發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰微波衰減測試方法研究

曹 月 孫小續(xù)

(北京無線電計(jì)量測試研究所，北京 100039)

1 引 言

發(fā)動(dòng)機(jī)的尾焰會對電磁波信號的幅值造成衰減，也會使其相位發(fā)生變化，這是由于發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)劑在燃燒時(shí)，會產(chǎn)生溫度高，流速快的尾焰，尾焰羽流由高濃度帶電離子、中性粒子、自由電子等組成，形成不均勻等離子體。當(dāng)電磁波信號穿過尾焰時(shí)，該混合體對信號產(chǎn)生吸收、反射及散射等作用，從而造成信號的衰減。此外，微波衰減的大小受通過尾焰的路徑長度和角度的影響，與發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、推進(jìn)劑組分等有關(guān)。為了探索發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰對微波的衰減效應(yīng)，國內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)都開展了測試方法研究。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰微波衰減測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰微波衰減測試是在自由空間進(jìn)行試驗(yàn)，目的是探究發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰對微波傳輸?shù)挠绊?，分析尾焰微波衰減特性。在進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)時(shí)，為保證微波衰減測試方法合理、可行，需要考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)場地的環(huán)境條件及發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)，采取相應(yīng)措施減小試車臺環(huán)境對尾焰衰減測試的影響，使測試方式盡量匹配發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中，微波穿過發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰的情況。確定測試方案后對所需測試設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)和研制，并編寫用于測試數(shù)據(jù)處理的算法軟件，最后進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰微波衰減測試的現(xiàn)場試驗(yàn)，總結(jié)分析測試數(shù)據(jù)，得出試驗(yàn)報(bào)告，總體研究路線如圖1所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰微波衰減測試系統(tǒng)研究路線框圖Fig.1 Research roadmap of microwave attenuation measurement system of motor plume

3 發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰微波衰減測試原理

微波衰減通常有直接測量和間接測量兩種方式，間接測量即對尾焰各組分的濃度，電子碰撞頻率等進(jìn)行檢測，然后采用相關(guān)算法模型計(jì)算得出在不同傳輸頻率下尾焰對微波的衰減特性，但是此種測量方式在工程應(yīng)用中技術(shù)難度相當(dāng)大，很難實(shí)現(xiàn)，所以在實(shí)際測試中，一般采用直接測量法，即利用微波收發(fā)天線，對穿過發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰的微波進(jìn)行測量。

目前應(yīng)用較為廣泛的微波衰減測量方法主要有高頻替代法、中頻替代法、調(diào)制副載波法、功率比法、阻抗法、自校準(zhǔn)法和掃頻法等，其中前4種方法都屬于替代法，替代法是應(yīng)用最為廣泛的微波衰減測量方法。

對于發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰微波衰減的測量一般采用功率比法。測量的原理為：在發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰的一邊利用微波發(fā)射天線來發(fā)射電磁波，在另一邊利用微波接收天線來接收電磁波，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)有無尾焰時(shí)所接收到的不同大小的微波信號，計(jì)算出衰減量值。測試時(shí)，假設(shè)無尾焰情況下，即發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火前，接收端接收到的微波功率為

P

(線性值)，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后，接收端接收到的微波功率為

P

(線性值)，則微波衰減值

A

如式(1)

(1)

4 尾焰微波衰減試驗(yàn)現(xiàn)場布局

在進(jìn)行微波衰減測試現(xiàn)場布局時(shí)，要依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)試車現(xiàn)場實(shí)際環(huán)境，例如發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺離地面的距離、環(huán)境溫度的變化等，還需要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)相關(guān)參數(shù)，包括噴管擺角、噴管膨脹比、推進(jìn)劑配方等，此外，尾焰溫度分布、天線能夠承受的最高溫度、接收設(shè)備的測試動(dòng)態(tài)等都是方案設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮到的問題。為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰微波衰減測試系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，往往需要根據(jù)測試需求及現(xiàn)場環(huán)境來構(gòu)建不同的測試系統(tǒng)布局，以達(dá)到更好的測試效果。

發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰微波衰減測試系統(tǒng)主要由收發(fā)透鏡天線、測試線纜、發(fā)射及接收模塊、控制與數(shù)據(jù)處理模塊組成，其中，發(fā)射模塊包括點(diǎn)頻固態(tài)源、數(shù)控衰減器、微波開關(guān)三部分，接收模塊包括接收前端和多路中頻接收機(jī)，控制與數(shù)據(jù)處理模塊包括計(jì)算機(jī)、控制軟件和數(shù)據(jù)處理軟件。為了更加全面的反映出尾焰對微波的衰減特性，設(shè)計(jì)了直射和斜射兩種測試方式，測試系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰微波衰減測試系統(tǒng)組成示意圖Fig.2 Microwave attenuation measurement system of motor plume

根據(jù)測試需求，由于試車臺離地面較近，對信號會有反射，為了減小入射到地面的信號，天線選擇了聚焦的透鏡天線。測試頻點(diǎn)選取為C波段，測試天線共4對，每對收發(fā)天線以尾焰軸線為中心，組成四個(gè)測試通道CH1，CH2，CH3和CH4，其中CH1，CH2，CH4三個(gè)通道為直穿，CH3采取斜穿方式，斜穿角度為45°。

發(fā)射模塊由點(diǎn)頻固態(tài)信號源、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控衰減器、微波開關(guān)等組成。信號源采用工業(yè)級的點(diǎn)頻固態(tài)信號源，微波功率穩(wěn)定度優(yōu)于0.2dB，頻率準(zhǔn)確度優(yōu)于5×10。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控衰減器選用溫度補(bǔ)償衰減器，可以在-40°C～+70°C溫度范圍內(nèi)自動(dòng)補(bǔ)償，使不確定度控制在0.5dB之內(nèi)。微波開關(guān)為單刀四擲開關(guān)，將信號源分為4路，按一定順序切換。測試過程中，若4個(gè)測試點(diǎn)同時(shí)發(fā)射電磁波，由于場地復(fù)雜，天線旁瓣的反射，使幾個(gè)通道相互影響，進(jìn)而增加測試誤差，為了減少各通道的相互影響，測試系統(tǒng)采用分時(shí)測量方式，用微波高速開關(guān)將發(fā)射信號輪流切換到四個(gè)通道，既起到了通道隔離作用，又對信號進(jìn)行了脈沖調(diào)制。

接收設(shè)備包括接收天線，接收前端及中頻接收機(jī)。其中，接收前端由低噪放大器、混頻器、本振、濾波器、放大器組成，主要實(shí)現(xiàn)對接收到的微波信號進(jìn)行放大、變頻和中頻放大。中頻接收機(jī)對接收前端輸出的中頻信號進(jìn)行調(diào)理，并對調(diào)理后的中頻信號進(jìn)行檢波放大，將中頻信號檢波成直流信號，直流信號電壓與中頻信號功率成線性關(guān)系。直流電壓供AD采樣，大幅度降低AD采樣要求，并降低功率測量誤差?？刂朴?jì)算機(jī)是本系統(tǒng)的主控制器，用于發(fā)送控制指令和存儲數(shù)據(jù)。

測試現(xiàn)場的環(huán)境一般比較惡劣，有很多的干擾因素，如高溫、強(qiáng)烈的機(jī)械振動(dòng)、聲振、氣浪沖擊及電磁干擾，因此必須對尾焰微波衰減測試系統(tǒng)進(jìn)行合理構(gòu)建。在設(shè)計(jì)中可以采取將測試設(shè)備與發(fā)射/接收端進(jìn)行物理隔離的方式，來避免現(xiàn)場環(huán)境對測試設(shè)備的影響。天線架結(jié)構(gòu)及測試設(shè)備需要進(jìn)行抗振設(shè)計(jì)，避免發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)燃后產(chǎn)生共振，影響其正常工作。在電源部分加抗干擾濾波器，在電路設(shè)計(jì)中增加抗干擾和抗輻射設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)采用便攜式軍用工控機(jī)，保證在惡劣的測試環(huán)境下仍能正常工作?，F(xiàn)場布局示意圖如圖3所示。

5 尾焰微波衰減測試系統(tǒng)定標(biāo)技術(shù)

通常情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰衰減測試現(xiàn)場的工作環(huán)境較為復(fù)雜，為了保證測試系統(tǒng)的發(fā)射/接收系統(tǒng)、控制與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)正常工作，減小設(shè)備、環(huán)境及人為等因素對試驗(yàn)結(jié)果造成影響，對整個(gè)測試系統(tǒng)在空間中進(jìn)行定標(biāo)是十分必要的。除此之外，各分系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)也會影響整體的試驗(yàn)結(jié)果，故在對整個(gè)測試系統(tǒng)定標(biāo)前，要對各路測試系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)，消除溫度、反射、空間傳輸?shù)扔绊憽?/p>

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰微波衰減測試系統(tǒng)現(xiàn)場布局圖Fig.3 Site layout of microwave attenuation measurement system of motor plume

在研究定標(biāo)方法時(shí)，需結(jié)合現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)條件合理布局。發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰衰減測試系統(tǒng)定標(biāo)裝置主要由空間衰減器、多波段尾焰衰減參考系統(tǒng)等組成，定標(biāo)原理如圖4所示。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰微波衰減測試系統(tǒng)定標(biāo)原理圖Fig.4 The calibration principle of microwave attenuation measurement system of motor plume

圖4中，空間衰減器由一組平行的細(xì)金屬絲構(gòu)成，對極化方向與其線柵方向平行的電磁波全反射，對極化方向與其線柵方向垂直的微波全透射，精確控制其旋轉(zhuǎn)角度，就可控制微波衰減量。

在進(jìn)行測試系統(tǒng)定標(biāo)前，首先要通過衰減器旋轉(zhuǎn)控制臺改變空間衰減器的衰減值，利用多波段尾焰衰減參考系統(tǒng)對空間衰減器進(jìn)行現(xiàn)場定標(biāo)。空間衰減器理論上僅僅與自身的旋轉(zhuǎn)角度相關(guān)，通過測量角度可以精確計(jì)算衰減器的衰減值，但對于微波衰減動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到50dB的發(fā)動(dòng)機(jī)，一級微波衰減器不能滿足定標(biāo)需求，通常需要2～3級串聯(lián)，串聯(lián)后的衰減值與理論值通常有比較大的差距，衰減值應(yīng)充分考慮微波傳輸信號散射的特性，以及微波衰減器初始的旋轉(zhuǎn)角度，為保證測試系統(tǒng)的定標(biāo)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，所以需要先對串聯(lián)后的微波衰減器進(jìn)行定標(biāo)。

空間衰減器定標(biāo)完成后，用尾焰微波衰減測試系統(tǒng)對同一個(gè)空間衰減器進(jìn)行測試。通過對比空間衰減器相同刻度下參考系統(tǒng)和測量系統(tǒng)的衰減測量結(jié)果，對被測系統(tǒng)的測量結(jié)果進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)被測系統(tǒng)的定標(biāo)?？臻g衰減器的直徑可依據(jù)尾焰外形尺寸來進(jìn)行設(shè)計(jì)，尾焰外形尺寸可由紅外熱像儀來獲得，研制不同直徑的空間衰減器，即可實(shí)現(xiàn)不同型號、不同測量位置的現(xiàn)場定標(biāo)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，應(yīng)用此種定標(biāo)方法得到校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度可信度較高。

6 尾焰微波衰減試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

6.1 測量設(shè)備不確定度分析

經(jīng)過對整個(gè)測試系統(tǒng)的分析，測量設(shè)備不確定度包括環(huán)境反射影響、標(biāo)準(zhǔn)衰減器、衰減內(nèi)插擬合、通道帶內(nèi)不平坦度、數(shù)據(jù)采集、發(fā)射系統(tǒng)穩(wěn)定性引入的六項(xiàng)不確定度分量。

1)反射信號引入不確定度：在測試衰減時(shí)信號繞射和反射影響由天線的方向性和環(huán)境反射決定，透鏡天線旁瓣抑制優(yōu)于20dB，發(fā)射和接收天線副瓣為0.01×0.01，地面漫反射約為0.05，該分量需要對不同的衰減量測量分別評定，見表1。當(dāng)衰減值小于30dB時(shí)，可以忽略該項(xiàng)不確定度，45dB衰減時(shí)，不確定度為

u

=0

.

43dB

表1 不同的衰減量時(shí)該項(xiàng)影響引入的不確定度分量值Tab.1 Uncertainty at different attenuation衰減值(dB)相對值引入的誤差(dB)引入不確定度(dB)-100.10.00020.00013-200.010.00220.0013-300.0010.0220.013-350.000320.0690.040-400.00010.220.13-450.0000320.750.43-500.000013.011.74

3)內(nèi)插擬合引入不確定度：衰減校準(zhǔn)表是按0.5dB步進(jìn)測試，其它點(diǎn)是根據(jù)擬合曲線內(nèi)插計(jì)算，其引入的不確定度為

u

=0

.

3dB

4)帶內(nèi)不平坦度引入不確定度：在系統(tǒng)預(yù)熱30min以后，頻率在30min之內(nèi)變化小于2MHz，接收前端帶內(nèi)不平坦是主要不確定度來源，根據(jù)接收通道的指標(biāo)可得

u

=0

.

2dB

5)AD變換器引入不確定度：系統(tǒng)中數(shù)模轉(zhuǎn)化的位數(shù)為14位，電壓量程為(0～5)V，量化誤差取5mV，根據(jù)系統(tǒng)的對數(shù)放大器和運(yùn)算放大器可知其斜率為47mV/dB，因此數(shù)據(jù)采集引入的不確定度為

u

=0

.

1dB

測試數(shù)據(jù)的不確定度為以上6項(xiàng)不確定度分量的合成，經(jīng)計(jì)算得到合成不確定度為

認(rèn)為合成不確定度按正態(tài)分布，置信概率為95%時(shí)，取擴(kuò)展因子

k

=2，進(jìn)一步計(jì)算得到擴(kuò)展不確定度為

U

=0

.

7dB×2=1

.

4dB(

k

=2)

6.2 測試結(jié)果

依據(jù)測試方案構(gòu)建出發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰微波衰減測試系統(tǒng)，并對搭建好的測試系統(tǒng)在空間中進(jìn)行定標(biāo)，定標(biāo)后進(jìn)行微波衰減現(xiàn)場測試。為了探索斜穿時(shí)尾焰微波衰減的變化規(guī)律，首先進(jìn)行了常溫狀態(tài)下，4個(gè)測試通道均為直穿的尾焰微波衰減測試，測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 測試通道均為直穿時(shí)微波衰減測試結(jié)果圖Fig.5 Experimental results of microwave attenuation when measurement channel is straight

由圖5可以看出，4個(gè)通道的微波衰減量相對穩(wěn)定；在(5～18)s的穩(wěn)定狀態(tài)下，各個(gè)通道的微波衰減平均值分別為24dB，30dB，32dB，8dB，與其它通道相比，第四通道的微波衰減相對較小，測試結(jié)果與預(yù)期基本相符。

直穿測試完成后，進(jìn)行了常溫狀態(tài)下，CH1，CH2，CH4三個(gè)通道為直穿，CH3通道為斜穿，斜穿角度為45°的尾焰微波衰減測試，測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 CH3通道為斜穿時(shí)微波衰減測試結(jié)果圖Fig.6 Experimental results of microwave attenuation when measurement channel of CH3 is diagonal

通過圖5和圖6的對比可以看出，第二次的測試結(jié)果較第一次小，在(6～9)s穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)，測試結(jié)果平均相差3.6dB，經(jīng)過分析，可能是由于現(xiàn)場環(huán)境的變化及發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)變化所引起的衰減測量值的不同。

第二通道的測試面與第三通道測試面距發(fā)動(dòng)機(jī)噴口距離較為相近，將第三通道即斜穿狀態(tài)下測得的微波衰減值與第二通道的直穿測試衰減值進(jìn)行差值處理，如圖7所示。在(6.5～10)s時(shí)間內(nèi)衰減測試差值最大為4.12dB，平均值相差1.45dB。從測試結(jié)果來看，由于第三通道微波信號穿過尾焰的路徑較長，而且尾焰溫度和電子密度分布不均勻，中間溫度較高，外部溫度較低，逐層變化，導(dǎo)致微波信號受到多次反射，因此斜穿通道微波衰減的測試結(jié)果比直穿通道大，測試結(jié)果與預(yù)期相符合。

圖7 斜穿與直穿測試結(jié)果差值圖Fig.7 The difference between straight and diagonal experimental results

7 結(jié)束語

本文對發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰微波衰減測試方法進(jìn)行研究，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、試車環(huán)境等因素，應(yīng)用微波收發(fā)透鏡天線、數(shù)控衰減器、多路中頻接收機(jī)、工控計(jì)算機(jī)等設(shè)備建立了尾焰微波衰減測試系統(tǒng)，并研究了發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰微波衰減測試系統(tǒng)現(xiàn)場定標(biāo)方案，對測試系統(tǒng)在空間中進(jìn)行定標(biāo)，提高了采集數(shù)據(jù)的有效性及測量準(zhǔn)確度。由于間接測量方式難以實(shí)現(xiàn)，故采用了直接測量方式，并通過將多組直穿和一組斜穿相結(jié)合的測試方式，獲得大量微波衰減測試數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理，分析得到發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰對測試電磁波的衰減特性。