一款新型高精度全自动多波段太阳光度计

研制一种高精度全自动可实时测量、远程控制覆盖可见-近红外多波长太阳光度计PSR-2, 可实现太阳直射辐照度、天空辐亮度(主平面、等天顶角)、气溶胶光学厚度、大气柱水汽含量和臭氧含量的实时测量和显示，具有各通道独立同时测量、精确的温度控制、精确的太阳跟踪等检测功能。PSR-2在本单位自研PSR-1的基础上进行改进，经受住长时间沙漠风沙和雨水侵蚀的测试，具有能够长时间有效稳定观测、更加小型化、数据处理更便捷和更高的性价比等特点。在敦煌给仪器进行了Langley法标定和仪器温控性能测试，结果显示PSR-2 Langley定标拟合直线相关性高于99%，恒温仓温度稳定在在(25±0.3)℃，与国外行业标准CE318的合肥、敦煌两地实际测量结果对比，PSR-2气溶胶光学厚度和大气柱水汽含量偏差分别在0.02和0.1以内，并进行了误差分析。     

基于太阳光度计测量确定分层大气消光系数

太阳光度计是地基探测整层大气光学参数的重要仪器,而在一些研究与工程应用中更需要了解低层大气光学参数。基于均匀平行球面大气分层的假定,提出了利用太阳光度计测量的数据确定分层大气平均消光系数的算法。应用该算法处理POM-02太阳光度计的实际测量数据,研究表明这种分层算法得到的大气总光学厚度与整层算法得到的大气总光学厚度的相对误差小于3%。利用该分层算法求得的低层大气平均消光系数与激光雷达测量的消光系数进行比较,两者具有较好的一致性。因此,这种利用太阳光度计测量数据确定分层大气平均消光系数的算法是可行的,该算法拓展了太阳光度计的应用。     

不同视场下太阳透射比值的快速测量与云检测

与气溶胶粒子相比,前向小角度太阳透射比值变化对卷云中的冰晶粒子更加敏感。研发了一种基于图像跟踪、自动快速变视场的太阳光度计VFOVSP,它可快速测量窄视场到宽视场太阳的透射辐射,为地基测量卷云提供了新的技术手段。介绍了仪器的系统组成与测量原理。在大气无吸收波段,将仪器VFOVSP经Langley法标定后的测量结果与POMO2的测量结果进行对比,以验证仪器测量精度的可靠性。在不同的天气条件下进行测量,结果表明:不同小角度视场下透射比值的变化与粒子的种类有关,这为区分薄卷云和气溶胶粒子提供了可能。该仪器弥补了传统太阳光度计在有云天气下实时性、单一视场探测的不足,可以较好地识别出当前大气下是否有卷云存在,能够更好地满足实际科研需求。     

基于太阳光度计分层算法获取气溶胶标高

大气气溶胶具有很强的时空变化特性,而气溶胶标高是反映大气气溶胶垂直分布特性的一个重要参量,常规获取大气气溶胶标高的方法需要多种仪器进行联合测量.基于均匀平行球面大气分层的假定,研究了利用太阳光度计的分层算法获取大气气溶胶标高的方法.结果表明,利用该分层算法可仅利用太阳光度计一种仪器同时获得各分层大气平均消光系数和光学厚度、气溶胶垂直分布高度、气溶胶标高等参数.该算法所得气溶胶标高与常规方法获得的气溶胶标高进行比较,相对误差在10%以内;得到的大气总光学厚度与整层算法计算的大气总光学厚度的相对误差小于2%.因而,利用该分层算法仅使用太阳光度计一种仪器来获取气溶胶标高的方法是可行的,拓展了太阳光度计的应用.     

基于发光二极管探测器的太阳光度计的研究

介绍了一种采用商用发光二极管作为探测器的新型太阳光度计。阐述了系统的结构以及该仪器在监测气溶胶光学厚度领域的应用,并与传统的太阳光度计进行了对比试验。试验表明,两种仪器具有很好的一致性。     

基于船载平台太阳光度计的渤海湾气溶胶光学特性

研制出一种可以在船载平台下完成气溶胶测量的太阳光度计。仪器采用两段式图像跟踪方法，首先利用鱼眼成像系统对太阳进行粗跟踪，之后通过精跟踪成像系统来提高跟踪精度，并阐述了二维转台、图像跟踪系统、测量光路的工作流程。利用船载平台太阳光度计在渤海湾进行长期观测，渤海湾日平均气溶胶光学厚度多集中在0.1～0.3范围内，大气较为洁净，且夏季大气以细粒子为主，而深秋大粒子占据主导地位。将所得结果与日本POM-01 MKⅢ船用太阳光度计的测量结果进行对比，发现气溶胶光学厚度日变化趋势基本相近，决定系数可达到0.968，其平均相对测量误差为4.83%，?ngstr?m指数平均相对测量误差为2.55%。所得结果验证了船载太阳光度计的可靠性与稳定性，并且可以进一步利用可见光到近红外的辐射信息反演其他大气参数的光学特性。     

高速紫外-可见分光光度计的研制

研制了一种采用线阵CCD的高速紫外-可见分光光度计。报道了该分光光度计的硬件结构、软件系统设计和初步的性能测试结果。初步测试结果：波长范围 200～820 nm,全谱扫描时间<0.1 s,光谱带宽 0.7 nm,波长精度 ±1 nm,光度精度±0.005 AU,杂散光<0.1％,基线平直度<0.001 AU(rms)。该仪器使用操作简便,测量速度快,性能优良,具有强大的光谱数据分析与处理功能,而且还独具远程操作和访问功能。预期该仪器除了可用于常规分析测试外,还适用于化学和生物等领域的动力学反应研究。     

敦煌辐射校正场太阳光度计现场定标

为保证卫星在轨自动化定标中气溶胶光学特性观测的精度,针对基于相对稳定大气条件的Langley定标和基于高精度参考仪器的交叉定标,开展了辐射校正场太阳光度计的现场定标技术研究.定标结果表明高精度太阳光度计Langley定标和交叉定标与CE318太阳光度计反演的气溶胶光学厚度最大偏差分别在0.015和0.01以内.计算分析了大气条件、仪器参数等对现场定标的影响,将定标后的仪器和CE318太阳光度计放在青海湖同步比对观测,气溶胶光学厚度最大偏差在0.01以内.敦煌辐射校正场太阳光度计现场定标误差对卫星在轨定标的影响不超过0.21%,表明定标结果能够满足卫星在轨自动化定标的精度要求.     

基于激光外差技术的高分辨率整层大气透过率测量

激光外差技术是一种高灵敏度的光谱探测技术,利用该技术研制的装置易于集成化小型化,可以进行地基或星载的地球大气或天文观测。基于激光外差光谱测量技术,结合自研的太阳跟踪仪建立了一套高分辨率整层大气透过率测量系统,系统分辨率约为0.006 cm-1。该系统利用太阳光和红外激光在非线性探测器中进行光学混频,通过对获取的混频信号进行电子学滤波和平方率探测,获得了高光谱分辨率的外差信号。采用Langley-plot定标法对测量系统进行定标,获取了仪器标定常数和对应的大气总光学厚度,实现了中红外波段整层大气透过率的实时测量。同时,将实测整层大气透过率与MODTRAN5.0软件仿真计算的结果进行对比分析,两者的一致性较好。分析表明该测量系统具有很高的分辨率并且性能稳定可靠,在大气科学、天文观测和激光大气传输等研究领域具有广阔的应用前景。     

无人值守的太阳反射波段超光谱辐照度仪的光机系统设计

介绍了自行研制的太阳反射波段超光谱辐照度仪的光机系统设计。仪器的光谱范围为400～2500 nm,包括三个分光探测单元,可实现太阳总辐照度、天空漫射辐照度、太阳直射辐照度和漫总比的长期自动测量。为验证光机系统设计的合理性,对外场实验数据进行了分析。通过与传统人工测量漫总比数据的对比,发现两种方法的漫总比偏差小于2%。仪器具备与传统测量方式相当的辐照度测量精度,在卫星遥感器自动化定标中具有一定的优势。     

一种新型数字式便携光学实验仪

介绍了一种新型数字式便携光学实验仪，该仪器具备光学实验、课堂演示、光学研究和光学测试等多种功能，可完成波动光学中干涉、衍射、全息、散斑以及几何光学中成像等工作。该仪器设计了“又”形布置的轨道以及“工”形支架，实现了3维无级可调，可对光路进行精确调节。此外，以三基色调色原理为理论基础，自行开发了图像处理软件和层式仪器结构。将PC主板与光学台融合为一体，可对图像进行实时数字采集与处理。与传统实验设备相比，该仪器极大地拓展了数字光学实验的应用空间。     

便携式红外甲烷浓度测试仪的研制

利用红外吸收原理,研制一种测量1．33um波段甲烷浓度的测试仪,该仪器的特点是测量时不受其他气体成份影响,体积小,精度高,采用数字显示,操作简单,适合野外条件下使用。     

Nuclear magnetic resonance for cultural heritage

Nuclear magnetic resonance (NMR) portable devices are now being used for nondestructive in situ analysis of water content, pore space structure and protective treatment performance in porous media in the field of cultural heritage. It is a standard procedure to invert T(1) and T(2) relaxation data of fully water-saturated samples to get "pore size" distributions, but the use of T(2) requires great caution. It is well known that dephasing effects due to water molecule diffusion in a magnetic field gradient can affect transverse relaxation data, even if the smallest experimentally available half echo time tau is used in Carr-Purcell-Meiboom-Gill experiments. When a portable single-sided NMR apparatus is used, large field gradients due to the instrument, at the scale of the sample, are thought to be the dominant dephasing cause. In this paper, T(1) and T(2) (at different tau values) distributions were measured in natural (Lecce stone) and artificial (brick samples coming from the Greek-Roman Theatre of Taormina) porous media of interest for cultural heritage by a standard laboratory instrument and a portable device. While T(1) distributions do not show any appreciable effect from inhomogeneous fields, T(2) distributions can show strong effects, and a procedure is presented based on the dependence of 1/T(2) on tau to separate pore-scale gradient effects from sample-scale gradient effects. Unexpectedly, the gradient at the pore scale can be, in some cases, strong enough to make negligible the effects of gradients at the sample scale of the single-sided device.     

一种毛细管聚焦的便携式微束X射线荧光谱仪

基于毛细管X光透镜技术的便携式能量色散X射线荧光分析因其无损分析等优点成为分析文物样品的有利工具。但由于文物样品的表面不平整或弧度以及毛细管X光透镜聚焦X射线的特点，导致在测量过程中样品测量点与毛细管X光透镜出端之间的距离产生变化，引起照射样品的X射线束斑大小发生改变，从而影响测量结果的准确性和元素区域扫描的分辨率。介绍了本实验室自行研发的一种新型便携式微束X射线荧光谱仪，此谱仪主要是由SDD X射线探测器、30 W低功率X射线管、毛细管X光透镜、CCD和一个新型闭环控制系统构成。该闭环控制系统是在激光位移传感器能够精确控制样品测量点到毛细管X光透镜出端距离的基础上，结合LabVIEW语言环境下开发的计算机控制程序以及步进电机、样品台等器件组成。基于此系统，该实验室研发的便携式微束X射线荧光谱仪在测量过程中可以时刻保证照射样品的X射线光斑大小固定不变。同时，该谱仪还可以通过调整样品测量点到透镜出端的距离来选择不同尺寸的X射线照射光斑。为了验证设备的可行性，使用该便携式微束X射线荧光谱仪在激活激光位移传感器和关闭激光位移传感器两种情况下测量了一块表面不平整古陶瓷样品釉彩层中K，Ca，Zn和Fe等元素的含量及分布，并将测量结果进行了对比。结果显示，在激活激光位移传感器的情况下测得的样品微区元素含量与真实值较接近，扫描区域元素分布图的分辨率更好，表明本谱仪基于激光位移传感器开发的自动调整样品测量点到透镜出口端距离的闭环控制系统能有效的减少由于样品表面不平整或弧度带来的测量误差，弥补了现有微束X射线荧光谱仪在此方面的不足。因此，本便携式微束X射线荧光谱仪在无损分析检测文物方面具有潜在的应用前景。     

基于光谱技术的植物叶绿素浓度无损检测仪器的研制

开发了一种便携式植物叶绿素无损检测仪器,该仪器可实现对叶绿素浓度的实时、快速、无损检测。仪器主要包括4个部分：叶片夹具,光源驱动电路,光电检测及信号调理电路和微控制系统。提出了一种电流可调节的光源恒流驱动电路方案,在实现恒流驱动的同时还可以对驱动电流进行程控。同时提出了一种一体化叶片夹具设计方案,不仅简化了仪器的光学结构,而且提高了仪器稳定性。在仪器的标定实验中,用SPAD-502叶绿素测量仪测定的叶片叶绿素含量SPAD值作为标准值,建立了多元线性标定模型,对仪器的性能进行了评价,叶绿素预测值与标准值的相关系数为0.97,预测均方根误差为1.3 SPAD,仪器重复性的均方根误差为0.1 SPAD。标定实验结果表明,该仪器测量精度高、性能稳定。     

Fast single-photon avalanche diode arrays for laser Raman spectroscopy

We incorporate newly developed solid-state detector technology into time-resolved laser Raman spectroscopy, demonstrating the ability to distinguish spectra from Raman and fluorescence processes. As a proof of concept, we show fluorescence rejection on highly fluorescent mineral samples willemite and spodumene using a 128×128 single-photon avalanche diode (SPAD) array with a measured photon detection efficiency of 5%. The sensitivity achieved in this new instrument architecture is comparable to the sensitivity of a technically more complicated system using a traditional photocathode-based imager. By increasing the SPAD active area and improving coupling efficiency, we expect further improvements in sensitivity by over an order of magnitude. We discuss the relevance of these results to in situ planetary instruments, where size, weight, power, and radiation hardness are of prime concern. The potential large-scale manufacturability of silicon SPAD arrays makes them prime candidates for future portable and in situ Raman instruments spanning numerous applications where fluorescence interference is problematic.     

一种用于土壤非金属养分测试的光纤探头式分光光度计

针对测土配方施肥技术中要求快速、便捷、高效地进行土壤养分测试的需求,文章基于浸入式光纤探头、平场凹面全息光栅、二极管线阵检测器开发了一种光纤探头式分光光度计用于土壤养分中非金属元素的快速、准确测试。基于国家计量检定规程JJG 178—2007对紫外、可见、近红外分光光度计的性能检测方法测试的该仪器的波长最大允许误差与波长重复性、基线平直度、透射比最大允许误差与透射比重复性均达到了国标第Ⅲ级别标准,其最小光谱带宽、噪声与漂移、杂散光基本达到了国标第Ⅳ级别标准。基于该仪器测试的土壤硝态氮、铵态氮、有效磷、有效硫、有效硼、和有机质含量与基于商用的国产单光束和进口双光束分光光度计测试的结果呈极显著的线性相关关系,其回归方程的斜率接近于1,且对比数据之间无显著性差异。因此,该光纤探头式分光光度计可用于土壤非金属养分的快速、准确测试。     

A portable surface profile microscope

This paper describes the design and performance of a portable projection-type microscope developed for examining the surface roughness of blast-cleaned steel. The instrument is equally suitable for studying surface profiles in many other applications.     

探测大气气溶胶消光系数的便携式米散射激光雷达

 介绍了一种新型的便携式米散射激光雷达的总体结构及其各部分的功能，分析讨论了该激光雷达在夜晚与白天探测大气气溶胶消光系数垂直廓线的性能。其夜晚的探测高度达到15km左右，白天的探测高度达到10km左右。还可对卷云进行探测，获得卷云的厚度及其峰值消光系数。该激光雷达具有结构紧凑、体积小、重量轻、自动化程度高、探测速度快等优点。     

智能光跟踪综合演示仪的研制

研制了一款基于C8051F021单片机控制的智能光跟踪综合演示仪。利用仪器自带的LED光源系统,模拟不同角度和亮度的光源变化,通过三维光敏传感器根据测得光强的大小,将模拟量转变为数字量并传递到单片机控制系统,控制机械调整模块调整装置的位置,以找到光强最强的位置,完成光源的跟踪定位,从而演示光跟踪现象的工作原理。