等离子体鞘套湍流对光/电磁波传输特性的影响研究

摘要

随着航天航空技术的跨越式发展，高超声速飞行器的速度不断提高，可以达到十几甚至几十马赫，此时飞行器与周围空气剧烈摩擦，气体温度及压强急剧升高，进而发生局部电离，最终形成一层包覆飞行器的高超声速绕流流场。绕流流场具有等离子体特征，因而又被称为等离子体鞘套。等离子体鞘套严重影响光/电磁波的传输特性，其主要表现为激波、边界层以及鞘套内部湍流结构对光/电磁波的衰减、折射以及散射等，这将对飞行器的天地无线通讯系统造成恶劣影响。本论文针对等离子体鞘套湍流结构造成的光/电磁波随机起伏问题，从等离子体鞘套湍流基本理论，等离子体鞘套湍流中高斯波束的传输特性，等离子体鞘套湍流相位屏模拟以及等离子体鞘套湍流对光通信性能的影响四个方面开展等离子体鞘套湍流中光/电磁波的传输特性研究。论文主要工作包括：
　　1.等离子体鞘套湍流的基本概念、基本参数以及研究方法。等离子体鞘套湍流是一种典型的随机介质，光/电磁波传输过程中振幅和相位随机起伏，只能借助经典的随机介质波传播理论开展相关研究。本文在高超声速湍流分形度量实验结果的基础上，结合经典湍流功率谱模型，推导等离子体鞘套湍流的标度因子和频谱指数，建立了等离子体鞘套湍流功率谱。结果表明：等离子体鞘套湍流折射率起伏功率谱满足4/5标度律，且三维频谱指数为19/5。
　　2.基于随机介质中高斯波束的传输理论，利用等离子体鞘套湍流功率谱，推导等离子体鞘套湍流中高斯波束的二阶矩，并据此计算等离子体鞘套湍流中高斯波束的平均强度、波束展宽以及到达角起伏和波束漂移，分析等离子体鞘套湍流中高斯波束的传输特性。结果表明：折射率起伏方差越大，等离子体鞘套湍流对波场特性的影响越剧烈；等离子体鞘套湍流的外尺度越大，对波场特性的影响越弱。
　　3.基于带限分形函数和等离子体鞘套湍流功率谱模型，建立等离子体鞘套湍流分形相位屏模型，分析等离子体鞘套湍流结构参数对电磁波衍射强度分布的影响。最后依据距离-多普勒成像算法，仿真分析了等离子体鞘套湍流对高超声速飞行器机载合成孔径雷达成像的影响。结果表明：等离子体鞘套湍流造成的回波相位失真，引起成像结果分辨率明显降低，目标无法完全聚焦。
　　4.为了提高高超声速飞行器通信链路性能，将飞行器通信频率提高到光波段，介绍自由空间光通信系统基本理论和副载波强度技术，推导等离子体鞘套湍流中光波的闪烁指数，并在此基础上对等离子体鞘套湍流影响下的自由空间光通信系统误码率进行仿真计算。结果表明：随着折射率起伏方差的增大，误码率增大；随着外尺度的增加，误码率下降。

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缩略语对照表

第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2国内外研究概况

1.3论文主要内容和结构安排

第二章 等离子体鞘套湍流基本理论

2.1等离子体鞘套湍流

2.2等离子体鞘套湍流波传播理论

2.3等离子体鞘套湍流折射率起伏功率谱

2.4本章小结

第三章 等离子体鞘套湍流中高斯波束的传输特性

3.1自由空间中高斯波束传输理论

3.2等离子体鞘套湍流中高斯波束的二阶矩

3.3等离子体鞘套湍流中高斯波束的平均强度和波束展宽

3.4等离子体鞘套湍流中高斯波束的到达角起伏和漂移特性

3.5本章小结

第四章 等离子体鞘套湍流分形相位屏模拟

4.1等离子体鞘套湍流分形相位屏基本理论

4.2等离子体鞘套湍流一维分形相位屏建模及衍射分析

4.3等离子体鞘套湍流二维分形相位屏建模及衍射分析

4.4等离子体鞘套湍流对合成孔径雷达成像特性的影响

4.5本章小结

第五章 等离子体鞘套湍流对光通信性能的影响

5.1自由空间光通信系统

5.2等离子体鞘套湍流中高斯波束的闪烁指数

5.3副载波强度调制原理

5.4副载波强度调制信号的误码率

5.5多副载波强度调制信号的误码率

5.6本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

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