高速飞行器等离子体鞘套电磁波传播理论与通信技术 科学出版社 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子书 mobi 在线

本书系统阐述等离子鞘套电磁研究的基本概念、基础理论和方法、数学模型和算法、实验方法和结果，全书共分为8章，主要内容包括：等离子鞘套电波传播、通信研究发展趋势；等离子体物理模型、参数特征和模拟方法；等离子体电磁数学模型、电磁波传播计算方法；典型频段电磁波在等离子鞘套中传播特性；临近空间飞行器等离子鞘套复杂电磁环境的信道建模方法、信道模型及信道探测方法；动态等离子鞘套测控通信信号的传输特性和自适应通信技术；等离子鞘套下天线特性及补偿技术；等离子鞘套电磁抑制方法。

目录

丛书序

序言

前言

第一章 概述1

1.1 “黑障”问题/1

1.2 等离子体鞘套电波传播与通信技术研究进展/3

1.2.1 等离子体鞘套下电磁波传播理论研究进展/3

1.2.2 等离子体鞘套下电波传播计算方法进展/4

1.2.3 等离子体鞘套下通信技术研究进展/6

1.2.4 等离子体鞘套地面模拟与实验进展/7

1.2.5 等离子体鞘套电磁传播飞行试验/9

1.3 缓解“黑障”的方法及发展趋势/11

1.3.1 缓解“黑障”方法回顾/11

1.3.2 缓解“黑障”新技术发展及趋势/13参考文献/15第二章 等离子体鞘套的形成机理与地面模拟技术20

2.1 等离子体鞘套的形成机理和主要参数/20

2.1.1 高温气体电离的机理和主要过程/20

2.1.2 等离子体的物理模型和主要参数/24

2.2 典型飞行器高速绕流场特征及等离子体鞘套参数特征/27

2.2.1 锥形飞行器的绕流场特征/27

2.2.2 钝头—柱形飞行器的绕流场特征/29

2.2.3 扁平盾形飞行器的流场特征/30

2.2.4 典型飞行器等离子体鞘套参数特征/31

2.3 等离子体的参数诊断技术/35

2.3.1 朗缪尔探针法/35

2.3.2 微波诊断法/41

2.3.3 光学诊断法/44

2.4 等离子体鞘套地面模拟实验技术/46

2.4.1 激波管实验技术/46

2.4.2 弹道靶实验技术/49

2.4.3 电弧/等离子体风洞实验技术/50

2.4.4 其他实验技术/51

2.5 低温辉光等离子产生技术/53

2.5.1 大面积均匀非磁化等离子体产生技术/53

2.5.2 环形扩散式等离子发生器设计/59

2.5.3 等离子发生器的参数/65

2.5.4 等离子体参数快速控制技术/69

2.5.5 模拟能力与真实性分析/73参考文献/82第三章 等离子体电磁波传播理论85

3.1 等离子体与电磁波的作用机理/85

3.1.1 等离子与电磁波作用的主要物理过程/85

3.1.2 等离子体的介质特性/88

3.2 等离子体电磁波传播理论/98

3.2.1 等离子体电磁波传播模型/98

3.2.2 等离子体电磁波传播特性/99

3.2.3 等离子体的去极化效应/101

3.3 等离子体电磁波传播计算方法/102

3.3.1 等效波阻抗法/102

3.3.2 等效传输线法/106

3.3.3 射线跟踪法/108

3.3.4 时域有限差分方法/110

3.3.5 等离子体电磁波传播计算/116

3.4 等离子体电磁波传播实验/119

3.4.1 等离子体电磁波传播实验方法/120

3.4.2 典型频段的电磁波传播实验/123

参考文献/127

第四章 电磁波在等离子体鞘套中的传播特性129

4.1 微波电磁波在典型再入过程等离子体鞘套下的传播特性/129

4.1.1 典型再入过程电磁波传播的幅相特性/129

4.1.2 典型再入过程电磁波传播的极化失配特性/136

4.2 LF—HF频段电磁波在等离子体鞘套下的传播特性/147

4.2.1 等离子体鞘套中低频电磁波传播模型/147

4.2.2 LF—HF频段电磁波在等离子体鞘套中的低衰减特性/156

4.3 等离子体鞘套动态特征下的电磁波传播特性/163

4.3.1 等离子体鞘套动态特征下的电磁波传播计算方法/163

4.3.2 等离子体鞘套动态特征下的电磁波寄生调制特性/167

参考文献/170

第五章 动态等离子体鞘套信道建模方法与信道特性171

5.1 高超声速飞行器链路特性/171

5.1.1 高超声速飞行器复杂电磁环境/171

5.1.2 高超声速飞行器链路特性/173

5.2 动态等离子体鞘套信道建模方法和信道模型/180

5.2.1 动态等离子体鞘套信道特征/181

5.2.2 动态等离子体鞘套非平稳信道建模方法/182

5.2.3 高超声速动态等离子体鞘套信道模型/192

5.3 动态等离子体鞘套信道测量方法/198

5.3.1 等离子体鞘套信道测量及信道参数提取方法/199

5.3.2 等离子体鞘套信道测量方法仿真实验/204

5.3.3 动态等离子体鞘套信道地面模拟实验/220

5.4 高超声速飞行器综合信道特性/224

5.4.1 高超声速飞行器空间信道特性/224

5.4.2 高超声速飞行器综合信道模型/229

参考文献/234

第六章 等离子体鞘套通信适应性技术238

6.1 动态等离子体鞘套下测控通信信号的传输特性/238

6.1.1 动态等离子体鞘套对MPSK信号的影响/239

6.1.2 动态等离子体鞘套对FSK信号的影响/246

6.1.3 动态等离子体鞘套对Multi-hCPM信号的影响/249

6.2 动态等离子体鞘套中通信信号传输实验/253

6.2.1 实验原理与实验方法/254

6.2.2 MPSK/FSK/Multi-hCPM信号实验/256

6.3 基于驻波检测的等离子体鞘套下自适应通信技术/266

6.3.1 等离子体鞘套下自适应码率通信技术/267

6.3.2 基于信息分级的等离子体鞘套下通信编码技术/272

6.4 动态等离子体鞘套下调相信号自适应判决方法/276

6.4.1 基于支持向量机自适应判决方法/277

6.4.2 基于谱聚类自适应判决方法/283

参考文献/287

第七章 等离子体鞘套下天线特性及补偿方法289

7.1 等离子体对天线辐射特性的影响机理/289

7.1.1 多层有耗介质覆盖下天线特性分析方法/289

7.1.2 等离子体对天线特性影响分析/292

7.2 等离子体鞘套下天线电磁计算模型与计算方法/293

7.2.1 等离子体鞘套下天线特性计算模型/294

7.2.2 等离子体鞘套下天线特性计算方法/296

7.3 典型再入等离子体鞘套覆盖下的天线特性/298

7.3.1 阻抗与工作频点偏移特性/298

7.3.2 空域辐射功率特性/302

7.3.3 空域极化特性/305

7.4 等离子体鞘套下天线阻抗自适应补偿技术/307

7.4.1 基于“双邻频点”的天线阻抗补偿的原理/308

7.4.2 等离子体鞘套下天线阻抗在线测量方法/308

7.4.3 等离子体鞘套下天线阻抗自动匹配方法/310

7.4.4 天线阻抗自适应补偿实验/311

参考文献/316

第八章 等离子体鞘套电磁调控削弱方法318

8.1 等离子体鞘套磁场抑制方法/318

8.1.1 磁化等离子体的电磁波传播机理及介质特性/318

8.1.2 磁化等离子体的电磁波传播特性/320

8.1.3 非均匀磁场引起的带阻效应/325

8.2 基于正交电磁二维场的等离子体鞘套局部削弱方法/335

8.2.1 正交电磁二维场与等离子体的作用机理/335

8.2.2 正交电磁二维场的物理模型建立/337

8.2.3 正交电磁二维场抑制效果数值模拟与分析/341

8.3 基于时变电磁场的等离子体鞘套局部削弱方法/351

8.3.1 基于脉冲磁场的等离子体鞘套削弱方法/351

8.3.2 基于行波磁场的等离子体鞘套削弱方法/353

参考文献/356

附录A 符号说明/358

附录B 主要词汇/362

附录C RAM—C飞行器在不同高度下的电子密度分布/364

彩图/369

李小平，1961年生，陕西西安人，博士，西安电子科技大学空间科学与技术学院教授、博士生导师。曾任重大专项基础理论研究项目技术首席，高超声速飞行器重大专项测控与通信领域专家，现任军委科技委科技创新特区项目专家、陕西省测控领域学科带头人、空间科学与技术学院执行院长。近年来，主持自然科学基金重大科研仪器研制专项、科技部“973”课题、国家重大专项、“863”项目等科学研究项目近30项。在动态等离子鞘套信息传输理论方法、等离子鞘套与电磁波作用机理及传播特性、信号分析与智能信息处理等研究方向取得了系列创新成果。在靠前外期刊发表SCI检索论文近40余篇，授权专利30余项，获得部委级科技进步奖2项。

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    靠前章概述

    1.1“黑障”问题

    各类飞行器（返回式航天器、再入飞行器、临近空间飞行器等）在大气层中高超声速飞行时，飞行器周围的气体会被高速飞行产生的超音速激波加热。当速度达到10Ma以上时，由于黏性流和激波的作用，飞行器表面附近的空气分子会因剧烈热运动而被电离（温度可达上千甚至数千摄氏度），激发含有等离子体的高温激波层，形成包裹飞行器的“等离子体鞘套”。等离子体鞘套内含有自由电子，具有导电性质，是一种类似金属的介质，会对电磁波产生吸收、反射和散射等作用，使通信信号产生衰减，同时使天线的阻抗特性发生改变、方向图畸变。这些效应将会导致通信质量恶化，严重时将导致通信链路中断，形成所谓的“黑障”现象［1—5］。

    “黑障”现象几乎伴随着各种类型的高超声速飞行器，例如航天飞机再入返回时，存在16min左右的“黑障”时间，洲际弹道导弹再入时“黑障”持续4～10min，神舟5号飞船再入过程中“黑障”持续4min左右［6］，以及临近空间高超声速飞行器在飞行过程中可能会持续伴随“黑障”现象。图1.1是我国神舟飞船再入过程和美国试验高超声速飞行器在临近空间内产生的等离子体鞘套示意图。

    研究表明，“黑障”现象产生的本质原因是等离子体鞘套对电磁波的衰减以及对天线系统的影响，导致进入接收机信号的信噪比过低，接收机无法对信号进行检测和提取，造成信号传输的中断，其影响可以归纳为以下三个主要方面。

    ①影响电磁波传播特性。等离子体内部含有大量的自由电子，对电磁波产生强烈的反射、散射、吸收衰减作用，造成信号透过等离子体鞘套后的功率衰减。当电磁波斜入射等离子体时，还将引起去极化效应，导致电磁波与接收系统的极化失配，带来额外的极化失配衰减。

    图1.1飞行器等离子体鞘套示意图

    ②改变天线特性。等离子体鞘套作为一种有耗色散介质，覆盖在飞行器天线附近，使得天线阻抗相较于自由空间时发生较大的变化，导致天线和馈电系统的阻抗失配，产生大量的反射损耗，降低天线的有效辐射能力，并同时使天线方向图恶化。

    ③引起通信信号恶化。近几年来，认识到等离子体鞘套内部具有复杂的流动耦合特性，等离子分布的时空变化，会给通过等离子体鞘套的电磁波带来连续的幅—相随机变化，即对通信信号产生额外的寄生调制效应。

    以上三方面的影响在实际中是紧密耦合的。在早期研究中曾经将它们视为独立的影响因素，近年来将其结合起来开展了许多综合交叉研究，例如将天线、电波衰减、极化失配和链路大气沉降粒子衰减紧密联系在一起，获得飞行器链路的综合衰减。又如在发现动态等离子体寄生调制效应的基础上，结合等离子体鞘套的流场动态特性，发展出等离子体鞘套信道及通信适应性技术等研究方向。

    在“黑障”问题抑制方面，从20世纪70年代起，研究者们提出了十余种不同的缓解方法和技术，主要采用抑制等离子体中的电子密度、增大通信系统的功率裕量、改变测控系统工作频率等方法，但这些方法都具有很多缺点，例如亲电子物质的喷射装置及强磁场产生装置，所需的空间与载荷过大，严重影响飞行器的总体结构设计；提高工作频率虽然可以减小等离子体鞘套引起的信号衰减，但是作用有一定限度，且受雨衰等影响难以确保稳定且可靠的通信链路。因此，探索抑制“黑障”问题仍是目前靠前外的研究重点。

    综上所述，全面地研究等离子体鞘套对电磁波传播特性（包括幅度、相位、极化）的影响，系统地分析再入全程中等离子体鞘套对飞行器天线性能的影响，揭示等离子体鞘套对飞行器测控通信系统的影响机理，研制面向等离子体鞘套下信息传输研究的实验设备，提出在等离子体鞘套环境下通信的新原理和新方法，以及探索抑制“黑障”的新思路，具有十分重要的意义。

    1.2.1等离子体鞘套下电磁波传播理论研究进展

    等离子体鞘套与电磁波作用及其相关的问题是一个历史悠久的话题，自20世纪60年代至今靠前外均保持着连续不断地关注。总体上主要关注等离子与电磁波的作用机理、等离子体对天线影响、等离子体电波传播理论及计算方法，还包括研究如何改善电波传播特性，例如等离子体与强电磁场的非线性作用、磁化等离子电波传播特性等方面。等离子体鞘套中的电磁问题已经超出了单纯的电波传播的范畴，涉及多个领域的交叉融合。

    早期研究主要关心电波在等离子中的衰减特性，包括VHF~Ka以及更高频段电磁波垂直入射或斜入射等离子体鞘套时的衰减系数和反射系数、磁化/有碰撞等离子对电波传播的影响等［7—14］。其核心理论是等效介质理论，将等离子视为有耗、色散的复介电系数介质，再由经典的传播理论（如麦克斯韦方程）进行解析或迭代计算。其中，很为有名的是诺贝尔物理学奖得主维塔利？金茨堡所作的工作，金茨堡在分析等离子介电特性的基础上，通过求解亥姆霍兹方程（Helmholtz equation），得到了不同条件下电磁波在等离子体中的传播特性。金茨堡的工作主要是针对电离层等离子体，但其所奠定的理论基础，为后世各领域等离子与电磁波相互作用的研究打下了坚实的基础［15］。在同一时期，文献［16］推导出了电磁波在电子密度具有单指数分布的等离子体中传播的解析计算公式，并给出了电磁波反射和透射系数的级数表达形式。这些早期的研究工作被后续的研究者们借鉴和发展，并被引入到等离子体鞘套电磁波传播特性的研究中。至20世纪末，文献［17］提出了电磁波在分层等离子体中传播的解析法，通过分层介质模型来近似处理连续非均匀等离子体，分析了电子密度和碰撞频率对电磁波透射和反射的影响。我国的科研工作者也对等离子体鞘套中电磁波传播特性进行了一系列的研究。从20世纪80年代起，文献［18］对电磁波在电子密度具有双指数和正态分布的等离子体鞘套中的传播特性进行了解析推导；文献［13］采用分层等离子体模型的方法，对等离子体鞘套中电磁波高速飞行器等离子体鞘套电磁波传播理论与通信技术透射和反射特性的计算方法进行了推导。这些工作奠定了靠前等离子体鞘套电磁波传播特性研究的基础。

    随着对等离子体鞘套研究的深入，逐步认识到了等离子体鞘套具有明显的动态特性，等离子体鞘套的参数动态分布特性与姿态变化、湍流、压力脉动、烧蚀剥落等众多随机因素及多因素的紧耦合有关。对动态等离子体电磁波传播的研究，很早始于文献［19］对电磁波在色散时变介质中传播的研究，通过求解电磁波在时变介质中的时域标量波动方程，研究了脉冲波在空间均匀分布而介电特性随时间突然变化或者按照某个函数连续变化的等离子介质内的传播特性，并指出电磁波的波阵面受时变介质影响发生了畸变。文献［20］建立了电磁波入射半空间无限大均匀分布而介电特性呈阶跃时变和连续时变介质的边界条件，进一步推导出了时变色散介质中电磁波场强的时变表达式。文献［21］考虑波源在等离子体内部并根据电磁波在等离子体发生突变时传播常数保持守恒的规律，通过拉普拉斯变换求解电磁波在突然产生的非磁化均匀线性等离子体中的场强方程，研究表明平面波分裂为两个新电磁波，并且频率发生漂移，同时得到了相速、幅度和群时延变化特性，这种现象随后被Kuo实验证明。1993年，文献［22］用几何光学近似法（WKB方法）研究了电磁波在快速产生的磁化等离子体中的传播。2006年，Joshi的实验结果证明了快速产生的等离子体会使入射电磁波的频率发生漂移。电磁波在动态时变等离子体传播中将产生分解和频率漂移现象。

    上述对时变等离子体的研究都是基于等离子动态变化规律已知，然而临近空间高速飞行器的等离子体鞘套动态性是一个极其复杂的随机过程，利用已有方法还无法准确描述动态等离子体鞘套中的电磁波传播特性。受限于对动态性的认识不足以及流场计算和实验测量条件，等离子体鞘套动态性对电磁波传播特性的影响研究几乎空白。等离子体鞘套是一种随机连续非均匀色散介质，因此，随机介质中的波传播理论将是动态等离子体鞘套电磁波传播机理研究的主要手段，并且随机特征等离子体的描述、动态等离子体的电波传播统计学特性、动态散射特性等都是新的研究点。

    1.2.2等离子体鞘套下电波传播计算方法进展

    1.基于几何光学原理的传播特性近似求解方法

    WKB方法是由Gans为解释光波在对流层折射的相位积分近似而提出，后由Wentzel、Kramers和Brillouin三人对方法进行改进而得名。WKB方法将在介质中传播的电磁波近似看作像光线一样的射线，其在不同介质的交界面处遵从几何光学的斯涅尔定律，是一种经典的近似求解波动方程的方法。当介质的电磁特性在空间上的变化率较小时，用WKB方法可以简单有效地得到电磁波的传播特性。文献［23］将WKB方法应用到电磁波在等离子体中衰减特性的研究中，根据WKB方法获得了电磁波在时变等离子体中的衰减特性。文献［24］在研究等离子体中的静电波传播矢量的分布特性时，采用WKB方法得到了大量研究结果。此外，靠前也有不少研究者采用WKB方法对不同等离子体中电磁波的传播特性进行了研究。例如，文献［25］研究了电磁波在等离子体中传播的幅频特性。文献［26］研究了非磁化等离子体中电磁波的双程吸收特性。这些研究工作为等离子体鞘套与电磁波的相互作用研究积累了宝贵的经验。

    2.针对色散介质的时域有限差分方法

    时域有限差分方法（finite difference time domain method，简称FDTD方法）是用来计算结构复杂等离子体鞘套中电磁波传播特性的主要方法。该方法将连续的时间和空间离散化，通过有限差分来近似计算电磁波随时空的变化，具有适应复杂形状和非均匀分布的介质中电磁波特性计算的优点。在高速计算配合下，时域有限差分方法为解决各种等离子体环境中电磁波传播特性提供了有力支持。文献［27］首先提出了时域有限差分方法的概念。20世纪90年代，为了适应等离子体对电磁场计算的需求，许多基于Yee所提出的FDTD的改进型计算方法被提出。文献［28］在推导出适用于等离子体介质的递推公式的基础上，抢先发售将FDTD方法应用于等离子体电磁波传播问题的研究中。文献［29］提出了辅助差分方程时域有限差分方法（auxiliary difference equation FDTD，ADE—FDTD）。ADE—FDTD通过将电流密度离散化，从而省去了对递推卷积公式的推导，可用于计算瞬态电磁波在等离子体中的传播问题。文献［30］对递归卷积时域有限差分方法（recursive convolution FDTD，RC—FDTD）进行了改进，在采用分段线性近似的方法来改善FDTD递推求和公式精度的基础上，提出了分段线性递归卷积时域有限差分方法（piecewise linear RC—FDTD，PLRC—FDTD）。文献［31］将电流密度表示为电场的卷积来改进FDTD方法的计算精度和计算效率，在此基础上提出了电流密度卷积时域有限差分方法（JE convolution FDTD，JEC—FDTD）。靠前也对时域有限差分方法进行了不少改进，以适应等离子体电磁波传播问题研究的需要。文献［32］提出了分段线性电流密度递归卷积时域有限差分方法（piecewisel inear JE recursive convolution FDTD，PLJERC—FDTD）。文献［33］提出了滑动窗时域有限差分方法（moving window FDTD，MW—FDTD）。此外，还有很多在FDTD基础上的改进型算法，这些方法为等离子体鞘套电磁波传播问题的研究提供了有效的计算手段。

    3.磁化等离子体的电波传播特性

    在天线窗位置施加强磁场，被认为是很具工程应用可能性的缓解“黑障”方法之一，因此磁化等离子中的电波传播特性也一直被广泛关注［34—38］，主要包括均匀/非均匀等离子在均匀/非均匀磁化状态下的电波传播特性、极化特性等。近年来，还认识到非均匀磁场在等离子体中可能会引起阻带效应［39］，即形成一个较宽的传播阻滞频带，影响磁窗的通频带特性，因此对磁场分布的优化、阻带效应的缓解，也成为近期关注的方向之一。

    1.2.3等离子

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