當(dāng)高超聲速飛行器在大氣層中飛行時(shí),將產(chǎn)生一層包覆飛行器的等離子鞘套。等離子鞘套會(huì)衰減通信信號(hào)能量,并附加寄生調(diào)制效應(yīng),此外,電磁信號(hào)受散射體影響,形成多徑效應(yīng)。兩種效應(yīng)相互耦合導(dǎo)致高超聲速飛行器綜合信道環(huán)境十分惡劣,現(xiàn)有的通信體制難以適應(yīng),發(fā)生通信中斷,產(chǎn)生“黑障”現(xiàn)象。對(duì)高超聲速飛行器綜合信道特性的認(rèn)知不足是“黑障”問題尚無法克服的主要原因,本文圍繞等離子鞘套信道模型,對(duì)等離子鞘套等效介質(zhì)模型、等離子鞘套信道理論模型、等離子鞘套信道模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和高超聲速飛行器綜合信道的幾何-統(tǒng)計(jì)模型四個(gè)方面進(jìn)行了研究:1、深入研究了等離子鞘套電子密度動(dòng)態(tài)性的形成機(jī)理,建立等離子鞘套等效介質(zhì)隨空間和時(shí)間多尺度變化模型。考慮到不同時(shí)變因素的影響,將影響等離子體參數(shù)變化的飛行條件和鞘套內(nèi)部流體條件分別歸類為大尺度、中尺度和小尺度變化因素,建立電子密度與飛行姿態(tài)、流場參數(shù)的函數(shù)關(guān)系,詳細(xì)分析了不同尺度電子密度變化的機(jī)制,建立了電子密度多時(shí)間尺度變化模型,重點(diǎn)分析了電子密度小尺度變化的統(tǒng)計(jì)規(guī)律,并在此基礎(chǔ)上建立了等離子鞘套多物理尺度介質(zhì)模型;研究了時(shí)變介質(zhì)中電磁波傳播計(jì)算方法,對(duì)典型RAMC飛行試驗(yàn)條件下全程信道進(jìn)行計(jì)算,并對(duì)信道幅相時(shí)域曲線、幅相標(biāo)準(zhǔn)差曲線、幅相相關(guān)系數(shù)、偏度、變化頻率、信道相干時(shí)間、相干帶寬等信道特征進(jìn)行了分析。2、建立了等離子鞘套小尺度信道統(tǒng)計(jì)模型,推導(dǎo)了統(tǒng)計(jì)參數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。深入研究等離子鞘套中電磁波傳播機(jī)理,建立了衰減系數(shù)和相移系數(shù)與電子密度小尺度變化的近似線性關(guān)系,對(duì)等離子鞘套小尺度信道幅度和相位的概率密度函數(shù)、幅度相位的相關(guān)系數(shù)、幅度相位的自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行了推導(dǎo),給出了這些函數(shù)的顯式數(shù)學(xué)表達(dá)式;提出了一種基于傅里葉逆變換和秩序匹配的等離子鞘套電子密度小尺度變化系數(shù)時(shí)間序列產(chǎn)生方法,并在此基礎(chǔ)上提出了一種等離子鞘套小尺度信道時(shí)間序列產(chǎn)生方法,通過對(duì)產(chǎn)生的信道幅度和相位的概率密度函數(shù)、幅度和相位的相關(guān)性、幅度和相位的自相關(guān)函數(shù)與理論進(jìn)行對(duì)比證明了該方法的有效性。3、提出了一種適用于等離子鞘套信道的基于CAZAC序列的滑動(dòng)相關(guān)寬帶測量方法,結(jié)合等離子鞘套信道環(huán)境,對(duì)不同參數(shù)條件下信道探測方法的效果進(jìn)行了分析,給出了最優(yōu)的參數(shù)選取方案;綜合分析了等離子體產(chǎn)生裝置DPSE和激波管產(chǎn)生等離子體的特點(diǎn),建立了等離子鞘套小尺度信道模型試驗(yàn)驗(yàn)證方案,并對(duì)等離子鞘套小尺度信道幅度和相位的概率密度函數(shù)、幅度相位的相關(guān)系數(shù)、幅度相位的自相關(guān)函數(shù)等參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。4、建立了高超聲速飛行器綜合信道的幾何-統(tǒng)計(jì)模型。在等離子鞘套小尺度信道統(tǒng)計(jì)模型基礎(chǔ)上,分析了上行綜合信道與下行綜合信道中空間多徑信道與等離子鞘套信道的耦合關(guān)系,基于兩種不同的耦合機(jī)制,分別給出了兩個(gè)信道幅度相位的概率密度函數(shù)和功率譜密度函數(shù)的顯式數(shù)學(xué)表達(dá)式;提出了可模擬高速移動(dòng)信道與等離子鞘套信道的兩種耦合過程的高超聲速飛行器綜合信道時(shí)間序列的產(chǎn)生方法,可為高超聲速飛行器通信仿真提供信道輸入。綜上所述,本文加深了對(duì)等離子鞘套信道和高超聲速飛行器綜合信道的認(rèn)知,所建立的等離子鞘套小尺度信道統(tǒng)計(jì)模型和高超聲速飛行器綜合信道的幾何-統(tǒng)計(jì)模型可對(duì)高超聲速等離子鞘套信道和高超聲速飛行器綜合信道進(jìn)行準(zhǔn)確且全面的刻畫,可為適應(yīng)性通信方法的提出提供理論依據(jù),為高超聲速飛行器通信體制評(píng)估提供信道模型輸入,提高適應(yīng)性通信方法有效性的論證效率,對(duì)緩解“黑障”問題而言具有十分重要的意義。
【學(xué)位單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：V249
【部分圖文】：

第一章 緒論1.1 研究背景高超聲速飛行器是指具備以六馬赫以上的超高速在臨近空間飛行能力飛行器。其具備的高速可以使其在兩小時(shí)內(nèi)到達(dá)地球的任意一個(gè)角落，大大縮短了飛行耗時(shí)，提高了飛行效率，具備突破目前所有地面軍事防御設(shè)備的能力[1]-[3]。因此，高超聲速飛行器在民用和軍事上具有廣泛的應(yīng)用前景，其相關(guān)技術(shù)的研究也越來越受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。然而，對(duì)高超聲速飛行器而言，過高的速度同樣帶來了一系列的問題。當(dāng)其以高超聲速在大氣層中飛行時(shí)，飛行器表面與周圍氣體將產(chǎn)生劇烈的摩擦，飛行器的動(dòng)能被周圍氣體吸收，產(chǎn)生一層包覆飛行器的等離子體，稱為等離子鞘套。等離子鞘套會(huì)反射、吸收電磁波，衰減通信信號(hào)能量，同時(shí)，由于等離子鞘套參數(shù)隨時(shí)間和空間變化，對(duì)電磁信號(hào)產(chǎn)生劇烈的干擾，使得信號(hào)波形畸變、頻譜彌散，測控站難以接收和正確解調(diào)測控通信信號(hào)，導(dǎo)致通信中斷，產(chǎn)生“黑障”現(xiàn)象[4]-[15]。

西安電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文2圖1.2美國 RAMC 飛行試驗(yàn)全程信號(hào)強(qiáng)度曲線目前，世界上主流的通過物理手段緩解“黑障”的方法主要有：(1)設(shè)計(jì)更合理的飛行器外形，減小飛行器表面與飛行器之間的摩擦，從而降低等離子鞘套對(duì)電磁信號(hào)的影響；(2)釋放親電子的液體，可有效降低等離子鞘套電子密度，降低信號(hào)衰減；(3)附加磁場，利用洛倫茲力排開電子，形成通信窗口；(4)提高通信信號(hào)載波頻率，在同等等離子鞘套條件下，高頻率的電磁波相較于低頻率電磁波的損耗更小。總的來說，這些方法不論是降低電子密度亦或提高電波頻率，均是提高電波頻率和等離子體頻率的比值

圖2.7 空時(shí)電子密度的示意圖 (a)30km (b)40km (c)47km圖 2.8 所示為 RAMC 實(shí)驗(yàn)條件下飛行器處于海拔 30km 處時(shí)短時(shí)間內(nèi)電子密多尺度變化示意圖。圖 2.8(a)為大尺度影響下電子密度的變化，時(shí)間方向上變化緩慢；圖 2.8(b)為加入中尺度變化后電子密度曲面，電子密度隨著攻角的變化而，且變化仍較為緩慢；圖 2.8(c)為多尺度電子密度變化示意圖，電子密度不僅隨和攻角緩慢變化，而且隨著時(shí)間和距離隨機(jī)快速擾動(dòng)。
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本文編號(hào)：2862791