(19)国家知识产权局 (12)发明 专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202210595713.1 (22)申请日 2022.05.30 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 114689267 A (43)申请公布日 2022.07.01 (73)专利权人 中国空气动力研究与发展中心超 高速空气动力研究所 地址 621900 四川省绵阳市涪城区二环路 南段6号15分箱 (72)发明人 马平　吴明兴　唐璞　田径　张宁　 石安华　于哲峰　 (74)专利代理 机构 北京中济纬天专利代理有限 公司 11429 专利代理师 王丹 (51)Int.Cl. G01M 9/06(2006.01) G01M 9/08(2006.01) G01R 29/08(2006.01) G01R 19/08(2006.01)G06F 30/20(2020.01) (56)对比文件 CN 101133688 A,2008.02.27 CN 112163365 A,2021.01.01 CN 111200896 A,2020.0 5.26 CN 10180 3471 A,2010.08.1 1 CN 110024489 A,2019.07.16 CN 113128050 A,2021.07.16 CN 113329553 A,2021.08.31 CN 112135408 A,2020.12.25 CN 105101599 A,2015.1 1.25 CN 114184344 A,2022.03.15 CN 110132528 A,2019.08.16 CN 114383805 A,2022.04.22 JP 2015079677 A,2015.04.23 US 2018218 883 A1,2018.08.02 左光， 齐玢， 欧东斌. “磁流体动力加速风洞 技术发展分析 ”. 《航天返回与遥感》 .2018,第39 卷(第6期),第1-1 1页. 审查员 邱宁 (54)发明名称 等离子体电子密度分布的七通道微波干涉 仪数据处 理方法 (57)摘要 本发明属于高超声速风洞试验技术领域， 公 开了一种等离子体电子密度分布的七通道微波 干涉仪数据处理方法。 本发明的等离子体电子密 度分布的七通道微波干涉仪数据处理方法包括 以下步骤： 建立等离子体计算模型； 进行射线追 踪； 建立目标函数； 利用遗传算法进行反演 优化； 绘制电子密度分布图。 本发明的等离子体电子密 度分布的七通道微波干涉仪数据处理方法从电 磁波传播机理出发， 考虑射线在分层界面上的折 射效应， 相比于Abel逆变换无需采用远大于等离 子体频率的入射波， 一定条件下计算精度优于 Abel逆变换； 并且适应等离子体尺度逐渐变化的过程， 具有更高的空间分辨率且适用于不同形状 的等离子体。 权利要求书3页 说明书9页 附图6页 CN 114689267 B 2022.08.05 CN 114689267 B 1.等离子体电子密度分布的七通道微波干涉仪数据处理方法， 其特征在于， 所述的数 据处理方法的数据处 理对象是七通道微波干涉测量装置测量得到的七通道微波干涉 数据； 所述的七通道微波干涉测量装置包括发射分机、 本振分机、 接收分机和工控机； 发射分机的发射天线和接收分机的接收天线均安装在高超声速风洞试验段内， 发射天 线位于风洞试验段内待测的等离子体区域的一侧， 接收天线位于待测的等离子体区域的另 一侧， 发射天线与接收天线均 与等离子体的流动方向垂直； 发射分机包括通过射频电缆或波导顺序连接的RF信号源、 功放和发射天线， 发射天线 由波导开口天线和单曲面透 镜组成； 单曲面透 镜面向待测等离 子体区域的镜面 为平面； 本振分机包括LO信号源和1分8功分器， 1分8功分器将LO信号源分成8 路信号， 第1路~第 7路信号用于进行 下变频， 第8路信号作为 参考信号， 用于监测本振信号的大小； 接收分机包括通过射频电缆或波导顺序连接的接收天线、 射频接收前端、 中频数字接 收机和模 数转换器AD C； 接收天线包括7个平行且非对称排列的开口波导， 以及与7个开口波 导一一对应的7个接收通道； 射频接收前端包括低噪声放大器和可变衰减器； 中频数字接收 机包括混频器、 中频放大器、 低通滤波器； 工控机中设置有数据采集与记录系统和软件系统； 数据采集与记录系统 由数据采集卡 和数据采集软件模块组成； 软件系统由自检模块、 控制模块、 数据采集模块、 数据处理模块 和数据管理模块组成； RF信号源的RF信号经功放进入发射天线， 发射天线通过波导开口天线和单曲面透镜， 将RF信号折射形成用于探测等离子体的平面波， 平面波穿过待测的等离子体后被接收天线 接收； 接收天线通过7个平行且非对称排列的开口波导， 将接收到的信号分成7路， 每路信号 进入对应的接收通道， 即开口波导1接收到的第1路信号进入接收通道1， 开口波导2接收到 的第2路信号进入接收通道2， 直至开口波导7接收到的第7路信号进入接收通道7； 每个接收 通道进入各自的低噪声放大器、 可变衰减器和混频器的射频端， 混频器的本振端对应的LO 信号源即本振信号源的分路信号， 即接收通道1的混频器本振端输入LO信号源的第1路信 号， 接收通道2的混频器本振端输入LO信号源的第2路信号， 直至接收通道7的混频器本振端 输入LO信号源的第7路信号； 随后， 混频后的信号依次经中频放大器放大、 低通滤波器滤波、 模数转换器AD C转成数字信号， 进入工控机的数据采集与记录系统， 最后由软件系统进 行信 号解调和数据处理， 提取出试验测量结果； 同时， LO信号源的第8路信号进入工控机的数据 采集与记录系统， 作为 参考信号， 用于检测本振信号的输出 大小； 所述的数据处 理方法， 包括以下步骤： S10.建立 等离子体计算模型； 将待测的等离子体简化为圆柱， 建立等离子体计算模型为同心圆柱分层模型， 以待测 的等离子体的尺度作为最外层圆柱的直径， 将圆柱从外到内分为同心的7层同心圆柱； 各同 心圆柱的直径根据开口波导之间的距离确定， 开口波导间隔相同时， 7层同心圆柱的直径依 次递减相同的长度； 开口波导间隔不同时， 7层同心圆柱的直径 依次递减不同的长度； 7层同心圆柱从外到内分别对应介质1、 介质2、 介质3、 介质4、 介质5、 介质6和介质7， 每 一层同心圆柱内部的介电常数相同， 从外至内7层同心圆柱的介电常数呈高斯分布、 抛物线 分布或者线性分布； S20.进行射线追踪；权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114689267 B 2S201.电磁波在等离 子体中传播的相位 计算公式为： 式中，k为电磁波在介质中传播常数， k0为电磁波在空气中传播常数， 为介电常数， d为 传播光程； 从公式 （1） 可知， 求出传播 光程d， 得出相位 与介电常数 的关系； S202.在相邻的同心圆柱的分界面上， 根据施 奈尔定律有： 其中， 为相邻两层同心圆柱中外层同心圆柱的传播常数， 此处定义为第1层 （最外层） 同心圆柱， 对应的介电常数为 ； 为相邻两层同心圆柱中内层同心圆柱的传播常数， 此处 定义为第2层同心圆柱， 对应的介电常数为 ； 为射线的入射角， 此处定义 为第1层同心 圆柱射线的入射角 ， 即 ； 为射线的折射角， 此处定义 为第1层同心圆柱射线 的折射角 ， 即 ； S203.根据第1层同心圆柱射线的入射高度 ， 求出第1层同心圆柱射线的入 射角 ； 设 入射等离子体的平面波由 条射线组成， 由于高出等离子体尺度的射线并不穿过等离子 体， 因此， 定义最大入射高度 为第1层同心圆柱的半径， 则第 条射线的入射高度 ； S204.利用式 （2） ， 求出第1层同心圆柱射线的折 射角 ； S205.第1层同心圆柱射线与第1层同心圆柱半径、 第2层同心圆柱半径组成三角形， 利 用余弦定理求出第1段光 程d1： 其中， 为第1层同心圆柱 半径， 为第2层同心圆柱半径； 当方程 （3） 存在两个不同的实 数解时， 取较小的实数解； S206.利用圆柱的对称性， 根据余弦定理求出第2层同心圆柱射线的入射角 ； 由于圆柱具有对称性， 射线从第1层同心圆柱穿到第7层同心圆柱所经历的光程与从第 7层同心圆柱穿到第1层同心圆柱时所 经历的光 程相等； 根据余弦定理， 求出第2层同心圆柱射线的入射角 ： S207.重复步骤S202~S206， 依次求出第2层同心圆柱的光程 d2~第7层同心圆柱的光程 d7； 在步骤S205的求解过程中， 由于各层同心圆柱的入射高度不同， 射线穿过的层数不同， 当式 （3） 无实数解时， 判断射线不穿过对应的同心圆柱层， 假设射线穿过第6层同心圆柱而 不穿过第7层同心圆柱， 则将同心圆柱分层模型视为6层同心圆柱， 重复步骤S202~S206， 依 次求出第2层同心圆柱的光程 d2~第6层同心圆柱的光程 d6， 同理， 在射线不穿 过任意层数时，权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114689267 B 3