戈壁地区近地面折射率结构常数统计特性分析

利用温度脉动仪对大气折射率结构常数进行测量,通过在铁塔上不同测量高度架设温度脉动仪,对戈壁地区近地面层开展长期连续测量。从各测量高度折射率结构常数的累积概率、偏度与峰度、季节变化、高度经验关系等四个方面对大量实验数据统计分析,结果表明:测量地区大气折射率结构常数白天和夜间的累积概率以18m为区别界限,表现出明显的不同;所有测量高度折射率结构常数的概率分布均表现出右偏、平峰特性;季节变化对低层折射率结构常数的影响更为明显;测量地区折射率结构常数随高度变化的经验公式表明,白天折射率结构常数随高度递减接近"-2/3"指数,夜间折射率结构常数的高度变化则是表现出层次性,低层折射率结构常数随高度递减接近"-0.16"指数,而高层变化则接近"-1.05"指数。     

陆地和近海面大气光学湍流估算与测量

基于Monin-Obukhov相似性理论,采用MARIAH算法,利用成都和茂名两个地区、两个高度层上的温度、湿度、风速等常规气象参数估算折射率结构常数,并对估算值与温度脉动仪测量值进行比较分析。结果显示:利用常规气象参数估算得到的成都与茂名的折射率结构常数在变化趋势及量级上基本符合温度脉动仪测量值。成都和茂名的折射率结构常数估算值与测量值的相关系数分别为0.86与0.92,平均绝对值偏差分别为0.410与0.414。因此,采用MARIAH算法估算陆地和近海面大气光学折射率结构常数是可行的;茂名中午时刻的折射率结构常数峰值比成都大一个量级。     

利用湍流廓线获得斜程大气相干长度的实验研究

 用两种方法获得有限高度斜程大气相干长度。一种方法用安置在测量铁塔上的温度脉动仪以及多普勒声雷达测量了大气边界层下部折射率结构常数廓线，用以计算有限高度球面波斜程大气相干长度；另一种方法用系留气球搭载一个点光源，在地面用差分光学系统接收球面波到达角起伏法测量了实时斜程大气相干长度。对实验结果进行了比较和分析，二者都反映了实际大气斜程相干长度的时间变化特点。两种方法结果的相关性比较好，因此两种方法都可以在大气光学传输研究中应用。最后在实验的基础上对湍流廓线计算球面波斜程大气相干长度作了讨论。     

戈壁地区折射率结构常数高度分布的统计特性

通过以系留气球和探空气球为平台的方式, 搭载温度脉动仪在戈壁地区对大气折射率结构常数开展长期测量。对获取的实验数据开展统计分析, 探讨了在白天与夜间折射率结构常数的平均情况、高度分布、偏度与峰度、季节的强弱特性等四个方面的内容, 结果表明:在测量地区, 随高度分布的大气折射率结构常数在白天和夜间的算术平均值和对数平均值的比值会有较大的差异, 并且白天和夜间的对数平均值和标准差系数随高度分布各有其特点, 表现在随高度整体减小的同时会有起伏出现, 尤其是夜间;白天和夜间的偏度与峰度主要表现出右偏和尖峰特性, 在高度分布上有所不同;季节变化对湍流的强弱分布产生明显影响, 集中体现在中性湍流和弱湍流分布情况随高度发生交互变化。     

近地面层大气折射率结构常数的模式研究

 运用Bulk方法对东南沿海和合肥一水库附近的折射率结构常数进行了估算，为避免海边海盐对金属丝的污染，用高精度超声风速仪替代温度脉动仪测量折射率结构常数。模式主要输入的参数有气温、地表面温度、湿度、风速及测量点高度。结果表明：运用Bulk方法估算折射率结构常数是可行的，相似性函数分别采用Frederickson公式与Thiermann公式，差别不大；直接测量海面上折射率结构常数比较困难，通过输入海表面温度、海面上的粗糙度长度以及适合的相似性函数，可用于估算海面上的折射率结构常数。     

湍流气象探空仪的研制及其性能分析

 最新研制的湍流气象探空仪是将温度脉动仪附加在常规气象探空仪上,实现了两路折射率结构常数、温湿压常规气象参数、温度谱等测量。通过在合肥和长春的实验表明该系统具有较高的测量精度和稳定性,在高空低温动态条件下探空仪系统噪声与温度脉动仪地面常温静态条件下的噪声相当。探空系统噪声引起的等效折射率结构常数小于2×10^-18 m^-2/3。能服务于激光传输、大气质量评价及天文台选址等相关领域对大气光学湍流研究的需要。     

超声波法测量大气折射率结构常数

 用AMK-02型超声波大气参数综合测量仪同时测量了常规气象参数和大气折射率结构常数C²_n,分析并找出了该仪器给出的C²_n在转换时刻与热丝温度脉动仪的测量结果差异较大的原因,是由于超声波法测量温度脉动精度太低,只能达到0.01 K。同时建立了另一种适用于超声波仪计算C²_n的方法,即利用该仪器准确的常规气象参数计算C²_n,其计算结果与热丝温度脉动仪的测量结果吻合较好。     

近地面湍流对整层湍流的贡献及相关研究

用由HTP-2型温度脉动仪和WXT520气象传感器组成的近地面参数测量系统以及大气相干长度仪的两年观测数据分析了西北高原地区近地面湍流。近地面参数测量系统分两层分别搭建在6 m和2 m高度上。温度脉动仪测量折射率结构常数,气象传感器测量常规气象参数,大气相干长度仪测量大气相干长度。分析结果表明:不同高度的折射率结构常数随高度按幂指数规律变化,白天幂指数平均值为-0.8,夜间为-0.3。用相干长度比评估近地面湍流层对整层湍流的贡献,结果表明:相干长度比有明显的日变化特征,白天小而夜间大;不同月份相干长度比日变化趋势和大小均不同。讨论了近地面局地视宁度与局地温差的关系,结果表明:局地视宁度和局地温差白天正相关,夜间负相关。     

大气折射率结构常数和湍流特征谱的计算

 分析了海面边界层大气湍流温度脉动的统计特征，结果表明：虚温的功率谱是随时间而演变的，表现在其标度指数随时间变化；比较了不同统计时间下计算的大气折射率结构常数，并根据大气状态的实时变化提出了一种计算折射率结构常数的变间隔时间平均算法。     

湿度起伏对可见光波段折射率结构常数的影响

大气折射率起伏主要是由温度和湿度起伏引起的。提出一种研究湿度起伏对折射率结构常数影响的新方法,即从超声风速计测量的虚温信号中提取出湿度起伏的信息,可计算出湿度起伏、温湿相关项的结构常数。采用自行研制的温度脉动仪和超声风速计分别在湿度差异较大的干燥的戈壁滩和潮湿的海边进行实验,并用实验时的气象参量对湿度起伏进行了模式计算。测量和模式计算都表明：湿度起伏本身对Cn^2的贡献很小,可忽略不计,湿度起伏对Cn^2的影响主要是通过与温度起伏相结合来实现的,在一般情况下,这种贡献不到10％。但在湿度较大,特别是日落前Cn^2处于最小值附近,温湿相关项的贡献可超过10％。     

基于变脉宽光源的分布式光纤拉曼温度传感器研究

提出了在分布式光纤拉曼温度传感器中,采用可变脉宽光源实现双功能温度监测的方法.采用窄脉冲获得高空间分辨率进行峰值温度监测,再改用宽脉冲获得高温度分辨率进行平均温度监测,可以兼顾不同测温环境对高温度分辨率或高空间分辨率的不同使用要求.结果表明,与采用固定脉宽光源的传统方法相比,采用可变脉宽光源可以在获得相同温度分辨率的前提下,降低了系统进行平均温度监测的测量时间.     

目标辐射特性现场校准用大面积黑体辐射源技术研究

红外成像技术在空间探测、对地观测、安防监控等领域的应用越来越广,为了确保红外目标识别的准确性,必须掌握目标的辐射特性。目标辐射特性需要在外场实际条件下测量得到,需要利用大面积黑体辐射源对目标特性测量设备进行现场辐射参数校准。设计了一种大面积黑体辐射源,辐射体采用铝材质并发黑处理,大面积黑体辐射源温度控制采用PID控制算法。在外场实际环境温度为26.8 ℃,湿度为60%时对目标特性测量设备辐射参数进行了校准。试验数据表明:辐射温度测量不确定度为0.4 ℃（k=2）,取得了较好的应用效果。     

光纤瞬态高温传感器及动态测试系统

为了解决特殊环境下的瞬态高温测量, 设计了一种基于黑体辐射的光纤高温传感器及动态测试系统。根据辐射测温的基本原理, 结合光纤传感技术, 采用了“接触-非接触”测量方法和光纤光栅窄带滤波技术, 提高了测量精度, 减小了背景光的影响。由于瞬态温度随时间变化快, 动态误差大, 探索了一种利用大功率高频CO2激光器作为激励源, 用激光脉冲加热被校传感器。用测得的温度信号对被校传感器进行可溯源高温动态校准的新方案。实验结果表明, 系统测温范围为800～2000 ℃, 并具有精度高, 响应快, 抗电磁干扰, 性能稳定的特点, 解决了热电偶响应速度慢, 寿命短的缺陷, 为冶金、石油、化工、武器研制等领域的瞬态高温测量提供了一种新的测试手段。     

基于啁啾光纤光栅的粮仓测温网络研究

为了解决传统光纤光栅测温系统中单根光纤上带光纤光栅探头数量少、回波光强弱以及复用能力差的问题,设计研究了基于啁啾光纤光栅的测温系统。通过啁啾调制技术提高了回波光的带宽,从而增强了信号的可处理性并大大提高了带探测点位的数量。推导了啁啾调制的光栅周期表达式,给出了调制方法及波长范围。实验采用LPT-102型宽带光源与F-P光纤解调仪等,调制带宽为1 535.0～1 555.0 nm,并结合WR-201型温度传感器作标定。对20～60 ℃范围内每1 ℃改变进行测试,实验结果显示,传统光纤光栅探头与啁啾光纤光栅探头的测试温度误差相近,都符合设计要求。相比而言,啁啾FBG的测试数据对应的波长偏移具有较为明显的单调线性的特征,即数据稳定性更高,同时,采用啁啾FBG的系统带光纤光栅探头数量明显优于传统光纤光栅测温系统。由此可知,本系统在不增加光纤个数及不降低温度测试精度的基础上,实现了大幅提高带探测点位数量的设计要求。     

用于真空弧等离子体放电阴极温度场测量的多光谱高温计

阴极表面温度是真空弧等离子体放电过程中一个重要参数,对真空弧等离子体的形成、电极腐蚀预测、热传导以及离子源的寿命都有重要影响。真空弧离子源的阴极具有目标小,放电过程快等特点,其温度的测量,对于时间分辨率和空间分辨率要求都很高,阴极表面温度的测量技术的欠缺,使得仅靠理论解析获得的结果难以得到验证。并且等离子体放电过程中测量仪器极易受到弧光的影响,如何避免放电过程中等离子体的辐射也是采用辐射法测量阴极表面温度要考虑的问题。这无疑给其温度场的测试研究带来困难。针对脉冲真空弧等离子体开展阴极表面温度测试实验有着重要意义,在分析了真空弧等离子体放电特性以及背景辐射特性和等离子体放电阴极测温的实际需求,本文基于高速CCD相机研制了一种新型的多光谱高温计。该高温计采用单色高速CCD相机,主要避免RGB彩色相机不能完全滤除背景辐射的弧光。为使用单色CCD相机实现多光谱辐射测温,设计了高温计的光学系统,该系统采用4孔径分光系统。将4种不同波长的滤光片嵌入到1个滤光片中。该研究设计的高温计可用于2 000~6 000 K的等离子体温度测量。并在中国工程物理研究院电子工程研究所进行现场测试,测试过程中将研制的高温计,通过外部触发形式对等离子体放电过程进行跟踪拍摄,高温计完全拍摄到等离子体放电过程。利用真空弧等离子体金属电极阴极放电的实测数据对高温计进行了验证。实验结果表明,设计的新型多光谱高温计能够用于测量真空弧等离子体放电时阴极温度场信息,测量的温度值低于放电电极的沸点温度,与等离子体放电过程中出现气化现象相符,说明高温计测的是等离子体放电阴极的温度。     

应用于微靶装配的显微视觉检测技术

针对如何实现微小尺度（μm～mm）靶零件装配过程中的在线检测，研制了应用于微靶装配的显微视觉检测系统，并对系统的构成与显微成像、图像预处理、特征检测等关键图像处理技术进行了详细论述。提出了针对微靶零件的新型多重滤波除噪算法和几何特征检测算法，并以铝台阶、柱腔等微靶零件为应用实例开展了实验研究。结果表明，该系统采用的算法能有效、快速、准确地对靶零件进行几何特征和实时位置检测，在检测视场为3mm时，其检测精度≤3μm，角度检测精度≤0．1°，适用于ICF微靶等微型器件的微装配。     

LED光源DOAS方法的夜间NO2气体浓度遥测研究

针对现有利用自然光源的被动DOAS测量方法无法实现夜间对NO₂等痕量气体进行垂直分布探测的问题,提出构建一种基于窄带光源蓝光LED技术的DOAS测量NO₂的方法,搭建了仪器系统,成功地实现了夜间对NO₂气体浓度的测量。该系统主要分为灯源发射系统和望远镜接收系统两部分,采用主波长为450nm的LED作为光源,通过望远镜采集发光束的散射光,利用光纤耦合将望远镜接收到的散射光导入光谱仪中,结合DOAS原理运用计算机进行处理。DOAS的理论基础是朗伯-比尔（Lambert-Beer）定律,据此原理可将数据处理过程概述如下：首先采集相对干净光谱作为背景参考谱,用实际测量大气谱除以参考谱,利用数字高通滤波去除慢变化部分,然后取对数,即可获得光学厚度;其次将仪器函数与NO₂的高分辨率截面卷积,得到与所用仪器相匹配的低分辨率吸收截面;最后将差分吸收截面与处理后的差分光学厚度相结合,运用最小二乘法拟合并结合光程L即可获得NO₂浓度值。同时可通过调节灯源光速发射角度及望远镜接收角度,测出不同位置处NO₂浓度值,进而给出NO₂气体浓度的立体分布信息。在算法确定的情况下,LED灯谱质量对仪器系统的可靠性显得尤为重要。由于LED光谱受温度及驱动电流影响较大,为了保证LED处于最佳工作状态,开展了LED光谱温度及驱动电流敏感性实验。测试结果表明,要确保采集到的光谱稳定且具有较高质量,LED工作温度应低于20 ℃,驱动电流需控制在1.5 A以内,且两者波动范围较小。实验中,LED实际工作温度为10~15 ℃,驱动电流为1.4 A,控制精度±1 mA,能够满足实验要求。为了提高LED阵列密度、获得更加集中的发光束,LED底座基板采用正六边形结构,每块正六边形基板上7只LED串联,各个基板之间并联。经计算较采用矩形结构,其空间利用率提高了8%。各基板工作电流1.4 A,最大电压23.8 V,易于扩展,维护方便。为了验证方案可行性及系统的可靠性,进行了实验室测试及外场实验。实验室采用NO₂样气浓度为1 642.86 mg·m-3, 不确定度5%。系统测量结果为1 607.54 mg·m-3, 与标定值误差为2.15%,在标定的不确定度范围以内,经计算系统检测线为0.014 3 mg·m-3(6.942 ppb),因此可认为测量结果准确。将外场实验测量结果与同时段国控站点给出的NO₂数据进行了对比,对应时间段结果偏差均在10%以内,两组数据线性拟合一致性较好,相关系数达0.967,表明该系统所测NO₂结果较准确。研究结果表明,在确保LED光源稳定的基础上,采用基于窄带光源蓝光LED的DOAS方法能够实现夜间对NO₂气体垂直分布情况测量。为大气痕量气体垂直分布测量、特别是在夜间条件下对痕量气体立体分布测量提供了一种新的思路。     

基于影像仪测量直线度误差的优化方法研究

针对影像仪测量直线度误差的特点,设计了一种改进的边缘检测模板进行边缘提取,并提出一种满足最小条件的直线度误差评定的方法区间距离算法来优化直线度误差的测量。通过采用影像法对光滑极限塞规的高精度测量实验,与传统边缘检测方法和斜率搜索法进行比较,实例结果表明,改进的边缘检测算法相对于传统检测模板计算卷积次数减少一半,可以提高测量速度,采用区间 距离算法与斜率搜索算法相比较,相同8组数据直线度误差相对误差不超过2%,平均计算速度提高0.01 s。实验验证在影像仪测量不同直径塞规直线度误差的自动化测量中,采用该优化方法可以节约计算时间4.45 s,并通过不同评定方式的比较,提出测量直线度误差最佳测量跨距在0.078 mm~0.104 mm的建议,对实际直线度误差测量具有指导意义。     

一种基于双波长的光声测温技术

光声测温是一种利用光声效应来进行温度监控的新方法,具有非侵入式、高灵敏度和探测深度较深等优点.但现有的单波长光声测温方法极易受到系统及测量环境干扰而导致测量精度降低.为了解决这一问题,本文提出了一种双波长光声温度测量方法.在光声测温理论的基础上,分析推导了双波长光声测温的基本原理,并进行了仿体及离体组织样品的双波长光声测温实验.实验结果显示,与传统单波长模式相比,双波长模式下的光声温度测量误差明显减小,测量精度平均提高35%以上.研究结果表明双波长光声测温方法能够有效提高光声温度测量的精度和稳定性,可作为一种更精准的光声温度监控方法应用于医疗手术等领域.     

混合集成微型光纤光谱仪的实验测定

文中简述了所研制微型光谱仪的基本原理和基本结构,并对该微型光谱仪进行了实验测试和标定。在实验中采用汞灯作为测试所用的光源,分别使用不同芯径和数值孔径的光纤作为光输入元件,实验结果表明该光谱仪具有很好的线性度,在采用50μm的多模光纤时,光谱分辨率可达13.8nm,在采用9μm的单模光纤时分辨率可以达到5.5nm。