被动式地面静电探测系统的仿真研究

被动式地面静电探测系统的仿真研究

静电勘探是一种探测方法，可以通过在目标周围空间的区域中检测相关目标信息。由于摩擦和外部动荡的影响，地面空中的物体将受到影响。在动态地面静气候勘探系统中，可以使用静电探测器产生的目标信号，并利用多个探测器配置矩阵，以根据矩阵中不同探测器的相对位置关系以及仪器输出和目标距离之间的关系来定位航空静电目标。该方法用于航空目标定位的前提是，航空目标可以类似于点目标，目标周围的田地可以类似于静电场。1飞机起电原因被动式地面静电探测系统探测的目标是空中飞行的飞机,其带电的原因主要有摩擦起电、感应起电、引擎燃烧产生等离子起电和吸附带电粒子起电等几种.摩擦起电是运动物体带电的主要原因之一.以飞机为例,当飞机以很高的速度在空中飞行时,飞机的金属蒙皮就会不断地与雨滴、尘埃、冰晶、沙粒等空间粒子碰撞,这些中性粒子在与飞机相互作用的过程中发生了电子的转移,积累了某种极性的电荷,在飞机上就留下等量的极性相反的电荷.飞机起电另一主要因素是飞机引擎燃烧产生等离子体而起电.所以飞机的电荷中心位于飞机尾部.外场感应起电也是飞机起电的原因.在复杂的天气条件下,大气中各种电现象十分常见,这些电现象都会使物体因感应原理而出现感应电荷.此外,捕获大气带电粒子的电荷和水雾起电也是飞机起电的原因.飞行中飞机带电数量大,难于去除.飞机在上述因素的共同作用下,存在着起电过程,与此同时,也存在着放电过程.飞机所带的电荷量不会无限制地增加,当积累的电荷超过其放电阈值时,飞机将发生放电.由于飞机在运动过程中充电现象和放电现象总是同时存在,因此其形成的电场总是时刻变化的,这种由电荷的累积形成的电场不是一种严格意义上的静电场,而是一种准静电场.飞机的最大带电量,在某一气候条件下,由飞机机身曲率最大处尖端的电晕放电阈值决定.当飞机充电电流、电势超过阈值时,在该处将有放电现象发生,使电势下降至最低;然后逐渐充电至最大值再放电;如此周期变化.各种实验表明,这种周期变化的频率范围约为直流至几千赫兹,根据资料,某直升机的电场变化频率的基频仅为几赫兹.飞行中的飞机周围电场表现为极低变化频率的特性.飞机的起电电流和电位受气象因素,如温度、气压、降水等影响很大.2飞机的近似条件分析2.1被动式地面静电探测系统的相对误差通过对空中飞机起电和放电机理的研究可知,电荷的积聚和电荷的消散是同时的.因此这种由电荷的累积形成的电场不是一种严格意义上的静电场,而是一种准静电场.研究将准电场近似为静电场进行测量的条件,可从麦克斯韦方程组入手.在麦克斯韦方程组中,忽略掉电磁感应就是电准静态定律.忽略掉电磁感应会引起误差,为分析近似后引起的误差,设计如图1所示的一个电准静态(EQSElectricQuasiState)的原型,两个彼此绝缘、间隔为L的完纯球形导体由电动势源驱动.如果激励在时间上按正弦规律变化,对于正弦稳态响应,特性时间τ是角频率ω的倒数.时变的电荷意味着电流,而它又感应H.忽略了的电磁感应产生的误差为Eer,相对误差由式(5)表示,若σ《1,认为该误差可以忽略.式(7)中光速.将式(7)当作近似的条件.根据资料,各种空中飞行器在飞行过程中产生的电场周期变化的频率范围约为直流至几千赫兹.被动式地面静电探测系统探测的目标是空中飞行的飞机,其电场变化频率多在1kHz以下.由式(7)可得,对于被动式地面静电探测系统而言,探测距离在10km探测范围以内,均可将目标的电场当作静电场进行测量.频率越低,可视作静电场进行探测的范围越大.采用达朗伯方程进行分析可得同样的结论.2.2受害者带头区的强化抽象因为飞机表面为金属,因此其表面必定产生连续分布的表面电荷.由于飞机在运动过程中产生的电荷分布受飞机形状、飞行速度和环境条件等多种因素的影响,电荷分布极其复杂.被动式地面静电探测器的探测电极感应的电荷应是目标呈体分布电荷共同作用的结果,这使得对空中静电目标的定位非常困难.为此,需要分析将空中静电目标简化为点目标的条件.由于空中静电目标的电荷分布复杂,目前还没有完全掌握其电荷的分布特性,在研究点目标近似条件之前,先对飞机荷电模型进行粗略抽象.可将飞机的带电情况抽象为主体、机翼、发动机和后翼几部分,各部分带电量占整个目标带电电荷的一定比例.将空中静电目标首先抽象为十字模型,对十字模型各部位带电量进行分配.十字模型的前、后、左、右、中各点的电荷比例分别为10%,50%,15%,15%,10%.根据以上十字模型,采用Matlab软件进行仿真计算,并利用计算结果分析在多少倍机身长度的距离条件下,可以将飞机目标当作点电荷近似.在仿真分析过程中,分别计算了相同带电量的飞机十字模型和位于电荷分布中心的点电荷在某一距离处的电场强度,对两种情况的电场强度进行了比较,得出两种情况的电场强度相差1%和5%时对应的距离.计算结果如图2所示.由图2分析可知,在3倍机身长度距离时,用十字模型抽象的带电飞机目标与点目标的电场强度之差低于5%;6倍机身长度的距离时,两者电场强度之差低于1%.此外,还对飞机十字模型电荷的分配比例采取随机分布,通过计算比较了1000种随机分布情况与其电荷分布中心的点电荷在某一距离处的电场强度,得出了两种情况的电场强度相差5%和1%时对应的距离.计算结果如图3、图4所示.结果表明,在2～4倍机身长度距离下,飞机十字模型的1000种随机电荷分布与点目标的电场强度之差低于5%.在4～7倍机身长度距离下,飞机十字模型的1000种随机电荷分布与点目标的电场强度之差低于1%.通过以上计算可得,对于被动式地面静电探测系统,在探测距离为3～6倍机身长度范围以上时,可将十字模型抽象的飞机目标近似为点目标.3静电场点目标的确定利用空中目标电荷的大致分布以及目标周围电场低频变化的特性,研究了对于被动式地面静电探测系统,