高超声速类HTV2模型全目标电磁散射特性实验研究

针对临近空间高超声速飞行器目标探测与识别研究的需求,开展了高超声速飞行器非均匀等离子体电磁散射特性模拟测量研究.利用弹道靶设备发射高超声速类HTV2模型形成模拟的超高速复杂外形目标,弹道靶高精度阴影成像系统和雷达测量系统分别测量高超声速类HTV2模型姿态、全目标C波段/X波段电磁散射特性,获得了不同实验条件下模型全目标雷达散射截面积(RCS)等实验数据.研究结果表明:在不同实验状态下,包覆等离子体鞘套的高超声速类HTV2模型同一测量波段的RCS差别超过1个数量级,模型姿态角对包覆等离子体鞘套的高超声速类HTV2模型RCS影响较大,最大相差1个多数量级;在给定的实验条件下,模型尾迹C波段RCS远小于包覆等离子体鞘套的模型RCS,模型尾迹X波段RCS显著增强;高超声速类HTV2模型全目标C波段电磁散射能量主要分布在模型及其绕流区域, X波段电磁散射能量主要分布在模型及其绕流区域和等离子体尾迹区域.根据弹道靶实验条件,开展了包覆等离子体鞘套的高超声速类HTV2模型电磁散射特性数值仿真,仿真结果与实验结果之间的最大误差小于4 d B,验证了本文提出的非均匀等离子体包覆目标电磁散射特性建模方法的...     

剪切干涉测量电缆枪等离子体电子密度

用剪切干涉仪测量了电缆枪产生的等离子体电子密度分布.在实验中获得了激光波前通过等离子体后的干涉图样，测出等离子体沿轴向的平均运动速度约为2 cm/μs.对干涉图进行了二维波前重建，计算了电子线积分密度，给出了直观的等离子体分布图像，并计算了自由电子总数.根据等离子体的圆柱对称关系，利用Abel积分变换算出了局部电子密度沿径向的分布曲线.     

再入体缩比模型湍流等离子体电磁散射特性测量

介绍了在弹道靶上利用二级轻气炮发射再入体缩比模型开展湍流等离子体电磁散射特性模拟试验方法、湍流等离子体的雷达散射截面积(RCS)测量方法。给出了模型尾迹湍流等离子体的电磁散射特性测量典型试验结果,对获得的试验结果进行了分析,并与一阶畸变波Born方法计算结果进行了比较。结果表明:合理选择缩比模型发射速度和飞行环境压力,在弹道靶上能够模拟产生湍流等离子体;利用激光阴影成像技术获得的锥模型尾迹流场图像证实了尾迹转捩的出现及其湍流形成;在给定的试验条件下,锥模型及其绕流RCS测量值比其尾迹RCS测量值高3个数量级,比背景散射电平高0.5~2.5个数量级,且信号没有周期性,幅度脉动范围为1~15dB,频率脉动范围0.4~40kHz;锥模型湍流尾迹RCS的脉动可能是尾迹电子密度的脉动引起的;单站X波段雷达系统测量的锥模型尾迹亚密湍流等离子体的散射信号测量值与计算结果变化规律一致;弹道靶RCS测量技术可用于再入体缩比模型湍流等离子体电磁散射特性研究,为开展相关研究提供了一种有效的地面模拟实验研究途径。     

高速模型尾迹流场及其电磁散射特性相似性实验研究

高速目标再入大气层或在临近空间飞行时,空气电离形成的等离子体鞘套和尾迹对目标的雷达散射特性会产生影响.为了研究不同模型尾迹流场及其电磁散射特性规律和相似性,以氧化铝球模型为研究对象,在弹道靶设备上开展了双尺度参数相同的条件下高速球模型尾迹流场及其电磁散射相似性实验研究.由二级轻气炮发射模型,模型直径分别为8.0、10.0、12.0、15.0 mm,速度约6 km/s,靶室压力分别为6.3,5.0,4.2,3.3 k Pa,采用阴影照相系统测量模型激波脱体距离、电子密度测量系统测量模型尾迹的电子密度分布、X波段单站雷达系统测量在视角为40?的模型及流场的雷达散射截面(RCS)分布.实验结果表明:在速度不变、双尺度参数相同的条件下,随着模型尺寸的增加,激波脱体距离逐渐增加,激波脱体距离与模型直径之比近似相同;不同模型尾迹电子密度测量曲线的趋势和数量级一致,表明不同模型的尾迹流场适用于双缩尺律;不同尺寸模型尾迹的总体RCS与分布RCS均不相同,表明不同模型尾迹的电磁散射不适用于二元缩尺律;高速球模型全目标电磁散射能量分布在模型及其绕流区域、等离子体尾迹区域;高速球模型全目标电磁散射能量在模型及绕流场区域出现1个强散射中心,在模型湍流尾迹区域出现多个散射中心;高速球模型尾迹的RCS测量信号呈现随机性分布特性,幅度脉动和频率脉动均没有周期性;随着模型尺寸的增加,模型尾迹的总体RCS增加,尾迹脉动频率的变化范围减小.     

干涉法诊断由纳秒激光诱导产生的大气等离子体的电子密度

通过改进的马赫-曾德尔干涉仪获得了高质量的Nd:YAG激光诱导大气等离子体干涉条纹图.利用快速傅里叶变换（FFT）分析法恢复了干涉图波面,通过Abel逆变换进行密度反演,重建了不同时刻激光等离子体电子密度的三维分布,并得到了激光等离子体膨胀速度与延迟时间的关系.结果显示,纳秒激光诱导大气击穿形成的等离子体具有等离子体通道结构,等离子体膨胀速度的迅速衰减,对等离子体通道的塌陷起到了促进作用,等离子体形状的离心率在大约48 ns时达到最大值,然后开始向圆形演变. 关键词： 激光等离子体电子密度 干涉测量 Abel逆变换     

基于自相似模型的二维X射线激光等离子体流体力学

从自相似方法出发,建立了简化的二维X射线激光等离子体流体动力学模型. 利用该模型研究了平板靶X射线激光的二维流体力学行为. 研究表明,当激光作用结束后,经过一段时间的演化电子密度和温度沿线聚焦方向逐渐达到平衡,该结果对X射线激光的优化设计具有重要意义. 关键词： X射线激光 二维流体力学计算 自相似方法     

再入尾迹湍流对雷达散射截面影响分析

通过探讨高超声速再入湍流尾迹等离子体场中电磁波的散射机制,推导出在工程上描述湍流亚密等离子体雷达散射的一阶畸变波Born近似模型,分析了该模型在充分发展湍流尾迹等离子体场中的适用性,完成了适用于三维尾迹等离子体场的程序设计.以已有的湍流尾迹等离子体流场数据为基础,分析了再入尾迹湍流等离子体流动对雷达散射截面的影响.选取考察的几个有代表性的因素为:湍流模型、转捩过程、湍流尺度、电子组分脉动初始条件等.由结果可以看到,湍流转捩过程和湍流尺度对雷达散射截面值影响不大;电子组份脉动强度初始值影响较明显;湍流模型在特定条件下影响亦不大.     

用X射线激光M-Z干涉仪诊断点聚焦CH等离子体电子密度

在神光Ⅱ装置上，用软X射线激光Mach-Zehnder干涉仪诊断了点聚焦CH等离子体电子密度N_e分布，介绍了实验结果. 通过Abel变换进行了密度反演， 给出了N_e的2D分布，测得的最高N_e为3.2×10²¹cm^-3. 通过同1.5维JB19程序以及二维XRL2D程序的模拟结果的比较，发现高密度区，限流因子取0.05的理论结果同实验相符，但是低密度区实验得到的N_e分布下降得更快，而且理论模拟的N_e二维分布同实验结果在细节上有比较大的差别. 粗略的误差分析显示，干涉仪面型误差是实验误差的主要来源. 关键词： 类镍银X射线激光 Mach-Zehnder干涉仪 密度反演 Abel变换     

基于微波链路的降雨场反演方法研究

本文基于微波雨衰的幂律关系, 研究了使用微波链路反演降雨场的方法, 采用层析技术建立了降雨场反演模型. 并利用SIRT算法与正则化算法实现对降雨场层析反演模型的求解. 数值模拟结果表明, 该模型与反演算法能够较为准确地重建降雨场强度与空间分布特征, 能够提供高时空分辨率的二维降雨强度分布. 因此, 利用微波衰减数据进行降雨探测可以作为常规的雨量计与天气雷达观测手段的有效补充. 关键词： 微波雨衰 微波链路 降雨场重建 层析反演     

激光焊接等离子体光谱辐射传输模型

了解激光焊接光致等离子体在多个波长下的光谱辐射场三维分布能够帮助研究人员获取等离子体的温度场分布、电子密度分布以及其他一些物理量的三维分布,对于改进激光焊接工艺有着重要的意义。了解等离子体光谱辐射能量传输到探测器靶面这一物理过程是重建激光焊接等离子体光谱辐射场的前提。提出一种基于光学成像的等离子体光谱辐射能量传输模型:基于辐射度量学,研究等离子体光谱辐射发出到被探测器镜头接收这一过程,推导等离子体中某一点被镜头接收到的光谱辐射通量占其向周围空间所发出总光谱辐射通量的比例系数ω_1,建立起光谱辐射传递模型;基于光学成像原理,研究光谱辐射由等离子体发出通过镜头到达探测器靶面这一成像过程,推导等离子体中某一点被像素所接收到的光谱辐射通量占其被镜头所接收到的辐射通量的比例系数ω_2,建立起光学成像模型。利用比例系数ω_1和ω_2得到等离子体中某一点被探测器某像素接收到的光谱辐射比例系数ω=ω_1ω_2,从而建立起等离子体光谱辐射传输模型。通过仿真实验,考察利用所提模型对处在1 000～3 000℃之间呈对称温度分布与非对称温度分布的激光焊接等离子体的光谱辐射场重建效果。结果表明,对于温度呈对称分布的等离子体在400, 500, 600和700 nm四个波长下的光谱辐射场,利用该模型进行反演的重建精度分别为5.39%, 6.5%, 7.25%和6.11%;对于非对称温度分布等离子体的光谱辐射场,进行反演的重建精度分别为9.34%, 10.07%, 10.68%和9.72%。仿真实验结果表明,利用该模型能够对激光焊接等离子体在400～700 nm之间各波长下的光谱辐射场进行较好的重建。与其他模型对比,该模型具有较好的重建精度,能够满足工业应用领域的需求。     

大面积等离子体片密度分布分析

利用空心阴极放电产生了尺寸为60 cm× 60 cm× 2 cm的大面积等离子体面. 在实验室条件下对大面积等离子体片的密度分布进行了测量. 由于高压放电脉冲脉宽较短, 实验中改变了测量方法, 同时, 在中等磁场影响下, 为了得到真实的等离子体密度, 进行了必要的数值修正.在放电电流为1---6 A时, 测量了二维的电子密度分布. 另外, 测量并讨论了其他环境参数对等离子体密度的影响. 电子密度的分布情况对与微波波束切换相当重要. 由空心阴极增强型放电产生的大面积等离子体面具有反射X波段(8---12 GHz) 微波需要的足够稠密的电子密度和足够均匀的密度分布, 这是等离子体面在雷达系统中取代金属面板的有利条件.     

二维高超声速后台阶表面传热特性实验研究

高超声速后台阶流动是大气层内高速飞行器发动机设计、表面热防护以及高超声速拦截器红外成像窗口气动光学效应校正等诸多先进高超声速技术研发过程中所涉及的一类基础流动问题. 研究高超声速后台阶流动特性对有效提升飞行器综合性能, 进一步掌握高超声速流动机理具有重大基础 意义. 本文以二维高超声速后台阶流动为研究对象, 在KD-01高超声速激波风洞中测量了二维后台阶模型表面传热系数和表面静压, 并将实测台阶下游表面传热系数分布同采用高超声速边界层理论所得估计值进行了比较. 为进一步验证实验结果, 使用NPLS技术测量了其中一种实验状态下台阶周围流动结构. 研究发现, 对于二维高超声速后台阶流动, 台阶下游表面传热分布受台阶处边界层外缘流动特性的直接影响; 在台阶下游分离区和再附区内, 气体黏性占主导作用; 在台阶下游远场区域, 边界层流动特性趋同于平板边界层; 下游边界层基本结构取决于台阶处边界层相对厚度. 对高超声速后台阶流动, 若使用数值模拟方法研究气动热问题, 应当使用湍流模型.     

测量托卡马克装置等离子体电子密度分布的远红外HCN激光干涉仪

本文介绍了用电磁波干涉的方法测量等离子体电子密度的原理、七道远红外HON激光干涉仪的结构及其在HT-6M托卡马克(TOKAMAK)装置上的测量结果.干涉仪的光源县一台腔长3.4m的连续辉光放电的HCN激光器,波长337μm;输出功率约100mW.干涉仪可以给出七道弦上的平均电子密度,最小可测相移为115条纹,时间分辨为0.1ms.也可以由七道弦上相移的线积分值通过非对称的Abel变换给出不同时刻的电子密度的空间分布或时-空分布的三维图形.     

双极化频率调制微波反射计在J-TEXT托卡马克上的应用

等离子体中电子密度分布是研究等离子体物理的基础诊断之一.为了测量J-TEXT中电子密度分布,我们在J-TEXT实验装置上搭建了一套频率调制反射计.该反射计工作在Q波段与V波段,为了增加反射计密度测量范围,采用了双极化的设计,即能够同时测量寻常波模式与非寻常波模式.得益于双极化的设计,该反射计测量的电子密度范围为0—6.0×1019m-3,能够覆盖J-TEXT托卡马克的低场侧全部范围.频率调制反射计的时间分辨取决于微波系统扫描周期,由于采用了扫频速率更快的扫频固态源,整个频率扫描周期可以达到40μs.要获得完整的电子密度分布,必须先利用中频频率的跳变计算出密度零点的位置,然后使用两种极化模式的数据反演得到完整的电子密度剖面.同时,在实验中还观察到在非寻常波模式下低于右旋截止频率的微波在等离子体中也能够传播.     

大相移直读式微波干涉仪

一、引 言 微波法测量等离子体的电子密度通常采用 Wharton-Gardner条纹干涉仪,这种经典的条纹干涉仪对于大截面高密度的瞬变等离子体所产生的数十个2π相移变化特别是电子密度之空间分布的测量有一定的局限性。当相移超过10个2π弧度时,在示波器上读取这种干涉仪的条纹移动是很困难的。而大相移直读式微波相位测量系统能把瞬变等离子体引起的微波相移的2π弧度的数目转换成电脉冲。这些对应于密度上升和下降的2π弧度相移量的脉冲经过适当处理,既可供直读也可供计算机进行数据处理。目前该系统每500微秒可分辨2π弧度的相移。同时,它还可以利用波导桥网络的检波输出在示波器上观测条纹的移动,以便进行监测。所以它对于大型或中型托卡马克装置的测量是比较适合的。     

电子回旋共振等离子体密度均匀性的数值研究

基于漂移扩散近似,在轴对称假设下,对电子回旋共振等离子体源腔室内的等离子体建立了二维流体模型.采用有限差分法对所建立的模型进行了自洽数值模拟,得到了等离子体密度均匀性随时间演化的数值结果.通过对数值结果的分析,研究了背景气体压强、微波功率和磁场线圈电流对等离子体密度均匀性的影响.研究表明,在电离初期,电子密度的均匀性好于离子密度的均匀性.在电离后期,离子密度的均匀性好于电子密度的均匀性.随着背景气体压强的增大,电子密度和离子密度的均匀性都在增加,且离子密度的均匀性增加的更快.随着微波功率的增大,电子密度和 关键词： 等离子体密度均匀性 背景气体压强 微波功率 磁场线圈电流     

双频容性耦合等离子体密度径向均匀性研究

利用自主研制的全悬浮双探针, 对影响双频容性耦合等离子体径向均匀性的因素进行了研究. 发现低频功率、放电气压和放电间距对径向均匀性有明显影响. 合适的低频功率、放电气压及较大的极板间距可以得到更均匀的等离子体. 采用与实验相同的放电参数, 利用改进的二维流体模型进行理论模拟, 得到了不同极板间距下径向离子密度分布, 并和实验测量结果进行了比较, 两者的变化趋势基本符合. 关键词： 双频容性耦合等离子体 径向均匀性 全悬浮双探针 二维流体模型     

激光等离子体2660紫外探针及干涉系统

成功地在六路高功率Nd玻璃激光装置上建立了2660紫外激光探针和适合紫外波段的Normaski干涉仪,首次将可见波长的连续激光应用于紫外干涉仪中靶成像调整和光路准直。利用该紫外光干涉仪,在铜柱状靶(φ500μm)上测量了厚等离子体中高达0.6n。的电子密度。     

垂直入射电磁波在大气压非平衡等离子体层中的传播特性

用数值模拟的方法对大气压非平衡等离子体薄层中，不同的电子密度分布对微波反射、吸收和透射的影响进行了研究。所采用的理论分析方法是分层模型和镶嵌不变原理。计算中考虑了微波在子层间的多次反射和吸收。数值结果表明，对于电磁波的吸收来说，等离子体中具有二次分布的电子密度，其效果要高于线性分布10%左右；而对于反射来说，线性分布效率更高。功率反射系数随波长的增大而增大，功率吸收系数A也不是单调的，当电子密度不变时，A存在一个峰值，随着电磁波波长的增加而增加，达到最大值后，缓慢降低。     

用离焦4f差分干涉仪测量等离子体壳层电子密度

 将环型横向剪切干涉仪置于两个镜头之间，由此设计出一种新型的离焦4f差分干涉仪，该干涉仪同时具有分离光路的剪切量和条纹空间频率分别可调的优点以及共光路结构的稳定性和易于调节的优点，使得在测量大密度梯度等离子体的密度分布时，可以在不降低空间分辨率的条件下仍保证干涉条纹可读。在DPF装置上进行了实验，获得了等离子体壳层的干涉图样，计算了等离子体的径向电子密度分布，在内电极端面上方测量到的最高电子密度约为1.2×10¹⁹ cm^-3，外围等离子体壳层的电子密度约为2×10¹⁸ cm^-3。