磁层电场仪前端信号处理电路研究

针对磁层稀薄等离子体环境中的电场测量,设计了一种电场仪前端信号处理电路方案.双探针电场仪通过向等离子体输出驱动电流,测量两探针间的电位差,从而测量空间电场的探测仪器.在磁层稀薄等离子体环境下,等离子体阻抗较高,电场仪探针将工作在较高的工作电压上.若探针电压接近或超过电路耐压值,则可能会影响探测结果,甚至损坏电场仪.本文结合低偏置电流的电压跟随方案和反馈悬浮电源控制方案,解决了稀薄等离子体环境中电场测量的弱电流采样和高动态电位处理问题,并采用低噪声元件和特殊电路设计,控制电路噪声.测试结果显示,本方案可使探针适应±100V的悬浮电位,实现150kHz带宽的电场信号测量,且噪声小于14nV·mHz^-1/2,满足目前空间电场仪测量精度需求.     

基于热敏电阻的气体温度测量误差分析

挤压气体内部温度的精确测量对确定贮箱内推进剂剩余量和提高氧化剂和燃烧剂的混合比控制精度有重要意义.提出了一种基于热敏电阻的矢量测温方法,通过测量气瓶壁面温度推算气体内部真实温度,分析温度电阻非线性特性、温度—电压处理电路、A/D采样非线性等因素导致的温度测量误差,最终获得系统自身的温度采集误差,在此基础上分析了影响此误差的主要因素.最后分析了外界干扰引起的测量噪声对温度测量的影响,并采用小波降噪的方法对此进行降噪处理,使温度测量精度得到较大改善,并最终确定了内部气体温度的测量误差.     

圆感应同步器在采样伺服系统中的应用研究

对于用圆感应同步器做位置传感器的采样伺服系统,由于测量延迟的存在,导致采样时刻较大的测量误差.为解决上述问题,提出一种动态补偿方法,采用线性外推方法,对圆感应同步器数显表的测量输出进行动态修正,以减小由于测量延迟产生的测量误差,从而提高系统的动态跟踪精度.通过理论分析,给出了修正后测量误差的界.仿真和针对三轴转台系统的实验结果都表明了该方法的有效性.      

基于矢量磁强计的磁场梯度张量仪误差校正方法

卫星在轨运行时,本体会产生一定的磁干扰,一般通过伸杆将传感器远离卫星本体安装,或者通过多个磁场传感器测量磁场梯度的方法来消除卫星本体的磁干扰.使用磁场梯度张量仪测量磁场梯度时,张量仪本身的构型会给测量带来误差.通过对5种主要的张量仪构型进行误差仿真,对比5种构型的张量测量误差,发现十字形构型张量仪的测量误差最小.除了构型带来的误差,张量仪的主要测量误差还包括组成张量仪的三轴磁强计本身的误差和非对准误差.本文使用椭球拟合算法对磁强计本身的误差进行校正,校正后磁强计测量总场的均方根误差为0.864nT.针对张量仪的非对准误差,提出了正交系间非对准误差的校正方法.仿真结果表明,校正后的非对准角度误差≤3.2×10^-5 rad,能够很好地降低张量仪的非对准误差.     

基于里德堡原子相干效应的微波电场测量技术研究进展

近年来,采用里德堡原子的微波电场测量技术得到了迅速发展,获得了广泛应用。该电场探测技术是一项全新技术,可以将微波电场通过基本物理常数与频率测量直接关联,具有测量动态范围大、测量灵敏度高和测量不确定度小的特点,有望替代传统溯源路径,直接关联国际单位制（SI）。本文基于里德堡原子相干效应的微波电场测量技术原理,针对国内外微波电场的高准确度、高灵敏度和极化方向测量技术发展现状,和对微波电场测量的工程化光源系统,蒸气室探头的仿真验证实验和集成式蒸气室探头的设计研究等方面的相关进展做了详细介绍。     

电学前沿计量技术在航天型号保障中的应用

针对航天器中电学基准的长期稳定性、多种传感器输出电信号的线性度、电脉冲测量的时延等多个航天电测领域的难题,提出采用电学量子计量技术和计算基准技术的解决方案,可以10^-9量级的不确定度测量航天器中电阻基准短期变化量,从而推算出长期变化量,对航天器的稳定控制具有重要作用;可以极小的不确定度校准多种传感器输出的毫伏、微伏量级电压的线性度,对航天传感器测量准确度具有重要意义;可在10^-9秒量级确定电脉冲测量中电阻引入的时延,对航天器电推进系统的控制具有重要作用。     

电学前沿计量技术在航天型号保障中的应用

针对航天器中电学基准的长期稳定性、多种传感器输出电信号的线性度、电脉冲测量的时延等多个航天电测领域的难题,提出采用电学量子计量技术和计算基准技术的解决方案,可以10^-9量级的不确定度测量航天器中电阻基准短期变化量,从而推算出长期变化量,对航天器的稳定控制具有重要作用;可以极小的不确定度校准多种传感器输出的毫伏、微伏量级电压的线性度,对航天传感器测量准确度具有重要意义;可在10^-9秒量级确定电脉冲测量中电阻引入的时延,对航天器电推进系统的控制具有重要作用。     

传感器安装对平板气动热测量精度的影响

对高超声速飞行器来说,气动热的准确预测是其合理选择防热材料及热结构设计的重要依据,但目前在激波风洞试验中气动热的高精度测量仍较为困难,热流的测量精度受到诸多非理想因素的影响,但传感器安装对热流测量精度的影响却鲜见研究。选取平板模型来研究传感器非理想安装对气动热测量精度的影响,针对不同的传感器安装偏差(凸出或凹入模型表面0.1~0.5 mm),分析不同雷诺数下传感器安装对气动热测量精度的影响规律及机理。研究结果表明:传感器安装对气动热测量精度有较大影响,凸出安装会导致热流测量结果偏大,而凹入安装则会导致测量结果偏小,热流偏差会随着安装偏差的增大而增大,且高来流雷诺数下传感器非理想安装所引起的热流误差更大;以边界层当地厚度对凹凸程度无量纲化,非理想安装带来的测量偏差只与该无量纲参数相关。研究结果能够为气动热测量的实验方案设计及测量误差分析提供一定的理论指导。      

太阳帆板驱动机构内带电效应试验

太阳帆板驱动机构（Solar Array Drive Assembly,SADA）是长寿命、大功率航天器能源系统的关键部件.在空间高能电子环境下,SADA内部会发生静电放电甚至诱发二次放电,导致航天器丧失能源.利用双束加速器建立试验平台,对SADA进行内带电效应试验.试验中高能电子束的电子能量为2MeV,束流密度为5pA·cm^-2,模拟SADA工作电压为50~150V,工作电流为0.5~1.5A.试验样品充电电位在辐照5h后达到平衡,形成的电场约为5×10⁶V·m^-1.相同工作电流下的放电次数随工作电压增大而明显增加,说明工作电压形成的电场与高能电子沉积形成的电场叠加会增加SADA发生放电的风险.依据试验结果,提出SADA抗内带电设计方案：一是降低SADA介质盘的体电阻率;二是改进导电环结构体的结构设计,降低导电环间电压在介质盘上形成的电场.     

Coriolis质量流量传感器内部耦合振动

谐振式科里奥利质量流量计(CMF),依靠测量管路工作在谐振状态产生的科氏力效应实现流体流量的测量.实际的谐振式科里奥利质量流量计工作过程中,普遍存在传感器的外部和内部耦合振动现象,直接影响流量计的稳定性和测量精度.对传感器的外部耦合振动问题,通过增加测量管路直管段、增强传感器固定刚度等措施已得到较好解决;传感器内部耦合振动问题目前尚无完善的理论指导和技术解决方案.结合CMF传感器的工作机理,利用激光测振仪对存在内部耦合振动问题和无内部耦合振动问题的CMF对比测试,进一步证实了传感器内部耦合振动对测量精度的影响,揭示了内部耦合振动对测量管振动的影响相当于在测量管的主振动上叠加了一个附加分量,导致测量管上的2个拾振点产生附加的振动相位差,并且对于一个特定的传感器,该附加分量的量值基本固定,而科氏力对测量管振动的作用随被测流量的增加而增强,故随着被测流量的增加,耦合振动的影响相对减小,引起的流量测量误差随之减小.      

基于有限元方法的场磨式电场传感器标定装置优化设计

场磨式电场传感器常被用来测量特高压直流(HVDC)输电线路下地面合成电场强度.传统对其标定的方法存在标定装置体积较大、户外标定移动不方便的缺点.针对此问题研究了一种应用于特高压直流输电线路下地面合成电场测量的电场传感器便携式缩尺标定装置.基于有限元方法建立了传感器的三维电场模型,基于该模型对便携式标定装置的尺寸、结构等关键参数做出了模拟分析,在此基础上进行了便携式标定装置的结构参数的优化设计.将便携式缩尺标定装置与标准的标定装置进行了实验比较.仿真及实验结果表明该标定装置能够方便、准确地对场磨式电场传感器进行标定.      

基于PIC方法的离子发动机光学系统粒子模拟

采用单元内粒子(PIC, Particle-In-Cell)方法对离子发动机光学系统进行了等离子体粒子模拟.PIC方法可有效地对等离子体进行粒子模拟,其中电场求解采用SOR(Successive Over Relaxation)方法,离子加速方法采用蛙跳格式.推进剂采用氙,模拟粒子为单核离子.模拟得到了栅极间电势分布、电场强度分布及栅极间氙离子数密度分布.计算结果表明,在所取的光学系统电压参数和几何参数下,粒子束能够顺利通过栅极孔,不会撞击到栅极孔壁上.粒子模拟为今后开展离子发动机光学系统腐蚀机理分析及寿命评估提供了有效的数值方法.      

相控阵天线快速校准方法

相控阵天线的快速测量和校准一直是相控阵天线研究的热门问题。传统校准方法的测量速度较慢,不能满足大量工程需求的测量校准要求。针对实际工程应用需求,在对幅相求解算法研究的基础上,提出了一种基于幅度测量的快速校准方法--四相幅度校准法（FPC）。经理论分析,该方法的校准时间仅相当于采用6位数字移相器的旋转矢量法所花费校准时间的1/16。对四相幅度校准法、采用4位数字移相器的旋转矢量法和采用6位数字移相器的旋转矢量法的校准速度和校准精度做了对比试验,试验结果验证了四相幅度校准法的正确性和高效性。      

Active stimulation of the ionospheric plasma

Laboratory experiments in which high power, pulsed electromagnetic waves interact with an inhomogeneous plasma indicate that the generated nonlinear plasma phenomena depend on peak incident power and not on pulse length. The electromagnetic waves can penetrate beyond the cutoff and produce large, enhanced electrostatic fields at the critical layer within 100 electron plasma periods. The enhanced electric field pressure can be comparable to the thermal pressure and can accelerate ions and electrons to velocities much greater than their thermal speed. Large density cavities (with δn/n ? 10%) can be created in a time shorter than the usual ion response time because of the accelerated ion dynamics. These laboratory results have been extended to create a new and generalized concept to actively stimulate space plasmas with high power pulses of short duration. A field experiment will be used for the stimulation of auroral ionospheric plasma. The ground-based system is modular, each module consisting of a 2 MW pulsed HF transmitter designed at UCLA and a crossed-dipole antenna element. Incoherent scatter radar and optical diagnostic methods are discussed.     

电子回旋共振推力器放电室内磁场与微波电磁场分析

电子回旋共振推力器具有寿命长、比冲高、结构简单等特点,适宜用作深空探测器主推进装置。放电室是电子回旋共振推力器的关键部件,其作用是产生电子回旋共振等离子体。放电室内的磁场和微波电磁场分布对于推力器的可靠启动、稳定工作有着重要的影响。为此针对10cm推力器,采用大型有限元分析软件ANSYS建立了三种磁路模型,计算了放电室内的磁场分布,得出三种方案中电子回旋共振面的位置,分析放电室材料不同时磁场分布的变化;最后采用ANSYS有限元分析软件计算了放电室内的电磁场分布。结果表明,在电子回旋共振面上微波能量满足放电所需能量。计算结果可以为电子回旋共振推力器放电室的设计提供帮助。     

电离层电场半年变化的模拟研究

利用一个中低纬电离层电场理论模式，模拟太阳活动低年、地磁活动平静情况下，中低纬地区电离层电场全年的变化情况．结果显示，单独计算南、北半球(去耦合)得到电离层电场具有明显的周年变化特征，且两个半球电场的相位相差半年左右．而同时计算南、北半球(计及耦合)时，电场则是以半年变化为主，且这种半年变化的幅度和相位随地方时和地磁纬度有变化．提出一个南、北半球耦合电路的简单物理模型给予解释．电路模型初步计算发现，即使两个半球电离层电场分别具有周年变化，只要它们变化的幅度相当，相位相差半年左右，由于跨越南北半球磁力线的耦合效果，耦合的电离层电场会产生明显的半年变化分量．由于缺少连续的电离层电场观测资料，将模拟结果与Richmond基于非相干散射雷达数据建立的经验模式(ISR Model)相比较，结果符合较好．     

紧凑型横向变焦系统关键器件的设计方法与功能验证

变焦系统可实现连续的光学变焦,可对不同景深的目标实现连续成像。在焦深延拓和光学检测等领域具有广泛地应用和发展潜力。本文提出了一种紧凑型可实现连续变焦功能的扁平化位相衍射元件,并设计分析和验证了横向调制相位型变焦衍射元件的功能。通过标量衍射基本理论模型,借助菲涅尔波带和多台阶相位衍射元件的设计方法,实现了横向变焦关键器件的设计仿真和实验验证。并以多波长响应的空间光调制器为基础,搭建了器件相位调制验证实验系统,通过测试证明了所设计器件的变焦能力,仿真和实验测试均可实现5倍变焦目标的有效调制。     

Study of UV Ne II line shapes in the cathode sheath of an abnormal glow discharge

We report results of an experimental and theoretical study of complex UV line shapes of Ne II 369.421 nm, Ne II 370.962 nm, Ne II 371.308 nm, and.Ne II 372.711 nm lines in the cathode sheath (CS) region of an abnormal DC glow discharge in pure neon. Two sets of experimental profiles and electric field distributions, one for discharge with tungsten and the other with titanium cathode, were obtained by means of the optical emission spectroscopy (OES) and theoretically studied by the iterative CS kinetic model. It is shown that our theoretical model enables the determination of the most important CS parameters (e.g. the thickness of the CS region, and the theoretical distributions of electric field and gas temperature) and thereupon based accurate theoretical predictions of the experimentally observed profiles of the studied lines.     

带电云对大气电场随高度变化特征的影响

大气电场与雷暴活动、气候变化、大气污染、太阳活动密切相关,在特殊地形上探测大气电场的高度分布对于大气电学的相关研究具有重要意义。2020年9月12日,中国科学院鸿鹄专项团队将大气电场仪搭载在探空气球上,在青海省海西蒙古族藏族自治州大柴旦地区进行了大气电场高度分布的探测实验。本文分析讨论了此次实验中用到的电场仪、实验过程及实验结果。大气电场曲线中间凸起的部分对应电场仪穿过带电云层,因此将其分为三段并分别进行拟合。探测实验及分析结果表明:在不同高度处大气电场的主要影响因素不同,其分布规律会存在差异。此外,带电云会使大气电场强度整体增大,但云层中大气电场的高度分布仍能较好地符合指数变化规律。      

西藏阿里地区的晴天大气电场特征

晴天大气电场是一个区域大气电场变化的基准场,是大气电场特性的研究基础。对于具有不同地质条件、地理环境和地形特点的区域,晴天大气电场特征具有明显区别。利用在西藏阿里地震台（80.12°E,32.51°N）安装的一台场磨式大气电场仪于2021年10月10日至2021年11月10日观测到的数据,通过对大气电场数据建模与分析,结合气象条件,得到西藏阿里地区23天晴天条件下的平均卡耐基曲线。经过平滑处理去除仪器噪声的波动,得到西藏阿里地区的晴天条件下的标准卡耐基曲线,进而与北京市昌平区十三陵观测台站（116.23°E,40.25°N）同期的晴天大气电场特征进行对比,并对其电场特性差异和原因进行了讨论。研究结果对分析高原地区晴天大气电场特征具有重要的参考价值和科学意义。