利用DQCT实现2018年8月超历史极值暴雨的高质量模拟

构建较全面的双级质量控制技术(DQCT).利用中尺度天气预报模式(WRF)对2018年8月下旬华南地区一次超历史极值的暴雨过程进行高分辨率数值模拟,并用DQCT评判暴雨的模拟效果.结果表明,在暴雨形势背景场中用WRF成功模拟大尺度季风风场、西南暖湿气流与低压交汇过程,并准确复制了造成高潭镇极端降雨的中尺度对流系统.总降雨量中的中γ尺度极值暴雨中心模拟得较为准确.该模式在24 h降雨量模拟中成功复制了暴雨中心的演变过程;在6 h降雨量模拟中较好地再现了中γ尺度雨带的演变过程.在暴雨重灾区高潭镇1 h降雨量演变过程的模拟中,总体降雨趋势与实况吻合较好.定性分析结果同步得到定量指标的验证.

多纵模激光器体制下直接多普勒测风技术的实现与仿真

考虑到单纵模激光器作为多普勒测风激光雷达的激励光源需要复杂的种子注入技术和高精度的稳频锁频技术,本文提出了以自由运转的多纵模激光器作为激励光源的直接多普勒测风激光雷达,以降低激励光源的实现难度和复杂性.针对典型Nd:YAG脉冲激光器,研究了不同激光辐射线宽、光学谐振腔长和中心波长条件下多纵模激光激励的大气弹性散射回波光谱的分布模式.为了综合利用大气风场导致的多纵模激光中每个纵模所激励大气弹性散射回波光谱的多普勒频移,利用具有周期性透过率曲线且四个输出通道相位各相差π/2的可调谐四通道马赫-曾德尔干涉仪,实现对多纵模大气弹性散射回波光谱多普勒频移的高精度鉴别.在此基础上,构建了多纵模激光器体制下直接多普勒测风技术大气风场反演的数学模型.仿真结果表明,所提出的多纵模直接多普勒测风激光雷达能够实现对大气风场信息的高精度测量,并且激光中心波长越大,激光光学谐振腔长越短,系统测风范围越大,测风误差越小.

基于分焦平面偏振成像的冬青卫矛含水率快速无损检测

针对目前在植物含水率检测中存在的使用场景受限、含水率检测不及时等问题,该研究搭建了一套基于分焦平面偏振相机的偏振成像系统,通过对偏振成像信息的解析建立了线偏振度这一物理量与含水率的依赖关系,揭示了偏振光与植物内水分间的相互作用机理,实现了对冬青叶片含水率的快速、无损检测。结果表明:1)针对于不同月份、晴雨天气条件以及不同部位这3种不同影响因素下的冬青卫矛叶片,都可以通过线偏振度来反映其含水率情况,其统一表现为随着含水率的梯度降低,线偏振度逐渐增大;2)该研究通过采集大量的植物叶片建立预测模型,含水率与线偏振度存在较强的负相关关系,决定系数达到0.85,均方误差仅为0.45%;3)另取叶片对含水率检测模型进行验证,结果表明该模型在含水率检测的验证中均方根误差为4.53%,即可以通过线偏振度表征叶片的真实含水率。该研究成果在推动光学手段在植物健康状态检测的进程中具有应用价值。

非同轴激光雷达重叠因子的自校正系统设计

受振动,温度,预紧力变化等外部环境因素影响,激光雷达系统的激光发射光轴和望远镜接收光轴会发生变化,导致激光雷达系统的重叠因子发生变化,进而影响激光雷达系统的远场探测精度与探测稳定性。针对非同轴激光雷达提出开展重叠因子自校正的软硬件系统设计,采用二相电机驱动,具有自锁功能的蜗轮蜗杆发射光轴较正平台设计并搭建了激光发射光轴倾角调节系统,并以激光回波信号强度为校正判据寻找非同轴激光雷达系统收发光轴的最佳匹配位置。自校正过程采用粗扫描和细扫描相结合的方式,以实现校正精度和校正效率的综合考量,其中粗扫描采用环形扫时序,可在961 s内将激光发射光轴锁定在0.4 mrad×0.4 mrad倾角范围内;细扫描采用S形时序,可在441 s内实现激光发射光轴0.02 mrad的倾角调节精度。自校正前后的大气回波距离平方修正信号表明,设计的自校正系统能够实现非同轴激光雷达系统重叠因子的有效校正,并提升系统探测性能,为全天时,无人值守的激光雷达大气探测提供支持。

基于OBE理念的“互换性与测量技术”课程教学改革

针对工程教育专业认证需求,以“互换性与测量技术”课程为例,提出并构建了基于成果导向教育理念的课程教学评价及改进机制,整合“目标-内容-实施-考核”四位一体的教学模式,强化职业规范、加工成本、检测方案等约束下的机械精度设计的复杂工程问题,实现课程教学效果的全过程评价与逐年的持续改进。基于OBE理念的课程改革可有效激发学生学习的主动性,持续保持课程教学模式的先进性,并改善课程教学效果。

激光冷加工孔穿透光谱检测技术研究

为了避免对存在空气内腔器件加工过程中对壁损伤问题,需要实时判断孔穿透状态。针对该问题提出基于激光诱导击穿光谱检测技术的飞秒激光制孔的孔穿透检测方法,选取Cr(I)521.531 nm为特征发射光谱,利用特征谱线强度的变化实现孔穿透状态的判断。设计了光谱检测实验系统并在孔加工实验过程中实现了特征光谱的采集与孔穿透状态的判断,验证了该方法在解决孔加工过程中避免产生对壁损伤问题的可行性。

利用偏振成像检测植物叶片含水量早期变化

为了实现含水量早期变化的精准识别并进行迅速干预,减少植物缺水带来的损失,该研究基于双波片旋转法搭建了一套偏振光成像系统,通过对冬青叶片Mueller矩阵图像及退偏指数图像的分析与试验。实现了对冬青叶片含水量的早期检测。结果表明:首先,退偏指数图像可以清晰地反映冬青叶片含水量的变化,经分析发现随着冬青叶片含水量的逐渐降低,叶肉组织上的退偏指数在不断增大;其次,进一步建立了冬青叶片的含水量预测模型,得到退偏指数与含水量的拟合曲线,拟合曲线的决定系数值为0.95。随后,选用不同部位的冬青叶片对预测模型进行验证,含水量预测值与实际值间的最大相对误差为4.90%,即只需对叶片退偏指数进行探测即可获取到该叶片当前的含水量状态。该研究为植物含水量变化的早期识别提供了新方向,同时也为植物盐、酸和肥胁迫等生理状态的快速无损检测提供了理论基础。

中红外差分吸收激光雷达探测苯气体浓度

苯作为挥发性有机化合物(VOCs)的重要组成部分,其大气污染状况日益引起人们的关注,中红外波段通常是分子的基频指纹吸收区,已成为痕量气体检测的重要波段,而差分吸收激光雷达是探测大气痕量气体的重要手段,故针对区域性苯浓度实时遥感问题,提出基于中红外带间级联激光器(ICL)的探测大气苯浓度路径积分型差分吸收(IPDA)激光雷达系统。首先,在分析IPDA激光雷达的探测原理的基础上,构建了IPDA激光雷达的反演算法及其误差分析模型。其次,详细分析来自HITRAN数据库的中红外3100 cm^(-1)附近苯以及主要干扰气体(如HCl,CH_(4)和H_(2)O)的吸收光谱,结合HCl和CH_(4)着重考虑了H_(2)O对探测结果的影响,选择IPDA激光雷达的测量波长和参考波长分别为3090.89和3137.74 cm^(-1)。再次,基于两个连续波ICL,设计了探测大气苯浓度IPDA激光雷达系统,并可通过控制温度和驱动电流调谐激光器的输出波长,使其波长分别稳定在强吸收谱区和弱吸收谱区,并设计了基于中红外衍射光栅的光谱分光子系统,以实现双波长接收信号的同步探测。最后,基于标准大气模型,仿真分析了不同路径长度、能见度和水汽浓度情况下激光雷达的探测性能,并搭建中红外波段检测气体池开展了测试实验,以验证该IPDA激光雷达系统的可行性。仿真及实验结果分析表明,当大气能见度为5 km,水汽浓度低于0.4%时,苯的浓度路径积(CL)在0.1~24 mg·m^(-3)·km范围内探测的相对误差优于10%,而苯的CL为5 mg·m^(-3)·km时探测相对误差优于1%;初步实验测试了中外红波段差分吸收激光雷达探测的线性相关系数R^(2)约为98.7%。

地形云微物理参数观测的数字全息方法研究

提出了一种基于数字全息理论结合主动风向随动和复杂可编程逻辑器件驱动的纳秒尺度脉宽的脉冲激光调制技术,利用全域数字图像融合和局部亮度梯度方差算法的地形云观测方法。在六盘山地形云野外科学试验基地开展了长期的连续观测以获得地形云微物理参数。与该基地内基于光散射原理的测量仪器及前向散射能见度仪的观测数据进行比对,发现虽然两者长时间观测结果的变化趋势具有良好的相关性,但在2~4μm和7~50μm的云滴粒子区间,数字全息测量方法具有更强的观测能力。本文方法可为提高对云降水物理过程的理论认识和参数化方案的开发奠定数据支持,也可为天气、气候、人工影响天气和大气化学等领域研究提供重要的技术支撑。

多载荷历程作用下螺栓结合部特性实验及分析

以往对结合部刚度特性的研究多着重于不同粗糙度结合部的横向对比,较少或忽视了同一结合部在载荷作用下多次循环历程加载时加载前后刚度特性的纵向对比,以及忽视多次循环历程加载时加载前后表面部分微凸体高度变化的纵向对比。实际上,不论刚度特性还是界面部分微凸体,在多次载荷历程作用下都会变化,这就使预测设备的动静态性能复杂化。针对这一问题,本文基于实验研究了粗糙表面单元螺栓结合部刚度特性在循环载荷历程作用下的变化规律,为量化研究和更好的应用这一规律,对本文各载荷历程曲线进行了数值拟合。纵向比较研究发现:单元结合部刚度特性随载荷作用历程循环次数的变化而变化,即:随着载荷历程作用次数的增加,单元螺栓结合部变形减小,结合部刚度增加。为进一步了解刚度特性变化的机理,还对结合部接触表面进行了载荷作用后的显微镜观察,发现结合部螺栓孔附近的表面部分微凸体高度在螺栓多次循环预紧力作用下有不同程度的塑性变形。

先进激光雷达探测技术研究进展

激光雷达作为近年快速发展的新型光波主动式遥感技术,由于具有高精度及高时空分辨率的遥测特性,已经在大气及海洋环境探测等领域得到广泛的应用。主要介绍了激光雷达探测技术的基本原理,重点分析大气环境监测激光雷达,气象观测激光雷达及空间激光雷达的测量原理、关键技术及其应用前景,介绍国内外相关激光雷达的系统特色及其最新进展。

海洋激光遥感技术研究进展(特邀)

国内正处于实施21世纪海洋"丝绸之路"战略部署的关键时期,发展海洋光学技术是支撑国家中长期发展战略的重要方向。海洋激光遥感技术是海洋光学的重要研究领域之一。激光雷达作为近年来快速发展的新型主动遥感技术,由于其具有高精度及高时空分辨率的优点,已在海洋激光遥感领域得到广泛的应用。文中基于布里渊散射激光雷达和海洋成像激光雷达介绍了海洋激光遥感技术的研究进展,以及我国在水体参数测量、水下目标探测和海洋地形地貌的激光遥感中的应用。

“激光雷达”专栏序言

随着激光技术和光电探测技术的发展,激光遥感技术也得到迅速发展和广泛应用。相比其他遥感设备,激光雷达具有探测精度高,时空分辨率高的优势,在大气环境、气候、气象研究领域方面受到广大科研:工作者的关注。激光雷达的探测空间从近地表的对流层、平流层一直到中间层(0~120 km);探测对象从气溶胶、云、污染气体、湍流、大气温湿度及风场等各种大气参量。近些年,单光子探测技术、量子雷达等新技术不断涌现,并成功应用于激光雷达探测,进一步拓宽和扩展了激光雷达的探测能力。

第六届中国激光雷达遥感学术会议专刊序言

激光雷达是近代无线电波遥感向光波遥感拓展的新型主动遥感技术,具有高精度、高时空分辨率及大尺度探测的优势。近年随着激光技术、光子与光电探测技术及计算机智能技术的快速发展,激光雷达已经在大气及海洋环境、星球地形地貌探测及航空航天气象保障等领域得到广泛的应用。我国激光雷达技术起步虽晚,但得益于国家政策扶持与经费投入以及广大科技工作者的潜心研究,近年发展势态迅猛,研究领域齐全,整体技术水平与业务化应用能力趋于国际先进水平。

基于三次样条函数的激光雷达数据可视化插值法

传统的可视化软件与方法不能够准确地反映受大气湍流以及大气边界层影响的大气参数的细节信息,难以实现连续性的大气参数演变过程。提出了一种基于三次样条函数的激光雷达数据可视化插值法。分析了激光雷达数据的离散型特点,确定影响大气激光雷达数据可视化图形的关键因素,利用一定大气范围内的观测数据相互影响的关系,结合三次样条插值函数对插值数据进行修正并拟合观测数据的整体变化趋势。实验结果表明,该方法能够提高离散激光雷达数据间插值数据的准确性与可视化图形的平滑性,为激光雷达数据分析提供了有力手段。

Mie散射激光雷达回波信号小波去噪方法

针对强背景光下,Mie散射激光雷达回波信号所含噪声的特点,提出小波滤波消噪方法.该方法通过小波变换分离出背景光的直流部分,并利用小波软阈值消除来自背景光的白噪声和探测系统的电噪声.为了验证该方法的有效性,提取并反演了Mie散射激光雷达系统实际探测得到的大气回波信号.反演结果显示有效探测距离从2.5km提高到5km,表明该方法能够在白天背景下有效降低Mie散射激光雷达回波信号中的电噪声和背景光的噪声污染.

紫外域多纵模高光谱分辨率激光雷达探测气溶胶的技术实现和系统仿真

多纵模高光谱分辨率激光雷达是一种新型的高光谱分辨率激光雷达.本文在研究典型高功率Nd:YAG脉冲激光器的多纵模模式及其在大气中传输的气溶胶米散射和瑞利散射光谱的基础上,设计紫外域多纵模高光谱分辨率激光雷达系统,采用窄带干涉滤光片滤除太阳背景光的影响,设计可调谐马赫-曾德尔干涉仪,分离提取多纵模激光回波中的气溶胶米散射和瑞利散射光谱,并利用马赫-曾德尔干涉仪双通道输出的互补性原理,精确反演气溶胶光学参量.系统仿真结果表明,所设计的紫外域多纵模高光谱分辨率激光雷达能够实现10 km高度内的气溶胶光学参量精细探测.

微脉冲米散射激光雷达系统的产品化研发及实验观测研究

采用模拟探测技术研发了具有三维扫描功能的微脉冲米散射激光雷达产品,用于高密度气溶胶聚集地区的大气气溶胶光学特性及云的精确探测。详细介绍了该系统的整体结构、系统控制和数据采集处理软件。利用该系统对西安地区气溶胶及城市边界层特性进行观测研究,实验结果表明:在激光脉冲能量为50μJ,重复率1 kHz,望远镜接收孔径为254 mm,信号平均时间40s及距离分辨率为7.5 m的条件下,系统测量气溶胶的有效距离可达到白天3～5 km左右,夜晚15 km。系统可以为研究大气变化,特别是颗粒污染物的产生、传输和扩散的特性提供科学的测量数据。

微脉冲偏振激光雷达探测城市底层气溶胶

以单脉冲能量2μJ,重复频率1kHz的Nd∶YAG固体激光器为光源研发了一台便携式人眼安全可三维扫描的微脉冲偏振激光雷达系统,可实现对城市底层气溶胶球形特性和分布情况的探测.为保证在西北地区等高密度气溶胶聚集的地域,实现近地表80～1 000m范围内的精确探测,系统的光电检测采用模拟探测技术.利用该激光雷达系统首次对冬季西安局部地区1 000m范围内大气气溶胶退偏比进行了俯仰扫描探测,并分析了天气过程和地面状况对退偏比的影响.实验结果表明,探测期间无明显沙尘事件发生,探测区域内气溶胶的退偏比在0.1左右,在无绿化带的交通干道交叉口等局部区域,受地面状况影响退偏比偏高,并获得了退偏比值与天气过程的初步关系,同时也验证了系统的可行性.研究成果可对城市底层气溶胶的产生、传输及扩散特性研究提供科学数据.

用于三发弹丸同时着靶的密集度测量方法

针对三发弹丸同时着靶时密集度难以测量的难题,提出一种高速单彩色线阵CCD相机的坐标测量方案.以红、蓝、绿三种颜色扇形一字线激光器作为光源,当飞行弹丸穿越CCD相机与光源共面的光幕时,弹丸在投影板上留下投影,用CCD相机采集投影板上的弹丸投影影像和弹丸自身影像.运用图象处理和坐标计算法识别并计算得到投影点的坐标,按照直线相交的原理求解得到弹丸穿越光幕的坐标.实验分析和仿真表明,该方法能够测量三发弹丸同时着靶的密集度,对研制一类高射频武器和多管武器的弹丸着靶坐标测量系统具有指导意义.