负电晕放电辐射特性及频谱检测方法研究

针对于有效解决隐身飞机和高价值航空飞行器的探测问题，本项目提出负电晕放电电磁辐射特性及其检测方法，项目组完成了以下研究： 首先，深入分析飞机起放电原因，对典型喷气式隐身飞机充放电机理进行了研究。对典型隐身飞机目标的主要起放电电流进行建模，根据飞机充放电机理定量研究了机体电荷量动态变化规律。完成对飞机目标静电-放电辐场耦合机理及动态特性的研究。其次，完成负电晕放电电磁辐射模型与复杂因素下的电磁辐射特性研究。建立“电子加速与脉冲电流”负电晕放电电磁辐射模型，负电晕放电电磁辐射场包含电离区域电子加速产生的电磁辐射场和放电电流注入放电针产生的电磁辐射场。构建复杂因素下负电晕放电电磁辐射特性实验测试系统，实验研究放电条件与环境参数对负电晕放电电磁辐射特性的影响，根据所提出的“电子加速与脉冲电流”负电晕放电电磁辐射模型计算复杂因素下的负电晕放电电磁辐射场场强，并利用复杂因素下负电晕放电电磁辐射特性测试系统，对这些参数在同样变化条件下的负电晕放电电磁辐射场进行实验测试，实验结果和理论计算一致，从而证明了“电子加速与脉冲电流”负电晕放电电磁辐射模型的正确性。最后，完成多针负电晕放电电磁辐射特性及接收方法研究。实验研究多针负电晕放电电磁辐射特性。提出多针结构相邻放电针Trichel脉冲过程相互作用机理，研究多针同时放电对负电晕放电电磁辐射特性的影响。在此基础上，提出负电晕放电电磁辐射场接收方案，设计小型化放电电磁辐射场接收天线，并对天线性能进行测试，最终完成项目全部研究内容。

新的作战形态和复杂的光/电/磁/有源/无源干扰战场环境对目前现有的探测体制提出了严峻的挑战,研制具有抗无线电干扰能力、反隐身能力强的新探测技术，对有效解决隐身飞机和高价值航空飞行器的探测具有重大意义。本项目提出开展负电晕放电辐射特性及频谱检测方法研究，利用飞机放电针负电晕放电过程中向周围空间辐射电磁波这一特性对飞机进行探测。项目在研究飞机动态耦合电场机理及特性的基础上，开展负电晕放电电磁辐射特性和规律研究，复杂环境条件，包括温度、湿度、气压、气流速度对负电晕放电的影响和实验室模拟测试方法，以及频谱检测方法研究，突破负电晕放电电磁辐射信号检测技术。解决空中飞机动态耦合电场机理和特性、高空负电晕放电特性及受复杂环境因素影响模型、实验室模拟测试方法等关键科学问题，为典型隐身飞机和高价值航空飞行器的探测提供理论基础和技术支撑。

实际物体与理想黑体的辐射特性之差别在于实际物体的光谱辐出度往往随波长做不规则的变化。

在热辐射分析中，把光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体。灰体与黑体的区别在于其吸收率小于1，但是灰体遵从黑体所遵从的有关辐射规律。

频谱分析仪分析频谱分析仪的讯息处理过程

在量测高频信号时，外差式的频谱分析仪混波以后的中频因放大之故，能得到较高的灵敏度，且改变中频滤波器的频带宽度，能容易地改变频率的分辨率，但由于超外差式的频谱分析仪是在频带内扫瞄之故，因此，除非使扫瞄时间趋近于零，无法得到输入信号的实时（Real Time）反应，故欲得到与实时分析仪的性能一样的超外差式频谱分析仪，其扫瞄速度要非常之快，若用比中频滤波器之时间常数小的扫瞄时间来扫瞄的话，则无法得到信号正确的振幅，因此欲提高频谱分析仪之频率分辨率，且要能得到准确之响应，要有适当的扫瞄速度。由以上之叙述，可以得知超外差式频谱分析仪无法分析瞬时信号（TransientSignal）或脉冲信号（Impulse Signal）的频谱，而其主要应用则在测试周期性的信号及其它杂散信号（Random Signal）的频谱。频谱分析仪系统内部及面板显示的特性，详如附录一的说明，对该内容的了解将有助于频谱分析仪的操作使用。一般本地振荡器输出信号的频率均高于中频信号的频率，本地振荡器输出信号的频率可被调整在谐波之频率，亦即"para" label-module="para">

由式⑵得知，频谱分析仪的信号量测范围，无形中己被拓宽，低于或高于本地振荡器或其它谐波频率的输入信号，均能被混波产生中频。延伸输入信号频率的混波原理，其中纵轴代表输入信号（"para" label-module="para">

可体会频谱分析仪利用本地振荡的谐波信号延伸输入信号频率的工作原理。然而可能对应多个输入信号频率，为消除此一现象，在衰减器前面加入频率预选器（Preselector），用来提升频谱分析仪的动态范围，同时使输出的结果能去除其它不必要的频率而真正反应输入信号的频率。

图1.4：利用本地振荡之谐波信号拓展信号频率的原理

由以上得知超外差或频谱分析仪无法分析瞬时信号（TransientSignal）或脉冲信号（Impulse Signal）的频谱，而其主要应用则在测试周期性的信号及其它随机信号（Random Signal）的频谱。

频谱分析仪噪声特性

由于电阻的热敏效应，任何设备均具有噪声，频谱分析仪亦不例外，频谱分析仪的噪声，本质上是热噪声，属于随机性（Random），它能被放大与衰减，由于系随机性信号，两噪声的结合只有相加而无法产生相减的效果。在频带范围内也相当平坦，其频宽远大于设备内部电路的频宽，检测器检知的噪声值与设定的分辨率频宽（RBW）有关。由于噪声是随机性迭加于信号功率上，因此显示的噪声准位与分辨率频宽成对数的关系，改变分辨率频宽时噪声随之变化，噪声改变量相关的数学式如下所示：

例如：频宽从100kHz（BW1）调整到10kHz（BW2），则噪声改变量为：

亦即降低噪声量10dB （为原来的1/10），相对提高讯号与噪声比10dB。由此可知，纯粹要降低噪声量，使用最窄宽度的频宽将能达到目的。不论噪声来之于外部或内部产生，量测时均将影响信号振幅的准确性，特别在低准位信号时，更是如此，噪声太大时，甚至掩盖信号以致无法正确判断信号的大小，影响量测质量的两种噪声可概括为下列三大项：

⑴.产生于交换功能的数字电路、点火系统与DC 马达脉冲噪声，这类噪声常见于EMI（Electromagnetic Interference）的讨论领域里。

⑵. 随机性噪声来之于自然界或电路的电子移动，又称之为KTBW （或称热敏）噪声、Johnson 噪声、宽带噪声或白氏（White）噪声等，本书主要以热敏噪声为重点，数学式为：

Pn =kTBW ，⑸

其中：Pn =噪声功率= 3.98*10"para" label-module="para">

k=Boltzman 常数，1.38*10"para" label-module="para">

T=绝对温度表示的常温=290 oK

BW=系统的噪声功率频宽（Hz）。

在4MHz、75 Ω、290 oK 时的噪声功率为-59.1dBm。由噪声功率得知，信号频宽降低，系统噪声功率随之降低，信号的质量以信号噪声比表示

（SNR；Signal-to-Noise Ratio），信号强度（单位为dBm）与系统噪声功

率（单位为dBm）的相减值即为信号噪声比，数学式为：

频谱分析仪匹配因素

量测设备的输入阻抗有时无法匹配待测件连接线特性阻抗，根据电磁

理论，阻抗匹配时，输出功率最大且没有其它不良的副作用，而阻抗不匹

配，将造成信号反射，影响系统频率的稳定与造成信号功率的损失。信号

在传输在线往返传送将产生驻波及噪声，进而影响接收端的信号质量与量

测值的准确性。量测设备输入阻抗与待测件组抗不匹配之缺点可规纳为：

A.信号反射，传输缆在线产生驻波。

B.噪声增大。

C.降低信号输出功率。

D.影响系统频率的稳定。

E.影响量测值之准确度。