高速飞行器等离子鞘套信道统计模型研究

发布时间：2020-10-30 17:31

　　 当高超声速飞行器在大气层中飞行时,将产生一层包覆飞行器的等离子鞘套。等离子鞘套会衰减通信信号能量,并附加寄生调制效应,此外,电磁信号受散射体影响,形成多径效应。两种效应相互耦合导致高超声速飞行器综合信道环境十分恶劣,现有的通信体制难以适应,发生通信中断,产生“黑障”现象。对高超声速飞行器综合信道特性的认知不足是“黑障”问题尚无法克服的主要原因,本文围绕等离子鞘套信道模型,对等离子鞘套等效介质模型、等离子鞘套信道理论模型、等离子鞘套信道模型实验验证和高超声速飞行器综合信道的几何-统计模型四个方面进行了研究:1、深入研究了等离子鞘套电子密度动态性的形成机理,建立等离子鞘套等效介质随空间和时间多尺度变化模型。考虑到不同时变因素的影响,将影响等离子体参数变化的飞行条件和鞘套内部流体条件分别归类为大尺度、中尺度和小尺度变化因素,建立电子密度与飞行姿态、流场参数的函数关系,详细分析了不同尺度电子密度变化的机制,建立了电子密度多时间尺度变化模型,重点分析了电子密度小尺度变化的统计规律,并在此基础上建立了等离子鞘套多物理尺度介质模型;研究了时变介质中电磁波传播计算方法,对典型RAMC飞行试验条件下全程信道进行计算,并对信道幅相时域曲线、幅相标准差曲线、幅相相关系数、偏度、变化频率、信道相干时间、相干带宽等信道特征进行了分析。2、建立了等离子鞘套小尺度信道统计模型,推导了统计参数的数学表达式。深入研究等离子鞘套中电磁波传播机理,建立了衰减系数和相移系数与电子密度小尺度变化的近似线性关系,对等离子鞘套小尺度信道幅度和相位的概率密度函数、幅度相位的相关系数、幅度相位的自相关函数进行了推导,给出了这些函数的显式数学表达式;提出了一种基于傅里叶逆变换和秩序匹配的等离子鞘套电子密度小尺度变化系数时间序列产生方法,并在此基础上提出了一种等离子鞘套小尺度信道时间序列产生方法,通过对产生的信道幅度和相位的概率密度函数、幅度和相位的相关性、幅度和相位的自相关函数与理论进行对比证明了该方法的有效性。3、提出了一种适用于等离子鞘套信道的基于CAZAC序列的滑动相关宽带测量方法,结合等离子鞘套信道环境,对不同参数条件下信道探测方法的效果进行了分析,给出了最优的参数选取方案;综合分析了等离子体产生装置DPSE和激波管产生等离子体的特点,建立了等离子鞘套小尺度信道模型试验验证方案,并对等离子鞘套小尺度信道幅度和相位的概率密度函数、幅度相位的相关系数、幅度相位的自相关函数等参数进行了实验验证。4、建立了高超声速飞行器综合信道的几何-统计模型。在等离子鞘套小尺度信道统计模型基础上,分析了上行综合信道与下行综合信道中空间多径信道与等离子鞘套信道的耦合关系,基于两种不同的耦合机制,分别给出了两个信道幅度相位的概率密度函数和功率谱密度函数的显式数学表达式;提出了可模拟高速移动信道与等离子鞘套信道的两种耦合过程的高超声速飞行器综合信道时间序列的产生方法,可为高超声速飞行器通信仿真提供信道输入。综上所述,本文加深了对等离子鞘套信道和高超声速飞行器综合信道的认知,所建立的等离子鞘套小尺度信道统计模型和高超声速飞行器综合信道的几何-统计模型可对高超声速等离子鞘套信道和高超声速飞行器综合信道进行准确且全面的刻画,可为适应性通信方法的提出提供理论依据,为高超声速飞行器通信体制评估提供信道模型输入,提高适应性通信方法有效性的论证效率,对缓解“黑障”问题而言具有十分重要的意义。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V249
【部分图文】：

第一章 绪论1.1 研究背景高超声速飞行器是指具备以六马赫以上的超高速在临近空间飞行能力飞行器。其具备的高速可以使其在两小时内到达地球的任意一个角落，大大缩短了飞行耗时，提高了飞行效率，具备突破目前所有地面军事防御设备的能力[1]-[3]。因此，高超声速飞行器在民用和军事上具有广泛的应用前景，其相关技术的研究也越来越受到国内外的广泛关注。然而，对高超声速飞行器而言，过高的速度同样带来了一系列的问题。当其以高超声速在大气层中飞行时，飞行器表面与周围气体将产生剧烈的摩擦，飞行器的动能被周围气体吸收，产生一层包覆飞行器的等离子体，称为等离子鞘套。等离子鞘套会反射、吸收电磁波，衰减通信信号能量，同时，由于等离子鞘套参数随时间和空间变化，对电磁信号产生剧烈的干扰，使得信号波形畸变、频谱弥散，测控站难以接收和正确解调测控通信信号，导致通信中断，产生“黑障”现象[4]-[15]。

西安电子科技大学博士学位论文2图1.2美国 RAMC 飞行试验全程信号强度曲线目前，世界上主流的通过物理手段缓解“黑障”的方法主要有：(1)设计更合理的飞行器外形，减小飞行器表面与飞行器之间的摩擦，从而降低等离子鞘套对电磁信号的影响；(2)释放亲电子的液体，可有效降低等离子鞘套电子密度，降低信号衰减；(3)附加磁场，利用洛伦兹力排开电子，形成通信窗口；(4)提高通信信号载波频率，在同等等离子鞘套条件下，高频率的电磁波相较于低频率电磁波的损耗更小。总的来说，这些方法不论是降低电子密度亦或提高电波频率，均是提高电波频率和等离子体频率的比值

图2.7 空时电子密度的示意图 (a)30km (b)40km (c)47km图 2.8 所示为 RAMC 实验条件下飞行器处于海拔 30km 处时短时间内电子密多尺度变化示意图。图 2.8(a)为大尺度影响下电子密度的变化，时间方向上变化缓慢；图 2.8(b)为加入中尺度变化后电子密度曲面，电子密度随着攻角的变化而，且变化仍较为缓慢；图 2.8(c)为多尺度电子密度变化示意图，电子密度不仅随和攻角缓慢变化，而且随着时间和距离随机快速扰动。
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本文编号：2862791