一种高速临近空间飞行器的探测方法及系统与流程

本发明涉及雷达预警技术领域，特别是涉及一种高速临近空间飞行器的探测方法及系统。

背景技术：

临近空间是指距地面高度为20-100公里的空域，目前，以美国为主的世界各航天大国掀起了临近空间开发热，以争取在未来的军事对抗中获取优势及主动地位。美国、俄罗斯、英国、德国、以色列等国都制定了本国的临近空间开发计划，并纷纷投入巨资进行临近空间飞行器的研制。临近空间飞行器是指在临近空间内飞行并完成相关任务的飞行器。临近空间飞行器具有普通航空、航天飞行器所不具有的优势，特别在通信保障、情报收集、电子压制、预警、民用等方面极具发展潜力。临近空间飞行器中的高速临近空间飞行器更具明显的优势，高速临近空间飞行器是指飞行速度不小于马赫数3的一类临近空间飞行器，具有飞行速度快、机动性能强、隐身性能好等特点，是一种兼备战略威慑和实际应用能力的新概念飞行器。对于慑止强敌和控制危机具有重要作用，是美俄等国竞相发展的利器。

在其他国家竞相发展高速临近空间飞行器时，研发针对高速临近空间飞行器的预警方法及系统是十分必要的。对临近空间飞行器的有效反制依赖于对高精度飞行器的检测、身份的识别和跟踪。因此，飞行器检测、识别与跟踪是临近空间飞行器反制需要解决的核心关键问题之一，也是临近空间飞行器实际应用中的关键环节，在空天平台中起着不可或缺的作用。但是，高速临近空间飞行器在大气层内做高超声速飞行时，飞行器表面会与大气发生强烈作用，形成“高温效应”，引起流体中的空气分子的离解反应和电离反应。离解电离反应生成的粒子再次相互作用，从而形成了复杂的扰流流场。不仅如此，在飞行器的表面涂覆的热防护烧蚀材料在高热流和高温的作用下发生烧蚀反应，生成的产物释放到飞行器周围流场中，使得绕流流场中产生更多的组分，粒子间的相互作用也变得更加复杂。此时由于电子和离子的产生，包覆飞行器的绕流流场称为一团等离子体，称为等离子包覆流场，也可以称作等离子体鞘套，这就是“等离子鞘套”现象，也称为“黑障”现象。由于等离子鞘套对电磁波具有反射、折射及散射的作用，同时，等离子鞘套也会吸收照射到飞行器的电磁波的能量，进而对雷达所发射的电磁波起到一定的电子干扰作用，进而对飞行器起到隐身作用。因此，如何实现针对临近空间飞行器的探测是亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高速临近空间飞行器的探测方法及系统，以实现针对临近空间飞行器的探测。

本发明技术方案提供一种高速临近空间飞行器的探测方法，将飞行器自身产生的等离子体鞘套中发生的物理过程产生的信号用于对飞行器的探测，实现过程包括以下步骤，

1)获取针对高速临近空间飞行器的等离子体辐射的电磁波；

2)根据所述等离子体辐射的电磁波所携带的电磁特征，获取所述高速临近空间飞行器的飞行特征，其中，所述电磁特征包括频率、时延以及多普勒信息中的一种或组合；所述飞行特征包括距离、方位角、高度角、速度中的一种或组合。

而且，所述步骤1)包括以下步骤，

11)在接收机的带宽范围内接收电磁波信号，且所述高速临近空间飞行器的等离子体辐射的电磁波的频率范围位于所接收机的工作带宽范围内；

12)根据所述等离子体辐射的电磁波的强度特征，从所述电磁波信号中分离出所述高速临近空间飞行器的等离子体辐射的电磁波。

而且，所述步骤2)利用三个接收天线的相位差进行飞行器的定位，，包括以下步骤，

a21)测量所述等离子体辐射的电磁波到达各个接收天线的相位，进而获取各个接收天线之间的目标相位差；

a22)根据所述等离子体辐射的电磁波的波长与所述等离子体辐射的电磁波的相位差的积，计算各个接收天线到飞行器的距离；

a23)根据各个接收天线到飞行器的距离，利用空间几何坐标法获取飞行器的空间坐标；根据飞行器的空间坐标求解飞行器相对于设定坐标点的高度角、方位角以及斜距。

或者，所述步骤2)利用三个接收天线的时间差进行飞行器的定位，包括以下步骤，

b21)测量所述等离子体辐射的电磁波到达各个接收天线的时刻，进而获取各个接收天线之间的时差；

b22)根据所述各个接收天线之间的时差、以及各个接收天线之间的距离，计算各个接收天线到飞行器的距离；

b23)根据各个接收天线到飞行器的距离，计算飞行器相对于设定坐标点的高度角、方位角以及斜距。

或者，所述步骤2)利用五个接收天线构成的十字干涉阵列进行飞行器的定位。

而且，预先设置雷达接收机实现如下，

在预设的条件下，计算高速临近空间飞行器产生的等离子体辐射的强度；

计算等离子辐射的信号衰减；

根据高速临近空间飞行器产生的等离子体辐射的强度以及等离子体辐射信号的传播距离，设置雷达接收机。

本发明还相应提供一种高速临近空间飞行器的探测系统，用于执行如上所述高速临近空间飞行器的探测方法。

而且，包括接收机和判别中心，其中，

所述接收机，用于使用接收天线，获取针对所述高速临近空间飞行器的等离子体辐射的电磁波；

所述判别中心，用于根据所述等离子体辐射的电磁波所携带的电磁特征，获取所述高速临近空间飞行器的飞行特征，其中，所述电磁特征包括频率、时延以及多普勒信息中的一种或组合；所述飞行特征包括方位角、高度角、速度中的一种或组合。

而且，所述接收机的数量为至少三个。

而且，地基接收机、空基接收机、海基接收机以及天基接收机中的一种或组合。

本发明提出一种可行的临近空间高速飞行器探测方案，填补了相关领域空白，解决了目前还没有有效的临近空间高速飞行器探测方法的问题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种高速临近空间飞行器的探测方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的第一种高速临近空间飞行器的探测方法中飞行器定位原理示意图；

图3为本发明实施例提供的第二种高速临近空间飞行器的探测方法中飞行器定位原理示意图；

图4为本发明实施例提供的第三种高速临近空间飞行器的探测方法中飞行器定位原理示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例，对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。

参见图1，本发明实施例提供的一种高速临近空间飞行器的探测方法，包括以下流程：

s101：获取针对所述高速临近空间飞行器的等离子体辐射的电磁波。

在实际应用中，临近空间飞行器具有飞行速度快、机动性能强、隐身性能好等特点，可用于侦察、预警、通信以等。利用雷达对临近空间目标进行探测具有作用距离远、受天候影响小、技术相对成熟、系统造价较低等优点。因此，雷达探测将是临近空间目标探测的主要技术手段。临近空间飞行器目标小，距离远，再加上隐身设计，因此雷达反射面积小。临近空间飞行器高速飞行过程中产生的等离子鞘套对电磁波的吸收、反射、折射和散射，等离子鞘套将会缩小目标本体的rcs值，造成对目标本体探测、跟踪和识别的困难。同时等离子鞘套自身也会产生雷达回波；此时飞行器和等离子鞘套形成了一个多目标组合，等离子鞘套必然会影响对飞行器本体的检测和参数测量。

文献(melrosedb.plasmaemission:areview[j].solarphysics,1987,111(1):89-101.)中记载，在非磁化等离子体，能量电子束的存在能够与等离子体相互作用，使得等离子中固有的朗缪尔波、离子声波等波动形式被增强，同时进一步通过非线性相互波模耦合、三波过程等形式使得静电波能量部分转化到电磁波模中形成电磁辐射，称之为等离子体发射。

文献(ziebelllf,yoonph,petruzzellislt,etal.plasmaemissionbynonlinearelectromagneticprocesses[j].astrophysicaljournal,2015,806(2):237.)中记载，等离子体发射是一个多阶段的物理构成，包含了等离子体中朗缪尔波的产生、朗缪尔湍动的非线性发展和部分朗缪尔波湍动的能量转换为横电磁波能量辐射出去。

文献(ginzburg,c.l.,&zheleznyakov,v.v.1958,sov.astron.-aj,2,653，以及yoonph.plasmaemissionbyanonlinearbeaminstability[j].physicsofplasmas,1995,2(2):537-548.)中记载，在非磁化等离子体中，朗缪尔波的产生是束-等离子不稳定性的结果。

文献(sarkars,pauls,denrar.bump-on-tailinstabilityinspaceplasmas[j].physicsofplasmas,2015,22(10):269-462.)中记载，能量电子束与稠密背景等离子体相互作用通过bump-on-tail不稳定性激励出朗缪尔波。

文献(goldmanmv,duboisdf.beam-plasmainstabilityinthepresenceoflow-frequencyturbulence[j].1982,25(6):1062-1072.)中记载，有低频湍动情形下线性束-等离子体不稳定性，在自然产生的密度不均匀体中，束-不稳定朗缪尔波可能可以稳定存在。

文献(perkinsfw,obermanc,valeoej.parametricinstabilitiesandionosphericmodification[j].journalofgeophysicalresearch,1974,79(10):1478-1496.)中记载，在等离子体中朗缪尔波自身的非线性衰减过程形成了朗缪尔湍动。

综上所述，本发明考虑到，由于飞行器在高速飞行过程中激波形成包围飞行器的等离子体壳层是等离子鞘套，这是一团非均匀、碰撞、冷等离子体；在满足一定条件的情况下，等离子鞘套内会发生不稳定性，可能产生朗缪尔湍动，从而产生等离子体发射，这些被辐射出来的等离子体波可以再次散射探测电磁波信号；主要以朗缪尔湍动形式存在的静电波能量部分转化为电磁波能量，而这些携带了能量的电磁波频率接近于背景等离子体频率或其谐振频率，这些电磁波能够在空间中传播，并可以被接收机监测。

地面接收机能够收到这些散射信号，获取其中的强度、时延、多普勒等信息，实现对等离子鞘套的检测，继而实现对临近空间飞行器的探测。

在临近空间飞行器高速通过大气层时，飞行器周围形成的等离子体扰流流场就具备了这样一个等离子体环境，可能产生等离子体发射现象。利用合适的接收机能够监测到这些等离子发射，从而可实现临近空间飞行器的无源探测模式，这在临近空间飞行器探测方面有着广阔的应用前景。

因此，本发明提出，将飞行器自身产生的等离子体鞘套中发生的物理过程产生的信号用于对飞行器的探测，可以使用宽带宽的接收机的带宽范围内接收电磁波信号，且所述高速临近空间飞行器的等离子体辐射的电磁波的频率范围位于所接收机的工作带宽范围内；根据所述等离子体辐射的电磁波的强度特征，从所述电磁波信号中分离出所述高速临近空间飞行器的等离子体辐射的电磁波。

需要说明的是，由于飞行器外形、飞行速度、飞行高度以及飞行姿态都会对等离子体发射出的电磁波的波长、强度造成影响，因此，应当使用灵敏度较高的、且带宽可以覆盖各种人造飞行器可能涉及的电磁波波段的接收机。例如，接收机的所能接收的波长可以从1km至1mm。

步骤s101可以采用以下步骤实现：

11)在接收机的带宽范围内接收电磁波信号，且所述高速临近空间飞行器的等离子体辐射的电磁波的频率范围位于所接收机的工作带宽范围内；

12)根据所述等离子体辐射的电磁波的强度特征，从所述电磁波信号中分离出所述高速临近空间飞行器的等离子体辐射的电磁波。

s102：根据所述等离子体辐射的电磁波所携带的电磁特征，获取所述高速临近空间飞行器的飞行特征，实现飞行器定位。其中，所述电磁特征包括：频率、时延以及多普勒信息中的一种或组合；所述飞行特征包括：距离、方位角、高度角、速度中的一种或组合。本发明进一步提出，步骤s102中，可利用所获取的飞行特征，采用三站相位差法、五站干涉相位差法或时间差法实现飞行器定位。

定位所需接收机的数量为至少三个。所述接收机可以使地基接收机、空基接收机、海基接收机以及天基接收机中的一种或组合。接收机用于使用接收天线，获取针对所述高速临近空间飞行器的等离子体辐射的电磁波。

本发明实施例提供的第一种高速临近空间飞行器的探测方法中飞行器定位原理示意图，如图2所示，本步骤可以使用三站相位差法进行飞行器的定位，步骤s102可以包括以下步骤：

a：测量所述等离子体辐射的电磁波到达各个接收天线的相位，进而获取各个接收天线之间的目标相位差，三站相位差法采用三个接收天线，分别记为第一接收天线、第二接收天线和第三接收天线；

b：根据所述等离子体辐射的电磁波的波长与所述等离子体辐射的电磁波的相位差的积，计算各个接收天线到飞行器的距离；

具体的，可以根据所述等离子体辐射的电磁波的波长与所述等离子体辐射的电磁波的相位差的积，利用公式，计算计算各个接收天线到飞行器的距离，其中，

φ12为第一接收天线与第二接收天线之间的相位差；φ13为第一接收天线与第三接收天线之间的相位差；φ23为第二接收天线与第三接收天线之间的相位差；r1为所述第一接收天线到飞行器的距离；r2为所述第二接收天线到飞行器的距离；r3为所述第三接收天线到飞行器的距离；λ为等离子体辐射的电磁波的波长；π为圆周率。

可以理解的是，图2中1#接收天线即为第一接收天线，2#接收天线即为第二接收天线，3#接收天线即为第三接收天线，且第一接收天线、第二接收天线以及第三接收天线之间的距离可以为10m、50m、100m、1km、5km、10km、50km、100km。

c：根据各个接收天线到飞行器的距离，计算飞行器相对于设定坐标点的高度角、方位角以及斜距，具体的，可以根据各个接收天线到飞行器的距离，利用空间几何坐标法获取飞行器的空间坐标；根据飞行器的空间坐标求解飞行器相对于设定坐标点的高度角、方位角以及斜距。

需要说明的是，空间几何坐标法为现有技术，这里不再赘述。

本发明实施例提供的第二种高速临近空间飞行器的探测方法中飞行器定位原理示意图，如图3所示，本步骤可以利用五站干涉相位差法进行飞行器的定位，步骤s102可以包括以下步骤：

为了进一步提高定位精度，可以使用5个接收天线进行定位，如图3所示，实施例中接收天线阵为十字干涉阵列，1#和2#接收天线，间距1.5λ组成长基线天线阵列-1、1#和#5接收天线间距1.5λ组成长基线天线阵列-2；1#和3#接收天线间距1λ组成短基线天线阵列-1、1#和#4接收天线间距1λ组成短基线天线阵列-2。长基线天线阵列-1和短基线天线阵列-1位于同一条直线上；长基线天线阵列-2和短基线天线阵列-2位于同一条直线上，两条直线之间的夹角为90度。

需要强调的是，长基线天线阵列中包含的各个接收天线，以阵列的方式设置在同一条直线上，短基线天线阵列中包含的各个接收天线阵列设置在同一条直线上。长基线天线阵列中的各个接收天线之间的间距大于短基线天线阵列中的各个接收天线之间的间距。具体实施时，优选地，长基线天线阵列中的各个接收天线之间的间距可以为：0.8λ、1.5λ、2λ、5λ，对应的短基线天线阵列中的各个接收天线之间的间距可以为：0.5λ、1.2λ、1.7λ、2.5λ，其中，λ为等离子体发射的电磁波波长。

d：可以利用公式，计算各个所述接收天线到飞行器的距离，其中，φ12为第一接收天线与第二接收天线之间的相位差；φ13为第一接收天线与第三接收天线之间的相位差；φ14为第一接收天线与第四接收天线之间的相位差；φ15为第一接收天线与第五接收天线之间的相位差；λ为等离子体发射的电磁波波长；r1为所述第一接收天线到飞行器的距离；r2为所述第二接收天线到飞行器的距离；r3为所述第三接收天线到飞行器的距离；r4为所述第四接收天线到飞行器的距离；r5为所述第五到飞行器的距离。

第一接收天线为图3所示的1#天线，为公共接收天线；第二接收天线为图3所示的2#天线，第三接收天线为图3所示的3#天线，第四接收天线为图3所示接收天线的4#天线，第五接收天线为图3所示的5#天线。

e：使用相位差表示各个接收天线到飞行器的距离，代入公式，

中，可以得到如下公式，

其中，r为所述公共接收天线，即1#接收天线到飞行器的距离；θ为飞行器的高度角；为飞行器的方位角。

f：求解方程：

将公式(1)和公式(2)位于等号左右两侧的多项式分别求商，以消掉r和λ；

将公式(3)和公式(4)位于等号左右两侧的多项式分别求商，以消掉r和λ；

将公式(1)和公式(3)位于等号左右两侧的多项式分别求商，以消掉r和λ；

将公式(1)和公式(4)位于等号左右两侧的多项式分别求商，以消掉r和λ；

将公式(2)和公式(3)位于等号左右两侧的多项式分别求商，以消掉r和λ；

将公式(2)和公式(4)位于等号左右两侧的多项式分别求商，以消掉r和λ。

g：进而可以运算得到：

依据上述过程即可计算得到飞行器相对于1#接收天线的方位角

h：将所计算的飞行器相对于1#接收天线的方位角代入，将公式(1)和公式(2)位于等号左右两侧的多项式分别求商后得到的公式中，可以计算飞行器相对于1#接收天线的高度角θ如下：

i：将所计算的飞行器相对于1#接收天线的方位角，以及所计算的飞行器相对于1#接收天线的高度角代入到公式(1)中，可以计算飞行器相对于1#接收天线的距离r：

本发明实施例提供的第三种高速临近空间飞行器的探测方法中飞行器定位原理示意图，如图4所示，本步骤可以利用时间差法进行飞行器的定位，步骤s102可以包括以下步骤：

k：测量所述等离子体辐射的电磁波到达各个接收天线(第一接收天线、第二接收天线、第三接收天线)的时刻t1、t2、t3，进而获取各个接收天线之间的时差；

l：根据所述各个接收天线之间的时差、以及各个接收天线之间的距离，计算各个接收天线到飞行器的距离；

具体的，可以根据所述各个接收天线之间的时差、以及各个接收天线之间的距离，利用公式，计算各个接收天线到飞行器的距离，其中，

其中，c为真空中的光速，θ为第一接收天线与飞行器之间的连线与预设的角度参考线l之间的夹角；θ1为第一接收天线与第二接收天线之间的连线与预设的角度参考线之间的夹角；θ2为第一接收天线与第三接收天线之间的连线与预设的角度参考线之间的夹角；l1为第一接收天线与第三接收天线之间的直线距离；l2为第一接收天线与第二接收天线之间的直线距离；r1为所述第一接收天线到飞行器的距离；r2为所述第二接收天线到飞行器的距离；r3为所述第三接收天线到飞行器的距离。

m：各个接收天线到飞行器的距离，计算飞行器相对于设定坐标点的高度角、方位角以及斜距。

应用本发明可以根据高速临近空间飞行器在高速飞行过程总产生的外部等离子体包覆流场产生的等离子体辐射的电磁波，进行飞行器的识别，进而实现了临近空间飞行器的有效探测。

具体实施时，在本发明图1所示实施例的基础上，在s101步骤之前，可以预先设置实现雷达接收机，以便更准确地实现探测：

s001)预先利用公式，

在预设的条件下，计算高速临近空间飞行器产生的等离子体辐射的强度；其中，

p()为高速临近空间飞行器产生的等离子体辐射的强度；ωpe为电子等离子体频率，为实验条件下的模拟值；vte是电子热运动速度，为实验条件下的模拟值；c为真空中的光速；e0为等离子体辐射的电场强度，为实验条件下的模拟值；γi为离子绝热指数，为实验条件下的模拟值；ti是离子温度，为实验条件下的模拟值；te是电子温度，k为波速，中间变量ω是等离子体辐射频率，为实验条件下的模拟值；θ是电波传播方向与磁场的夹角；ωce是电子磁旋频率，为实验条件下的模拟值；ln为以自然底数为底的对数函数。

s002)利用公式，l＝32.44+20lg(d)+20lg(f)，计算等离子辐射的信号衰减，其中，

l为信号衰减，单位db；d为等离子体辐射信号的传播距离，单位km；f为信号频率，单位mhz；lg为以10为底的对数函数。敌情判别中心敌情判别中心敌情判别中心敌情判别中心敌情判别中心敌情判别中心敌情判别中心

s003)然后根据高速临近空间飞行器产生的等离子体辐射的强度、以及等离子体辐射信号的传播距离，设置雷达接收机。

例如，高速临近空间飞行器产生的等离子体辐射的强度应当高于雷达接收机的背景噪声强度，也就是说，雷达接收机应当足够灵敏，能够分辨出高速临近空间飞行器产生的等离子体辐射的信号；另外，等离子体辐射的信号的衰减应当小于雷达接收机与信号之间的距离为d时，雷达接收机所能分辨出等离子体辐射出的信号时对应的衰减。

应用上述流程，在确定雷达接收机的参数时，可以指导雷达接收机的设计，避免雷达接收机选择或者设计时的盲目性，进而提高工作效率。

具体实施时，可采用软件方式实现流程的自动运行，运行流程的系统装置也应当在本发明的保护范围内。

基于本发明图1所示实施例，本发明实施例还提供了一种高速临近空间飞行器的探测系统，所述系统包括：接收机以及判别中心，其中，

所述接收机，用于使用接收天线，获取针对所述高速临近空间飞行器的等离子体辐射的电磁波；

所述判别中心，用于根据所述等离子体辐射的电磁波所携带的电磁特征，获取所述高速临近空间飞行器的飞行特征，其中，所述电磁特征包括：频率、时延以及多普勒信息中的一种或组合；所述飞行特征包括：方位角、高度角、速度中的一种或组合。

应用本发明上述实施例，可以根据高速临近空间飞行器在高速飞行过程总产生的外部等离子体包覆流场产生的等离子体辐射的电磁波，进行飞行器的识别，进而实现了临近空间飞行器的有效探测。

在本发明实施例的一种具体实施方案中，所述接收机的数量为至少三个。

在本发明实施例的一种具体实施方案中，所述接收机包括：地基接收机、空基接收机、海基接收机以及天基接收机中的一种或组合。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。