本發(fā)明屬于等離子體診斷，尤其涉及一種基于多峰點現(xiàn)象的非均勻等離子鞘套分布微波反射診斷方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、飛行器在再入大氣層時，由于與高速高溫氣流的相互作用，會在其表面形成高溫電離氣體，即等離子體鞘套。等離子體鞘套不僅會對飛行器的氣動性能、熱防護系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響，還會對飛行器的通信和導(dǎo)航系統(tǒng)造成顯著干擾，例如屏蔽電磁波信號，導(dǎo)致通信中斷和導(dǎo)航失準(zhǔn)。因此，準(zhǔn)確診斷和監(jiān)測等離子體的分布特性，尤其是空間分布參數(shù)(如密度、碰撞頻率和厚度)，對于飛行器的設(shè)計和安全運行具有重要意義。

2、當(dāng)前，采用非介入式等離子體診斷方法診斷和監(jiān)測等離子體的分布特性，包括光學(xué)診斷技術(shù)(如光譜分析)和微波診斷技術(shù)；光學(xué)診斷利用等離子體輻射的光譜特性，通過分析光譜線的波長、強度和寬度來推斷等離子體的溫度、密度和成分。然而，光學(xué)方法對透明或稀薄等離子體的測量能力有限，并且在強背景輻射或復(fù)雜環(huán)境下容易受到干擾。相比之下，微波診斷技術(shù)近年來得到廣泛關(guān)注，特別是微波反射法因其動態(tài)性能好、對等離子體和飛行器結(jié)構(gòu)無損的特點而備受青睞。微波反射法利用微波信號在等離子體中的傳播和反射特性，通過分析信號的強度、相位及頻率變化，間接推斷等離子體的密度、厚度和碰撞頻率等參數(shù)。然而，該方法也面臨一些技術(shù)瓶頸，例如微波信號在復(fù)雜等離子體環(huán)境中的傳播受到非線性效應(yīng)和多種物理因素的影響，導(dǎo)致信號解析困難。此外，如何獲取等離子體參數(shù)的高精度空間分布仍是一個亟需解決的技術(shù)難題。

3、現(xiàn)有采用非介入式中微波反射法對飛行器表面等離子鞘套進行診斷，例如：post(post,r.c.,et?al.(2010).microwave?diagnostics?ofthe?plasma?sheath?in?re-entryvehicles.*ieee?transactions?onplasma?science*,38(7),1665-1671.https://doi.org/10.1109/tps.2010.2057737)等人提出了一種通過頻域分析方法診斷等離子體參數(shù)的技術(shù)。該方法利用微波反射信號的頻譜特征，通過分析不同頻率信號在等離子體中的傳播和反射行為，提取與等離子體密度、碰撞頻率相關(guān)的特征信息，進而推斷等離子體的參數(shù)。但是頻域分析法對理想化模型的依賴較強，難以適應(yīng)等離子體分布高度非均勻的復(fù)雜情況。此外，當(dāng)信號受噪聲干擾較大或等離子體鞘套厚度超出微波穿透深度時，頻域分析的診斷精度和魯棒性顯著下降，限制了其在實際飛行器再入環(huán)境中的應(yīng)用。蔣菁(蔣菁.基于電磁波反射特性的等離子體參數(shù)診斷方法研究[d].西安理工大學(xué),2022.)提出了一種結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷方法，通過構(gòu)建反射數(shù)據(jù)與等離子體分布之間的映射關(guān)系，實現(xiàn)對等離子體參數(shù)的診斷。該方法的實現(xiàn)過程包括獲取微波反射信號數(shù)據(jù)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)其與已知等離子體參數(shù)的關(guān)聯(lián)，隨后利用訓(xùn)練好的模型對新的反射數(shù)據(jù)進行預(yù)測，推斷等離子體的空間分布參數(shù)。但是結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷方法在實踐中存在諸多限制。反射數(shù)據(jù)通常包含大量的冗余或噪聲信息，這不僅加重了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計算負(fù)擔(dān)，還降低了訓(xùn)練效率。同時，冗余信息會干擾模型的學(xué)習(xí)能力，導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性和魯棒性下降。由于訓(xùn)練過程需要處理海量復(fù)雜數(shù)據(jù)，計算資源消耗較大，模型的實際應(yīng)用效果有限。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種基于多峰點現(xiàn)象的非均勻等離子鞘套分布微波反射診斷方法和系統(tǒng)，通過特征提取技術(shù)對反射數(shù)據(jù)進行降維，去除冗余信息和噪音，提高了數(shù)據(jù)處理的效率；通過構(gòu)建反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，僅需關(guān)注最關(guān)鍵的特征，減少了訓(xùn)練時間和計算負(fù)擔(dān)，同時提升了預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性和魯棒性，從而能夠更高效、精確地獲取等離子鞘套的空間分布參數(shù)，尤其是在較高空飛行的飛行器表面，保證了數(shù)據(jù)的可靠性和實時性，提升了微波反射法在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用價值。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

3、一種基于多峰點現(xiàn)象的非均勻等離子鞘套分布微波反射診斷方法，包括如下步驟：

4、步驟1：構(gòu)建非均勻等離子鞘套電子密度空間分布模型，將非均勻等離子鞘套電子密度空間分布模型分割成n層均勻分布的等離子體，并確定每一層等離子體的電子密度；

5、步驟2：根據(jù)等離子鞘套中每一層等離子體的電子密度，采用等效傳輸矩陣模型構(gòu)建非均勻等離子鞘套的反射函數(shù)；

6、步驟3：對步驟2中非均勻等離子鞘套的反射函數(shù)進行多高斯擬合，得到擬合曲線，提取擬合曲線中的特征參數(shù)，所述擬合曲線中的特征參數(shù)包括波峰峰值ak、波峰處入射波的頻率bk以及波峰寬度ck；同時設(shè)置擬合曲線中反射數(shù)據(jù)的波峰峰值閾值，判斷出波峰截至頻率fp0，進而診斷等離子鞘套的初始最大電子密度ne0；

7、步驟4：構(gòu)建反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并將擬合曲線中的特征參數(shù)和初始最大電子密度ne0作為輸入集以及等離子鞘套的空間分布參數(shù)作為輸出集，對反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練，得到訓(xùn)練好的非均勻等離子鞘套分布微波反射診斷模型；所述等離子鞘套的空間分布參數(shù)包括等離子鞘套的最大電子密度ne,max，雙高斯分布上升沿參數(shù)α1，等離子鞘套厚度ln以及碰撞頻率ve；

8、步驟5：采用訓(xùn)練好的非均勻等離子鞘套分布微波反射診斷模型進行微波反射診斷，得到診斷結(jié)果。

9、所述步驟1中非均勻等離子鞘套電子密度空間分布模型的表達式為：

10、

11、式中，ne,max表示等離子鞘套的最大電子密度，ln表示第n層等離子體距離飛行器表面的距離，第n層的ln為等離子鞘套厚度ln；m為等離子鞘套的最大電子密度ne,max所在層數(shù)，lm表示等離子鞘套的最大電子密度層距離飛行器表面的距離，α1和α2項分別表示形成雙高斯分布的影響參數(shù)。

12、所述步驟2中構(gòu)建非均勻等離子鞘套的反射函數(shù)的過程如下：

13、步驟1：根據(jù)等離子鞘套中每一層等離子體的電子密度ne,n，計算第n層等離子體的復(fù)介電常數(shù)εn，進而得到第n層等離子體的傳輸常數(shù)kn；

14、所述第n層等離子體的復(fù)介電常數(shù)εn的計算公式為：

15、

16、式中，表示第i層的特征頻率，其中ne,n表示第n層等離子體的電子密度，e表示電子電荷量，ε0表示真空介電常數(shù)，me表示電子質(zhì)量；ω表示入射波角頻率，ve表示碰撞頻率，j表示虛數(shù)；

17、步驟2：將第n層等離子體的傳輸常數(shù)kn代入每一層等離子體的等效傳輸矩陣中，得到第n層等離子體的等效傳輸矩陣，表達式為：

18、

19、式中，an、bn、cn及dn分別表示等效傳輸矩陣中的元素，表示第n層的波阻抗，z0為真空波阻抗，dn表示第n層等離子體厚度，n層dn為等離子鞘套厚度ln；

20、步驟3：對每一層等離子體的傳輸矩陣進行級乘，得到非均勻等離子鞘套的傳輸矩陣，表達式為：

21、

22、步驟4：根據(jù)非均勻等離子鞘套的傳輸矩陣，得到非均勻等離子鞘套的總反射系數(shù)r，表達式如下：

23、

24、式中，zn+1表示第n+1層的波阻抗，通常等于真空波阻抗；

25、步驟5：對非均勻等離子鞘套的總反射系數(shù)r進行線性分式變換，得到非均勻等離子鞘套的反射函數(shù)，表達式如下：

26、

27、式中，re表示取實部；f表示微波入射頻率。

28、所述步驟3中采用多高斯擬合函數(shù)對步驟2中非均勻等離子鞘套的反射函數(shù)進行多高斯擬合，公式如下：

29、

30、式中，p表示擬合峰值個數(shù)；ak、bk、ck分別表示第k個波峰峰值、波峰處入射波的頻率以及波峰寬度。

31、所述步驟3中設(shè)置擬合曲線中反射數(shù)據(jù)的波峰峰值閾值，若擬合曲線中反射數(shù)據(jù)的波峰峰值小于設(shè)置的波峰峰值閾值，此時，該波峰峰值所對應(yīng)的入射頻率f定義為波峰截至頻率fp0，波峰截至頻率fp0所對應(yīng)的反射數(shù)據(jù)趨近于1。

32、所述步驟3中等離子鞘套的初始最大電子密度ne0的計算公式如下：

33、

34、式中，ε0表示真空介電常數(shù)，ωp0＝2π·fp0表示入射微波的截至角頻率，fp0表示波峰截至頻率，e表示電子電荷量，me表示電子質(zhì)量。

35、在進行步驟3中的多高斯擬合處理之前，對反射函數(shù)曲線中的峰值點數(shù)量和位置進行初步判斷，即采用matlab內(nèi)置的findpeaks函數(shù)尋找一定間隔的最大值點，初步判斷反射函數(shù)曲線中的峰值點數(shù)量和位置。

36、所述步驟4中反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括包括輸入層、單隱藏層和輸出層，其中輸入層包含49個神經(jīng)元，其中48個神經(jīng)元對應(yīng)擬合曲線中的48個峰值特征參數(shù)，1個神經(jīng)元對應(yīng)初始值；單層隱藏層用于捕捉輸入特征參數(shù)與空間分布參數(shù)之間的非線性關(guān)系；輸出層則輸出四個特征值。

37、所述步驟4中對反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練之前對分別對輸入數(shù)據(jù)ak,bk,ck,ne0以及輸出數(shù)據(jù)ne,max,α1,ln,ve進行歸一化處理。

38、本發(fā)明還提供了一種基于多峰點現(xiàn)象的非均勻等離子鞘套分布微波反射診斷系統(tǒng)，包括：

39、模型構(gòu)建模塊：用于構(gòu)建非均勻等離子鞘套電子密度空間分布模型，將非均勻等離子鞘套電子密度空間分布模型分割成n層均勻分布的等離子體，并確定每一層等離子體的電子密度；

40、函數(shù)構(gòu)建模塊：根據(jù)等離子鞘套中每一層等離子體的電子密度，采用等效傳輸矩陣模型構(gòu)建非均勻等離子鞘套的反射函數(shù)；

41、特征提取模塊：用于對非均勻等離子鞘套的反射函數(shù)進行多高斯擬合，得到擬合曲線，提取擬合曲線中的特征參數(shù)，所述擬合曲線中的特征參數(shù)包括波峰峰值ak、波峰處入射波的頻率bk以及波峰寬度ck；同時設(shè)置擬合曲線中反射數(shù)據(jù)的波峰峰值閾值，判斷出波峰截至頻率fp0，進而診斷等離子鞘套的初始最大電子密度ne0；

42、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與訓(xùn)練模塊：用于構(gòu)建反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并將擬合曲線中的特征參數(shù)和初始最大電子密度ne0作為輸入集以及等離子鞘套的空間分布參數(shù)作為輸出集，對反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練，得到訓(xùn)練好的非均勻等離子鞘套分布微波反射診斷模型；所述等離子鞘套的空間分布參數(shù)包括等離子鞘套的最大電子密度ne,max、雙高斯分布影響參數(shù)α1、等離子鞘套厚度ln以及碰撞頻率ve；

43、模型診斷模塊：采用訓(xùn)練好的非均勻等離子鞘套分布微波反射診斷模型進行微波反射診斷，得到診斷結(jié)果。

44、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

45、1.本發(fā)明采用多層雙高斯分布構(gòu)建非均勻等離子體鞘套電子密度空間分布模型，使用等效傳輸矩陣建立等離子體鞘的反射函數(shù)，精確提取了反射數(shù)據(jù)峰值點曲線的關(guān)鍵特征，即波峰峰值、波峰處入射波的頻率、波峰寬度以及波峰截至頻率，并根據(jù)波峰截至頻率獲取初始等最大電子密度。

46、2.本發(fā)明通過特征提取技術(shù)對反射數(shù)據(jù)進行降維，去除冗余信息和噪聲，保留與等離子鞘套參數(shù)相關(guān)的關(guān)鍵特征。相比傳統(tǒng)方法依賴原始數(shù)據(jù)的直接處理，本發(fā)明有效減少了數(shù)據(jù)規(guī)模，顯著降低了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入維度，使得訓(xùn)練時間和計算資源需求減少，解決了傳統(tǒng)技術(shù)中因高數(shù)據(jù)復(fù)雜性導(dǎo)致的效率低下的問題，提高了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的效率。

47、3.本發(fā)明使用具有峰值點特征的反射函數(shù)曲線的關(guān)鍵特征作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入對等離子鞘套空間分布參數(shù)進行診斷，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能更準(zhǔn)確地學(xué)習(xí)反射信號與等離子鞘套空間分布之間的非線性映射關(guān)系，從而提升了診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。

48、4.針對等離子鞘套分布高度非均勻的情況，本發(fā)明的特征提取方法和多峰值點分析具有更高的適用性，能夠更精確地反映等離子鞘套的局部特性和整體分布，克服了傳統(tǒng)技術(shù)難以全面解析復(fù)雜環(huán)境的瓶頸。

49、綜上所述，本發(fā)明優(yōu)化了數(shù)據(jù)處理和診斷流程，提升了微波反射法的實時性能，確保了在飛行器再入環(huán)境下的可靠應(yīng)用。同時，由于降維后的數(shù)據(jù)更具代表性，診斷結(jié)果的穩(wěn)定性更高。在數(shù)據(jù)處理效率、計算負(fù)擔(dān)、診斷精度及適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境等方面均有顯著優(yōu)勢，大幅提升了微波反射法在飛行器等離子體監(jiān)測中的應(yīng)用價值。