从能量学角度理解气候背景场对ENSO热带和热带外遥相关的影响

厄尔尼诺—南方涛动(El Ni?o-Southern Oscillation,简称ENSO)通过遥相关过程影响全球天气气候。在热带地区,ENSO能通过影响热带对流层温度导致遥远海盆降水和海表温度异常;在热带外,ENSO能通过激发准定常罗斯贝波动造成北美、亚洲等地区气候异常。气候背景场对ENSO热带和热带外遥相关有重要影响。一方面,气候背景大气环流场可以通过正压和斜压能量转换影响ENSO遥相关波列的位置和强度。另一方面,热带气候背景海温和对流场会通过影响湿静力能分布影响ENSO热带遥相关过程。这些研究表明分析能量过程有助于理解气候背景场影响ENSO遥相关的机理。本文回顾了近几十年来国内外关于气候背景场对ENSO热带与热带外遥相关影响的能量分析研究进展,在此基础上,回顾了全球变暖背景下ENSO遥相关的可能变化,并提出了一些未来该领域内需要进一步研究的科学问题。

面向月球科研站任务的地月准实时遥操作模拟验证系统设计与关键技术研究

针对月球科研站任务地月遥操作需求和特点,设计地月准实时遥操作模拟验证系统,对其中的关键技术海量多尺度遥感数据环境感知、空地协同高精度定位、基于混合现实的预测仿真等进行了研究。提出了基于海量多尺度遥感数据的联合处理方法,环境感知数据融合可处理米级至厘米级环境感知结果;设计基于空地多运动平台协同定位的原型软件,空地协同地标约束下,定位精度不低于轨道器影像1个像素;开发了带有力觉反馈的预测仿真验证平台,在2~3 s变时延约束下可在仿真环境下协同演示遥操作过程,真实还原从端的遥操作作业场景,提高遥操作的执行效率和安全性。为地面人员的方案设计、操作手训练、故障处置等提供实时支持,为我国未来实施月球科研站任务筑牢基础。

主从遥操作机械手工作空间覆盖控制策略研究

针对遥操作机器人主控制器工作空间过小和主从手工作空间不匹配的问题,提出一种区域覆盖思路。将主控制器工作空间与从机械手工作空间一一对应的映射关系转换成主手工作空间多次区域映射的关系,通过多次建立主从手的连接,达到区域覆盖的目的。同时为了更好地控制从机械手末端的姿态,设计一种相对运动姿态控制方法,将传递给机械手的绝对姿态坐标替换成姿态运动信息,以达到相对姿态控制目的。最后,进行仿真分析和试验验证。结果表明:该方法能够实现工作空间完美覆盖,主手能够有效地控制从手运动。

基于LoRa技术的ABB机器人遥操作联动系统的设计

工业机器人传统编程与控制模式受通信网线距离的影响,不便对其进行远程操作,控制灵活性差。对工业机器人远程操作联动系统进行研究,设计并研发一种基于LoRa技术的ABB机器人遥操作联动系统,选择PC机作为上位机设计人机交互界面,通过RS232、LoRa协议建立上位机与LoRa模块的通信,搭建LoRa模块与工业机器人的通信,完成工业机器人与远端工作站及数据中心的连接,实现对工业机器人的远程控制与管理。实验表明,该系统能够对ABB机器人进行远程控制与状态监控,替代人类在恶劣环境下对工业机器人进行控制管理,解放人力,提高生产效率。

北半球夏季急流遥相关:进展与展望

急流遥相关是沿急流波导传播的准静止行星尺度波列,在大气环流的维持和演变中有重要作用,其异常活动常伴随极端天气气候事件的发生。研究急流遥相关在不同时间尺度的变异特征和机理不仅可以加深对大气环流变化规律的理解,还可以为相应时间尺度上的天气预报、气候预测乃至气候预估提供科学依据。根据波导的性质,北半球夏季的急流波导可以分为以正压效应为主要维持机制的副热带急流波导和以斜压效应为维持机制的极锋急流波导。本文聚焦夏季急流遥相关活动最为活跃的欧亚大陆地区,在回顾急流遥相关理论的基础上,简要总结了近年来关于夏季副热带急流遥相关和极锋急流遥相关的形成条件、动力机制、气候影响和未来变化的研究进展,并展望了一些未来值得继续深入研究的问题。

主从遥操作下双臂机器人的阻抗控制策略研究

在遥操作机器人系统中,从端机器人不仅需准确地跟随主端设备的运动,还需与外界环境保持合适接触力,以避免因接触力过大对机器人和环境造成破坏.由于遥操作机器人系统中主从端设备是分离的,要实现遥操作下柔顺接触是极具挑战的.为了提高遥操作机器人系统任务执行的安全性,本文结合运动映射提出一种主从遥操作下阻抗控制策略.首先,通过提出主从端运动映射策略,将主从端设备联系起来,并获得从端机器人运动的目标位姿.接着,为了实现机器人末端执行器与环境的柔顺接触,提出阻抗控制策略,建立机器人与外界环境之间的位置和接触力的动态响应关系.同时,引入虚拟排斥力,让从端机器人的双臂在可行的空间中运动,从而提高了机器人操作的柔顺性和安全性.设计了机器人拖拽和白板擦拭两个实验来验证方法有效性.实验结果表明,所提出方法可实现机器人在具有接触的任务中的柔顺操作,可提高操作的安全性.

遥爪型聚丙二醇熔体动力学的宽频介电谱研究

性能优异的聚合物电解质需要兼具较高的离子电导率和良好的机械性能.深入理解聚合物的结构和分子动力学及其与材料宏观性能之间的关系,对于从分子尺度设计高性能聚合物电解质至关重要.本文选取玻璃化转变温度低、氢键缔合基团位于链端的非晶遥爪型聚丙二醇模型体系,通过化学修饰端基合成了分子量为1000,2000和4000的两端端基均为烯丙基的聚丙二醇,并利用宽频介电谱研究了链端基团相互作用强度及分子量对聚丙二醇多尺度动力行为的影响.实验结果表明,具有两种不同端基的聚丙二醇均出现了对应链段尺度的α松弛和对应整链尺度的Normal Mode松弛.在相同温度下,端基相互作用会同时影响两个松弛过程,相互作用越强,松弛时间越长.由于端基含量随分子量减小而增加,分子量越小,缔合端基对高分子动力学的影响越明显.此外,利用高分子玻璃化熵理论研究了端基缔合强度和分子量对遥爪型高分子熔体链段动力学的影响,理论预测与实验结果定性一致.研究结果为聚合物电解质的分子设计提供了指导.

基于力引导的空间舱外双臂机器人遥操作同步过程优化

为提高空间舱外双臂机器人遥操作同步过程中操作效率,提出了一种基于力引导的遥操作同步过程优化方法。通过改进的蒙特卡洛法对双臂机器人协作的工作空间进行分析,提出了一种最优协作位置预测方法,并通过力引导方式,辅助引导遥操作双臂到达最优协作位置。实验结果表明:相比于只有视觉反馈的遥操作过程,同步过程优化后到达同步工作状态的时间减少了84.26%,同步过程通过的路径长度缩短了35.43%;对比运动学引导方法,各项指标方差更小,稳定性更强。

结合路径规划的虚拟夹具遥操作研究

在传统的遥操作任务中,由于环境的不确定性和动态变化,传统虚拟夹具面临着实时适应环境变化的挑战,这限制了其在多变环境中的应用范围。为了解决这一问题,文中提出一种结合反向搜索可视图路径规划算法与虚拟夹具技术的创新策略,以实现自适应虚拟夹具的构建和应用。搭建了基于触觉设备Geomagic Touch和ABB公司的IRB 1410型机械臂的遥操作系统,在该系统上进行了路径规划对比实验,并设计了具有突发情况的多组虚拟夹具对比实验。实验结果表明,这种自适应虚拟夹具有效地提高了遥操作系统在复杂环境中的适应能力,它不仅能够保护遥操作系统免受意外伤害,还显著提高了操作者的工作效率。研究结果证明了自适应虚拟夹具在提高遥操作系统灵活性和准确性方面的重要价值,为遥操作技术的进一步发展提供了有力的理论和实践支持。

基于遥泵技术的超长距光传输系统研究与实验

【目的】针对采用遥泵技术的超长距光传输系统传输距离受限问题,文章提出了100与200 Gbit/s业务混合传输的单跨无中继传输系统,实验在不考虑色散等其他因素的影响下,通过调整系统入纤功率和系统中遥泵增益单元的位置来测试系统最大跨段损耗。【方法】实验中关键放大技术主要为遥泵、掺铒光纤和拉曼放大技术,在传输中应用掺铒光纤放大器、拉曼放大器和遥泵增益单元对系统中光信号进行无中继放大,并通过调整遥泵增益单元的放置位置来进一步提升中继传输距离,实验采用能够更好提升遥泵放大增益的遥泵旁路接入方式。【结果】实验采用3种不同的模块共9个业务波,分别使用200 Gbit/s偏振复用—正交相移键控(PM-QPSK)、100 Gbit/s PM-QPSK和200 Gbit/s偏振复用—16正交幅度调制(PM-16QAM)调制格式,采用损耗为0.17 dB/km的G.654b超低损耗光纤搭建传输实验,并最终实现了总容量为1.5 Tbit/s、跨段损耗达到75 dB的单跨超长距传输。【结论】结果表明,通过设置最佳的入纤功率和调整遥泵增益单元的位置可以提升系统传输距离,实验结果为搭建基于遥泵技术的超长距光传输系统提供了参考价值,对基于遥泵技术的无中继传输发展提供了参考数据。

低轨卫星多星协同及星地协同遥通算一体化技术

首先,系统分析卫星遥感、通信及计算系统现状,深入剖析传统卫星遥感系统和卫星遥感通信融合系统架构存在的实时遥感困境;其次,提出一种多星协同、星地协同的卫星遥通算一体化体系架构,详细定义架构的关键组成和工作原理与模式;再次,系统论证一体化架构的先进性及关键技术的可行性;最后,阐述基于该体系架构的仿真分析方法,与传统模式相比,该体系架构可完成分钟级遥感任务,时效性强,潜在应用价值高。

面向核事故应急处置的遥操作系统设计与实验研究

针对核事故现场的物理屏蔽严重、应急处置作业条件复杂、作业对象不明确等特点,研究并设计了一款基于动态自组网的机器人遥操作系统。在自组织网络实时Mesh保持良好通讯的情况下,利用叠加在真实回传视频中的虚拟模型,提出一种基于空间梯度的人工势场力觉引导算法。操作者可通过观察视觉交互系统中模型的变化和感受施加在自研主手的引导力,提高时延条件下的操作效率和临场感。实验表明,核辐射条件下遥操作系统130 m的通讯时延在30 ms以下,可满足视频传输的带宽要求。力觉引导下的物体避障抓取实验验证了算法的可行性和遥操作系统的工程实用性。因此,本文设计的基于动态自组网的机器人遥操作系统,可使操作者以更加直观自然的方式参与到遥操作系统中,有效提高操作员完成复杂遥操作任务的安全性和操作性能。

基于植被状态指数的中国干旱演变特征及遥相关驱动研究

干旱会引发植被绿度下降、农作物减产、生物栖息地破坏等诸多问题,对人类和自然环境均具有显著影响。以植被状态指数作为干旱指标,利用极点对称模态分解EPSMD方法对1999~2019年全国植被状态指数序列进行周期与趋势识别,采用网格化趋势检验法揭示网格化的干旱趋势特征,运用多变量小波相干方法探讨干旱与多种遥相关因素的内在关系。结果表明,1999~2019年基于植被状态指数的全国干旱大体呈减轻趋势,植被状态指数的线性倾向率为0.044/10a;不同分区的干旱变化特征各不相同,其中黄土高原区的干旱减轻趋势最为明显,植被状态指数线性倾向率为0.215/10a;网格尺度的植被状态指数趋势特征Z均值在春季、夏季、秋季、冬季分别为0.41、0.79、0.50、0.11,各季度旱情均呈减轻态势;遥相关因素组合PNA-ENSO对全国干旱的影响最为明显。未来可将PNA、ENSO作为干旱预警输入因子提高干旱预报精度。

安徽省极端降水演变规律及与气候因子遥相关研究

【目的】随着全球气候变暖,极端降水事件强度和频率呈显著增加趋势,强降水引起的洪涝灾害不仅对社会经济造成严重的损失,还对生态环境带来极大破坏。2020年安徽省遭受持续时间长和降雨量大的特强梅雨降水过程,造成安徽省受灾严重。【方法】利用气象站点观测降水数据和ERA5再分析数据,探究安徽省极端降水时空演变特征和典型小时尺度降水过程,分析其与气候因子的遥相关关系。【结果】结果显示:1960—2020年安徽省6月和7月平均PRCPTOT变化率为9.0 mm/10 a和8.0 mm/10 a。2020年梅雨期影响范围最大的四次降水事件,累计雨量超过100 mm的气象站数占比达34%以上。相比1998年和2016年,2020年安徽省6—7月平均PRCPTOT为900.56 mm,是1960年以来最大值,是1998年和2016年的1.9倍和1.5倍;降雨强度(25.37 mm/d)为2016年的1.2倍、1998年的1.1倍,是历史均值的1.4倍。【结论】研究结果表明:(1)安徽省主汛期极端降水显著增加,且主要中心位于长江以南。极端降水量、降水强度、降水日数均增加。2020年强降水主要分布在长江河谷和皖南山区,降水主要发生在夜间和清晨;安徽北部地区降水更加集中,主要出现在下午,在15:00达到最大值。(2)与1998年和2016年相比,2020年安徽省降水总量、中雨以上日数和连续降水期明显增加。在降水强度相同的情况下,2020年中雨和大雨日数发生次数多,且连续降水期更长,是2020年6—7月降水量高的最主要原因。(3)安徽省6—7月极端降水指数与PDO在滞后3个月尺度上正相关性最显著,而滞后6个月尺度上极端降水指数与气候因子的正相关性不显著,SOI在滞后1个月(6个月)尺度上与极端降水指数呈正(负)相关性显著。

环球遥相关对东南亚低纬高原冬季降水年际变化影响的研究

根据欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的ERA5再分析资料、美国地质调查局与加州大学共同开发的气候灾害组融合站点(CHIRPS)月平均降水资料,以及全球降水气候项目提供的全球降水气候数据集(GPCP)月平均降水资料,利用统计诊断方法研究了冬季环球遥相关(circumglobal teleconnection,CGT)对东南亚低纬高原地区同期降水年际变化的影响。相关分析的结果表明,CGT呈现方差贡献大致相当的两个主要模态,垂直方向上呈现相当正压结构,水平方向上的四个异常中心分别为位于地中海附近和印度半岛附近的负异常中心,以及位于阿拉伯半岛附近和东南亚低纬高原附近的正异常中心。CGT第一模态与东南亚低纬高原冬季降水呈现显著的正相关关系,在年际时间尺度上,当冬季CGT处于正位相时,欧洲西部、阿拉伯半岛西北部、阿拉伯海和东南亚低纬高原分别为异常“反气旋、气旋、反气旋、气旋”控制。异常气旋东侧的西南风将增加孟加拉湾和中国南海进入东南亚低纬高原的水汽输送,并在东南亚低纬高原地区辐合上升,最终促使东南亚低纬高原地区冬季降水偏多;反之,当冬季CGT处于负位相时,欧洲西部、阿拉伯半岛西北部、阿拉伯海和东南亚低纬高原为异常“气旋、反气旋、气旋、反气旋”控制。异常反气旋东侧的东北风减弱了由孟加拉湾和中国南海进入东南亚低纬高原的水汽,加之东南亚低纬高原处于异常辐散下沉区,最终导致东南亚低纬高原地区冬季降水偏少。东南亚低纬高原12月、1月和2月的降水与同期CGT之间也呈现显著的正相关关系,联系两者的关键物理过程与整个冬季的一致。典型个例分析的结果进一步验证了相关分析所揭示的环球遥相关影响东南亚低纬高原冬季降水年际变化的关键物理过程。

基于Qt的遥操作GIS维护机器人监控系统设计与实现

在电力系统中,为了更好、更方便地遥控操作机器人清理气体绝缘开关设备(Gas Insulated Switchgear,GIS)腔体内的螺栓、螺母等异物,研发GIS维护机器人监控系统。采用Qt平台开发,结合FFMPEG和OpenCV采集RTMP网络视频流并进行图像处理,实现对腔体内异物的检测识别与精准定位;以SLAM点云进行环境感知,还原出机器人在腔体内的实际场景。测试结果表明,在无线环境下,该系统可高效实现与机器人的数据交互和有效地实时监控,较好地完成GIS腔体内遗留物的识别与清理。

京津冀冬季极端污染事件的时空特征及类环球遥相关异常环流的影响

随着近几十年来全球变暖加剧,北极海冰加速融化,异常的大气环流场造成京津冀极端污染天气频发。本文基于京津冀地区PM2.5浓度大于95%极端事件阈值(162.5 μg/m3)筛选的极端污染事件,分析了2000~2022年冬季京津冀地区极端污染事件的时空分布特征。结果表明,近23年冬季共发生了135个极端污染日。污染主要发生在京津冀东南部和中部,空间上呈东高西低的分布;极端污染事件发生频次在2014年之后呈现出显著的年代际减少特征,2019年后没有极端污染事件发生。极端污染事件平均持续2.3天,最长为10天,主要发生在1月,12月和2月发生的次数较少。在极端污染高发年,西伯利亚高压减弱,东北亚异常反气旋加强,盛行西风减弱,逆温增强,污染扩散条件差,有利于极端污染发生;该东北亚异常反气旋主要受上游源自北大西洋的类环球遥相关波列所影响。

近几十年丝绸之路遥相关对中国夏季气温的影响

为分析近几十年丝绸之路遥相关对中国夏季气温的影响及可能机理,基于1961-2020年CN05.1高分辨格点气温资料和ERA5大气再分析资料,采用经验正交分解、回归分析和相关分析等统计诊断方法分析丝绸之路遥相关对中国夏季气温的影响及可能机理,结果表明:(1)丝绸之路遥相关主要沿亚洲急流自西向东传播,呈显著的“-+-+”分布,其活动中心主要位于里海、巴尔喀什湖和中国北方地区,并存在明显的年际变化和年代际变化。中国夏季气温整体上呈一致的变化趋势,其中20世纪60-80年代由暖到冷,90年代后又明显升温。(2)除新疆西部和西藏西部、东北地区西部及江淮地区为负相关分布外,夏季丝绸之路遥相关与同期中国大部分地区气温之间为显著的正相关关系。(3)丝绸之路遥相关可通过影响北半球对流层中高层位势高度、垂直速度和涡度平流等环流因子导致中国夏季气温异常。具体表现为受丝绸之路遥相关影响产生的位势高度正异常有利于晴好天气的维持,同时对流层中高层受负涡度平流控制,以下沉运动为主,导致中国夏季气温异常升高。

主从遥操作位置-速度混合映射研究

主从异构型遥操作机器人系统在主从结构、自由度等方面的差异,导致其主端小范围操作空间难以覆盖从端大范围工作空间,以及从端难以精确定位。针对此问题,首先搭建了一套主从异构型遥操作机器人系统的软硬件平台,然后对主从端机器人进行运动学建模,进而提出了一种主端位置-从端速度和主端位置-从端位置混合切换的映射算法。一方面,所提算法通过主端位置-从端速度映射模式解决主从工作空间不匹配的问题,从而提高大范围空间下从端抵近目标的效率;另一方面,所提算法通过主端位置-从端位置映射模式实现从端精细定位,同时克服主端位置-从端速度映射中从端无法快速换向运动的缺陷。实验结果表明,所提混合映射算法能够实现主端遥操作从端机器人高效地完成复杂、精细的操作任务。

物化遥综合找矿方法在西藏隆子县拉九地区的应用

西藏隆子县拉九地区成矿地质条件优越,寻找金多金属矿的潜力较大。在综合分析区域地质背景的前提下,通过遥感地质解译研判成矿有利部位,确定拉九地区为成矿预测Ⅳ区,利用1/5万水系沉积物测量进行扫面,圈定了多处化探综合异常。选择在拉九异常(HS-13-B2)内,开展1/1万土壤地球化学剖面测量、壤中1/1万汞气测量及激电中梯测量等大比例尺化探物探工作,初步圈定了2处化探综合异常,发现3个极化体和2处视极化率异常,优选其中有利的成矿靶区,经异常查证和槽探工程揭露,发现3条金矿矿化蚀变带,实现了找矿新发现。基于物化遥综合找矿信息初步建立了以矿床地质—地球化学—地球物理—遥感特征为标志的综合信息找矿模型。实践证明,运用物化遥综合找矿方法可极大地提高找矿效率,该工作为今后在高原山区开展多金属找矿勘查提供了参考。