专利名称：等离子体包覆材料的雷达反射特性测量装置及方法
技术领域：
本发明属于微波/雷达探测技术领域，涉及一种等离子体包覆材料的雷达反射特性测量装置及方法，可用于将被测材料均匀包覆等离子体，并对其雷达反射特性进行测量。
背景技术：
等离子体作为一种特殊的色散介质，对电磁波有着独特的吸收、反射、散射特性，与各种常规材料差异巨大。通常各类宇航器、弹头等目标高速再入大气的过程会因为摩擦高温而产生等离子体将自身包覆，其表面等效为一种覆盖等离子的复合材料，从而改变目标本身的雷达反射特性(通常是削弱雷达回波)。因此，对等离子包覆下的材料、目标特性的研究，在返回式航天器测控、再入目标探测、导弹预警防御与拦截、飞行器隐身等领域都是研究热点。
目标特性通常用雷达散射截面(RCS)来表征。对于常规的目标，获得RCS参数有两种途径一是实验法，将整个目标(或缩比模型)置于微波暗室内，测量其各个方位角的雷达回波强度从而直接得到RCS参数；二是数值算法，在事先已知目标的材料以及每种材料的雷达反射特性的前提下，通过电磁场计算获得目标整体的RCS。对于等离子包覆的目标，获得RCS的难点在于覆盖有等离子体的表面特性。由于在全尺寸目标表面整体包覆真实流场分布的等离子体并进行RCS测量在目前技术条件下尚不能实现，若利用缩比模型进行实验又会因为等离子非线性的色散效应难以反推至全尺寸模型。所以，目前可行的途径是先进行局部实验，即在目标的各种表面材料均匀覆盖不同厚度、不同密度的等离子体，测量被等离子覆盖下的各种目标表面材料的雷达反射特性，再进行目标建模和等离子流场分布建模，最后通过电磁计算的手段获得目标整体的RCS。因此，测量各种目标表面材料在覆盖有不同厚度和密度等离子体的雷达反射特性，是计算等离子体包覆目标RCS的关键前提。目前能够进行产生包覆于目标或材料表面的等离子体的方法主要分为两大类
第一类是基于高速气动原理产生等离子体，以弹道靶和激波管为代表。其中弹道靶能够将小型弹丸加速到再入速度，与静止大气摩擦产生等离子体将弹丸包覆；激波管内目标固定，试验气体被爆炸产生的激波驱动，以再入速度撞击被试目标。这一类方法产生等离子体的物理机理与真实再入体相同，但缺点是试验时间极短(百微秒级)难以开展实验，且爆炸、高速气流具有破坏性，难以在实验段放置各类微波试验器材。第二类是电离等离子体，以等离子隐身技术和等离子喷流技术为代表。其中等离子隐身技术利用交叉插指电极覆盖于材料表面，利用辉光放电将等离子覆盖于材料或目标表面，该技术在本领域不适用，因为表面遍布的金属电极已经改变了原材料的表面特性；等离子喷流技术利用微波、电弧等手段电离气体产生等离子体，再利用高压气流将等离子体喷射于材料表面，常用于材料烧蚀试验，其伴随的高温具有破坏性，且难以得到均匀、稳定的厚度和密度。综上，目前现有的等离子产生手段尚不能完全满足材料雷达反射特性测量需求，满足需求的等离子产生设备应具备以下特性
1)等离子大面积、均匀，可覆盖于材料表面；
2)长时间持续；
3)对被试材料、实验设备无破坏性；
4)密度、厚度可连续调节；
5)产生装置本身对被试材料雷达特性的附加影响小；
专利《大面积均匀非磁化等离子体产生装置及方法》(公开号102361531A)公开了一种利用环形网电极辉光放电作为等离子源，并在低压气体扩散效应的作用下，获得非磁化、 中空、大面积均匀、密度可控、无破坏性的等离子产生装置，用于电磁波在离子体内的传播特性研究；该类型装置解决了等离子体长时间持续和大面积均匀两大关键难点问题，从而能够满足上述部分的需求，但若应用于等离子包覆材料电磁反射特性测量，还存在以下三点不足之处
I)等离子无法覆盖于被测材料表面。该类型装置所产生的等离子体位于真空腔体内部，前后阻挡有石英观察窗，无法将其内部的等离子涂覆于材料表面。2)等离子厚度不可调节。该类装置内等离子体在低气压扩散作用下，均匀扩散填充整个腔体，等离子厚度由腔体固有尺寸决定，不可任意调节。3)装置本身是强烈雷达反射源。该类装置的腔体金属材料构成，本身会强烈地反射雷达回波，淹没材料的雷达回波。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够在被测材料表面包覆等离子，并进一步实现等离子厚度可调以及削弱本体的雷达回波反射，从而满足开展等离子包覆材料的雷达反射特性实验测量的等离子体包覆材料的雷达反射特性测量装置及方法。为实现上述目的，本发明的目的是这样实现的，等离子体包覆材料的雷达反射特性测量装置，其特征是包括大面积匀非磁化等离子体产生单元、雷达散射截面测量机构、微波暗室、支撑导轨、支撑滑块、被测材料板、吸波材料，大面积均匀非磁化等离子体产生单元、雷达散射截面测量机构固定在微波暗室内，大面积均匀非磁化等离子体产生单元由吸波材料包围在一个空间内，吸波材料有一个窗口，使大面积均匀非磁化等离子体产生单元的被测材料板直面雷达散射截面测量机构。所述的被测材料板由支撑导轨、支撑块固定在大面积均匀非磁化等离子体产生单元的腔体内，大面积均匀非磁化等离子体产生单元在其内部产生大面积均匀等离子体，大面积均匀非磁化等离子体产生单元被测材料板分割为两部分；使入射波方向的等离层子对电磁波起作用。所述的支撑滑块由四氟乙烯材料制成，上部有厚度6mm的凹槽,夹入一片厚度5 —6_的被测材料板，并由锁紧螺栓固定，下部的燕尾凸起与支撑导轨的燕尾槽配合，插入支撑导轨的燕尾槽内，使被测材料板的位置能够在大面积均匀非磁化等离子体产生单元内前后调节。所述的吸波材料为角锥型泡沫吸波板。所述支撑导轨由聚四氟乙烯材料制成，长18cm,宽3cm,高2cm,上部刻有Icm深燕尾槽，下部用螺钉安装于大面积均匀非磁化等离子体产生单元中的网状电极的内部，提供
一个滑轨。相比现有的类似技术，本发明具有以下的有益效果
I.本发明中的被测材料完全沉浸于均匀大面积等离子体内部，实现了对被测材料表面的均匀等离子体包覆。2.本发明采用了导轨和滑块结构，使被测材料板在等离子中可移动，在等离子总体厚度不变的前提下，实现了被测材料入射波表面等离子厚度的调节。3.本发明采用了吸波材料消除了等离子装置本身的反射波，使等离子包覆材料的雷达回波特性测量更加准确。
下面结合实施例附图对本发明作进一步说明
图I是本发明等离子体包覆材料的雷达散射特性测量系统实施例结构 图2是本发明等离子体包覆材料的雷达散射特性测量系统中，支撑导轨与支撑滑块的细节 图3是本发明等离子体包覆材料的雷达散射特性实验测方法流程图。图中，I、大面积均匀非磁化等离子体产生单元；2、雷达散射截面测量机构；3、微波暗室；4、支撑导轨；5、支撑滑块；6、被测材料板；7、网状电极；8、吸波材料；51、锁紧螺栓。
具体实施例方式实施例I
等离子体包覆材料的雷达反射特性测量装置，包括大面积匀非磁化等离子体产生单元I、雷达散射截面测量机构2、微波暗室3、支撑导轨4、支撑滑块5、被测材料板6、吸波材料8，大面积均匀非磁化等离子体产生单元I、雷达散射截面测量机构2固定在微波暗室3内，大面积均匀非磁化等离子体产生单元I由吸波材料8包围在一个空间内，吸波材料8有一个窗口，使大面积均匀非磁化等离子体产生单元I的被测材料板6直面雷达散射截面测量机构2。实施例2
参照图1，等离子体包覆材料的雷达反射特性测量装置，包括大面积匀非磁化等离子体产生单元I、雷达散射截面测量机构2、微波暗室3、支撑导轨4、支撑滑块5、被测材料板
6、吸波材料8，大面积均匀非磁化等离子体产生单元I、雷达散射截面测量机构2固定在微波暗室3内，大面积均匀非磁化等离子体产生单元I由吸波材料8包围在一个空间内，吸波材料8有一个窗口，使大面积均匀非磁化等离子体产生单元I的被测材料板6直面雷达散射截面测量机构2，被测材料板6由支撑导轨4、支撑块5固定在大面积均匀非磁化等离子体产生单元I的腔体内，大面积均匀非磁化等离子体产生单元I在其内部产生大面积均匀等离子体，大面积均匀非磁化等离子体产生单元I被测材料板6分割为两部分；其中仅有入射波方向的等离层子对电磁波起作用，实现了在材料板的前方均匀覆盖一定厚度的等离子层，且等离子层的厚度可通过移动支撑滑块5预先设定。雷达散射截面测量机构2发出的电磁波射入包覆有等离子的被测材料板6，并测量其反射回波强度，得出其雷达回波特性。大面积匀非磁化等离子体产生单元I采用专利《大面积均匀非磁化等离子体产生装置及方法》(公开号102361531A)公开的大面积均匀非磁化等离子体产生装置。雷达散射截面测量机构2为雷达散射截面测量仪器，属于本领域公知部件。如图2所示，支撑滑块5由四氟乙烯材料制成，上部有厚度6mm的凹槽，夹入一片厚度5 — 6mm的被测材料板6，并由锁紧螺栓51固定，下部的燕尾凸起与支撑导轨4的燕尾槽配合，插入支撑导轨4的燕尾槽内，使被测材料板6的位置能够在大面积均匀非磁化等离子体产生单元I内前后调节；金属表面及电波透射面贴附泡沫角锥吸波材料8，防止电波反射干扰。如图3所示，支撑导轨4由聚四氟乙烯材料制成，长18cm，宽3cm，高2cm，上部刻有Icm深燕尾槽，下部用螺钉安装于大面积均匀非磁化等离子体产生单元I中的网状电极7的内部，提供一个滑轨。
吸波材料为角锥型泡沫吸波板，均匀地贴附于装置所有的金属表面以及电波透射面，实现对金属部件的雷达回波吸收以及透射波的吸收，防止二次反射。本发明的工作原理是大面积均匀非磁化等离子体被支撑导轨4、支撑滑块5上安装的被测材料板6分割为两部分；其中仅有入射波方向的等离层子对电磁波起作用，实现了在材料板的前方均匀覆盖一定厚度的等离子层，且等离子层的厚度可通过移动支撑滑块5移动位置调节。雷达散射截面测量机构2发出的电磁波射入包覆有等离子的被测材料板6，并测量其反射回波强度，得出其雷达回波特性。参照图3，本发明实施例测量方法包括如下步骤
(1)拆除被支撑导轨4、支撑滑块5上安装的被测材料板6，用雷达散射截面测量机构测量大面积均匀非磁化等离子体本底反射强度；
(2)在支撑滑块5安装被测材料板6，调节入射波至被测材料板6的距离；
(3)开启等离子源，调节至所需电子密度；
(4)用雷达散射截面测量机构测量包覆有等离子体后的反射强度；
(5)将步骤(4)中测得的反射强度与步骤(I)中测得的本底反射强度相减，得出等离子包覆材料的雷达反射特性。本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。
权利要求
1.等离子体包覆材料的雷达反射特性测量装置，其特征是包括大面积匀非磁化等离子体产生单元(I)、雷达散射截面测量机构(2)、微波暗室(3)、支撑导轨(4)、支撑滑块(5)、被测材料板(6)、吸波材料(8)，大面积均匀非磁化等离子体产生单元(I)、雷达散射截面测量机构(2)固定在微波暗室(3)内，大面积均匀非磁化等离子体产生单元(I)由吸波材料(8)包围在一个空间内，吸波材料(8)有一个窗口，使大面积均匀非磁化等离子体产生单元(I)的被测材料板(6 )直面雷达散射截面测量机构(2 )。
2.根据权利要求I所述的等离子体包覆材料的雷达反射特性测量装置，其特征是所述的被测材料板(6)由支撑导轨(4)、支撑块(5)固定在大面积均匀非磁化等离子体产生单元(I)的腔体内，大面积均匀非磁化等离子体产生单元(I)在其内部产生大面积均匀等离子体，大面积均匀非磁化等离子体产生单元(I)被测材料板(6)分割为两部分；使入射波方向的等离层子对电磁波起作用。
3.根据权利要求I所述的等离子体包覆材料的雷达反射特性测量装置，其特征是所述的支撑滑块(5)由四氟乙烯材料制成,上部有厚度6mm的凹槽,夹入一片厚度5 — 6mm的被测材料板(6)，并由锁紧螺栓(51)固定，下部的燕尾凸起与支撑导轨(4)的燕尾槽配合，插入支撑导轨(4)的燕尾槽内，使被测材料板(6)的位置能够在大面积均匀非磁化等离子体产生单元(I)内前后调节。
4.根据权利要求I所述的等离子体包覆材料的雷达反射特性测量装置，其特征是所述的吸波材料(8)为角锥型泡沫吸波板。
5.根据权利要求I所述的等离子体包覆材料的雷达反射特性测量装置，其特征是所述的支撑导轨(4)由聚四氟乙烯材料制成,长18cm,宽3cm,高2cm,上部刻有Icm深燕尾槽，下部用螺钉安装于大面积均匀非磁化等离子体产生单元(I)中的网状电极(7)的内部，提供一个滑轨。
6.等离子体包覆材料的雷达反射特性测量方法，其特征是包括如下方法 (1)拆除被支撑导轨(4)、支撑滑块(5)上安装的被测材料板(6)，用雷达散射截面测量机构测量大面积均匀非磁化等离子体本底反射强度； (2)在支撑滑块(5)安装被测材料板(6)，调节入射波至被测材料板(6)的距离； (3)开启等离子源，调节至所需电子密度； (4)用雷达散射截面测量机构测量包覆有等离子体后的反射强度； (5)将步骤(4)中测得的反射强度与步骤(I)中测得的本底反射强度相减，得出等离子包覆材料的雷达反射特性。
全文摘要
本发明公开了一种等离子体包覆材料的雷达反射特性测量装置及方法，该装置包括大面积匀非磁化等离子体产生单元、雷达散射截面测量机构、微波暗室、支撑导轨、支撑滑块、被测材料板、吸波材料，大面积均匀非磁化等离子体产生单元、雷达散射截面测量机构固定在微波暗室内，大面积均匀非磁化等离子体产生单元由吸波材料包围在一个空间内，吸波材料有一个窗口，使大面积均匀非磁化等离子体产生单元的被测材料板直面雷达散射截面测量机构。它是一种能够在被测材料表面包覆等离子，并进一步实现等离子厚度可调以及削弱本体的雷达回波反射，从而满足开展等离子包覆材料的雷达反射特性实验测量的装置及方法。
文档编号G01N21/00GK102809577SQ20121025714
公开日2012年12月5日 申请日期2012年7月24日 优先权日2012年7月24日
发明者谢楷, 赵良, 秦永强, 李小平, 刘彦明, 刘东林 申请人:西安电子科技大学