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(1)动态等离子鞘套模拟系统

国内独创研制成功等离子鞘套地面模拟系统”

    为了解决现有基于气动物理方法产生高速目标等离子体准备时间长、试验时间短、重复性差、代价高等一系列问题,利用低压扩散辉光放电产生大面积等离子体的新方法,设计并建造了“动态等离子鞘套模拟系统”(2013, Phys. Plasmas),解决了大面积均匀非磁化等离子体的产生、维持、电子密度控制等一系列技术难题,在国内首次在实验室环境下实现电子密度连续可控、大尺度、长时间持续的等离鞘套模拟;还能够模拟再入全程的等离子鞘套的动态变化全过程,并成功进行了地面“黑障”的连续再现(2013, Rev. Sci. Instrum.)。该系统大幅提高了再入黑障的复现时间和实验效率,在973、863、国家重大科技专项等相关项目中承担关键的实验任务,并已经直接应用于我国某重大航天型号工程的地面测试任务。

参研学生:刘东林、白博文、杨敏、邵明绪

相关链接

点击下载:论文《等离子鞘套地面模拟技术及电波传播实验研究》

点击下载:论文《Reproducing continuous radio blackout using glow discharge plasma》(黑障复现)

(2)高时频稳定度脉冲星光子信号地面模拟系统

     X射线脉冲星是一种高速自转且具有超强磁场的中子星,具有极其稳定的自转周期,尤其是毫秒脉冲星的自转周期变化率达到10-19~10-21。脉冲星在射电、红外、可见光、紫外、X射线和γ射线等电磁波频段产生信号辐射,其位置一个世纪才会改变1角秒。脉冲星在宇宙中的“天然灯塔”特性,可以作为星际航行的导航信号源。与GPS导航原理类似,通过比较航天器接收到的脉冲星信号轮廓的到达时间差,根据三球交汇原理,就可以解算航天器相对位置,从而为深空、星际空间航天器提供位置、速度、时间及姿态等信息。

    

    然而,脉冲星发出的X射线光子极其微弱,而且无法穿透地球大气,因此至少要在大气层外才能开展探测实验。本系统能够在地面模拟脉冲星的微弱光子流信号,解决高时频稳定度脉冲星模拟光源、微弱光子流概率调制、单光子检测和时间标记、多物理特性模拟等技术难题,实现了对脉冲星光子的地面物理模拟,支撑了脉冲星探测、脉冲星轮廓恢复、脉冲星导航等多方面的科学研究。

 

(左)第一代:高稳定度脉冲星光子信号模拟系统   (中)第二代:具有多物理特性的脉冲星光子信号模拟系统  (右)模拟光子流恢复轮廓与RXTE卫星实测数据结果比较

参研学生:傅灵忠、刘洋、刘兵

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点击下载:《高稳定度X射线脉冲星信号模拟》

 

(3)利用驻波检测和自适应码率穿透等离子鞘套的再入通信方法

    提出一种与重返大气层的飞船保持连续通信的新方法,并且在地面原理性实验中得到验证。这一通信方式有望缓解通信“黑障”问题,而且也可被用在其他10马赫以上超音速飞行器上,例如未来的空天飞机。尤其是这种新通信方法无须携带附加设施,且具备工程应用潜力 。

    飞船重返地球大气层时,因剧烈摩擦被数千摄氏度高温气体所环绕,这样的高温足以使空气电离而变得具有导电性,这层包裹于飞船表面的电离气体被称作“等离子鞘”,绝大多数情况下会屏蔽电磁波信号,切断飞行器与外部的联系,这就是所谓的“黑障”现象。

    以往的研究思路是诸如通过施加强磁场约束等离子层中的电子,或者向等离子层中喷入降温液以减少电子密度等物理方法,而我们团队提出利用驻波检测和自适应码率穿透等离子鞘套的再入通信方法,不需要携带任何额外的附加设施,甚至可以与现有的测控系统保持兼容,具备工程应用的潜力。

参研学生:白博文、杨敏、周辉

相关链接:

点击下载:Re-entry communication through a plasma sheath using standing wave detection and adaptive data rate control 

点击链接:新闻报道(科普版)

点击链接:新闻报道(中国科学网)

(4)大功率无线供电及携能通信系统

  无线供电技术切断了电子设备的“最后一根电缆”——电源线。我们的研究主要关注大功率、高效率的无线供电技术,除了无接触之外,还带来无火花、高可靠等优点,可应用于危险气体环境、全密封电子设备、水下/地下/皮下埋植电子设备、各类转台/机器关节、各种无线终端等电子设备的供电或充电。  

  携能通信是无线供电技术的发展方向之一,实现了能量和数据信息一体化传输。我们已经将它应用于工业领域,替代旋转滑环部件、具有无接触、无阻力、无磨损、长寿命、无火花(危险气体适用)等特点。可用于各类转台、天线座、塔台、自动化加工等高可靠旋转应用场合。   

  我们研制的钻井随钻携能通信系统,已经成功应用于我国某新型水平钻井系统,解决了跨越125摄氏度的高温高压泥浆,同时进行600W功率传输和1Mbps数据传输的难题。下井试验一次成功!

 

参研学生:刘东林、郭世忠、黄岸丰、陈刘浩

相关链接:

点击下载:《大功率无线供电技术研究介绍》

 

 

 

(5)极微弱电流检测及应用

    许多重要的物理、化学现象伴随着电学效应。极微弱信号检测是探索及发现新的自然规律的重要手段,对推动空间观测、环境监测、光电学、水声学、电化学、放射学等领域的发展具有重要的应用价值。

1)宽带超低噪声前置放大器

    在极高互阻前置电流放大器中,创新地引入了人工负电容(Artificial Negative Capacitor),抵消了无法避免的分布电容影响,在保证亚fA级的低噪声特性前提下,将互阻增益带宽积拓展了数十倍。[Review of Scientific Instruments, 2016, 87 (4): 046102]

2)浅层地下信标定位及搜索技术

针对空投落地并埋入浅层土壤的xx型空投实验装置的回收,研制了微型磁信号信标发射机,以及配套的超低噪声信号接收机,其本底噪声优于0.7nV/sqrtHz,并设计了新颖的磁偏调制方式[发明专利:ZL201610648167.8]。配合定向天线,可实现对钻入地表、落入水体的信标进行广域搜索和定位。

 

3)水体环芳烃污染荧光检测仪

    当前水污染问题日趋严重,其中含有苯环芳烃的致癌有机物对水体的污染不容忽视。快速准确地测定水中环芳烃含量,判断污染的性质和来源,对于实施水环境监测管理及污染防治具有重要意义。利用环芳烃类物质受到紫外光照射会激发出二次荧光的性质,借助微弱光电信号检测技术,实现0.01pA灵敏度的微弱荧光光电信号检测,从而实现亚痕量(10bpm)污染物的实时、快速在线检测。

 

 

(6)闪电氧原子光学辐射地面模拟实验系统

用于2016年发射的FY-4卫星所携带的闪电成像仪的地面测试任务

参研学生: 任行、孙斌、李瑶

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