静电目标定位系统研究

分类号密级UDC北京理工大学硕士学位论文静电目标定位系统研究张志男导师姓名(职称)欧阳吉庭副教授答辩委员会主席邹健教授申请学科门类理学论文答辩日期2006.7.1申请学位专业凝聚态物理2006年5月20日研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：关于学位论文使用权的说明本人完全了解北京理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的,复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密后遵守此规定）。签名：日期：导师签名：日期：北京理工大学硕士学位论文I摘要本文主要研究利用目标运动自身带电所产生的静电场来获取目标信息并进行目标探测的被动式静电探测器和利用阵列方法对目标定向定距的问题。研究内容包括：被动式静电探测器的设计、旋叶式静电探测器的目标特性及阵列式定位理论、后续硬件部分的设计及目标特性的识别方法等。文章首先分析了空中运动目标在飞行过程中的起电和放电机理，讨论了目标所带电荷的变化特征，并研究了将空中目标的电场近似为静电场的条件。在对国内已有的探测方案进行比较分析后，本文采用旋叶式被动静电探测器进行目标探测研究。首先推导出探测方程，并在误差允许范围内对其进行简化，导出公式的简化形式。然后分析了目标的运动速度、体积等因素对探测结果所产生的影响。最后讨论了旋叶式静电探测器屏蔽角的必要性，推导出一合适的角度，并经仿真实验证实了利用屏蔽角屏蔽小角度电场的可行性。在得到旋叶式静电探测器的简化公式后，论文分别讨论了对2维和3维空间的目标定位方法，推导出简化的极坐标定位公式。经计算分析，简化公式与实际公式得出的结果误差小于5％。在静电探测器的硬件设计部分，文章采用可编程增益的放大器作为放大电路，并根据噪声产生的规律特性，选用四阶带通滤波器选频进行祛噪处理。论文最后分析了可能对静电探测系统造成影响的自然环境因素，并讨论了利用目标感应信号的特性来判断目标状态的可行性。关键词：静电探测；旋叶式静电探测器；目标特性；阵列布设；目标定位北京理工大学硕士学位论文IIABSTRACTInthisthesis,onthepassiveelectrostaticdetectorandarraymethodhavebeeninvestigated.Thepassiveelectrostaticdetectormakestheuseoftheelectrostaticfieldproducedbythemovingtargettogettheinformationofthetargetandtodetecttargetthereafter.Themaincontactdetailofthepaperincludes:thepassiveelectrostaticdetectordesign,thetargetcharacteristicofrollingelectrodeelectrostaticdetector,orientationtheoryonarrayelectrodedetector,hardwarepartdesignandtargetcharacteristicrecognitionmethod.Firstlyinthethesis,thechargeanddischargeprincipleofvariousaerialmovingtargetareintroduced.Thevariouscharacteristicoftargetchargeandtheconditionforregardingthetargetelectricfieldaselectrostaticfieldarediscussed.Aftercomparingallthedetectmethodsusedrecently,therolling-electrode-electrostaticdetectorischosenforthetargetdetection.Thedetectionequationandthesimplifiedformatintherangeoferrorpermissionhavebeendeduced.Theinfluencescausedbythetarget’svelocityandvolumeareanalyzed.Atlast,thenecessaryoftheshieldangelofrolling-electrode-electrostaticdetectorhavebeendiscussedandthefeasibilityblockingoffsmallangleelectricfieldbyusingshieldanglehasbeenprovedbynumericalemulation.Discussionson2-D&3-Dorientationmethodonarrayelectrodedetectorareperformed,andthesimilarorientationformulasinpolarcoordinatesareobtained.Thecalculatedresultsshowthatthereducedformulacoincideswiththeoriginalformula,witherrorbelow5%.Intheelectrostaticdetector’shardwaredesignpart,weusetheprogrammed-plus-amplifiertoamplifytheweakcurrentfromthedetector.Theband-passfilterischosentoeliminatenoisesignalbasedonthecharacteristicsofnoise.Intheendofthepaper,thenaturalfactorswhichmightinfluencetheelectrostaticdetectingsystemisanalyzed.Thefeasibilityofjudgingtargetstatebyitsinducedsignalisdiscussed.Keywords：Electrostaticdetection;rollingelectrodeelectrostaticdetector;targetcharacteristic;arrayarrangement;targetlocation北京理工大学硕士学位论文III主要符号说明Q电荷量、品质因数q电荷量S探测电极面积V目标运动速度N转速i半径r目标与探测器的距离L探测器布设间距t时间f频率E电场强度C电容R电阻I电流J电流密度U电压、电位H磁场强度vr电荷密度t特性时间w角频率c光速0e空气相对介电常数dtdEn电场变化量a、b、g电场方向与探测电极表面夹角q目标的方位角d两探测电极间的距离T绝对温度北京理工大学硕士学位论文IVh目标的高度x、y、z目标的坐标P(x)概率密度s标准差)(fS功率谱密度P带电目标A放大器的增益K波茨曼常数北京理工大学硕士学位论文V图表说明图1.1短路轴向式静电电流检测方法原理图图3.1电极扫描式静电探测原理示意图图3.2空中目标圆阵定位示意图图3.3静电场矢量探测法示意图图3.4旋叶式探头机械部分设计图3.5旋叶式探头极板感应电荷变化示意图图3.6探测方程密度曲线图3.7探测器的等值曲线图3.8目标电荷沿不同方向运动的示意图图3.9沿a方向运动目标的信号特性图3.10沿b方向运动目标的信号特性图3.11沿c方向运动的目标特性图3.12不同状态目标的特性图3.13目标速度产生的信号与实际信号的比较图3.14目标模型仿真实验示意图图3.15不同模型的输出信号特征图3.16屏蔽角示意图图3.17屏蔽角的标定示意图图3.1810个实验点的排布图图3.19电场沿一般角度入射的仿真图图3.20电场方向为200时的仿真图图3.21电场方向为00时的仿真图图4.1双站定位示意图图4.2探测器响应信号示意图图4.3定位方法示意图图4.42维空间定位示意图图4.52维空间探测器目标定位示意图图4.63维空间探测器布设示意图图4.73维空间探测器布设改进示意图北京理工大学硕士学位论文VI图4.8目标沿y=z=2的轨迹运动，比值随x变化关系图4.9目标沿y=z=2的轨迹运动，比值随r变化关系图4.10目标沿-y=z=2的轨迹运动，比值随x和r的变化关系图5.1被动式静电探测器原理框图图5.2运放I/V变换图5.3差动I/V变换电路图5.4可编程增益I/V变换器图5.5数据放大器图5.6可编程增益的放大器图5.7随机噪声及其幅度分布图5.8噪声功率谱密度图5.9二阶带通滤波器原理图图5.10二阶带通滤波器幅频特性图5.11四阶带通滤波器图6.1晴天大气电场随高度变化曲线图图6.2探测器布设示意图图6.3静止电荷信号比较图6.4运动电荷信号比较表2.1典型飞机飞行过程中带电量表3.1极板电势差符号与点电荷位置关系表表3.2系数a取不同值时，坐标的变化关系表6.1离闪电不同距离处地面垂直大气电场变化的典型值北京理工大学硕士学位论文VII目录第一章绪论…………………………………………………………11.1选题的背景及意义……………………………………………………11.1.1信息化战争对现有探测体制提出挑战………………………………11.1.2静电探测技术的优势………………………………………………21.2静电学技术的发展及静电测量技术现状………………………………41.2.1静电学的发展历程…………………………………………………41.2.2静电测量技术现状…………………………………………………41.3国内外静电探测技术研究现状………………………………………61.3.1国外静电探测技术研究现状………………………………………61.3.2国内研究现状………………………………………………81.4论文的主要工作和内容安排……………………………………………8第二章空中目标带电特性分析……………………………………………102.1引言………………………………………………………………………102.2被动式静电探测原理…………………………………………………102.3目标起电机理……………………………………………………………102.3.1摩擦起电…………………………………………………………112.3.2引擎燃烧产生等离子气体起电……………………………………122.3.3感应起电…………………………………………………………122.3.4捕获大气带电粒子电荷起电………………………………………122.3.5水雾起电…………………………………………………………132.4飞机的起电电流…………………………………………………………132.5目标带电特性……………………………………………………………142.6空中目标准静电场的近似……………………………………………162.7本章小结……………………………………………………………18第三章旋叶式静电探测器的性能分析……………………………………193.1已研究出的静电探测探头设计方案……………………………………193.1.1平行板电容探头……………………………………………………193.1.2旋转扫描式探头…………………………………………