一种火星环境带电颗粒对电磁波影响的实验装置及方法

本发明涉及电磁波分析，具体涉及一种火星环境带电颗粒对电磁波影响的实验装置及方法。

背景技术：

1、在现代科技日益发展的背景下，电磁波作为信息传递与能量交换的重要载体，广泛应用于通信、雷达、卫星导航、航空航天、医疗诊断及日常生活等各个领域，然而，随着自然环境与人类活动的复杂化，电磁波在传播过程中遭遇的干扰因素也日益增多，其中，带电沙粒及其放电现象对电磁波传播造成的影响尤为显著，成为亟待解决的技术难题。

2、火星电场对测量仪器的影响是多方面的，且不容忽视，火星的电场环境复杂多变，包含静电场、感应电场等多种成分，这些电场会与测量仪器内部的电子元件和传感器发生相互作用，首先，火星电场可能导致测量仪器内部产生静电积累，进而影响仪器的精度和稳定性，静电积累可能引发电荷泄露或放电现象，对仪器的电路造成干扰，使得测量结果出现偏差或噪声增加，其次，火星电场还可能对测量仪器的传感器产生影响，传感器的灵敏度和工作原理往往依赖于电场或磁场的变化，而火星的电场环境会改变这些物理场的分布，从而影响传感器的输出信号，这种影响可能导致测量结果的失真或不确定性增加，此外，火星电场还可能通过感应效应在测量仪器内部产生额外的电磁干扰，这些干扰信号可能掩盖或扭曲待测信号，使得测量结果的准确性和可靠性降低，为了减小这种影响，测量仪器需要具备良好的电磁屏蔽和滤波能力，以隔离外部电场的干扰。

3、传统的电磁波传播模型大多基于理想化的假设条件，如均匀介质、无干扰源等，而在实际环境中，这些假设往往难以成立，对于火星环境中带电沙粒及其放电现象这种非均匀、动态变化的干扰源，传统模型往往无法准确描述其对电磁波传播的影响，此外，传统实验方法在研究带电沙粒及其放电对电磁波影响时，难以精确控制沙尘的浓度，导致实验结果的稳定性和可重复性受限，限制了对电磁波衰减机制深入理解的进展，因此，本发明旨在提出一种火星环境带电颗粒对电磁波影响的实验装置，探究火星环境中带电沙粒及其放电现象对电磁波传播的影响。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种火星环境带电颗粒对电磁波影响的实验装置及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、第一方面，一种火星环境带电颗粒对电磁波影响的实验装置，包括真空箱体，所述真空箱体内布设有沙粒起电系统、电磁波发射与接收系统、激光测量系统、真空与气体注射系统以及数据采集分析系统，其中，各系统间电信号连接；

4、所述沙粒起电系统，包括有一对平行设置的极板，其中下极板接地，上极板通过可调电源与电路相连，用于施加电压；沙粒起电系统包括两种极板处理方式，分别为非绝缘极板和绝缘极板，非绝缘极板配置下，带电沙粒触及上极板时会发生放电现象，允许同时测量放电和带电沙粒对电磁波的双重影响，绝缘极板配置下，通过覆盖绝缘材料减弱放电现象，主要测量单纯带电沙粒对电磁波的影响，排除放电效应的干扰；

5、所述电磁波发射与接收系统，包括设置于沙粒起电系统极板一侧的电磁波发射器和位于另一侧的接收器，通过比较有无沙粒及不同极板处理条件下的电磁波衰减情况，定量测量信号衰减，分析影响机制，发射器使用函数发生器生成正弦波，通过天线将电信号转化为电磁波，接收器位于另一侧，用于接收穿过沙粒区域的电磁波，并记录信号强度；

6、所述激光测量系统，包括激光器（如630nm波长激光笔）、激光功率计、亚克力盒子、大功率风机和电子秤，利用激光束穿过沙粒区域，通过测量激光的衰减量建立激光衰减量与沙粒质量浓度的关系式，标定沙粒质量浓度，实现非接触、高精度、实时性强的沙粒质量浓度监测，为实际测量中通过激光衰减量反推沙粒质量浓度提供依据；

7、所述真空与气体注射系统，包括真空机和二氧化碳注射器，用于将真空箱体内的环境转变为与火星大气环境相同的环境，模拟火星环境条件下的实验，以提高实验结果的可靠性，增加实验的现实意义和应用价值；

8、所述数据采集分析系统，包含可调电源、函数发生器、频谱仪以及数据处理软件（如python后处理程序），实时采集电磁波和激光的测量数据，通过python工具批量读取测量数据中的信号强度数据并转换为衰减量输出，进行数据分析和模型建立，提供强大的数据处理与分析能力，为理论研究与工程应用提供有力支持。

9、本发明技术方案的进一步改进在于：所述沙粒起电系统中，利用电场力使沙粒带电并起跳的过程为：

10、配置沙粒起电系统的极板，采用非绝缘极板和绝缘极板两种极板处理方式配置沙粒起电系统；

11、通过可调电源在上极板施加电压，形成电场，通过分析施加在极板间的电压和沙粒的等效电容，获取沙粒带电量，沙粒带电量采用库仑定律计算，其表达式为：，其中，是沙粒带电量，是沙粒的等效电容（与沙粒形状、大小及介电常数有关），是施加在极板间的电压；

12、在电场作用下，沙粒从电场中获得电荷，沙粒的带电状态和起跳高度可通过调整电压控制，通过分析沙粒带电量、单位电荷量以及沙粒质量，计算沙粒起跳高度，所述沙粒起跳高度的表达式为：，其中，是沙粒起跳高度，是重力加速度，是沙粒带电量，是单位电荷量，是沙粒质量；

13、本发明技术方案的进一步改进在于：所述电磁波发射与接收系统中，分析带电沙粒及其放电对电磁波影响的过程为：

14、设置电磁波发射器发射定向电磁波，并使用函数发生器生成正弦波，正弦波信号通过天线被转化为电磁波发射，通过天线将电信号高效地转化为电磁波，确保电磁波的传播方向性和稳定性；

15、接收器与电磁波发射器相对设置，用于接收穿过沙粒区域的电磁波信号，并记录其信号强度，以进行后续的数据处理和分析；

16、基于信号强度的变化，定量测量信号强度衰减量，并通过比较不同条件下信号强度衰减量的值，分析带电沙粒及其放电对电磁波的影响，其中，电磁波衰减的影响因素分别为带电沙粒的影响和放电现象的影响，其中，带电沙粒的影响中带电沙粒通过改变局部电介质常数，影响电磁波的传播速度和相位，放电现象的影响中放电产生的瞬态电磁场对电磁波造成干扰，极板处理方式对衰减的影响中，非绝缘极板方式下带电沙粒放电，电磁波衰减包含放电效应，绝缘极板方式下主要测量带电沙粒对电磁波的影响，排除放电效应，其中，信号强度衰减量的计算表达式为：，其中，为信号强度衰减量，为无沙粒时的基准功率，为有沙粒时的实验测量功率，通过比较不同条件下的值，分析带电沙粒及其放电对电磁波的具体影响机制，观察放电现象是否加剧了电磁波的衰减，或者单纯带电沙粒对电磁波的影响程度。

17、本发明技术方案的进一步改进在于：所述激光测量系统中，建立激光衰减量与沙粒质量浓度的关系式的过程为：

18、配置激光器、激光功率计、亚克力盒子、大功率风机以及电子秤，构建激光测量系统；

19、在没有沙粒的情况下，使激光束穿过空亚克力盒子，记录激光功率作为基准功率；

20、利用激光器发射激光束穿过沙粒区域，记录穿过沙粒后的激光功率，结合沙粒质量（即放入沙粒质量）和亚克力盒子体积（150×150×150mm），计算出沙粒质量浓度（单位体积内的沙粒质量），通过测量激光束在穿过沙粒前后的功率变化，计算出激光的衰减量；

21、对不同质量的沙粒样本进行重复实验，即调整沙粒质量浓度，并记录每一组实验数据，通过实验数据进行回归分析，获取多组不同沙粒质量浓度下的激光衰减量数据，拟合建立激光衰减量与沙粒质量浓度的关系式；

22、根据记录的激光的基准功率和穿过沙粒后的激光功率计算的激光的衰减量，结合已建立的激光衰减量与沙粒质量浓度的关系式，反推出沙粒质量浓度。

23、本发明技术方案的进一步改进在于：所述激光衰减量的计算表达式为：

24、；

25、其中，为激光衰减量，为基准功率，为穿过沙粒后的激光功率；

26、所述沙粒质量浓度与激光衰减量的表达式为：

27、；

28、其中，为激光衰减量，为沙粒质量浓度，通过实验数据确定。

29、本本发明技术方案的进一步改进在于：所述真空与气体注射系统中，将真空箱体内环境转变为与火星大气环境相同环境的过程为：

30、配置真空机和二氧化碳注射器，构建真空与气体注射系统以模拟火星的大气环境；

31、使用真空机将真空箱体内的空气抽出，直至达到预设的低气压水平，使真空箱体内的压力达到火星表面的平均气压，火星表面的平均气压为600帕；

32、根据真空箱体的体积和火星大气中二氧化碳的摩尔分数，计算需注入的二氧化碳量，并通过二氧化碳注射器向真空箱体内注入二氧化碳，直至达到模拟的火星大气成分比例，所述二氧化碳量的计算表达式为：

33、；

34、其中，为二氧化碳量，为目标气压，为气体常数，为真空箱体内的绝对温度，为真空箱体的体积，为火星大气中二氧化碳的摩尔分数；

35、维持真空箱体内压力和气体成分稳定，以确保实验条件的一致性，即可在调整好的火星模拟环境中进行带电颗粒对电磁波影响的实验。

36、本发明技术方案的进一步改进在于：所述数据采集分析系统中，数据分析和模型建立的过程为：

37、配置构建数据采集分析系统所需的可调电源、函数发生器、频谱仪以及数据处理软件，其中，可调电源为沙粒起电系统提供可调节的电压，函数发生器生成25mhz的频率和振幅的正弦波信号，用于驱动电磁波发射器，频谱仪用于测量和分析电磁波的频率和功率，数据处理软件为python后处理程序，用于批量读取测量数据，进行数据处理和分析；

38、通过可调电源和函数发生器设置实验所需的电源条件和信号波形，利用函数发生器产生正弦波信号，通过天线转化为电磁波，电磁波发射器发出电磁波，接收器接收穿过沙粒区域后的电磁波；

39、通过频谱仪测量电磁波的信号强度，配合激光功率计测量穿过沙粒区域前后的激光功率；

40、使用数据处理软件批量读取频谱仪和激光功率计的数据，从数据中提取出电磁波和激光的信号强度信息，将信号强度数据转换为衰减量，分别分析电磁波信号衰减量和激光信号衰减量，并根据实验数据建立数学模型，分析带电沙粒对分贝衰减量的影响，分别为电磁波分贝衰减量和激光分贝衰减量。

41、本发明技术方案的进一步改进在于：所述正弦波信号生成的表达式为：

42、；

43、其中，为正弦波信号，为电压振幅，为频率，为时间。

44、本发明技术方案的进一步改进在于：所述电磁波信号衰减量的表达式为：

45、；

46、其中，为电磁波信号衰减量，为无沙粒时的电磁波功率，为有沙粒时的电磁波功率；

47、所述激光信号衰减量的表达式为：

48、；

49、其中，为激光信号衰减量，为无沙粒时的激光功率，为有沙粒时的激光功率；

50、所述电磁波分贝衰减量的表达式为：

51、；

52、其中，为电磁波分贝衰减量，为无沙粒时的电磁波功率，为有沙粒时的电磁波功率；

53、所述激光分贝衰减量的表达式为：

54、；

55、其中，为激光分贝衰减量，为无沙粒时的激光功率，为有沙粒时的激光功率。

56、第二方面，一种火星环境带电颗粒对电磁波影响的实验方法，基于火星环境带电颗粒对电磁波影响的实验装置而实现，包括以下步骤：

57、步骤1，配置实验装备，在真空箱体内设置沙粒起电系统、电磁波发射与接收系统以及激光测量系统，其中，通过设置平行的上极板和下极板，采用非绝缘或绝缘极板处理方式，配置沙粒起电系统，通过可调电源在上极板施加电压，使沙粒在电场中带电并起跳；将电磁波发射器和接收器安装在沙粒起电系统的极板一侧和另一侧，确保发射器能够发出定向电磁波，接收器能够接收穿过沙粒区域后的电磁波；激光测量系统包括激光器（如630nm波长激光笔）、激光功率计以及标定所需的亚克力盒子、大功率风机、电子秤；

58、步骤2，使用激光功率计和频谱仪进行校准，确保测量准确，并在无沙粒情况下，开启极板间电压，使用频谱仪测量并记录电磁波的强度作为基准数据；

59、步骤3，根据需要选择非绝缘极板或绝缘极板进行实验，分别测量放电效应与单纯带电沙粒效应，在极板间放置一定量的沙粒，通过可调电源对上极板施加电压，使沙粒带电并在电场作用下起跳；

60、步骤4，使用函数发生器生成25mhz的频率和振幅的正弦波信号，通过天线转化为电磁波发射，开启接收器，接收穿过沙粒区域后的电磁波，并使用频谱仪测量并记录电磁波的信号强度；

61、步骤5，使用激光功率计测量激光束穿过空盒子和均匀混合沙粒云后的功率，计算激光衰减量，并利用激光衰减量与沙粒质量浓度的关系式，实时计算沙粒质量浓度；

62、步骤6，使用python后处理程序批量读取频谱仪和激光功率计的数据，从数据中提取电磁波和激光的信号强度信息，将信号强度数据转换为衰减量，根据实验数据建立数学模型，分析带电沙粒对电磁波衰减的影响。

63、由于采用了上述技术方案，本发明相对现有技术来说，取得的技术进步是：

64、1、本发明提供一种火星环境带电颗粒对电磁波影响的实验装置及方法，通过精确控制实验条件，分别测量带电沙粒及其放电对电磁波的双重影响，以及单纯带电沙粒对电磁波的影响，精确控制和实时监测能力大大提高了实验结果的准确性和可靠性，为深入研究火星环境带电颗粒对电磁波的影响提供了有力支持，同时，实验装置还具备操作简便易行、适用范围广和数据处理与分析能力强等优点，具有显著的技术优势和实际应用价值。

65、2、本发明提供一种火星环境带电颗粒对电磁波影响的实验装置及方法，通过双模式极板设计，能够精确控制带电沙粒的带电状态、起跳高度、速度和数量，从而实现对沙尘浓度的间接控制，克服了传统实验中沙尘浓度难以精确控制的缺点，使得实验条件更加稳定和可重复，同时，利用激光标定与实时监测系统实时监测沙粒质量浓度的变化，为电磁波衰减的测量提供了即时、准确的数据支持，大大提高了实验结果的准确性和可靠性，为深入研究带电沙粒及其放电对电磁波的影响提供了有力支持。

66、3、本发明提供一种火星环境带电颗粒对电磁波影响的实验装置及方法，设计非绝缘极板和绝缘极板两种模式，分别用于测量带电沙粒及其放电对电磁波的双重影响，以及单纯带电沙粒对电磁波的影响，使得实验能够灵活切换，有效区分了带电沙粒和放电效应对电磁波的不同影响，避免了传统实验中难以区分的干扰因素，通过对比分析不同条件下的实验结果，可更加准确地揭示带电沙粒及其放电现象对电磁波传播特性的影响机制。

67、4、本发明提供一种火星环境带电颗粒对电磁波影响的实验装置及方法，通过激光标定能够实时监测沙粒质量浓度的变化，为电磁波衰减的测量提供即时、准确的数据支持，使得实验过程更加灵活可控，能够迅速响应实验条件的变化，确保实验结果的稳定性和可重复性，同时，通过实时反馈沙粒质量浓度的变化信息，实验人员可以及时调整实验参数，优化实验条件，提高实验效率。