蘇漢生，趙 良，劉秀祥

(空間物理重點實驗室，北京100076)

1 引 言

高速飛行器在稠密大氣層中飛行時，氣動高溫使飛行器周圍的空氣電離形成自由運(yùn)動并相互作用的正離子、電子和中性分子組成的混合物，稱為等離子體或等離子鞘套。等離子體等效為一種電介質(zhì)，內(nèi)部可傳播電磁波，并且電磁波在等離子體中傳播時，將發(fā)生相移、時延、寬帶色散、反射、折射和吸收等效應(yīng)，嚴(yán)重時將導(dǎo)致電磁波通信中斷，即“黑障”［1］。

目前國外在等離子體參數(shù)在線診斷、等離子鞘套下電磁波傳播特性、天線性能和削弱技術(shù)方面獲取了大量的寶貴數(shù)據(jù)，積累了大量的技術(shù)儲備［2］，但是相關(guān)的實質(zhì)性研究成果鮮有公開報道。國內(nèi)針對黑障通信問題，國防科技大學(xué)、西安電子科技大學(xué)等高校的研究人員對等離子體中的電磁波傳播特性進(jìn)行了深入研究［3－4］。然而，目前大多數(shù)工作都是利用人為設(shè)定或者實驗室條件下的等離子體模型，與國外研究相比存在差距，尤其缺少真實試驗結(jié)果的數(shù)據(jù)支撐。

為此，本文提出通過對真實試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行反演分析，獲取等離子體對電磁波影響的真實數(shù)據(jù)，一方面，通過對眾多真實試驗子樣進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，總結(jié)歸納出等離子體鞘套對無線鏈路的實際影響規(guī)律;另一方面，通過獲取真實的等離子體數(shù)據(jù)，將其與仿真計算中的等離子體數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可指導(dǎo)仿真分析并對仿真模型進(jìn)行參數(shù)修正。

2 高超聲速飛行器黑障通信

黑障問題幾乎伴隨著所有的再入航天器，例如美國航天飛機(jī)的再入返回過程存在16 min左右的黑障時間，我國“神舟5 號”飛船再入過程中黑障持續(xù)4 min左右［5］。飛行過程中一旦發(fā)生持續(xù)黑障，一方面將無法及時獲得飛行器的狀態(tài)信息，如飛行姿態(tài)、內(nèi)部各分系統(tǒng)工作狀態(tài)和關(guān)鍵參數(shù)、當(dāng)前位置坐標(biāo)等信息;另一方面將導(dǎo)致無法及時對飛行器實施有效控制，一旦失控，將導(dǎo)致任務(wù)失?。?］。

電磁波與等離子體鞘套的相互作用機(jī)理較為復(fù)雜，通常研究大都以靜態(tài)均勻等離子體為分析對象，進(jìn)行數(shù)值模擬。而飛行器流場中的等離子體與一般研究設(shè)定的等離子體相比具有明顯區(qū)別:一是“簿”，相對于電磁波波長，等離子鞘套的厚度較薄，以鈍錐形飛行器為例，它的等離子鞘套厚度約為幾厘米級，與厘米波的波長相當(dāng);二是非均勻，沿電磁波傳播方向，飛行器周圍等離子體參數(shù)都是非均勻分布并且梯度變化快，無線電波在其中傳播時，在其分界面會發(fā)生反射，引起衰減;三是動態(tài)性，等離子鞘套隨著飛行高度、飛行速度、姿態(tài)、繞流流場、防熱材料燒蝕以及大氣環(huán)境等隨機(jī)因素的變化，將會呈現(xiàn)出復(fù)雜的動態(tài)特性［7］。等離子體鞘套的這些特點使得理論計算求解難度很大，由于流場計算和實驗測量條件的局限性，現(xiàn)在對等離子鞘套的認(rèn)識仍然十分有限。

3 試驗數(shù)據(jù)反演分析方法

目前對于等離子體鞘套與電磁波的相互作用機(jī)理研究尚不足夠深入，主要工作集中在理論模型的分析及地面模擬試驗上，缺少真實試驗數(shù)據(jù)的有效支撐。真實試驗和地面模擬試驗對于等離子鞘套的相關(guān)理論、模型驗證具有非常重要的意義。目前等離子鞘套研究的主要試驗途徑是利用地面設(shè)備模擬產(chǎn)生飛行器等離子鞘套環(huán)境，能夠模擬產(chǎn)生高超聲速飛行器等離子體的有彈道靶、激波管、爆轟風(fēng)洞、電弧風(fēng)洞、高頻等離子體風(fēng)洞等設(shè)備，然而無論何種模擬試驗方式均較真實飛行試驗產(chǎn)生的等離子體有一定差異，同時受到試驗設(shè)備和試驗環(huán)境等條件的制約，等離子體參數(shù)的測試精度偏低，試驗中存在較大的誤差，這些誤差因素的存在使得試驗數(shù)據(jù)的有效性和可用性大為降低。因此，通過真實試驗獲取等離子鞘套參數(shù)對于等離子體鞘套機(jī)理研究及模型修正的意義重大，然而目前缺少一套系統(tǒng)的對于真實試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及利用的分析方法。

為了實現(xiàn)通過真實的試驗數(shù)據(jù)對等離子體鞘套效應(yīng)進(jìn)行影響分析，并與仿真預(yù)測分析結(jié)果進(jìn)行對比，需要一套系統(tǒng)的試驗數(shù)據(jù)分析方法，該方法首先需要對電磁波的傳輸鏈路進(jìn)行詳細(xì)分析。無線信號的傳輸鏈路包括三個環(huán)節(jié):信號發(fā)射環(huán)節(jié)、空間傳輸環(huán)節(jié)以及信號接收環(huán)節(jié)，如圖1所示。在信號發(fā)射環(huán)節(jié)，需要分析各無線設(shè)備的實際數(shù)據(jù)以及發(fā)射設(shè)備與接收設(shè)備之間的角度關(guān)系，獲得發(fā)射到空間中的無線信號強(qiáng)度;在信號接收環(huán)節(jié)，需要分析真實試驗數(shù)據(jù)的信號信噪比、自動增益控制電壓、地面設(shè)備噪聲溫度、增益、信噪比處理關(guān)系等，獲得地面接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確信號強(qiáng)度;在空間傳輸環(huán)節(jié)，通過上述分析得到發(fā)射與接收端無線信號強(qiáng)度，結(jié)合空間傳輸衰減、大氣衰減以及雨衰減等諸多因素，計算等離子體鞘套對電磁波傳輸?shù)恼鎸嵱绊憽?/p>

圖1 無線信號傳輸鏈路示意圖Fig.1 Diagram of wireless signal propagation link

3.1 信號發(fā)射環(huán)節(jié)

無線信號的發(fā)射環(huán)節(jié)主要涉及的設(shè)備有無線信號發(fā)射機(jī)、發(fā)射天線、連接信號發(fā)射機(jī)及天線的高頻網(wǎng)絡(luò)，有些無線鏈路還包含信號分路器。信號發(fā)射機(jī)按設(shè)計要求產(chǎn)生一定功率的無線信號，經(jīng)高頻網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)桨l(fā)射天線，發(fā)射天線將無線信號按照一定的波束形狀向自由空間中輻射。

對飛行器無線鏈路進(jìn)行詳細(xì)分析，一方面需要獲得發(fā)射機(jī)功率、高頻網(wǎng)絡(luò)衰減以及發(fā)射天線方向圖等真實實測數(shù)據(jù);另一方面需要根據(jù)實時無線數(shù)據(jù)及相對時標(biāo)，結(jié)合發(fā)射設(shè)備的數(shù)據(jù)時序，完成發(fā)射設(shè)備與地面接收設(shè)備之間的數(shù)據(jù)同步;此外，還需要根據(jù)發(fā)射設(shè)備坐標(biāo)、姿態(tài)以及地面接收設(shè)備的站點坐標(biāo)、姿態(tài)，計算發(fā)射天線與地面接收天線之間的角度關(guān)系，從而獲取發(fā)射天線在接收天線的站點處的天線增益。

3.2 信號接收環(huán)節(jié)

信號接收環(huán)節(jié)主要用于無線信號的接收、解調(diào)、記錄和數(shù)據(jù)處理任務(wù)。當(dāng)無線信號落在接收天線主波瓣內(nèi)，天線接收到信號輸出左、右旋兩路信號，經(jīng)安裝在天線裝置上的低噪聲放大器放大，通過射頻分路組合分路，分路后送下變頻器，經(jīng)混頻、濾波、放大，輸出中頻信號經(jīng)中頻耦合網(wǎng)絡(luò)送基帶終端、基帶組合和檢前記錄設(shè)備，檢前記錄器完成對中頻信號實時記錄，基帶設(shè)備完成中頻濾波放大、增益控制、分集合成、解調(diào)、視頻濾波放大、視頻同步解調(diào)、數(shù)據(jù)存盤、數(shù)據(jù)處理等功能。

對于不同的無線信號接收系統(tǒng)，信號接收通道并不完全相同，因此，信號所經(jīng)過的無線鏈路也就不完全相同。為了詳細(xì)分析接收系統(tǒng)中的無線鏈路，一方面需要對內(nèi)部各設(shè)備指標(biāo)(如各設(shè)備噪聲溫度、遙測基帶自動增益控制電壓值、各設(shè)備增益等)進(jìn)行詳細(xì)計算;另一方面需標(biāo)定無線信號接收鏈路，獲取接收信號自動增益控制電壓值與接收信號信噪比之間的對應(yīng)關(guān)系，并根據(jù)接收到的無線信號的自動增益控制電壓數(shù)據(jù)與系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)果計算接收信號的信號強(qiáng)度。

3.3 空間傳輸環(huán)節(jié)

無線信號在自由空間中進(jìn)行傳播的過程中，一方面要經(jīng)歷空間衰減，另一方面也要經(jīng)歷由于雨、云等所產(chǎn)生的大氣衰減，以及極化損耗等。其中，空間衰減部分根據(jù)分析信號發(fā)射設(shè)備與信號接收設(shè)備之間的相對位置關(guān)系可以分析得到。然而無線信號在自由空間的傳播過程中，云、雨等物質(zhì)會對其產(chǎn)生額外的衰減，衰減值不僅與無線信號的頻率相關(guān)，而且與云雨層的路徑長度以及云雨層的衰減率相關(guān)。

電磁波通過大氣時，大氣中的分子，主要是水汽和氧氣分子，會吸收電波能量而產(chǎn)生能級躍遷，是引起電波衰減的物理機(jī)理。在相同大氣環(huán)境中，高頻信號的衰減特性要比低頻信號衰減嚴(yán)重。對于8 GHz以下的無線信號而言，晴空大氣、云、霧、降雪的衰減很小，幾乎可以忽略，然而對于18 GHz以上頻段，云雨衰減則需要重點關(guān)注。高頻信號的云雨衰減可通過綜合評估晴空大氣衰減和降雨環(huán)境衰減特性反映系統(tǒng)受衰減影響的程度，其中晴空大氣衰減可通過試驗過程中的實際大氣參數(shù)結(jié)合晴空衰減特性計算模型進(jìn)行精確計算;雨衰減分析計算則要復(fù)雜得多，其不僅與溫度、降雨量、等效路徑相關(guān)，還與雨滴尺寸、掉落頻率等特性相關(guān)。在反演分析的初期，由于高頻信號雨衰減量較難評估，可以先通過假設(shè)取固定值進(jìn)行計算，之后隨著試驗子樣的增加、試驗數(shù)據(jù)的擴(kuò)充以及雨衰減分析逐步深入，可根據(jù)具體環(huán)境降雨特性對雨衰減計算模型加以修正，以便準(zhǔn)確評估雨衰特性。

在分別獲得了信號發(fā)射環(huán)節(jié)、信號接收環(huán)節(jié)以及空間傳播環(huán)節(jié)無線鏈路的數(shù)據(jù)之后，便可獲取試驗過程中的等離子體鞘套對不同頻率無線信號的衰減量。該數(shù)據(jù)將為等離子體鞘套情況下無線鏈路設(shè)計提供充足的數(shù)據(jù)支持，并對等離子體鞘套的流場特性分析模型、電子密度計算模型及等離子體的電磁特性分析模型進(jìn)行修正。

4 試驗數(shù)據(jù)反演分析關(guān)鍵技術(shù)

真實試驗是獲取等離子體鞘套實際數(shù)據(jù)的有效途徑，通過對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，對理論分析模型進(jìn)行不斷修正，可對電磁波在等離子體鞘套中的傳播機(jī)理有更加深入的認(rèn)識。然而對試驗獲取的真實數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的、系統(tǒng)的、詳細(xì)的分析過程中涉及到許多技術(shù)難點，如無線鏈路的精確分析計算、等離子電子密度數(shù)據(jù)分析、飛行器外表面材料燒蝕特性的分析、電磁模型的有效修正等。

4.1 高精度鏈路分析

等離子體試驗數(shù)據(jù)獲取是通過真實有效的試驗數(shù)據(jù)獲取等離子體鞘套對無線信號的真實影響，為了獲取較為精確的數(shù)據(jù)，需要對無線信號鏈路進(jìn)行高精度分析:一方面，需要對信號發(fā)射及接收設(shè)備指標(biāo)進(jìn)行高精度測量;另一方面，需要對云雨造成的兩路衰減進(jìn)行精確評估。

雨衰減是由于雨滴對電磁波的吸收與散射作用產(chǎn)生的，通常其隨頻率和降雨率的增加而增大，對于高頻信號，降雨是影響其信號衰減的最主要因素。目前通用的衰減模型是基于降雨量的統(tǒng)計模型，如公式(1)所示:

式中，k 與α 為與頻率、仰角、極化角有關(guān)的參數(shù)，R為降雨率(單位mm/h)。然而實際高頻電磁波的波長與雨滴尺寸屬于同一數(shù)量級，不同尺寸雨滴將對相應(yīng)頻段的無線信號產(chǎn)生選擇性的吸收和散射。即使相同降雨量條件下，雨滴尺寸分布(即雨滴譜)不同，對高頻信號衰減有著很大差別。對比研究模型與實測結(jié)果可見，在降雨量相同雨滴尺寸不同的情況下，計算得出的雨衰減與實測結(jié)果差別較大，最大處可達(dá)20 dB，因此在雨衰減評估模型中，需加入對降雨類型進(jìn)行分類的方法來修正模型，然而對降雨分類的過程存在著較大主觀性，誤差較大，需要在降雨統(tǒng)計模型的基礎(chǔ)上，增加針對雨滴譜的修正。通過修正后的計算結(jié)果與實測結(jié)果對比可見，不同雨滴尺寸情況下的雨衰減預(yù)估結(jié)果與實測結(jié)果均有較好的一致性，差別最大處不超過2 dB，可見雨滴譜修正方法可以較好地提高雨衰減計算精度。

4.2 電子密度分析

不同外形的飛行器在不同飛行狀態(tài)下的等離子鞘套分布并不相同，圖2給出了不同高度下RAMC 試驗中垂直于再入飛行器表面方向的等離子體電子密度分布［8］?？梢钥闯觯煌叨鹊脑偃氲入x子鞘套電子密度分布差異很大。真實獲得飛行器等離子體鞘套的電子密度及其分布的特征，有助于對等離子體衰減特性進(jìn)行準(zhǔn)確分析。另外，通過有針對性地采取合理方法與技術(shù)可以降低等離子體電子密度，從而達(dá)到降低等離子體鞘套黑障效應(yīng)。

圖2 不同高度下RAM－C 飛行器表面電子密度分布Fig.2 Electron density profiles of RAM－C vehicles at different altitudes

等離子體電子密度的診斷可以分為三類:被動遙感診斷、主動非介入式診斷和介入式診斷。主動測量方法有微波反射計技術(shù)、法拉第旋轉(zhuǎn)技術(shù);被動測量方法有等離子體光譜技術(shù)、諧振腔技術(shù)和輻射計技術(shù);介入式診斷中探針診斷技術(shù)無疑是應(yīng)用最為廣泛的。然而，在邊界層流動等離子體中，傳統(tǒng)朗繆爾探針的應(yīng)用會遇到一些新情況:首先是探針的“端部效應(yīng)”，在靜態(tài)等離子體中，探針各方向收集電荷的機(jī)會是均等的，而在流動等離子體中，探針端部收集電荷的機(jī)會與流向有關(guān);其次，流動會改變等離子體鞘套的形狀，導(dǎo)致迎風(fēng)面和被風(fēng)面收集電荷的機(jī)會不同;其三，流速的影響，氣體粒子除了熱運(yùn)動外，還有整體流動，在高超聲速流場中，流速可能大于熱運(yùn)動速度。

在真實試驗中進(jìn)行電子密度測量，可以采用探針的方法獲得飛行器不同部位電子密度。側(cè)身部宜使用平裝探針方法，所有伸出側(cè)身部的探測方法均不適用于側(cè)身部電子密度的測量。平裝探針若能布置在微波天線窗或通信窗口來流的上游將是最佳的方案。飛行器底部可以使用單探針、雙探針或三探針，這三種探針無論選用固定式或移動式均可行。近尾和遠(yuǎn)尾的尾跡等離子體電子密度及其流場參數(shù)的獲取，選用彈射探針方法較為合適。

4.3 燒蝕特性分析

高超聲速飛行器在稠密大氣層中高速飛行時，飛行器周圍的氣動高溫將使飛行器外表面的熱防護(hù)材料產(chǎn)生一定量的燒蝕產(chǎn)物;另外，熱防護(hù)材料將因高溫產(chǎn)生碳化效應(yīng)。

飛行器外表面熱防護(hù)材料的燒蝕效應(yīng)，一方面將產(chǎn)生一定量的燒蝕顆粒、多組分粒子，研究等離子體鞘套對電磁波的衰減效應(yīng)需要詳細(xì)研究等離子鞘套中燒蝕組分及微粒的化學(xué)非平衡特性及吸收和發(fā)射特性，化學(xué)非平衡的一個典型特征就是其熱物性參數(shù)不再是溫度的簡單表達(dá)式，為了準(zhǔn)確描述流場，需要盡可能準(zhǔn)確地確定其熱物性參數(shù)模型，通過試驗數(shù)據(jù)中燒蝕傳感器得到的實際燒蝕量以及燒蝕速率可對現(xiàn)有化學(xué)非平衡NS 方程進(jìn)行修正;另一方面，由于飛行器外表面的氣動高溫，熱防護(hù)材料將被碳化，碳化后熱防護(hù)材料的材料特性將產(chǎn)生較大變化，特別是導(dǎo)電率將大幅度提高。飛行器天線周圍熱防護(hù)材料導(dǎo)電率的提高將對天線的輻射特性產(chǎn)生顯著變化，天線方向圖將產(chǎn)生整體改變，在某些位置點天線增益將增強(qiáng)，而在其他位置點增益可能降低。天線增益的變化將會對無線信號傳輸產(chǎn)生影響。為了通過試驗數(shù)據(jù)反演分析等離子體鞘套對無線信號的影響，需要詳細(xì)分析飛行器外表面材料碳化對天線方向圖所產(chǎn)生的影響。通過仿真計算可見，燒蝕對4 GHz頻段以上天線的影響較小，仿真結(jié)果顯示天線方向圖在主輻射方向±30°范圍內(nèi)方向圖變化為3～5 dB;而對4 GHz頻段以下天線的增益存在較為明顯的影響，仿真結(jié)果顯示方向圖在主輻射方向±30°范圍內(nèi)變化為8～10 dB。

4.4 電磁特性分析

等離子體鞘套電磁特性分析是依據(jù)飛行器周圍的三維等離子體鞘套數(shù)據(jù)(包括電子密度、碰撞頻率、等離子體鞘套厚度等)，根據(jù)射線追蹤、幾何繞射或物理光學(xué)等高頻電磁計算方法，計算得到等離子體鞘套對不同頻段無線信號產(chǎn)生的幅頻特性及相頻特性影響。通過試驗數(shù)據(jù)得出各頻段無線信號在等離子體鞘套下的衰減值以及電子密度的測量值或者預(yù)測值，將其與電磁特性分析計算得出的衰減值進(jìn)行對比分析，可以對等離子體鞘套的電磁特性分析進(jìn)行深入認(rèn)識。

雖然經(jīng)典的等離子電磁波傳播理論早在20世紀(jì)60年代就基本成熟，然而其在于處理非均勻等離子體鞘套較局限，以及未涉及等離子介質(zhì)的動態(tài)特性，而等離子介質(zhì)的動態(tài)特性對電磁波傳播與散射特性有明顯的影響，其影響結(jié)果主要表現(xiàn)為氣體動力學(xué)中的隨機(jī)過程耦合在電磁波傳播的幅/相特性中其規(guī)律和機(jī)制尚不明確［9］。

真實環(huán)境中的等離子鞘套是一種具有頻率色散和折射效應(yīng)的非均勻有耗介質(zhì)，精確分析電磁波與非均勻等離子鞘套的相互作用機(jī)理十分復(fù)雜。通常的研究中，對于按某種規(guī)律分布的非均勻等離子鞘套，可將其分成若干厚度相等的均勻等離子體薄層，如圖3所示。而對于實際再入等離子鞘套，由于其電子密度分布極其不均勻，需采用自適應(yīng)的非均勻等離子鞘套分層模型，按照相鄰均勻薄層等離子體電子密度相差不超過10%來劃分邊界，即電子密度變化劇烈的位置，分層間距也較小，相應(yīng)的均勻薄層厚度較薄。這樣，既能較精確模擬非均勻等離子鞘套，又能防止計算網(wǎng)格數(shù)過大，并可用于對各種不同外形的飛行器等離子鞘套進(jìn)行分析。

圖3 電磁波在分層等離子鞘套中傳播Fig.3 Stratified models of electromagnetic waves propagation in plasma sheath

分析動態(tài)等離子體鞘套與電磁波的相互作用模型，需根據(jù)不同高度及速度下高速飛行器周圍形成的等離子鞘套介電參數(shù)分布，分析等離子鞘套的動態(tài)變化特性，并在現(xiàn)有的等離子體特征頻率與碰撞頻率中加入動態(tài)性因子(時變、非均勻表征參數(shù))，形成動態(tài)等離子鞘套的介電參數(shù)描述方法?；诘入x子體流場動態(tài)分布特征，研究動態(tài)等離子鞘套中各因素對電磁參數(shù)的影響，分析表征動態(tài)等離子鞘套參數(shù)與電磁特征參數(shù)的關(guān)聯(lián)特性。

5 結(jié)束語

針對目前缺少系統(tǒng)的真實試驗數(shù)據(jù)的處理、分析方法，本文提出對真實試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行等離子體反演分析，獲取等離子體對電磁波影響的實際數(shù)據(jù)。文中首先論述了等離子體鞘套數(shù)據(jù)反演分析方法，其中包括無線信號傳播鏈路分析計算方案以及等離子體實際衰減數(shù)據(jù)的獲取方法?；谏鲜龇桨福敿?xì)論述了試驗反演分析過程中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，如通過建立更加精確的雨衰模型，提高無線鏈路分析計算精度;通過采取合理的電子密度在線診斷方法，獲得真實飛行器等離子體鞘套的電子密度及其分布的特征;通過考核飛行器外表面材料碳化對天線方向圖所產(chǎn)生的影響，分析燒蝕碳化所帶來的影響;通過形成動態(tài)等離子鞘套的介電參數(shù)描述方法，分析動態(tài)等離子鞘套參數(shù)以及電磁特性分析模型。通過對等離子體環(huán)境下的真實無線通信數(shù)據(jù)進(jìn)行反演分析，可總結(jié)歸納出等離子體鞘套對無線鏈路的真實影響規(guī)律，并對等離子體鞘套的流場特性分析模型、電子密度計算模型及等離子體的電磁特性分析模型進(jìn)行修正。反演分析過程及模型修正過程需要對大量數(shù)據(jù)多輪反復(fù)進(jìn)行，逐步提高反演分析的有效性以及仿真模型的精確性。

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