东南沿海地区相对湿度对气溶胶消光特性的影响

采用能见度仪和温度脉动仪在我国东南沿海典型地区进行能见度和相对湿度测量实验,利用能见度与消光系数和波长的关系,分析了在雾霾和晴好两种天气条件下相对湿度对沿海气溶胶系统消光系数的影响。研究结果表明:对于波长为1.06μm的激光,该地区两种天气下气溶胶粒子的潮解点均为80%左右;当相对湿度在80%~90%时,随着相对湿度增大,两种天气下消光系数相对干粒子时的增长率基本相同,吸湿增长因子主要介于1~2;当相对湿度大于90%时,二者相对增长差别很大,晴好天气下吸湿增长因子增大了两个量级,远大于雾霾天气。     

地基高光谱微波辐射计反演大气相对湿度廓线的通道选择

利用微波辐射传输模型PWR(P. W. Rosenkranz)和反向传播神经网络方法,分别构建了正演下行辐射亮温和反演大气相对湿度廓线的模型,并研究了晴空条件下高光谱微波辐射计反演大气相对湿度廓线的通道选择问题。研究结果表明,200个通道的信息含量大于微波辐射计7个通道的信息含量;增加探测通道数量可提升大气相对湿度廓线的反演精度,选取信息含量排在前面的120个通道进行仿真时,在0～2 km和6～10 km高度范围内大气相对湿度廓线的反演精度提升了4%～10%,在2～6 km高度范围内的相对湿度廓线的反演精度提升了约10%;当通道数继续增加时,反演精度的提升并不明显。     

从多波段图像中获取大气透过率的测量方法

提出了一种基于单帧多波段图像测量非气体吸收波段和弱气体吸收波段大气透过率的方法,可应用于相关光电工程中评估和修正大气衰减影响.首先,利用经过绝对辐射定标的图像采集设备获得辐射图像;其次,基于大气中图像退化光学模型与暗通道先验统计理论得到辐射图像暗通道对应的宽波段平均大气透过率;最后,结合特定波段消光系数和宽波段平均消光系数间的关系得到特定波段的大气透过率.实验对比分析表明:本文方法与能见度仪、激光雷达测量结果相关性较高,其中与能见度仪相比,相关系数在0.89和0.95之间,与激光雷达相比,相关系数在0.95和0.97之间;在1km近距离条件下与能见度仪、激光雷达测量结果平均相对偏差最高分别为9%和6%,在远距离条件下,与能见度仪测量结果相比,4km和6km平均相对偏差最高分别为15%和30%,与激光雷达测量结果相比,4km和6km平均相对偏差最高分别为9%和18%.     

单颗粒气溶胶的吸湿增长模型及散射特性研究

为研究亲水性和疏水性气溶胶的吸湿性差异引起的散射特性差异,基于热力学原理和表面吸附理论分别建立了两类气溶胶的吸湿增长模型,并利用离散偶极子近似方法计算了相对湿度为40%～90%范围内两类气溶胶的散射性质。结果表明:亲水性粒子(以4种典型的无机盐为例)达到潮解点时,粒径随相对湿度的增大呈指数增长;而疏水性粒子(以烟尘为例)的粒径随着相对湿度的增加呈现非线性缓慢增长,该结果与实验测量值基本吻合。利用上述吸湿增长模型及实测的折射率-湿度增长规律,计算分析了在粒径为0.1～1.0μm的范围内,相对湿度与气溶胶粒子散射增长因子的关系。研究发现,潮解后亲水性粒子散射增长因子呈指数增长,相对湿度为90%时,其值增大了几十倍,且氯化钠无机盐的散射因子增长曲线与实验结果吻合较好;而疏水性粒子的散射增长因子最大增至1.07,远小于亲水性粒子的数值。上述结果为气溶胶气候效应的评估、气溶胶浓度和大气能见度的精确测量提供了一定的理论支持。     

雾对自由空间量子通信性能的影响

为了研究雾对自由空间量子通信的影响,根据雾滴谱分布函数和消光系数,研究了雾的能见度及传输距离对链路衰减、量子通信信道容量、信道保真度及信道误码率的影响,并进行了仿真实验。结果表明,当传输距离为9 km,能见度分别为0.2 km和0.6 km时,对应的链路衰减,信道容量,信道保真度,信道误码率分别为0.76和0.25,0.24和0.4,0.91和0.97,0.01和3.26×10~(-7)。由此可见,能见度小于1 km时,雾对各项性能影响较为显著。因此,应根据雾的能见度来调整通信系统的各项参数以保证通信的顺利进行。     

蔽日黄沙迥不同 神奇静电匿其中——漫话沙尘中的静电现象

<正>沙尘对人类的危害主要体现在沙尘天气。沙尘天气,是指大量沙或尘被风吹起并随气流进入空中造成大气浑浊的现象。按照能见度(人眼能见的最远距离)大小可分为浮尘(能见度小于10 km)、扬沙(能见度在1~10 km)、沙尘暴(能见度小于1 km)和强沙尘暴(能见度小于500 m)四类。图1展示了国内两城市遭强沙尘暴袭击场景。沙尘天气的危害极其严重,如降低空气质量,毁坏公共设施和农田,影响交通及人类生命安全,导致呼吸系统疾病暴发;影响太     

大气信道对垂直发收模式紫外光散射通信性能影响的仿真

介绍了非直视单散射信道模型及其在椭球坐标系下的求解方法.在此基础上,针对垂直发收模式,研究了大气信道对紫外光通信系统的影响.对不同天气、不同通信距离条件下,大气信道所产生的能量损耗、时间延迟和脉冲展宽等进行了定量分析和仿真.仿真结果表明:能量衰减随能见度变化曲线存在拐点,即并不是天气越好,能见度越高,系统接收能量越大;通信距离1km时,能见度18km处出现能量衰减最小值;能量衰减随通信距离非线性递增,通信距离1km时,能量衰减近100dB;随着通信距离的增加,时间延迟和脉冲展宽都近似呈线性增长,通信距离1km时,时间延迟接近5μs,脉冲展宽大于10μs.     

自然环境中多因子对自由空间量子通信性能的影响

根据大气中尺寸与光波长相近的各粒子的粒度谱分布函数,分析了大气湿度、粒子浓度、光信号波长和粒子直径等因子与量子弱相干光信号的衰减关系.讨论了多环境因子对大气能见度的影响,得到平流层量子通信中大气能见度和探测望远镜倾角对链路衰减的影响,量子信号传输误码率、保真度与大气能见度和传输距离的定量关系.仿真实验表明,随着大气湿度和粒子浓度的增加,量子信号传输的链路衰减逐渐增加,当光信号波长与粒子直径相近时,衰减最显著;在传输距离为15km,望远镜倾角为90°的前提下,当大气能见度分别为5km和15km时,链路衰减依次为18.9dB和14.2dB,信道误码率分别为0.010 5和0.009 9,信号保真度分别为0.22和0.71.     

大气信道对垂直发收模式紫外光散射通信性能影响的仿真

介绍了非直视单散射信道模型及其在椭球坐标系下的求解方法.在此基础上,针对垂直发收模式,研究了大气信道对紫外光通信系统的影响.对不同天气、不同通信距离条件下,大气信道所产生的能量损耗、时间延迟和脉冲展宽等进行了定量分析和仿真.仿真结果表明：能量衰减随能见度变化曲线存在拐点,即并不是天气越好,能见度越高,系统接收能量越大|通信距离1 km时,能见度18 km处出现能量衰减最小值|能量衰减随通信距离非线性递增,通信距离1 km时,能量衰减近100 dB|随着通信距离的增加,时间延迟和脉冲展宽都近似呈线性增长,通信距离1 km时,时间延迟接近5 μs,脉冲展宽大于10 μs.     

湿工况下平直翅片对流传热传质数值研究

建立了湿空气流经平直翅片通道并伴有凝结现象发生的三维对流传热传质的数值模型,在空气进口雷诺数Re为190～3770,进口相对湿度φ_(in)为50%～90%的范围内,对干湿两种工况,平直翅片通道内的换热流动进行了对比研究。结果表明:湿工况换热系数为干工况换热系数的2.8～3.1倍,干工况翅片效率比湿工况翅片效率高35.8%～41.9%。当翅片为部分湿工况时,翅片效率随进口相对湿度的增大而增大,换热系数随进口相对湿度的增大而减小;当翅片为全湿工况后,进口相对湿度对翅片效率和换热系数的影响微弱。     

不同海拔地区红外大气透过率的计算和测量

为了得到不同海拔地区的大气透过率,探索大气透过率随海拔高度的变化规律,利用数值模拟、软件计算和实地测量方法分别对阿里(5 km)、德令哈(3 km)和怀柔(0 km) 3个不同海拔地区在4. 605～4. 755μm波段25 km以下的大气透过率进行了计算和测量。结果表明:红外大气透过率随海拔高度增加而增加;采用数值模拟计算得到3个地方的大气透过率分别为0. 709、0. 572和0. 555;采用软件计算得到的透过率分别为0. 849、0. 766和0. 596;采用实测方法得到的透过率分别为0. 805、0.766和0.673;阿里地区海拔较高,相对湿度较低,能见度高,大气透过率最好。该结论对国内天文红外观测及空间红外目标辐射特性测量具有重要的借鉴意义。     

基于大气辐射传输和δ-二流近似的斜程能见度反演方法

从能见度定义出发,提出采用SBDART辐射传输模式结合CALIPSO卫星数据求解辐射传输方程,对华北地区斜程能见度进行了详细的仿真与分析。首先,使用SBDART模式结合CALIPSO卫星数据获取实际条件下天空背景辐射亮度。然后,根据斜程能见度探测原理,得到斜程能见度所处区间,进而采用δ-二流近似估计区间内部辐射亮度分布,从而反演得到精确的斜程能见度。结果表明,采用CALIPSO卫星数据结合SBDART模式模拟大气辐射传输过程,计算结果与MERRA-2辐射数据变化趋势一致,相关系数达到0.949;使用δ-二流近似能更加高效地模拟辐射传输过程,且提出方法结果与SBDART模式保持较好的一致性,两者相对误差在14.3%以内;当斜程能见度小于1 km时,使用提出方法反演斜程能见度同经验公式相比误差约为7.1%,且适用于15°以外以及向上观测的斜程能见度探测。     

灰霾背景下基于最优链路的低轨道量子卫星星间切换策略

为了应对灰霾对星地量子通信信道所带来的突发性干扰,根据灰霾天气下量子信号在自由空间中的衰减指数,本文提出了一种基于信号功率衰减最低的最优链路量子卫星切换策略。当目前的星地链路参数满足切换条件时,地面用户通过对不同信道中量子信号功率衰减系数的比对,测试到最小衰减卫星链路,基于对光子态Bell基的测量,完成卫星间的量子纠缠交换,建立新的纠缠信道,保证通信在切换过程中的连续性。仿真结果表明,当系统呼损率为5%,能见度为1km,地面用户数分别为50、100、300,轨道高度为300km和1400km时,量子卫星的切换成功率分别为95%、93.6%、91.8%和92%、90%、87%。由此可见,本策略能够在保证通信可靠性的前提下,实现星地间量子信道的平稳切换,提高量子卫星通信系统在灰霾背景下链路的有效性。     

基于激光腔增强技术的前向散射能见度仪校准方法研究

为了填补前向散射能见度仪校准的空白,利用激光腔增强技术,搭建了一套开放式能见度校准系统,通过在能见度模拟舱中用气溶胶发生器产生单分散硬脂酸气溶胶颗粒产生模拟能见度环境,实现前向散射能见度仪的校准。与前向散射能见度仪、透射式能见度仪分别在小型模拟舱((长2m×宽1m×高1m))和大型模拟舱(长20m×宽3.5m×高3m)中开展了比对实验,实验结果表明,在100～2000 m能见度范围内,与透射式能见度仪的相对误差在5%以内,与前向散射能见度仪的相对误差在10%以内,均具有较好的一致性。这套系统可以用在较小的小型能见度模拟舱中,为前向散射能见度仪的实验室校准提供可行的技术手段。     

沙尘信道下激光通信系统的性能分析

沙尘对激光信号的散射和吸收作用会引起激光信号的严重衰减,本文结合我国沙尘粒子的半径分布特征,在考虑含水影响的基础上,研究了沙尘对激光信号衰减特性的影响,得到了接收端信噪比的表达式;同时针对OOK调制,推导了沙尘天气下激光通信系统的误码率和信道容量。仿真分析了能见度、传输距离、含水量以及激光波长等因素对误码率和信道容量的影响。结果表明:随着含水量和传输距离的增大以及大气能见度的减小,系统的误码率会呈现出不断增大的趋势,而信道容量则呈现减小的趋势。在能见度为4 km的情况下,波长为1 550 nm、传输距离为1 km时系统的误码率可达10~(-2)数量级,且归一化信道容量为8.48 bps/Hz。     

激光信号在沙尘天气下的脉冲时延和展宽

将修正的TTHG(two term Henyey-Greenstein)散射相位函数运用到电子散射理论中,并利用小角度近似条件推导出沙尘天气下激光信号脉冲时延和展宽的表达式。研究了脉冲时延、展宽与沙尘能见度之间的关系,以及散射反照率、散射系数和不对称因子等因素对脉冲时延和展宽的影响;分析了不同波长条件下脉冲时延和展宽随传输距离的变化规律。结果表明,在能见度较低的沙尘天气下,脉冲的时延量和展宽量均随传输距离、反照率和散射系数的增大而增大,随大气能见度的增大而减小。尤其是当大气能见度增加至3.5km时,脉冲时延和展宽逐渐趋于一个与激光波长有关的稳定值。随着激光信号波长和沙粒不对称因子的增大,脉冲的时延和展宽呈负指数趋势减小。     

短波红外成像系统对激光光斑探测能力分析

通过短波红外探测器灵敏度、目标和环境探测输出信噪比、对比度等分析,计算给出不同大气能见度、环境照度条件下,短波红外热像对外界景物和激光光斑的探测距离,并对理论分析进行试验验证。结果表明,在大气能见度1 km~3 km、环境照度1 lx~1 000 lx、阈值信噪比2.25~10、阈值对比度0.01~0.02的条件下,短波红外热像对激光光斑探测距离为0 km~3.5 km。     

真空型FTIR对硫酸铵/柠檬酸混合体系气溶胶吸湿性研究

采用真空型傅里叶变换红外光谱仪结合压力方波控制系统研究硫酸铵/柠檬酸混合体系气溶胶的吸湿性。相对湿度缓慢变化时,硫酸铵气溶胶的潮解点和风化点分别在相对湿度~80%和~35%,当OIR(柠檬酸与硫酸铵的摩尔比例)=1∶3时,柠檬酸的加入使硫酸铵潮解点降低至~76%,风化点也降低至~28%;相对湿度发生脉冲变化时,随着脉冲相对湿度的最低点逐渐降低,硫酸铵的结晶量台阶式增加,最后完全结晶。在硫酸铵/柠檬酸混合气溶胶中,柠檬酸始终保持液滴状态,随脉冲相对湿度变化,硫酸铵台阶式结晶幅度变小,风化范围变宽。     

基于激光云高仪的雾霾过程探测

利用激光云高仪数据资料,得出气溶胶后向散射系数时序图、消光系数廓线图以及能见度,结合探空资料、自动气象站数据以及能见度仪数据,综合分析了雾霾天气过程.结果表明:雾霾天气的出现受气象要素的影响较大,静、小风有利于霾的出现,较高的相对湿度有利于雾霾共存,并且对能见度产生较大影响;雾后向散射强度较大,后向散射系数在垂直方向变化率大,出现高度较低;霾后向散射强度较小,霾空间分布均匀,后向散射系数垂直变化小,出现高度较高.利用激光云高仪数据反演水平能见度和垂直能见度,所得水平能见度与能见度仪所测能见度基本一致.垂直能见度与相对湿度日变化趋势大致相反,与风速日变化趋势基本一致;分析雾和霾天气下后向散射系数随时间变化特征发现,雾霾天气下傅里叶变换的功率谱分布,与雾和霾的边界特征相对应.     

大气散射对地表双向反射分布函数反演的影响与修正

准确地获取地表双向反射特性是遥感辐射定标和卫星全链路成像仿真的重要基础。在野外条件下通常使用实测的双向反射因子(BRF)反演得到双向反射分布函数(BRDF)。仿真分析显示,大气能见度分别为23km和15km时,同一地表的BRF方向性系数相差19%。野外条件下实测的BRF因受大气散射的影响而不能准确表征地表方向反射特性。通过同步测量2π空间内的大气散射,提出一种BRDF反演方法。该方法将BRF实测值与测量模型计算值之间的残差作为反演的代价函数,以消除大气散射的影响,可反演地表真实的BRDF模型特征参数。结果证明方向反射特性是地物的固有属性,不随测量环境辐射的变化而变化。