等离子体对无线电信号影响规律分析

第一章绪论

1.1选题背景及研究意义
"黑障"一词是伴随着人类进行的航天活动及武器试验而出现的，是发生在大气层的一种特有现象。当返回式卫星、航天飞船、洲际导弹等飞行器以超高速进入大气层时，与大气剧烈摩擦、挤压，会产生激波，使飞行器表面与周围气体分子呈黏滞状态，由于稠密大气的阻力而剧烈摩擦，使飞行速度快速降低，飞行器的大量动能转换成热能，温度不易散发，形成一个温度高达几千、上万摄氏度的高温区。高温区内的气体和返回舱表面材料的分子被分解和电离，形成一个等离子区，像鞘套一样包裹着飞行器，俗称"等离子鞘套"由于等离子体能吸收和反射无线电波，等离子鞘套使电磁波的传输特性发生剧烈变化，会引起目标在一定高度和一定时间内，造成与外界的无线电信号急剧衰减、甚至中断，影响雷达、遥测等无线电跟踪测量设备对目标的跟踪。传统上，人们把飞行器再入大气层时引起通信中断的飞行区段称为"黑障区"。黑障区的范围取决于等离子体密度、再入飞行器的外形、材料、再入速度，以及发射信号的频率和功率等。黑障的产生给稠密大气层中高速目标的测量和无线电通信造成严重的影响，主要有以下几方面：
(1)无线电波在等离子层中部分被吸收（遥测下行信号、雷达上行信号和下行信号穿越等离子层时都会被衰减)；
(2)在等离子体密度发生陡变的地方，对无线电磁波能进行折射和反射；
(3)等离子层改变飞行器周围介质的介电性能，改变飞行器附近区域电磁场结构，从而改变飞行器上天线的辐射方向图、电磁波福射的极化特性；
(4)等离子体本身在一定频谱上的輻射，增加了通信系统的噪声；
(5)由于等离子体电磁特性的非线性性质，在各路通信系统之间产生交叉调制及干扰。在黑障中，对于密度较大的等离子体，上述影响效应十分严重，特别是吸收和反射造成的衰减极大，致使某一阶段无线电信号中断，对于不太密的等离子体，未造成中断时，无线电信号衰减很大，对电磁波传播也有有害作用，包括吸收衰减、折射衰减、噪声的引入、方向图改变及失谐等。在以往导弹、神舟飞船飞行试验中，无线电测量系统均出现过不同程度的信号中断现象，通过建立已有导弹的等离子体鞘套模型，分析弹道导弹目标再入等离子体分布特性，最后结合以往飞行试验数据对模型进行修正。通过等离子体述模和分布特性研究，综合分析研究影响黑障形成以及地面测控设备测量的各种因素，对飞行过程中可能出现的"黑障"问题进行深入研究，对无线电跟踪测量、对研究论证能有效克服等离子鞘套影响的新型测控系统都具有重要意义，利用等离子鞘套还可以进行隐身，关于等离子体隐身技术方面也有很多应用研究，本文不做这方面论述。

1.2国内外研究进展及现状
等离子体鞘套造成的黑障问题，国内外都进行过很多技术研究及试验。美国60、 70年代进行了多次等离子体试验，作了大量研究，研究了黑障对再入飞行目标的通信影响，寻求解决黑障中断通信的应对办法。例如采用优化飞行器外形、注水等方法和试验，来测量黑障对无线电信号影响的情况，并取得了大量一手数据资料。经过试验，笑国在一定程度上，获取了等离子体鞘套的性质，探索出了降低通信中断的途径，但美国的试验数据不公开，很难获得。这方面数据获取没有捷径，只能立足自我。我国的武器试验、航天技术的发展，为黑障段数据的获取提供了可能。航天、国防试验几十年积累了一定的数据，为这方面研究提供了贵数据资料，并且摸索了一些应急的方法，但到目前为止，我国尚未找到能够彻底解决信号中断的途径国内外公开的关于等离子体对电磁波的影响的分析大部分只是理论的，缺少测量数据作为论据。而本文在理论分析的基础上，利用积累的多次目标再入"黒障"时段的测量数据、神舟飞船返回舱再入时的"黒障"段数据、以及等离子体对无线电信号影响的测量数据，等离子体对不同频段电磁波的影响进行了分析，验证了等离子体对无线电信号影响的理论和模型。

1.3等离子体对无线电衰减机理
无线电信号进入等离子体时，带正电荷的离子和带负电荷的自由电子，在电磁场的作用下运动，无线电信号把能量传递给带电粒子。运动过程中，带电粒子不断与中性离子发生碰撞，碰撞过程中把能量传递给中性粒子，结果无线电信号的功率受到衰减这种衰减称为吸收衰减。吸收衰减随等离子体越厚度增加而变大。因为各种因素，等离子体不可能是均匀的，无线电信号在等离子体的分界面处会发生反射，形成反射衰减。无线电信号的衰减主要是这两种，其中，吸收衰减是主要的。
 
   1.4 解决黑障问题的几种途径 ......................10-12
    1.5 本文内容安排 ......................12-13
第二章 等离子体对无线电波影响分析 ......................13-35
    2.1 等离子体概述 ......................13-14
        2.1.1 等离子体定义 ......................13
        2.1.2 等离子体主要物理参数 ......................13-14
    2.2 等离子体对不同频段电磁波的影响 ......................14-26
    2.3 等离子体对通信系统的影响 ......................26-34
    2.4 本章小结 ......................4-35
第三章 等离子体仿真试验及数据分析 ......................35-44
    3.1 等离子体对无线电信号影响的仿真试验 ....................35-36
        3.1.1 仿真试验设备 ......................35
        3.1.2 测量设备 ......................35-36
    3.2 等离子体的产生方式及途径 ......................36-37
    3.3 验证等离子体对无线电信号的影响 ......................37-40
        3.3.1 演示验证试验 ......................37
        3.3.2 多传感器融合试验效果分析 ......................37
        3.3.3 多种特征相关分析 ......................37-40
    3.4 仿真试验数据处理 ......................40-43
    3.5 分析结论 ......................43
    3.6 本章小结 ......................43-44
第四章 黑障对无线电信号影响规律分析 ......................44-63
    4.1 弹道导弹再入时黑障分析 ......................44-57
        4.1.1 黑障产生时目标的环境特点分析 ....................44-46
        4.1.2 黑障产生机理及黑障确认 ......................46-52
        4.1.3 弹道导弹再入大气层黑障规律分析 ..................52-57
    4.2 神舟飞船返回舱再入大气层黑障规律分析................... 57-62
        4.2.1 返回舱黑障段数据情况 ......................57-60
        4.2.2 返回舱黑障规律分析 ......................60-62
    4.3 本章小结 ......................62-63

总结与展望

"黑障"问题是困扰无线电跟踪与测量多年的一个老问题，科技人员想出各种对策想要解决而一直没有很好的办法。研究等离子体造成的"黑障"效应，不仅有利于克服黑障造成的负面影响，解决黑障区无线电测量难题，对航天和军事方面有重要意义，而且，对发展等离子体隐身技术的研究，积极利用黑障很有意义。本文在对等离子体对不同频段无线电信号的影响、等离子体对通信系统的影响进行了详细的理论分析基础上，对不同屯子密度、碰撞频率、不同厚度、不同入射角情况下的功率吸收系数和反射系数进行了理论计算，对等离子体中电磁波的传输损耗计算；对通信系统抗干扰能力进了行详细分析；对等离子体对无线电信号的影响进行了仿真试验，多个频段的雷达设备、s波段遥测设备的测量数据进行了处理、分析，给出了等离子体对无线电信号的影响效果；分析了弹道导弹、神舟飞船再入大气层时的黑障规律，对黑障的形成机理作了深入的研究，并对黑障的确认原则作了明确，为后续各类试验任务中对黑障的分析、判断提供了依据。本文的研究内容只是"冰山一角"，后续研究还有很多工作要做，列举一二：
(1)黑障区无线电跟踪测量问题一直没解决，下一发展更改频段的测量设备，期望能对无线电信号"穿透"黑障有明显改善；但频率提高后引发了许多新问题，需要研究解决奵，例如窄波束天线的角度跟踪捕获等；
(2)黑障仿真技术研究，这方面研究难度很大。山于仿真环境很难与真实环境差异较大，仿真效果与真实情况差异较大，如何提高仿真技术，对黑障研究意义非同一般；
(3)继续对历史数据深入挖掘处理，分析研究，这是一项浩大而繁琐的工作；
(4)展等离子体技术验证试验，获取各频段无线电测量数据，由于这方面数据有限，理论分析需要数据验证，这也是一项长期的工作。

参考文献

[I]曲馨，方格平."黑碎："问题的分析与介绍[J].硅谷，2010 (10)
[2国雄编，弹头技术[M].北京：宁航出版社，1994年11月。
[3]胡希伟，理论基础[M].北京：北京人宁出版扦，2006. 1
[4]C. T. Swift, F. B. Beck, J. http://sblunwen.com/wxdlw  Thomson and S. L. Castellow, Jr. RAM C-I1I S-band diagnosticexperiment .NASA Langley Research Center. 1970
[5]徐茂格，近空间超音速行器射频通信"黑障"研究[J]，电讯技术2009，49(10)： 49-52
[6]刘海明，胡希伟，江中和.屯磁波在人气层人造离子体中的衰减特性分析[J].物理学报，2002, 6(6)： 1317-1320
[7]吕保维，干贞松.无线电波传理论及应[M].北京：科学出版社，2003: 465-46
[8]胡红军，刘军，马明宙达和USB在黑障对返冋舱捕获跟踪分析研究载人航天2006年第二期
[9]厂鹭飞，雷达原理[M].程宁院出版社,1984
[10]高艳东.等离子对通信的影响[D].燕山人学硕十学位论文，2005