探空湿度测量太阳辐射误差修正流体动力学研究

针对太阳辐射加热导致的误差显著限制了相对湿度测量的准确度,提出一种新颖的相对湿度误差修正方法—–基于流体动力学的数值分析法.在流体-固体耦合传热数值模拟分析中考虑探空湿度传感器的外部热环境情况,施加对流-太阳辐射耦合热边界条件,建立了地面到32 km高空不同气压和温度条件下探空湿度传感器的温度误差分析模型.结合Goff-Gratch饱和水汽压逼近公式,进而提出了相应的相对湿度误差流体动力学数值分析模型,并且着重研究了太阳辐射方向、传感器尺寸、反射率和衬底材料热导率等物理参数对相对湿度误差的影响.分析数值仿真结果表明:随着海拨的升高,其与太阳辐射加热引起的相对湿度误差之间存在非线性的单调递增关系;太阳辐射方向对于湿度测量精度的影响显著,当太阳辐射方向垂直于传感器正面时误差最大、传感器顶部时次之、侧面时误差最小;虽然通过减小探空湿度传感器的尺寸、降低衬底材料的热导率以及提高反射率均可以一定程度地降低太阳辐射加热引起的相对湿度误差,但是在低气压高空条件下,太阳辐射加热误差对于湿度准确性的影响仍然十分明显,需加以修正.与实验结果对比表明,基于流体动力学模拟仿真的相对湿度误差数值分析法为辐射误差修正提供了一种新的途径.     

用于气象观测的阵列式温度传感器流体动力学分析与实验研究

传统百叶箱和防辐射罩内部的温度传感器受到太阳辐射会导致其温度高于大气真实温度, 升温量可达0.8 K甚至更高. 为提高大气温度观测精度, 本文设计了一种阵列式温度传感器. 利用计算流体动力学方法分析计算该传感器在不同环境条件下的辐射升温量, 采用遗传算法对计算结果进行拟合, 获得辐射升温量修正方程. 为验证阵列式温度传感器的实际性能, 研制了强制通风温度测量平台. 将阵列式温度传感器、配有传统防辐射罩的温度传感器和强制通风温度测量平台置于相同环境下, 进行大气温度观测比对实验. 配有传统防辐射罩的温度传感器辐射升温量平均值为0.409 K; 与前者相比, 阵列式温度传感器的辐射升温量仅为0.027 K. 这种阵列式温度传感器可将辐射升温引起的误差降低约93%. 辐射升温量实验测量值与修正方程修正值之间的平均偏移量为0.0174 K, 均方根误差为0.0215 K, 该结果验证了计算流体动力学方法与遗传算法的准确性. 如果配合计算流体动力学方法与遗传算法, 温度测量精度有进一步提高的潜力.     

太阳辐射观测仪余弦误差修正方法

为了提高太阳辐射观测仪测量准确度,针对余弦校正器自身漫射特性和菲涅耳反射引起的余弦误差,研究了不同安装形式、不同结构下修正余弦误差的方法.结合太阳辐射特性和余弦误差的产生因素,提出了余弦校正器外露、余弦器外露配合挡光环两种安装形式下的余弦误差修正方法,以及余弦校正器、积分腔两种结构形式下的余弦误差修正方法.根据太阳辐射观测仪的使用要求,利用TracePro对不同安装方式下的余弦误差进行建模仿真,利用高准直性太阳模拟器配合转台和转臂模拟不同方向的准直太阳光,并实测余弦误差.实测结果表明,余弦器外露配合挡光环形式下,入射角小于±80°,余弦误差可优于±6%.该修正方法可有效地减小太阳辐射光大入射角情况下的余弦误差,提高太阳辐射观测准确度.     

非线性薛定谔方程的多模局部误差计算准则

提出三种求解多模光纤非线性传输方程的误差估计准则—max,sum,ave准则,将多模误差向量转换为误差标量,基于对称分步傅里叶的局部误差法实现多模传输自适应步长统一变化.通过仿真高斯脉冲在渐变折射率多模光纤中的传输,验证了定变步长方法在不同准则下局部误差与全局误差的性能.实验结果表明三种准则的变步长算法都具有收敛性,且利用sum准则计算局部误差控制步长变化,在相同计算量的情况下能得到更高的数值精度,相同全局误差的情况下计算量相对更少,对进一步提高多模非线性传输方程的计算效率有参考意义.     

视场角和定位误差在光谱辐射亮度测量中的影响

为了减小不同光谱辐射计间瞄准区域差异带来的光谱辐射亮度不一致性,讨论了视场角及定位对于测量准确性的影响。通过建立太阳光白板和卤钨灯白板系统光路下的光谱辐射亮度测量模型,分析了不同几何光路视场区域平均辐射亮度与中心辐射亮度的差异。数值模拟表明,太阳光白板光路修正因子仅与视场角大小有关;卤钨灯白板光路修正因子随测量距离增大而减小,距离600 mm时8°和14°视场角的修正因子分别变为0.993 5和0.980 2。最后,实验验证了卤钨灯白板系统下角度误差和位移误差对光谱辐射亮度的影响。结果表明,修正因子对水平方向的角度误差和位移误差呈现非对称性,两侧差异高达2%。因此,依据视场角和几何定位可以对测量结果进行数据修正,有助于提升光谱辐射亮度测量不确定度水平。     

大气压下自由燃烧弧的温度场和速度场的数值模拟

采用标准SIMPLE算法，并作了一些修正，给出了具体的计算步骤和流程图，将其应用于磁流体动力学(MHD)方程进行数值求解．得到了轴对称情况下，自由燃烧弧的温度场和速度场的分布，并和实验结果进行了比较。分析了不同辐射模型对温度场的影响，发现辐射导致电弧温度降低，但不同的辐射模型对于电弧的温度影响不大。     

Hilber-Hughes-Taylor-α法在接触约束多体系统动力学中的应用

以柔性梁在重力作用下绕转动铰做大范围定轴转动,并与刚性平面发生碰撞这一动力学过程为例,对Hilber-Hughes-Taylor(HHT-α)法在求解含接触约束的柔性多体系统动力学方程时的数值特性进行了研究.系统运动过程的全局动力学仿真由常微分方程组和微分-代数方程组的数值求解构成.柔性梁在无碰撞阶段系统动力学方程是一组常微分方程组.采用接触约束法模拟接触约束过程,系统的动力学方程为指标3的微分-代数方程组.采用HHT-α法对的该微分-代数方程组进行求解,并与Baumgarte违约修正法进行比较.分析了HHT-α法自由参数和违约修正常数对计算效率、动力学响应和系统机械能的影响,并对数值积分方法对模态截断数的敏感度以及速度约束和加速度约束的违约程度进行了分析.结果表明,违约修正常数对仿真结果影响非常明显,而HHT-α法的自由参数α对动力学响应的影响较小,从而避免了违约修正常数对数值积分结果的影响.HHT-α法的自由参数α可以消除碰撞高频模态的影响.     

空间差分格式对有限体积法数值散射的影响

数值散射是辐射传递方程近似算法中最常见的离散误差。本文主要讨论空间差分格式对有限体积法数值散射的影响。构造激光平行及倾斜入射的物理模型,验证和比较阶梯格式、中心差分格式及指数格式下温度场的计算精度及数值散射特性。计算结果表明,在激光平行入射与倾斜入射两种情况下,阶梯格式引起的的数值散射比菱形格式及指数格式要多,但其计算精度高于菱形及指数格式。不同激光入射条件下,各种差分格式表现出的数值散射分布有明显的差异。     

非定常辐射输运问题的蒙特卡罗自适应偏倚抽样

用蒙特卡罗(MC)方法模拟高温、高压、多介质、大变形辐射输运问题时,由于网格体积悬殊,导致各网格通量的统计误差涨落很大,随着时间步的增加,误差积累甚至会导致计算结果失真.为此,发展了针对全局网格计算的源偏倚抽样技巧.用于源偏倚抽样的价值函数基于上个时间步各网格通量及误差,通过加权构造产生,它比传统MC通过解伴随方程获取价值的性价比要高得多.数值试验表明,全局源偏倚抽样通过自适应分配当前时间步各网格的粒子数,有效地降低了当前步重要网格通量误差. 关键词： 非定常 辐射输运 蒙特卡罗 源偏倚抽样     

辐射传输的格子Boltzmann模拟

辐射动力学理论是描述辐射传输是重要手段,基于此,本文建立了辐射能和辐射动量守恒方程,并基于Chapman-Enskog多尺度展开方法实现了从辐射传输Boltzmann方程到宏观方程的推导,进而建立了适于一维辐射传输的2分量格子Boltzmann模型。数值结果与精确解吻合较好,表明本文提出的LBM方法具有很好的准确性和稳...     

发射率限定辐射测温原理

辐射测温技术随着辐射测量传感器技术的进步而不断进步,已经由单波长测温发展到多波长和多波段测温,由点温测量发展到二维甚至三维温度场测量。但是在辐射测温更精确反演方面,却很难克服因发射率未知性而引起的模型构建误差。发射率行为难以确定并极大地影响了测温精度,急需发展一种具有通用性,不受发射率具体行为限制,具有较高稳定性的辐射测温方法。双波长测温适用于发射率具有灰体行为的物体温度测量,一系列的发射率补偿算法和波长选择方法均未能很好地实现通用性测量,往往直接单色测量可能误差比比色法更小。多波长测温得到广泛应用,但并不是波长越多越好,发射率模型仍然具有较大局限性。提出了发射率直接限定算法和发射率松驰限定算法来反演温度。在发射率限定条件相同时,这两种方法是等价的。发射率松驰限定算法基于最小二乘算法和松驰因子进行真温求解。推导了松驰限定法的误差传递公式,发现在保证测量信号强度的前提下,λT越小温度误差越小;发射率行为对温度相对误差具有重要影响,在相同的λT条件下,发射率随波长变化越大,在限定区间上覆盖越均匀,测量误差越小。但从直接限定算法可以看出所测波长数越多,测量误差越小。两种方法均可以看出,减少限定区间长度也可以显著地提高测量精度。     

Error analysis of two-wavelength absorption-based fibre-optic sensors

An error analysis of two-wavelength absorption-based fibre-optic sensors is presented in this paper. A general formulation to express the measurement error and the error induced by the instability of the light power input into the absorbing sample to be measured is derived. Using this formulation, two common and important errors in this type of sensor, temperature fluctuation of light sources and bending optical fibres, are numerically discussed as illustrative examples. The analyses can be applied to both transmission-type and reflection-type absorption-based fibre-optic sensors.     

低空无人机航空摄影高度自动测量方法研究

为提高产品外观质量的检测精度和实时性,提出一种基于特征融合的多尺度滑动窗口机器视觉检测方法。在训练阶段,首先提取图像的HOG特征和Lab颜色特征,并采用典型相关分析法(CCA)进行特征融合。接下来,采用支持向量机(SVM)对融合的特征进行训练,生成分类器。在检测阶段,产品外观不同区域对精度的要求不同,为提高检测效率,生成不同尺度的滑动窗口,在每个窗口中都进行图像的特征提取与特征融合。最后,对采集的图像序列进行匹配,实现产品外观划痕的实时检测。实验中,选取不同的特征提取方法进行对比,并分别生成大小不同的滑动窗口,通过分析实验结果,结合检测时间与精度,确定各个区域的窗口尺度。实验表明,与传统的检测方法相比,所提方法在检测精度和实时性上具有显著提高。     

光纤光栅传感器交叉敏感问题研究

交叉敏感问题是光纤光栅传感器在实际应用中需面对的一个关键问题。从光纤Bragg光栅的传感理论出发，分析了光纤光栅在同时测量应变和温度时引起交叉敏感的物理机理，建立了带有温度-应变交叉灵敏度系数的光纤Bragg光栅反射波长方程。利用双波长矩阵算法针对上述建立的光纤光栅方程进行了误差分析，获取了在交叉敏感情况下温度和应变的相对误差曲线图。结合相对误差表达式和曲线图分析讨论了交叉敏感对测量带来的影响。结果表明在温度和应力测量中随着测量温度或者应变变化量的增大，忽略交叉敏感项而带来的测量误差越来越明显。     

利用地球红外辐射的旋转飞行体姿态估计方法

针对导航控制系统对姿态测试技术多元化、新型化和低成本的要求, 提出了一种基于地球红外辐射的旋转飞行体姿态估计方法. 首先, 根据地球红外辐射的产生机理, 结合红外辐射在大气中的传播规律, 建立了地球红外辐射模型. 然后, 分析了旋转飞行体的运动特征, 构建了红外传感器的测量模型. 为了探索红外传感器的输出信号与旋转飞行体的姿态信息之间的内在联系, 研究了不同姿态角和视场角下的传感器输出信号特征. 最后, 为了提高旋转飞行体的姿态测试精度, 设计了基于三轴红外传感器的扩展卡尔曼滤波算法来估计姿态角和横滚角速度. 结果表明: 利用地球红外辐射场进行姿态测试的方法有效可行, 俯仰角估计误差在±0.1°, 横滚角估计误差在±0.05°, 横滚角速度估计误差在±1 rad/s. 该姿态测量方法简单有效, 能够满足旋转飞行体的姿态测量要求.     

LIGHT SCATTERING AND INFRARED RADIATION OF SPATIAL OBJECTS

In this paper, the characteristic of light scattering and infrared radiation of spatial objects are discussed. The spectral distribution of solar, sky and earth background radiation is given. Based on theories of heat transfer, background radiation and the law of energy conservation, the thermal balance equation for spatial objects can be obtained. With the equation solved and thermal meshwork method, the variation of the thermal equilibrium temperature and radiation power with height is discussed under the conditions of different time zone and altitude.     

缺陷关联参数红外检测Levenberg-Marquardt改进识别算法研究

对Levenberg-Marquardt(LM)算法在缺陷参数估计修正过程中无法确保参数几何关联性的局限性进行改进,并保留原算法快速收敛的特性.以二维试件内部矩形缺陷红外检测为例,采用数值实验方法比较改进前后的LM算法,分析初始假设、红外测温误差对缺陷定量识别结果的影响.数值实验表明:改进后的LM算法参数修正过程中确保了关联性的一致性;不同初始假设对缺陷识别结果的影响不大;受红外测温误差的影响,各缺陷参数之间表现出不同的识别精度.     

Analysis of solution accuracy for direct and inverse problems of astronomical refraction using experimental data

In this paper we analyze the actually attainable accuracy of refractive index reconstruction in the optical range from the solution of the inverse problem of astronomical refraction, processing a large set of data of simultaneous astronomical and aerological measurements. Two main results are obtained. First, standard deviations of the measured values of astronomical refraction from those calculated from the sounding data are determined, which allows us to estimate the effective error in refraction measurement and analyze its components. Second, comparing the reconstructed altitude profiles of atmospheric parameters with the sounding data, we estimate the maximum errors in the profile reconstruction and analyze their structure. Radiopysical Research Institute, Nizhny Novgorod, Russia. Translated from Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Radiofizika, Vol. 40, No. 6, pp. 682–687, June, 1997.