一种等离子体调制器和电磁波矢量显微传感器

摘要

本发明涉及一种等离子体调制器和电磁波矢量显微传感器，通过电磁特性可调媒质，如等离子体，及空间赋形器对来波的坡印廷矢量、能流密度散布进行波前调制，利用这样的单或多路调制器将来波引入天线，建立非相关的满秩矩阵，增加系统的观测自由度，将准平行电磁波幅度、相位、方位角、俯仰角等信息予以求解成像；大于或等于两路调制器使用时，结合调制器的空间距离可实现来波的三维成像，具备凝视、超分辨能力和超口径特征。与现有技术相比，本发明通过在现有天线上附加波前调制器件并配合反演算法，可直接应用于现有雷达、电子侦察、射电望远镜、通讯等系统，实现对来波的单一波束内凝视三维超分辨成像。

说明书

技术领域

本发明涉及等离子体、电磁场与电磁波、电子侦察领域，尤其是涉及一种等离子体调制器和电磁波矢量显微传感器。

背景技术

电磁信号的精细分辨技术是现代电子侦查、无人驾驶、飞航探测等各领域的基础，也是科研领域及工业界共同关注的热点问题。传统的雷达、天线系统的分辨能力极限受到天线物理口径面的限制，并且难以分辨主波束范围内同时接收到的多个同频电磁信号，只能得到这些信号的综合效果。为了提高天线系统的分辨能力，目前已有的解决方案有加大天线物理尺寸、甚长基线、合成孔径等硬件手段以及超分辨算法等软件手段。这些方法虽然可以一定程度上提高天线系统分辨能力，但是仍然难以解决同频多目标近似平行来波信号的精细分辨问题，且代价成本较高。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷，在尽量不改变雷达、天线系统物理结构的情况下，提高系统方位向、俯仰向分辨能力，提供一种等离子体调制器和电磁波矢量显微传感器。

本发明提出了一种基于特殊赋形等离子体的波前等离子体调制器，对准平行平面电磁波进行非线性空间调制，能够利用电调控制的方式改变空间中的坡印廷能流密度散布，利用这样的单或多路调制器将来波引入天线，建立非相关的满秩矩阵，增加系统的观测自由度，将准平行电磁波幅度、相位、方位角、俯仰角等信息予以求解成像；大于或等于两路调制器使用时，结合调制器的空间距离可实现来波的三维成像，具备凝视、超分辨能力和超口径特征。本发明中单通道等离子体对应完成方位向或俯仰向维度的超精细分辨，将等离子体调制结构拓展为双通道十字交叉或球形并结合脉冲压缩技术则可以同时完成三维的目标分辨。本发明不仅可在物理口径固定的天线系统上实现超分辨效果，而且能够用于保持系统分辨精度不变的情况下大幅度缩小所需天线物理口径。同时本发明可以根据需求调整等离子体赋形及状态，具备多频段普适性。

传统的天线系统一旦设计完成，该系统在方位向上的基础分辨率也随之确定。本发明涉及的显微辨识成像技术从天线前端入射电磁波入手，通过非线性调制设备完成对准线性电磁矢量的调制，从而在一定程度上放大矢量信号中的微弱非线性条件，为目标的精确定位提供足够的隐含条件。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于电磁信号目标分辨的等离子体调制器，包括等离子体、调制器物理约束结构主体、填充气体和调制器激励结构，所述等离子体位于调制器物理约束结构主体内部，受调制器物理约束结构主体约束赋形；所述调制器物理约束结构主体内还密封填充所述填充气体，所述调制器激励结构连接在所述调制器物理约束结构主体外侧；

通过将所述等离子体调制器放置在接收天线前，并对准电磁来波，由等离子体进行非线性波前调制，接收天线根据经过等离子体调制器处理后的信号进行目标分辨。

进一步地，等离子体对电磁来波的非线性波前调制效果通过调节等离子体相对介电常数ε

进一步地，所述等离子体为非磁化冷等离子体，该非磁化冷等离子体的等离子体相对介电常数ε

式中，ω

式中，n

进一步地，所述调制器物理约束结构主体的材质为石英或塑料。

进一步地，所述调制器物理约束结构主体的截面形状为连续曲线且具有凸透结构的形状；

所述调制器物理约束结构主体的截面最小直径为接收天线口径的2至3倍。

进一步地，所述填充气体为稀有气体。

进一步地，所述调制器激励结构包括依次连接的耦合结构、阻抗匹配结构和馈电结构，所述耦合结构连接在所述调制器物理约束结构主体外侧。

进一步地，所述耦合结构包括包裹在所述调制器物理约束结构主体外侧的铜材料，所述阻抗匹配结构包括串联元件和并联元件，所述馈电结构为同轴线，所述铜材料、串联元件和同轴线依次串联，所述并联元件与所述同轴线并联。

本发明还提供一种采用如上所述的一种用于电磁信号目标分辨的等离子体调制器的矢量显微传感器，包括接收系统和所述等离子体调制器，

所述等离子体调制器位于接收系统的前方，所述等离子体调制器中调制器物理约束结构主体的截面区域覆盖所述接收系统的天线主瓣角；

所述等离子体调制器的弱相关状态数大于或等于待测区域目标划分数，所述状态数指对同一个目标单元，不同激励源功率时接收天线收到的信号幅值、相位大小差异在接收系统可分辨精度以上一个量级，状态数的多少同时取决于激励源的功率范围，等离子体的物理参数，调制器物理约束结构主体的赋形结构，接收系统的测量精度以及应用场景的背景噪声。

进一步地，所述接收系统为单路天线或多路天线，所述接收系统为多路天线时，每路天线均对应设有一个所述等离子体调制器，每个所述等离子体调制器的激励同相。

与现有技术相比，本发明主要在于对多目标准平行来波的显微辨识成像，借助于此可以大幅度提高原有雷达、天线系统的分辨能力。同时本发明不仅可以分辨单个波束主瓣范围内的多个目标，还可以以此为基础识别出假目标或单个目标的多径现象。本发明在同时利用电磁矢量信号中的微弱方向(空间)信息的基础上，通过对此信息的放大以及算法上的特殊处理，来实现对主瓣范围内多个目标的超分辨。同理，当多个目标的分辨得以实现后，结合原有技术可以更进一步的得到目标更详细的信息。同时，本发明中的等离子体电磁矢量显微具备挑战电磁衍射极限的潜力。

附图说明

图1为等离子体调制器典型应用场景示意图，用发射天线代替目标来模拟同频回波信号。发射天线均位于接收天线主瓣角范围内，在接收天线的近场处添加等离子体调制器，记录多状态时的回波信号并于参考天线比对即可以完成对多目标的分辨。附图中参考天线与接收天线处于同一垂直轴上，故未画出。参考天线可以位于接收天线附近，非等离子体遮蔽后方的任何位置。

图2为圆柱形等离子体调制器物理结构示意图，圆柱形石英腔上接有5mm直径的毛细管作为充气口，完成稀有气体重启后将其靠近根部熔断，为防止造成误解图中未画出。圆柱形石英腔体外径为5cm(与接收天线口径相关，并不局限于某一大小)，长度不受限制，石英腔体壁厚为1mm，束缚腔内填充气体用于激励产生等离子体。

图3为等离子体调制器激励方式示意图，稀有气体被约束在石英腔内，石英腔外部包裹3～5cm宽的薄铜皮，铜皮通过电感连接同轴线内导体，同轴线内外导体间加并联电容。

图4为平行平面电磁波入射到等离子体赋形截面的示意图，赋形面可以是圆形、椭圆、抛物线或其他具有连续渐变曲率的凸函数，赋形形状由等离子体外石英约束腔的加工形状决定。

图5为平行平面波通过双曲形等离子体后在空间中能流密度散布的示意图，双曲形等离子体束缚腔体电磁波的入射面和出射面均为双曲柱面，平行平面波通过双曲形等离子体束缚腔体后在在空间不同方位角的能流密度呈非线性变化。

图6为平行平面波通过抛物形等离子体柱后在空间中能流密度散布的示意图，图示的抛物形等离子体束缚腔体电磁波的入射面为抛物柱面，出射面为平面，平行平面波通过抛物形等离子体束缚腔体后在在空间不同方位角的能流密度呈非线性变化。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

本实施例提供一种用于电磁信号目标分辨的等离子体调制器，利用特殊赋形的等离子体来实现对接收天线主波束范围内的多个同频目标的精细分辨，通过对准平行电磁来波进行非线性波前调制，并观测放大后的坡印廷矢量的变化规律，结合设计的成像算法完成待测目标的显微辨识。

该等离子体调制器包括等离子体、调制器物理约束结构主体、填充气体和调制器激励结构，所述等离子体位于调制器物理约束结构主体内部，受调制器物理约束结构主体约束赋形；所述调制器物理约束结构主体内还密封填充所述填充气体，所述调制器激励结构连接在所述调制器物理约束结构主体外侧；

通过将所述等离子体调制器放置在接收天线前，并对准电磁来波，由等离子体进行非线性波前调制，接收天线根据经过等离子体调制器处理后的信号进行目标分辨。

等离子体对电磁来波的非线性波前调制效果通过调节等离子体相对介电常数ε

具体地，等离子体调制器主要由三部分组成：调制器物理约束结构主体，调制器约束结构内填充气体，调制器激励结构；

约束结构主体特征为石英材质，不排除塑料等其它材质，主体形状为圆柱形、球形，不排除截面为连续曲线且具有凸透结构的其他形状，主体大小由应用场景下接收天线口径决定，截面直径为口径的2～3倍，不排除其他近似尺寸；

约束结构内填充气体主体为氩气、氧气、氮气或混合气体，不排除其他稀有气体，气体配比与激励方式、真空设备、约束形状相关，氩气在占比零至百分之九十九之间变化，约束结构内填充气体密封时，管内压强出于0.0001Pa至1000Pa之间变化，不排除其他气氛占比及气压变化；

调制器激励结构由耦合结构、阻抗匹配、馈电结构三部分组成，耦合结构采用3～5cm宽铜皮包裹约束结构，不排除其他大小或绕制铜环等，阻抗匹配由串联元件和并联元件构成，具体数值取决于耦合结构及频率选择，馈电结构为同轴线，单通道等离子体对应完成方位向、俯仰向维度的超分辨，将等离子体调制结构拓展为双通道十字交叉或球形则可以同时完成三维的目标超分辨，并具备超口径特征。

本实施例还提供一种采用如上所述的一种用于电磁信号目标分辨的等离子体调制器的矢量显微传感器，包括接收系统和所述等离子体调制器，

矢量显微传感器包括两项内容：调制器与接收系统配合，调制器状态与目标区域关系；

调制器与接收系统配合的特征为调制器物理结构与接收天线相邻，且位于接收天线前方，调制器赋形截面可以覆盖天线主瓣角，调制效果集中在赋形面所在截面，接收天线可以为单路也可以为多路，多路时每一路均配有一个调制器结构，多路调制器激励同相，接收天线可以配合参考天线同时工作，参考天线处于调制器影响范围外且与接收天线相对位置不变；

调制器状态与目标区域关系为调制器弱相关状态数大于等于待测区域目标划分数，调制器状态数指对同一个目标单元，不同激励源功率时接收天线收到的信号幅值、相位大小差异在接收系统可分辨精度以上一个量级，状态数的多少同时取决于激励源的功率范围，等离子体的物理参数，约束腔的赋形结构，接收系统的测量精度以及应用场景的背景噪声；

矢量显微传感器可以应用于传统雷达、天线，如凝视成像、电子侦察、射电望远镜等系统中，提供凝视、超分辨能力，具备超口径效果，频段普适。

下面对本实施例的应用过程进行具体描述。

本发明的典型应用场景如附图1所示，在接收天线主波束范围内存在多个待测目标(以发射天线替代目标回波)，通过在接收天线口径面前方近场处添加等离子体波前调制器，即可以借助射频源控制等离子体实现波前调制的效果，从而达成系统设计目标。

具体的，等离子体波前调制器由以下几部分组成，调制器的基础物理结构是圆柱形石英腔(并不局限于圆柱形，也可以是其他赋形)，石英腔上连有一根5mm直径的毛细管，用于向石英腔内填充气体。在完成气体填充后将其熔断，实现管内气体的密封，如附图2所示。圆柱形石英腔结构外部包裹一层耦合铜皮，并通过串联电感连接到同轴线内导体，同时在电感与同轴线连接处并联电容，并将电容另一端与同轴线外导体相连接，如附图3所示。这一激励结构相比于同轴线内导体直连耦合铜皮明显地降低了端口反射，同时匹配更接近馈电铜皮可以有效减少线路中的能量损耗及发热量。具体的并联电容及串联电感需要根据待激励等离子体的参数确定，激励源同侧的同轴端口可直接连接射频源或匹配器。

根据等离子体基本理论，其与电磁波的相互作用效果主要通过介电常数ε来体现。对于本实施例中用到的非磁化冷等离子体，其相对介电常数如式：

式中，ω

本发明即通过电调控制等离子体频率ω

本发明通过利用外部射频源及相应匹配结构电离气体实现等离子体的激励与控制。等离子体频率的计算公式如下所示：

式中，n

可以看出等离子体频率主要由电离后的离子浓度决定。由于低气压气体密度低但易电离，而高气压气体密度高但是难电离，因此研究并控制好气体电离率与激励功率、气体密度之间的关系十分重要。

等离子体频率主要取决于离子浓度，而离子浓度是由电离度和粒子密度共同决定的，同时两者相互依存、相互影响。在等离子体调制器设计及制备中，管内气压的选择不仅需要根据所需的粒子浓度反推理想气体方程下的压强，还需要考虑在不同功率时的电离度能否满足要求。

本实施例中石英管内填充的待激励气体选用稀有气体，单原子分子氩气。由于一般由双原子分子组成的气体离解能量大，很难在低功率下形成和保持等离子体态；且稀有气体的电子碰撞频率较高；同时氩气也是在空气中含量最多的一种惰性气体，占空气的1％，无色无味无毒，安全易得便宜；另外氩气相对简单的发射光谱产生的干扰极少，在相同激励功率下适当增加氩气比例可以增加等离子体的浓度，有利于改善等离子体的性质。氧气可以减弱等离子体的复合率，使得等离子体稳定。合理调配氩气与空气(氧气)的气氛配比，就可以用较低的能耗功率得到较稳定的高浓度等离子体。

本实施例的电磁矢量显微是通过赋形等离子体来实现的，其中最基础的赋形即圆形。准平行平面电磁波透射过赋形等离子体，能流密度在等离子体后方区域非线性散开。等离子体对主瓣角内的电磁信号进行非线性调制，为多目标方位超精细分辨提供了基础。如附图4所示，等离子体的显微调制作用主要集中于赋形所在截面，即一维方位向或俯仰向。若需要得到二维的调制作用只需将两个等离子体调制器交叉前后放置即可(或直接制备球形等离子体调制结构)，需要注意的是保证接收天线处于交叉区域覆盖的范围内，配合脉冲压缩技术即可实现三维分辨效果。如附图5、6所示，等离子体的赋形并不局限于圆形，各种具有类似凸透镜效果的赋形均可以用作等离子体赋形。其赋形腔体要求具有连续渐变的曲率，其形状可以为圆柱形、球形、双曲柱面形、抛物柱面形等一系列具有连续渐变曲率的形状。赋形结构的改变并不影响等离子体的调制作用，但会影响非相关或弱相关的状态数，从而降低或提高等离子体调制器的分辨能力。

本实施例的等离子体调制装置并没有固定的尺寸大小，其主要与接收天线口径大小相关。等离子体调制器的直径必须能够完全覆盖天线主波束对应的大小，同时直径也不能过大否则会造成有效状态数的减少。一般而言，等离子体直径大小为天线物理口径大小的2～3倍即可，另一方向上的长度最好比等离子体直径大以防影响调制效果。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。