一种飞行器激波场的模拟、预估及测量方法与流程

本发明涉及电磁散射测试领域，尤其涉及一种飞行器激波场的模拟、预估及测量方法。

背景技术：

1、飞行器超声速巡航时，飞行器的各个部件及发动机羽流会对周围空气产生强烈扰动，形成一系列激波系与膨胀波系。在向地面传播的过程中，波系之间相互作用，最后在地面形成头尾两道激波。当激波扫掠过地面时，观察者会听到类似爆炸的声音，所以称之为“声爆”。

2、超音速飞行器声爆的产生与体积和升力密切相关。当飞行器以超音速飞过静止空气时，空气中的流体微团没有收到扰动信号并与迎面而来的飞行器发生碰撞产生位移。这些微团在飞行器前缘表面堆积并受迫移动，并伴随有密度、温度、压强的突然增加，形成激波系，而在内凹表面移动时，情况恰好相反，形成膨胀波系。一般来说，飞行器下表面为高压区，由激波系构成；上表面为低压区，由膨胀波系构成。

3、激波与膨胀波以当地声速沿各自后马赫锥方向传播。波形在传播过程中发生畸变。激波所处的气体温度高，因此传播速度快，传播角度大。弱激波被吞食形成强激波。在传播至远场时，波系向两侧聚集，并形成n型波。“远场”是波系演化已基本充分，声爆信号形态不会发生较大改变的区域。一般来说，地面属于这一范畴。

4、在检索到的国内外公开及有限范围发表的文献中，有论文提出了二维大气媒质变化的二维计算格式，但对于三维变化媒质没有提出计算方法，没有模拟测试技术方法；有论文提出了任意连续变化媒质散射特性的高震荡积分计算方法；其他论文中只对特殊变化形式提出了特殊的计算方法，不能解决任意且连续变化低散射媒质的电磁散射相干测试问题。在可检索到的文献中，尚没有公开对飞行器激波场的雷达相干探测模拟测试技术。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种飞行器激波场的模拟、预估及测量方法，预估该模拟激波场的rcs，直观地反映物理散射过程，适用于超音速飞行器激波场的雷达探测原理验证模拟测试。

2、为了达到上述目的，本发明提供一种飞行器激波场的模拟、预估及测量方法，采用声喇叭天线模拟典型飞行器激波场，预估该模拟的飞行器激波场的雷达散射界面rcs，并利用雷达相干探测原理对模拟的飞行器激波场进行测量。

3、所述模拟方法包含：

4、进行飞行器超音速巡航下瞬态三维外流场仿真建模；

5、对三维外流场进行频谱分析，得到主频率，对三维外流场进行介电常数分析，得到主频率分量的介电常数；

6、设置声喇叭天线的频率范围，以飞行器激波场的主频率为中心频率；

7、设置声喇叭天线的功率，以飞行器激波场的声压强为发射功率；

8、设置测量雷达的频率范围，计算激波场的主频的声波波长，设置测量雷达的中心频率满足bragg条件，bragg条件的表达式为：

9、λ＝2nλa

10、其中λ为测量雷达发射电磁波波长，λa为声喇叭天线发射声波波长，n＝1,2,…取自然数，且一般取n＝1。

11、所述预估方法包含：

12、测量区域rcs计算公式为：

13、

14、其中，ra是声天线到声场包中心的距离，θ3db是声喇叭天线的3db波束宽度，n是被测区域声场层数，pa是待测声场处的功率，ga是声喇叭天线增益，λa为声喇叭天线发射声波波长；

15、声压(sp)和功率pa之间的关系为：

16、

17、其中，ρ是空气密度，va是声速，area是由声波波束宽度决定的球面面积，声压级为声压与参考声压的比值的对数，spl＝20log10(sp/pref)，pref＝2×10-5pa。

18、所述测量方法包含：

19、音频信号发生器开启，由声喇叭天线将音频信号发生器产生的宽带声波信号辐射到大气中，同时测量雷达在相对声波传播方向发射电磁波，并截获声场的反射电磁波；

20、音频信号发生器关闭，测量雷达在相对声波传播方向发射电磁波，并截获声场的反射电磁波；

21、对测试数据进行比对分析，获得声场散射数据。

22、将声喇叭天线和测量雷达天线并排放在地面上，声喇叭天线朝向和测量雷达天线朝向都与地面垂直。根据外流场进行频谱分析所得主频率以及bragg条件设置声喇叭天线的中心频率以及频率扫描范围；根据飞行器激波场的声压强设置声喇叭天线的辐射声压级。

23、本发明提供的飞行器激波场模拟及相干探测原理验证试验方法，使用声喇叭天线模拟激波场的物理特征，使用大功率雷达在bragg匹配频率上进行探测，获取功率谱、rcs、频移等特征量，可直观地反映物理散射过程，易于理解，为超音速飞行器的外流场探测提供原理验证方法，适用于大气流场的电磁散射探测问题。

技术特征：

1.一种飞行器激波场的模拟、预估及测量方法，其特征在于，采用声喇叭天线模拟典型飞行器激波场，预估该模拟的飞行器激波场的雷达散射界面rcs，并利用雷达相干探测原理对模拟的飞行器激波场进行测量。

2.如权利要求1所述的飞行器激波场的模拟、预估及测量方法，其特征在于，所述模拟典型飞行器激波场的方法包含：

3.如权利要求2所述的飞行器激波场的模拟、预估及测量方法，其特征在于，所述预估模拟的飞行器激波场的雷达散射界面rcs的方法包含：

4.如权利要求3所述的飞行器激波场的模拟、预估及测量方法，其特征在于，所述测量模拟的飞行器激波场的方法包含：

5.如权利要求4所述的飞行器激波场的模拟、预估及测量方法，其特征在于，将声喇叭天线和测量雷达天线并排放在地面上，声喇叭天线朝向和测量雷达天线朝向都与地面垂直。

6.如权利要求5所述的飞行器激波场的模拟、预估及测量方法，其特征在于，根据外流场进行频谱分析所得主频率以及bragg条件设置声喇叭天线的中心频率以及频率扫描范围；根据飞行器激波场的声压强设置声喇叭天线的辐射声压级。

技术总结
一种飞行器激波场的模拟、预估及测量方法，分析飞行器激波场的频谱特征，使用声喇叭天线模拟激波场的物理特征，并预估其Bragg匹配条件下的雷达散射截面(RCS)，使用大功率雷达在Bragg匹配频率上进行探测，获取功率谱、RCS、频移等特征量，可直观地反映大气声场的物理散射过程，易于理解，为超音速飞行器的外流场探测提供原理验证方法，适用于大气流场的电磁散射探测问题。

技术研发人员：贺新毅,张元,米晓林,王爽,王晓冰,廖意
受保护的技术使用者：上海无线电设备研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12