方法更加证明了等离子焰检测中等离子鞘层理论的重要性.

磁化等离子鞘套中毫米波大气窗口的衰减

为了更好地利用目前紧张的频谱资源,解决临近空间通信"黑障"问题,选取高斯分布模型建立非均匀等离子鞘套,并结合4个在大气中具有高透过性的毫米波大气窗口,研究等离子鞘套外加不同强度磁场与无外加磁场情况下,毫米波大气窗口在其中传输的衰减情况受攻角和等离子鞘套碰撞频率改变的影响。仿真结果显示:外加不同强度磁场时会改变毫米波大气窗口的衰减值,但不会改变毫米波大气窗口在等离子鞘套中的传输规律。外加磁场是否改善毫米波大气窗口的传输性能需要综合考虑等离子鞘套与毫米波大气窗口的谐振频率。

等离子鞘套随机特性对电波传播影响分析

高超声速飞行器等离子鞘套由于湍流、姿态调整、非均匀烧蚀等因素的影响,其等离子参数具有一定的随机特性。随机媒质的时域有限差分法(Stochastic Finite Difference Time Domain,SFDTD)可用于快速分析随机媒质中电波传播的统计特性。本文将普通媒质的S-FDTD方法扩展到等离子色散媒质,并采用该方法分析了典型鞘套电子密度分布下,电子密度随机特性对电波传播的影响。结果表明:电子密度的随机变化会引起透射电磁波的幅度与相位的抖动,抖动幅度与电子密度变化幅度具有线性相关性;等离子碰撞频率越高,相同强度的电子密度变化引起的透射系数幅度与相位变化越小;提高入射波频率,有助于有减少透射电磁波幅度与相位抖动。

太赫兹波在等离子鞘套中的传播

文章介绍了平面波斜入射到不均匀非磁化等离子体时的散射矩阵方法,并用这种方法分析了等离子鞘套中太赫兹信号的传播特性;计算了鞘套的反射,透射与群时延。计算结果表明,在低碰撞频率时,鞘套的高通特性显著,随着碰撞频率的增加,鞘套的反射与透射系数随频率的变化趋于缓和;总体上等离子体的入射波频率的增加,有利于电磁波的透射。

等离子鞘套影响下的INS/GNSS组合导航技术研究

分析了再入飞行器高速飞行所面临的环境特点及等离子鞘套产生的原因,研究表明等离子鞘套的存在会造成电磁波的衰减,对于INS/GNSS组合导航会产生较大的影响,提出了通过INS/GNSS紧耦合方法提高复杂环境下组合导航抗干扰能力,经分析这一技术有效。

临近空间高超声速飞行器等离子鞘套模拟及调控研究进展

临近空间高超声速飞行器再入时等离子体流场导致的通信黑障问题,是困扰航天领域的世界难题之一,也是制约发展临近空间高超声速飞行器的瓶颈。为解决黑障问题,国内外学者对等离子鞘套开展了许多研究。本文介绍了通信黑障的各类调控方法,并从实验和理论研究2个方面阐述目前国内外的相关研究进展及存在的问题,着重讨论了高超声速飞行器等离子流场的特点及模拟计算中涉及的难点,对等离子鞘套模拟计算的发展趋势、需要关注的问题及研究意义进行了总结和评述。

高超声速飞行器等离子鞘套中的电磁波传播

高速飞行器再入时表面形成的等离子鞘套对飞行器的通讯联络、飞行控制产生不可忽略的影响,导致"黑障"现象。采用压力权函数修正的迎风型矢通量分裂格式(modiified advection upstrearn splitting method byintroducing the pressure-based weight functions,AUSMPW+),求解Navier-Stokes方程组,计算了包覆流场中的电子密度及等离子鞘套对电波的衰减,并且根据电磁窗口装置原理图,对非均匀磁化等离子体中的电波传播进行了仿真。结果表明,增强磁场可明显减小磁窗内的电子密度,有效降低等离子体鞘套对电磁波的衰减。

高速飞行器等离子鞘套的自适应天线匹配系统设计

为解决高速飞行器表面产生的等离子鞘套对天线造成失配和驻波比劣化的影响,提出了自适应天线匹配的设计方案。通过使用微带定向耦合器实时测量受到等离子鞘套影响的失配天线,系统可根据失配天线的阻抗数值调整天线端口处的Pi型匹配网络参数,以实现天线阻抗的重新匹配。其中Pi型匹配网络的设计没有采用传统的电感方式,而是改用插入损耗小的1/4波长线加变容二极管方式实现,整个系统以S波段为设计频率,实测系统的总插入损耗为0.63 dB。通过实验测试表明,该系统能将失配驻波为10的天线重新调配到驻波1.5以内。

高频电磁波在等离子鞘套中的传播衰减分析

近年来,空间飞行器返回大气时的通信问题又被大家广泛关注,空间飞行器返回大气时再入过程中遇到的黑障区通信问题也急需解决。本文从信号链路角度,分析空间飞行器返回大气时再入过程中的黑障区通信问题。通过对等离子鞘套介质特性、电磁特性的深入探讨,针对飞行器实际飞行情况,对不同高度处等离子鞘套电子密度加入随机性,并对非均匀等离子鞘套进行改进的自适应分层分析电磁波在非均匀等离子鞘套中传播的衰减损耗,为解决空间飞行器返回大气时再入过程中黑障区通信问题提供理论基础。

高超声速飞行器等离子鞘套相关问题研究与展望

主要对高超声速飞行器等离子鞘套的国内外研究现状进行了跟踪、分析和研究,深入剖析了等离子体流场分布特性、电磁波在等离子体中的传输特性、在线诊断等技术难点,分析并尝试给出后续研究应关注的重点方向。

等离子鞘套中毫米波大气窗口的衰减特性

为了探索出减缓飞行器在临近空间出现的通信"黑障"问题,结合毫米波大气窗口在大气传输的优越性,根据RAM C提供的飞行试验数据,建立双指数分布、Epstein分布和高斯分布三个等离子体鞘套模型,用Z-FDTD算法计算毫米波大气窗口在等离子体鞘套中传播的衰减特性。综合分析可得:可采用35GHz所在的Ka频段和以220GHz所在的太赫兹频段的双频测控工作通信系统,此搭配可较好满足对高超声速飞行器在临近空间巡航时的测控需求。

高超声速飞行器等离子鞘套反演分析

目前等离子体鞘套机理研究主要工作集中在理论模型的分析及地面模拟试验上,缺少真实试验数据的有效支撑,尤其缺少一套系统的试验数据分析方法。通过对等离子体鞘套无线通信试验数据进行数据反演分析,可以获得等离子体鞘套对不同频段无线信号的影响规律,并对等离子体鞘套仿真预测中涉及的流场、烧蚀、电磁计算等模型进行修正。等离子体数据反演分析方案中涉及到高精度链路计算、电子密度测量、飞行器外表面材料烧蚀碳化效应分析以及动态等离子体鞘套电磁分析建模等几项关键技术,通过对其分别进行技术突破,可提高等离子体数据反演分析的精度,使真实数据更为有效地修正理论分析模型。

再入等离子鞘套对测控信号传输的影响

高超声速飞行器再入大气层时,会在飞行器周围产生一层等离子鞘套,对测控信号的传输产生严重的影响。为分析等离子鞘套对测控信号的影响,提出了一种非均匀等离子鞘套自适应分层模型,并仿真计算了电磁波在RAM-C典型再入等离子鞘套中的透射衰减情况,进而得出各频段测控信号进出"黑障"的高度。经与NASA报告中实测数据进行对比,"黑障"高度吻合得很好。在实际型号试验中的应用也证明了该方法的有效性。结果表明,该方法可以较好地模拟测控信号在再入等离子鞘套中的传播情况,将来可用于对"黑障"现象的进一步研究。

外加恒稳磁场对再入等离子鞘套中电磁波传播特性的影响

本文详细研究和计算了外加恒稳磁场大小和方向对再入等离子鞘套中电磁波传播特性的影响,结果表明:要防止通讯中断,磁场方向应与电磁波传播方向一致,宜采用较低频的通讯频率,而磁场的大小与鞘套中电子数密度峰值有密切关系。

不同入射角度下等离子鞘套中C波段电磁波传输特性

为解决临近空间通信黑障问题,研究了不同入射角对等离子体鞘套中C波段（4~8 GHz）电磁波传输特性的影响,分别采用均匀等离子体模型与高斯分布非均匀等离子体模型,根据电磁波在分层介质面的反射和透射传播原理,对不同角度下C波段通信电磁波的传输性能进行计算和对比分析.结果表明,入射波频率的增加以及入射角的减小有利于降低C波段的衰减值,提高透射率,使通信电磁波更有效地穿透等离子体鞘套,为解决临近空间通信黑障问题提供了理论依据.