1.研究背景
当返回式航天器以高超声速再入地球大气层时，航天器与大气摩擦产生极高压强和温度，使得航天器周围大气处于热化学非平衡状态并发生电离，产生致密的等离子体鞘套。等离子体鞘套将吸收、反射和散射电磁波能量，造成测控通信信号功率降低、幅度衰减与相位畸变，导致航天器再入大气过程中通信、导航、遥测的长时间中断，出现“黑障”现象。目前国内外研究人员提出多种“黑障”缓解方法，主要分为主动法与被动法。①主动法：通过主动干预再入绕流场分布特征降低等离子体电子密度以提高电磁波透射能力的方法，包括亲电子物质注入、正交二维电磁场、行波磁场等。②被动法：通过不改变再入绕流场分布特征而改变电磁波频段等方式以提高电磁波透射能力的方法，包括高频法、低频法、太赫兹法、激光法等。
近年来，低频电磁波在等离子体鞘套中独特的传播特性受到持续关注。研究人员建立了基于屏蔽效能原理的低频电磁波传播理论以刻画低频电磁波在等离子体鞘套中传播特性，理论指出当电磁波频率远远低于等离子体频率和碰撞频率时（即ωc<<ωp，ωc<<ve，低频电磁波频段为100khz~30mhz），其磁场分量衰减远远低于电场分量衰减，通过低频电磁波磁场分量很可能大幅降低黑障区时间缓解黑障影响。该理论中等离子体鞘套被等效为稳态模型，电子密度与碰撞频率等参数保持时不变特性，如无限大平面等离子体模型、球壳模型、圆柱模型等。
然而，再入绕流场等离子体鞘套是一种耦合复杂流体特征的动态等离子体，使得电磁波产生时变衰减、时变相移、功率谱弥散等特性，现有静态等离子体模型只能计算出低频电磁波稳态衰减，无法更精细刻画动态等离子体造成的时变特性和幅相统计规律，这些统计规律的缺失严重阻碍了低频段动态等离子体信道特性的研究。因此，基于低频电磁波传播特性的动态等离子体信道模型与特性有待被建立分析。
本文将建立适用于低频电磁波频段的动态等离子体信道模型理论，基于等效电路方法建立低频电磁波在动态等离子体信道响应，推导该信道的一阶统计特性，包括幅度概率密度函数、相移概率密度函数、功率谱密度函数。采用再入绕流场典型等离子体参数分析低频段动态等离子体信道特性，验证该信道理论的有效性。本文的研究将为再入黑障区低频电磁波通信方法、性能评估、调制方式等方面奠定理论基础。
2.文章梗概
考虑低频电磁波在等离子体鞘套下强穿透能力，低频法被认为是一种缓解黑障影响的可行方法。现有研究建立了低频电磁波在稳态等离子体鞘套下衰减模型，但是忽略了动态等离子体信道对信号的影响，缺乏对该信道特性的深入认识。因此，对动态等离子体低频电磁波信道特性开展研究，以动态等离子体信道响应为基础，结合有色高斯分布时变电子密度模型，建立了动态等离子体信道统计模型，获得了该信道一阶统计特性，幅度概率密度函数Pr（r）为幂函数-高斯函数结合分布，相移概率密度函数Pφ（φ）为正切函数-高斯函数结合分布，功率谱密度函数SHi（ω）为有色噪声分布。为验证该信道统计模型有效性， 开展多种状态的数值仿真（电子密度1018~1019/m3，碰撞频率1 ~ 5GHz，低频电磁波频率1~30MHz），仿真结果与理论结果高度吻合。随着电子密度从1018/m3增大1019/m3，幅度、相移随机波动程度增强，Pr（r）均值μr从1.33增大至34.04，标准差σr从0.13增大至14.34；Pφ（φ）均值μφ从0.58增大至5.81，标准差σφ从0.11增大至1.19，功率谱发生衰减和展宽现象。刻画的动态等离子体低频电磁波信道，对低频通信调制算法设计和性能评估具有重要意义。
3.总结与展望
为研究在动态等离子体信道对低频电磁波造成的衰落特性，本文基于等效电路法建立了动态等离子体下低频电磁波信道响应，再结合动态等离子体电子密度服从有色高斯分布的特点，获得了动态等离子体低频电磁波信道统计模型，具体包括幅度概率密度函数、相移概率密度函数、功率谱密度函数。通过对不同电子密度、碰撞频率、低频电磁波频率参数的数值仿真分析，充分验证了提出的动态等离子体低频电磁波信道统计模型的有效性与正确性。数值仿真结果表明动态等离子体造成了幅度与相移的随机波动，随机波动统计分析结果与该信道统计模型高度吻合，幅度服从幂函数-高斯函数结合分布，相移服从正切函数-高斯函数结合分布，功率谱密度服从有色噪声分布，功率谱密度出现展宽现象而不再是单峰函数。
本文建立了动态等离子体低频电磁波信道统计模型及其信道特性，研究结果有助于深入认识动态等离子体对低频电磁波造成的影响，能够为后续低频电磁波通信方法选择、通信性能评估、通信系统可靠性提升等方面提供重要的先验理论支撑。后续对返回式航天器（如载人飞船、可重复使用高速飞行器、返回式卫星等）在使用低频法缩短黑障区时间保证上下行链路关键信息传递时，可结合航天器再入弹道，分析动态等离子体鞘套特征，采用该信道统计模型评估多种通信方法的误码率和中断概率等性能，以缩短黑障区影响。
