激光共聚焦显微镜应用于本科生的实验教学设计

激光共聚焦显微镜等大型仪器的实验教学是实现“新工科”建设的重要推动力,然而目前针对本科生的大型仪器教学却未得到有效普及。通过选取适合于本科生实践操作的微生物荧光染色观察实验以及基于“雨课堂”进行线上线下教学,发挥激光共聚焦显微镜可视化强的特点,激发本科生的求知欲望和探索热情,增强学生的主观能动性,促进以教师为主导向以学生为中心的教学模式转变。实践教学表明,易于操作、可视化强的实验方案有助于学生理解和掌握激光共聚焦显微镜相关的基础知识和未来应用,拓宽学生的知识面和科研视野,提高本科生的实践创新能力。

激光雨滴谱仪与翻斗式雨量计降水量观测结果对比分析

为探究激光雨滴谱仪和翻斗式雨量计在降水量观测中的差异,本文利用兴隆山森林生态系统国家定位观测研究站林外标准气象场内激光雨滴谱仪与翻斗式雨量计观测的降水数据,对比分析了两种仪器在小、中、大三种降水强度下的降水量、月降水量的差异以及差异产生的原因。结果表明:(1)两种仪器观测的累计降水量在小雨强度下差异最大,主要是由于降水强度很小时,雨滴小而雨速较缓,翻斗式雨量计达到了应翻转雨量才会翻动,反应滞后;(2)两种仪器观测的小时累计降水量相关关系随着雨强的增大而变大;(3)2023年5月—2024年5月,激光雨滴谱仪观测的降水量相对翻斗式雨量计的偏高,其中2023年5—9月差值较小,而2023年10月至次年2月差值较大,主要是由于激光雨滴谱仪能够识别雨夹雪、雪等小粒子。综上所述,激光雨滴谱仪和翻斗式雨量计各有优缺点,在实际应用中可根据具体需求和野外观测条件将两种仪器结合起来进行降水量观测。

山东一次暴雨过程的云降水微物理特征分析

以2013年7月29日发生在山东的一次暴雨过程为例,利用高空间分辨率的MODIS极轨卫星资料以及布设在章丘的THIES激光雨滴谱仪连续采样获取的降水粒子谱资料,并采用Rosenfeld等提出的云微物理分析方法,对云和降水的微物理特征进行了分析。结果发现,这个暴雨云团由多种不同高度的云系组成,其中对流云团在-10℃以上存在深厚的混合相增长带和冰化增长带,冰化增长起始温度基本都在-20℃左右。系统性层云中存在凝结增长、碰并增长和混合相增长过程,但无冰化增长过程。此降水过程多次出现强度>100 mm·h^(-1)的高雨强值,最大雨滴数浓度达10~4量级,并存在接近8 mm的特大滴,降水强度与雨滴数浓度和谱宽的关系极为密切;直径>2 mm的雨滴数浓度不足1%,但对降水的贡献却占绝大多数。从雨滴谱谱型分布来看,多峰型结构所占比例最大,单峰型次之,指数型分布出现频率最少。

雨滴谱模型对雨衰减计算的适用性分析

雨滴谱分布模型是影响红外激光在雨中传输性能的一个重要因素。尽管现有的雨滴谱模型很多,但并未形成统一的结论,具体应用中模型的选择没有依据,使得计算中模型的选择具有一定的盲目性。针对此问题,论文从Mie散射理论出发,采用理论分析与仿真分析相结合的方法,讨论了几种雨滴的谱分布特性,比较了几种典型雨滴谱模型下的光传输衰减特性,分析了雨滴尺寸分布在计算大气衰减时的差异。并通过与实测雨衰减数据进行比较,最终得到了L-P模型对大雨条件下的衰减计算较为准确,Joss模型对小雨条件下的衰减计算较为准确的结论。论文的结论对于无线光通信等应用领域中模型的合理选择具有一定的指导意义。

降雨对激光通信传输的影响研究

从理论研究和实验研究2个方面总结国内外有关大气中激光传输的研究进展,重点分析了降雨气象条件下对激光传输过程的影响。研究结果发现模拟仿真法在研究激光在大气中的传输时,一般采用常用的经验模型,该模型不具有普适性。雨场模拟实验中,设备产生的降雨在空间分布并完全不均匀,造成了两波段激光衰减系数实验值与理论值的误差。利用公式计算分析时,由于忽略了水汽吸收、雨滴散射等因素,从而使数据具有局限性。通过对理论模型仿真、模拟实验环境和数值计算与公式推导这3种实验方法的对比分析,提出了进一步改进有关降雨时激光通信实验研究的思路。

非致命激光武器雨中传输衰减系统设计研究

非致命激光武器实际应用中会受到大气环境影响,造成激光能量衰减,严重影响其作战效果。为精确了解激光在雨中传输的衰减,本文建立了激光在雨中传输的衰减模型,分析研究了激光在雨中的透过率,搭建了激光在雨中传输的衰减实验平台,实验研究了激光透过率与降雨强度和传输距离的关系。结果表明,激光在雨中传输衰减很大程度上取决于降雨强度和传输距离,雨量越大,传输距离越远,衰减越严重,当雨量为60 mm/h,激光传输200 m距离时,透过率已不到40%。仿真和实验结果吻合较好,说明所建立的衰减模型基本符合实际情况,同时也表明搭建的激光雨中传输衰减系统可以用于研究非致命激光武器雨中传输衰减,具有结构简单、易于操作、灵活性较好等优点。

2015—2016年深圳地区强降水过程滴谱特征分析

选取2015—2016年广东深圳地区的强降水过程为研究对象,降水过程按照天气条件划分为西风带型、西南季风型和热带气旋型,利用Parsivel激光雨滴谱仪和雨量筒测得的数据对广东深圳地区降水的微物理特征进行分析,结果表明:在不同降水量级的情况下,激光雨滴谱仪与雨量筒测得的分钟雨量都具有较好的对应关系,表明激光雨滴谱仪能够适应深圳地区多暴雨的环境;热带气旋带来的降水小粒径雨滴密度最大,大粒径雨滴密度最小,整个降水过程较为绵密;西南季风带来的降水小粒径雨滴密度最小,大粒径雨滴密度最大,整个降水显得很急促;西风带型降水的特征则介于前两者之间。

降雨衰减对激光引信精确定距的影响

针对脉冲激光引信系统在降雨等复杂环境下定距性能下降的问题,根据激光在离散随机介质中的传输和散射理论,计算了降雨中的散射和衰减系数。建立激光脉冲在降雨中的蒙特卡罗法传输模型,并模拟降雨衰减对激光引信精确定距的影响。模拟结果表明,雨滴的散射和衰减作用,会使激光脉冲在传输过程中产生一定的衰减和延时。传输距离为500 m时能量已衰减44%。降雨衰减系数越大,激光信号衰减及波形畸变越严重。脉冲宽度窄的发射信号,传输延时小,但能量衰减比较大。随着脉冲宽度的增加,传输延时增大,但能量衰减相对减小。

非致命激光武器雨雾传输衰减控制虚拟仪器研究

非致命激光武器因具有优异的性能使其在反恐处突领域得到广泛应用.但是,激光传输时因受到大气环境影响而作用效果欠佳.该文研究了激光雨雾传输衰减的机理,设计了激光雨雾传输衰减的控制系统,开发了控制系统的Lab VIEW虚拟仪器软件,所建立的激光雨雾传输衰减控制实验装置可用于非致命激光武器在雨雾传输时功率衰减的实时调节.仿真结果表明,该系统能够在雨雾环境中实现对激光功率的实时调节,且精度较高,软件界面友好,操作简单,成本低,具有一定的灵活性,易于扩展功能,智能化程度高.

利用激光雨滴谱仪检验消(减)雨作业效果

为了有效地检验人工影响效果,设计了地面火箭和飞机催化作业方案,分析了2009年秋季的雨滴谱观测资料。计算了火箭作业点相对于激光雨滴谱仪的距离和方位,为了便于实际作业指挥中的灵活应用,将结果标注在多普勒雷达的地图上。分析了10次降水过程共5338min的雨滴浓度资料。结果显示,秋季积层混合云的雨滴浓度小于500个的占87.6%,而大于3000个的浓度出现几率很低,不同过程雨滴浓度分布有明显差别;2009年10月16日降水过程出现最大雨滴浓度6003个,部分原因可能与火箭消减雨催化作业有关。

远红外激光雨中传输损耗的研究

激光在雨中传输时,会受到雨滴的散射和吸收作用导致功率衰减。首先,根据Mie散射理论,给出雨中消光系数的计算方法。其次,介绍了Joss和Weibull两种雨滴尺度分布,通过对比分析得出结论 Joss分布更加准确。最后,利用Matlab对远红外激光在雨中的消光系数和链路损耗进行分析。结果表明:消光系数随降雨量的增大而增大;利用光子追踪法计算得到的链路损耗,由于考虑了光束发散角、接收视场角和散射能量,较朗伯-比尔定律更加贴近实际情况。

基于平流层飞艇的星地中继通信系统设计

针对高轨卫星对地激光链路受大气层影响较大,难以全天候工作的现状,设计了一种利用平流层飞艇平台对激光链路进行中继的通信系统,将激光终端升空到平流层降低大气层影响,采用高速微波实现飞艇平台到地面的信息中继,可以实现5Gbit·s-1以上的可靠信息传输。对激光载荷安装、微波链路预算以及天线对准等进行了分析,总结了随机运动特性平台高精度指向和快速捕获、大幅度低频扰动特性下高精度稳定、大容量微波高速自适应均衡等关键技术,可以满足高速中继的需求。

大气环境对激光通信系统的影响(英文)

为了保证光通信精确度,有效地提高光通信系统性能,分析了导致接收光束能量损失,接收信号减弱的成因,找到适合光通信的方法.首先,通过光通信对大气信道衰减的敏感性,分析了光通信在大气传输时所受到的大气环境如雾、雨、雪、大气湍流因素的影响.其次,对大气环境中的雾、雨、雪和大气湍流中光强起伏、光束漂移等因素对光通信的影响做了详细分析.最后,通过数据分析得出适合光通信的大气环境,在合理使用大气激光通信设备的前提下,可以保证光通信的质量.

高电压放电产生等离子体在人工降雨中的应用

作为高电压技术的最新应用方向之一,大气放电产生等离子体降雨技术已经在大气水资源综合利用方面取得了重大突破。为了进一步研究大气放电产生等离子体降雨技术的相关内容和特性,系统分析和比较了大气放电等离子体降雨技术和激光等离子体降雨技术的特性,并通过流体模型计算分析了驱动电源的工作频率对等离子体中促进降水产生关键离子O2-产量的影响。结果表明:大气放电等离子体降雨技术的带电粒子产量是激光催化降雨技术产量的105倍,所以认为大气放电等离子体技术拥有更高促进降雨发生的概率;通过不同频率下放电稳定工作模式和O2-产量对比确定了驱动电源的最佳工作频率在100～1 000MHz。

Parsivel激光雨滴谱仪与雨量计观测降水的一致性分析

利用南京市气象局在江宁布设的激光雨滴谱仪、称重式雨量计和翻斗式雨量计,整理2014-2018年期间2590h的降水观测资料,重点分析了Parsivel激光雨滴谱仪对降雨和降雪的测量性能。结果表明,与称重式雨量计结果相比,翻斗式雨量计测量的降水时数和累积降水量均偏低,激光雨滴谱仪测量的降雨时数偏低,但累计降水量偏高15.07%;激光雨滴谱仪能够有效跟踪降水强度的变化,但在雨强较小(<2.5mm·h^-1)时对雨强略有低估,在降雨强度较大(≥2.5mm·h^-1)时对雨强有不同程度的高估,最大可达近50%,而且雨强越大,一致性就越差;翻斗式雨量计无法有效测量降雪;激光雨滴谱仪则可以有效跟踪降雪的变化情况,但是受到测量原理的限制,对等效降水强度则有不同程度的高估。从5年数据来看,没有发现随着激光雨滴谱仪安装时间的增长,性能变差的问题。

恶劣环境下大气信道激光通信传输特性研究

针对大气激光通信在复杂环境下的衰减比较严重,已有的大气衰减模型存在计算误差大的问题,研究了激光大气传输效应,分析大气通信信道特性。根据雨雾共存环境特性,修正已有的大气衰减模型,给出适用于复杂环境下的大气衰减计算模型。利用大气衰减模型,仿真分析无线光通信系统的链路余量。结果表明,计算链路余量时,采用已有的计算模型误差较大,采用修正的计算模型误差较小。

激光在雨中传输的衰减特性分析及实验研究

降雨会对激光传输造成严重的衰减。通过分析常用的雨的经验模型,用Matlab仿真对各种模型进行了对比,发现当降雨量为广布雨时,Weibull分布、Joss和Gamma分布结果几乎一致,而M-P模型的衰减特性则为稍微偏大;当降雨量为毛毛雨和雷阵雨时,Joss模型的衰减特性与其它模型相比分别为相对偏大和相对偏小。为了验证模型的正确性及对桂林本地天气的适用性,通过多次实验得出:532 nm波长激光在雨衰减信道下传输衰减与M-P模型更接近,即M-P模型更加适用于全年降雨天气较多的桂林的大气雨衰减预测。

北海一次强降雨过程的雨滴谱特征分析

基于北海国家气候观象台的自动雨量站和激光雨滴谱仪观测资料,针对2019年08月17日00∶00—18∶00出现持续性降雨过程进行雨滴谱特征初步分析。结果显示:(1)激光雨滴谱仪和自动雨量站累积降水量具有很好的一致性;(2)分钟粒子数和分钟降水量呈正相关,但降水量不仅由粒子个数决定,还取决于雨滴的直径;(3)谱宽和降水粒子数随时间起伏变化基本同步,决定了降雨强度;(4)特征直径之间线性关系较好,可互相包容,能反映降水粒子大小。综上激光雨滴谱仪在不同速度、直径通道观测的雨滴粒子是可信的,可反映实际降雨情况;降雨强度主要由大雨滴决定;在遇到短时强降雨时,雨滴重叠会导致激光雨滴谱仪观测的降雨强度和累积降水量偏大。

激光致盲武器雨雾条件下传输机理研究

非致命激光致盲武器在恶劣天气尤其是雨雾天气下使用时,打击效果较差,不能达到预期的致盲效果。因此,必须研究一种激光自动调节系统,而设计这个系统最关键的问题就是研究激光在雨雾条件下的传输机理,所以本文基于Mie散射理论分别研究了激光在雨中、雾中以及雨雾共存三种条件下的衰减情况,得到激光透过率与降雨量、雾浓度以及传输距离之间的关系。对其进行Matlab仿真,结果表明激光透过率随着降雨量的增大、雾浓度以及传输距离的增加而减小,且衰减明显。

激光云高仪与Ka波段云雷达测云能力对比分析

文章基于激光云高仪和Ka波段云雷达2种仪器协同测量云技术,对2021-06-01/07-31宁夏六盘山气象站的数据进行对比分析。在几乎相同的地理位置下比较2种设备所获取的云底高度和云时间数据,进一步分析2种设备的观测性能受天气状况影响的程度。结果表明:在观测条件相同的情况下,2种设备的观测结果不尽相同。原因是激光云高仪易受特殊的天气现象影响,其中受雾、霾、降水等影响较大,导致云的观测数据出现了偏差。