[发明专利]一种等离子体复介电常数瞬态微波反射测量方法及装置

说明书

本发明属于等离子诊断技术领域，涉及微波测量技术，具体提供一种等离子体复介电常数瞬态微波反射测量方法及装置，本发明测量装置基于激波管实验平台，其测量方法通过校准与对消技术对接收的反射信号进行处理得到激波管壁表面的真实反射系数，移除测试系统自身反射信号的影响；再利用得到的激波管壁表面反射系数反推激波管内等离子体复介电常数变化；同时，针对激波管壁反射系数反推等离子体复介电常数的函数存在多值性问题，本发明利用等离子体在短时间内复介电常数线性变化的近似解决该问题，从而有效实现等离子体复介电常数瞬态测量。

技术领域

本发明属于等离子诊断技术领域，涉及微波测量技术，具体提供一种基于激波管实验平台的等离子体复介电常数瞬态微波反射测量方法及装置。

背景技术

等离子体作为不同于固体、液体和气体的物质第四态，主要由带电离子和自由电子构成，它呈现出高度激发的不稳定态，因此很难在自然环境中持续存在。人造产生等离子体的方式有很多种，激波管作为一种应用于实验研究的产生高密度等离子体的设备，等离子体只能在其内部产生且存在时间仅仅持续几百个微秒，尽管朗缪尔探针诊断方法已经被应用于测量等离子体电子密度与碰撞频率，但由于其介入式方法的特点会影响管内等离子体的密度分布导致测试误差，因此应用微波诊断方法对等离子体电子密度以及碰撞频率进行非接触测量有着更好的应用前景。微波诊断方法又可分为传输与反射方法，传输方法利用电磁波经过等离子体幅度相位的变化来反推等离子体电子密度与碰撞频率，由于高密度等离子体对电磁波的衰减很大甚至发生信号截止现象，因此传输方法的等离子体密度测试范围对系统硬件接受信号动态测试范围要求很高；相比之下，反射方法则利用电磁波与等离子体相互作用产生的反射波来分析等离子体电子密度与碰撞频率变化，由于不存在信号截止现象，且等离子体对反射信号幅度变化的影响相对较小，因此反射方法对系统硬件接受信号动态测试范围要求较低，具有更强的适用性。由于等离子体的电子密度与碰撞频率与其等效复介电常数具有一一对应的等价关系，基于此，本发明提供一种基于激波管实验平台的等离子体复介电常数瞬态微波反射测量方法及装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于激波管实验平台的等离子体复介电常数瞬态微波反射测量方法及装置，通过校准与对消技术对接收的反射信号进行处理得到激波管壁表面的真实反射系数，移除测试系统自身反射信号的影响；再利用得到的激波管壁表面反射系数反推激波管内等离子体复介电常数变化；同时，针对激波管壁反射系数反推等离子体复介电常数的函数存在多值性问题，本发明利用等离子体在短时间内复介电常数线性变化的近似解决该问题，从而实现了包含硬件测试操作以及软件计算处理完整的测试方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种等离子体复介电常数瞬态微波反射测量装置，包括信号源、对消分机、接收机、工控机、透镜、喇叭天线、激波管及两个微波暗室；其特征在于，所述喇叭天线与透镜设置于第一微波暗室中，所述信号源输出信号经过对消分机激励喇叭天线发射微波，所述微波经过透镜作用于激波管内等离子体；所述等离子体部分透射、部分反射，所述透射波进入第二微波暗室、并被吸收；所述反射波沿原路径返回被喇叭天线接收、并经过对消分机到达接收机，所述工控机对接收机信号进行测量及数据处理、并输出等离子体复介电常数。

上述等离子体复介电常数瞬态微波反射测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：打开信号源，将第一微波暗室的窗口采用吸波材料遮挡，调节对消分机的衰减器移相器使接收机的接收信号趋于噪声，测量并记录此时接收信号，记为E1*；

步骤2：保持信号源及对消分机状态不变，取掉吸波材料，进行等离子体瞬态实验并记录接收机接收信号，得到离散接收信号data：

data＝[data(1),data(2),data(3),...,data(T)]

其中，T为采样点总数：T＝M×N，N为预设单次处理时间段内采样点数，M为单次处理时间段的数量；