一种非均匀等离子体电子密度的诊断系统及方法与流程

本发明涉及微波测试技术领域，具体涉及一种非均匀等离子体电子密度的诊断系统及方法。

背景技术：

等离子体是指包含大量的电荷数目近似相等的正负带电粒子的物质的聚集态。等离子体的产生主要是通过能量输送从而引起电荷输运，当具有足够能量的粒子与气体分子发生碰撞时就会产生电子和离子，从而形成等离子体。超高声速飞行器在高速飞行过程中，表面极高的温度会使气体分子电离，从而形成等离子体，包覆在飞行器表面形成等离子体鞘套。等离子体鞘套具有极高的电子密度，会使电磁波传播的功率衰减，导致通信和探测信号产生畸变，甚至产生通信“黑障”、目标探测异常等系列问题。

根据等效介质理论，等离子体鞘套可等效为一个具有一定随机性的三维非均匀色散介质，其电磁特性是长期的研究热点。等离子体鞘套地面模拟存在可控性差、可实现的最大电子密度有限、试验成本较高等问题，而对于等离子体鞘套这种非均匀等离子体环境基本参数的获取也是长期以来的难题。文献“probediagnosticsofelectrondistributionsinplasmawithspatialandangularresolution,physicsofplasmas,2014,21(9):093506”，针对辉光放电等离子体的电子密度进行诊断，探针法主要是通过在等离子体内部探入一根柱形探针，由探针所收集到的总电流从而得到等离子体参数的数据。在低气压条件下，探针表面会形成等离子体鞘套，离子的自由程较大，可以看作无碰撞条件，此时探针测量得到的电流近似满足laframboise轨道运动理论。但这种方法在高气压环境下不能准确诊断离子密度，离子电流会受到等离子体鞘套的离子能量和轨迹影响，等离子体中的离子会绕开探针运动，因此不会和气体分子发生碰撞从而而不满足轨道运动守恒定律，并且离子运动轨迹呈辐射态，发生“鞘套膨胀效应”，这种效应会对结果造成显著影响。文献“langmuir探针诊断低压氢等离子体电子密度与温度，强激光与粒子束，2010，22(6)：1234-1238”，利用langmuir探针对等离子体伏安特性曲线进行了原位诊断，采用双曲正切函数的指数变换模型拟合曲线，根据druyvesteyn方法得到状态参数电子密度、有效电子温度和电子能量几率函数，分析了随实验参数变化的规律。但是这种方法忽略了约束磁场及低气压对于探针的影响，将氢等离子体近似看作一阶电离等离子体，忽略氢等离子体放电对探针的其他影响，与真实放电条件略有区别。专利cn102508002a公开了一种耐高温嵌入式双探针等离子体密度测量装置，用于再入飞行时测量飞行器周围密度为10⁸～10¹¹cm^-3的等离子体，采用金属铱作为电极，氮化硼作为绝缘电极，设置有探针电极保护环以减少边缘效应，提高测量精度，探针电极保护环与铱电极探针之间的间距小于或等于德拜长度，该装置可以直接安装在再入飞行器表面实时连续测量边界层内等离子体密度，探针可抗氧化，不影响飞行器的气动外形，能够长时间连续测量。然而对于再入飞行器表面产生的非均匀等离子体鞘套，探针得到的是等离子体环境中某一点的参数，对于研究电磁波传输范围内的参数无法精确测量，如果在电磁波传输区域内布置多根探针，成本高且对飞行器外形产生影响，因此采用探针法诊断等离子体电子密度，需要考虑测试环境及选择合适理论来校准探针数据，具有一定局限性。

等离子体具有发光特性，因此可以通过测量发射光谱可以得到相关基本参数。光谱法分为主动探测和被动探测，主动探测是指利用激光等外部光源系统测量光谱，从而得到电子密度，但成本高，操作困难且结果不稳定；被动探测虽然容易操作，但是数据处理工作繁复。文献“激光等离子体电子密度诊断，科技信息，2009，26：471-472”介绍了被动探测的stark展宽法对电子密度进行诊断，通过发光原子与等离子体中的带电粒子相互作用会使发射谱线展宽，但这种方法是等离子体在一定温度和电子密度等条件下的理论计算，用于电子密度高于10¹⁹m^-3的等离子体，且要求气体分子之间的相互作用不能影响stark展宽。当等离子体电子密度不是很高时，该方法不适用。专利cn201096521y公开了一种非接触式等离子体温度和电子密度测量装置，利用四个光学通道设计，通过连接多通道示波器同时获得施加在半导体桥两端的电压和电流信号，且采用高速响应电路，会使整个系统响应速度快，时间分辨率高。该装置采用非接触式测量，对等离子体没有干扰，可以实时瞬态测定等离子体温度和电子密度。但通过光谱法得到的等离子体参数有限，且需要确定放电气体成分，并与已知的标准光源进行校准，过程复杂且只能测量玻璃等材质透明腔体内的等离子体环境，等离子体放电温度不宜过高，可应用的条件很少。

以往对于等离子体电子密度的诊断研究主要集中在探针法和光学法，尽管目前对于等离子体电子密度的诊断研究有一定的相关基础，但探针法不适合在高气压环境中诊断，会发生“鞘套膨胀效应”，从而对结果造成显著影响，采用探针法诊断等离子体电子密度，需要考虑测试环境及选择合适理论来校准探针数据，具有一定局限性。而光谱法得到的等离子体参数有限，且需要确定放电气体成分，并与已知的标准光源进行校准，过程复杂且只能测量玻璃等材质透明腔体内的等离子体环境，等离子体放电温度不宜过高，可应用的条件很少。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种非均匀等离子体电子密度的诊断系统及方法，其利用微波反射法可以有效诊断等离子体的电子密度，在不影响等离子体放电条件的基础上，可以有效避免与等离子体介质的直接接触，对等离子体的影响最小，而且可以得到非均匀等离子体的电子密度参数；并且通过程控装置可以实现等离子体放电条件的变化，从而可以模拟更为精确的超高声速目标表面等离子体鞘套的环境，而且测试效率高，测试成本低。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种非均匀等离子体电子密度的诊断系统，用于测量不均匀等离子体环境的基本参数，其特征是，包含：

等离子体发生器，设置在定标体前方，等离子体发生器密闭腔内充入惰性气体和汞蒸气；

超宽带天线，包含接收天线和发射天线，设置在等离子发生器同侧；

时域窄脉冲源，连接发射天线；

高速采样数字示波器，连接发射天线以及接收天线并对发射天线的发射信号以及接收天线的接收信号进行记录和处理；

程控电源系统，分别连接时域窄脉冲源、高速采样数字示波器以及等离子体发生器，用于触发时域窄脉冲源，控制等离子体发生器的放电功率，记录等离子体不同放电功率状态，以得到不同放电状态下的等离子体基本参数。

上述的非均匀等离子体电子密度的诊断系统，其中：

等离子体发生器中的等离子体采用层叠阵列形式平板形非均匀等离子体，以模拟超高声速非均匀等离子体鞘套的分布。

上述的非均匀等离子体电子密度的诊断系统，其中：

等离子体发生器中的等离子体阵列由管径15mm的玻璃类圆柱形管组成，共3层，每层20根等离子体管；

程控电源系统的每个镇流器同时控制2支等离子体管的放电状态。

上述的非均匀等离子体电子密度的诊断系统，其中：

超宽带天线架设在等离子体发生器的同侧并与等离子体发生器之间的距离为1m，超宽带天线中心位置与等离子体发生器的中心位置对齐，超宽带天线采用双脊喇叭天线。

上述的非均匀等离子体电子密度的诊断系统，其中：

所述的超宽带天线为1-18ghz；

所述的时域窄脉冲源为25ps；

高速采样数字示波器带宽为40ghz，等效取样率为80g，通过64次平均处理。

一种非均匀等离子体电子密度的诊断方法，采用如权利要求1所述的非均匀等离子体电子密度的诊断系统来实现，其特征是：

对等离子体发生器密闭腔内的饱和汞蒸气压强和启动惰性气体的成分进行控制；

将等离子体发生器设置在定标体前方并固定好；

将发射天线连接在时域窄脉冲源的发射端口，开启电源，将接收天线连接在高速采样数字示波器的测试端口，根据超宽带天线频率设置频率测试范围，设定数据单次扫描点数；

对定标体进行测试，获得定标后的目标时域响应，通过时频转换获取目标的参数特征；

对背景进行测试，去除背景信号影响；

将程控电源系统与等离子体发生器连接，通过计算机实现等离子体发生器的放电状态的变化，实现非均匀等离子体环境构建；

记录不同情况下的时域测试曲线；

对接收天线测试得到的时域回波信号进行处理，反演得到等离子体电子密度参数值。

上述的非均匀等离子体电子密度的诊断方法，其中，等离子体发生器中的等离子体阵列共设置3层：

背景进行测试是通过如下方法实现的：通过程控电源系统对等离子管构成的等离子体环境进行测试，分别控制等离子管输出功率为116.5w、178w、230w、258.6w、340w及452w条件下，开展等离子体模拟环境电磁特性测试，同时在等离子体管未通电状态下测试参考数据；

等离子体发生器的放电状态的变化是通过以下方式实现的：通过程控电源系统实现3层等离子体管放电功率分别变化，实现非均匀等离子体环境构建，第一层为116.5w，第二层分别为130w、158w、178w及206w，第三层分别为340w、375w、402w、430.2w、442w以及452w。

上述的非均匀等离子体电子密度的诊断方法，其中：

对背景进行测试的过程中利用高速采样数字示波器对相邻多点进行平均，以滤除高频，实现测试信号的平滑去噪。

本发明与现有技术相比具有以下优点：利用微波反射法可以有效诊断等离子体的电子密度，在不影响等离子体放电条件的基础上，可以有效避免与等离子体介质的直接接触，对等离子体的影响最小，而且可以得到非均匀等离子体的电子密度参数；并且通过程控装置可以实现等离子体放电条件的变化，从而可以模拟更为精确的超高声速目标表面等离子体鞘套的环境，而且测试效率高，测试成本低；不仅弥补了非均匀等离子体电子密度测量的空白，而且为进一步研究超高声速飞行器非均匀等离子体鞘套电磁特性提供参数测量方法，为探究及解决飞行器的通讯“黑障”问题奠定基础。

附图说明

图1为飞行器表面距离不同高度时等离子体电子密度剖面图；

图2为本发明的系统图；

图3为本发明的实施例中等离子体吸收衰减特性曲线图；

图4为本发明的实施例中等离子体管放电功率100％时反演结果与测试值对比图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

超高声速飞行器等离子体鞘套具有宽参数范围、高碰撞频率、非均匀等基本特征。高速目标等离子体在径向方向具有明显的非均匀分布特性，且变化梯度大，如图1所示的剖面，在10cm的厚度范围内，电子密度变化跨度高达3个数量级以上；且在高速目标等离子体轴向电子密度也存在严重的非均匀性。为了模拟等离子体电子数密度宽参数范围和非均匀性等特征，如克服现有针对超高声速飞行器产生的非均匀等离子体的电子密度测试技术的不足，本发明提出的一种非均匀等离子体电子密度测试系统，利用微波反射法，可以诊断不同放电功率、非均匀等离子体环境下的电子密度，采用低压气体放电技术在密闭腔内产生等离子体，来研制等离子体发生器系统，通过程控电源改变放电电压实现等离子体密度调节，系统组成如图2所示，本发明系统包含：等离子体发生器(图中未显示)，设置在定标体(可以是一个直径为6cm、高20cm的金属圆柱目标，测试过程中由于背景中其他物体也会对电磁波进行反射，因此会存在很多反射峰，金属圆柱作为测试的目标，借助其对电磁波的反射很强，可以在示波器中识别出圆柱体的反射峰值，从而准确找到目标前面的等离子体的反射峰值，用来识别等离子体的信号峰，从而观测峰值变化)前方。等离子体发生器密闭腔内充入惰性气体和汞蒸气以实现经过低压放电来产生特定浓度的等离子体；超宽带天线包含接收天线5和发射天线4(发射和接收的中心保持在同一水平线，确认接收和发射的信号不存在任何角度)，设置在等离子发生器同侧；时域窄脉冲源1，连接发射天线4，使得发射天线4发射脉冲信号，本实施例中脉冲源输出1-18ghz电磁波，通过天线照射等离子体区域后，一部分电磁波被反射回来被接收天线5获取，从而得到接收信号；高速采样数字示波器2，其测试端口连接发射天线4以及接收天线5并对发射天线4的发射信号以及接收天线5的接收信号进行记录和处理，具体的，记录不同频率电磁波的强度，从而得到时域回波信号，形成数据，以备后面数据的预处理和反演，处理指选择所需要的频率范围，而对接收信号则是记录不同时间接收到的信号强度；程控电源系统3，分别连接时域窄脉冲源1以及高速采样数字示波器2，用于触发时域窄脉冲源1，控制等离子体发生器的放电功率，记录等离子体不同放电功率状态，以得到不同放电状态下的等离子体基本参数。本发明中的高稳定度的窄脉冲源1和超宽带天线为非标设备；超宽带天线为1-18ghz的双脊喇叭天线；窄脉冲源输出25ps宽度窄脉冲；高速采样数字示波器带宽为40ghz，等效取样率为80g，通过64次平均处理，底噪可降低至0.1mv。

为实现等离子体密度的非均匀分布情况，将单个密闭圆柱腔体采用层叠阵列形式平板形非均匀等离子体，因此，本实施例中，等离子体发生器中的等离子体采用层叠阵列形式平板形非均匀等离子体，以模拟超高声速非均匀等离子体鞘套的分布。等离子体发生器中的等离子体阵列由管径15mm的玻璃类圆柱形管组成，共3层，每层20根等离子体管；程控电源系统3的每个镇流器同时控制2支等离子体管的放电状态，程控电源系统3可采用计算机来实现。较佳的，超宽带天线架设在等离子体发生器的同侧并与等离子体发生器之间的距离为1m，超宽带天线中心位置与等离子体发生器的中心位置对齐，即等离子体发生器在天线中心水平位置垂直防止3层等离子体管，每一层共20根灯管，超宽带天线采用双脊喇叭天线，程控电源系统3连接1台网关，可同时控制30个电子镇流器，镇流器为一拖二型，每个整流器控制2支等离子体管，且2支等离子体管放电状态相同，对称布置在等离子体发生器中。

为了确保每层等离子体发生器产生的电子密度均满足超高声速飞行器等离子体鞘套电子密度分布要求，因此需要通过实验测量，合理选择密闭腔内的饱和汞蒸气压强和启动惰性气体成分，因此需要准确测量非均匀等离子体的电子密度(低压汞蒸气放电灯即低压汞灯，是由汞蒸气受高能电子碰撞电子激发而发出以254nm和185nm为主的紫外共振辐射。在这个产生辐射的过程中，在汞灯内产生了大量的等离子体。与其他产生等离子体的方式相比，例如放射性同位素、介质阻挡放电、电子束、燃烧喷流、微波放电、稳态电源等，低气压汞蒸气放电产生等离子体的方式功耗低，产生等离子体量大，可长时间稳定地维持)。

由于时域窄脉冲源1存在一定的抖动，多次测量平均后仍存在一定的随机噪声，通过相邻多点平均可滤除高频噪声信号，从而实现信号平滑去噪。

本发明还提供了一种非均匀等离子体电子密度的诊断方法，通过上述的非均匀等离子体电子密度的诊断系统来实现，其包含：

对等离子体发生器密闭腔内的饱和汞蒸气压强和启动惰性气体的成分进行控制；

将等离子体发生器设置在定标体前方放置在支架上固定好，将超宽带天线架设在等离子体发生器同侧，中心位置与超宽带天线的中心位置对齐；

将发射天线连接在时域窄脉冲源1的发射端口，开启电源，将接收天线连接在高速采样数字示波器2的测试端口，根据超宽带天线频率设置频率测试范围，设定数据单次扫描点数；

对定标体进行测试，获得定标后的目标时域响应，通过时频转换获取目标的参数特征；

对背景进行测试，去除背景信号影响；因为测试的环境中有很多干扰因素，例如墙体，金属体，木制等，都会对电磁波的回波信号产生影响，因此测试过程中要对背景的回波信号进行测量，作为参考，测量的数据与这组参考数据做差，以减掉背景中的干扰信号，从而得到更准确的目标回波信号。这类似于“天平去皮”的作用。具体的，本实施例中，采用时域距离门以及二微成像方式来消除背景杂波。时域距离门可直接消除目标距离范围外的背景，如背景墙等；二微成像方式用于消除目标区内的背景杂波，如等离子体管支架杂波等；

将程控电源系统3与等离子体发生器连接，通过计算机实现等离子体发生器的放电状态的变化，实现非均匀等离子体环境构建；具体的，程控电源系统3一端连接等离子体发生器，另一端连接计算机，通过计算机上来调节输出功率比，程控电源系统3的程控电源将输出功率比转化为输出功率值，从而控制输入到等离子体管的功率，调节等离子体管的放电状态；

记录不同情况下的时域测试曲线；

对接收天线测试得到的时域回波信号进行处理，反演得到等离子体电子密度参数值。

本实施例中，等离子体发生器的放电状态的变化是通过以下方式实现的：

因为计算机通过软件对程控电源的输出进行控制，软件显示为输出功率比，不能显示出输出功率值，因此在等离子体发生器的电源插头上安装了功率计，可以实时显示输出功率，继而得到不同输出功率与等离子体密度的反演关系；因此同时通过功率计测量放电电流及功耗，获得放电电流、功耗与等离子体电子密度的关系，为等离子体电子密度的程控调节提供指导。

通过等离子体程控系统3，对等离子管构成的等离子体环境进行测试，分别控制等离子管输出功率比为116.5w、178w、230w、258.6w、340w及452w条件下，开展等离子体模拟环境电磁特性测试，同时在等离子体管未通电状态下测试参考数据。再通过程控电源系统3，实现3层等离子体管放电功率分别变化，实现非均匀等离子体环境构建，第一层为1％，第二层分别为5％、10％、15％及20％，第三层分别为50％、60％、70％、80％、90％以及100％。

对背景进行测试的过程中利用高速采样数字示波器对相邻多点进行平均，以滤除高频，实现测试信号的平滑去噪。一般按32次取平均，采集示波器底噪可降低至约0.5mv。双高斯脉冲卷积去噪技术：利用设定的双高斯脉冲波形，与目标时域回波信号卷积，通过参数调节，可滤除信号中的高频及低频噪声成份，实现的信号平滑去噪。

本实施例中，经过功率计的测试可以得到1％输出功率对应116w，30％输出功率对应258w，100％输出功率为452w。经数据处理，可以得到1ghz～18ghz各输出功率下等离子体对电磁波的吸收特性，如图3所示。根据等离子体介电常数等效公式，采用最小误差拟合方法，分别获取了等离子体频率、碰撞频率以及电子密度参数。

脉冲回波测量数据的预处理主要包含：平滑去噪技术、双高斯脉冲卷积去噪技术及定标处理等。

上述窄脉冲时域散射测量的定标采用相对定标法，如式(1)所示：

式中，e目(θ,t)为目标随方位角和相对时间变化的测试时域响应；e定(θ,t)为标准定标体的测试时域响应；σ理(θ,f)为定标体通过解析或者数值方法计算出的精确值。

上述中的二微成像采用近场滤波-逆投影算法(fbp)，通过理论方法拟合出沿目标投影积分轨迹上的目标回波数据，修正近场成像测量中由于球面波前所造成的误差，实现近场目标聚焦成像。

式中，r0是天线中心与目标中心之间距离；β表示天线波束入射角度；θ表示天线与目标之间相对旋转角度；k为电磁波波数；kmin为成像测量时最小测试频率对应的电磁波波数；ls是投影线；pθ(ls)为沿ls分布的投影值。

根据等离子体介电常数表达式：

式中，ω为电磁波角频率；f为电磁波频率；fen为等离子体中电子的碰撞频率；ωp为等离子体角频率；ne为等离子体电子密度；me为电子质量；ε0为真空介电常数。由式(3)可以看出，等离子体是色散介质，其介电常数随频率变化较大，且不同于常规介质，介电常数实部可以小于1甚至为负。电磁波在等离子体内的复波数可写为：

式中，k0为真空中的波数；ε为等离子体的等效介电常数。

因此，等离子体管层的单程吸波衰减量可近似写为：

α≈exp(-kid)(5)

由于等离子体的介电常数虚部随频率减小而增加，且频率升高时趋于零，一般情况下，按等离子体频率划分，低频时等离子体吸波衰减量较大，高频时其吸波衰减量较小。等离子体的典型吸波特性如图3所示。因此，根据衰减量和等离子体介电常数之间的关系可以得到等离子体电子密度。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。