基于中国中东部多站流星雷达的二维风场观测研究

全天空流星雷达广泛应用于中间层-低热层大气水平风场的观测,为研究该区域大气风场的变化特征提供了重要数据支持.目前流星雷达主要采用单站观测模式,没有水平分辨率,并且只能探测流星区域的大气平均水平风场.为了得到更加丰富且精准的中间层-低热层大气风场信息,本研究介绍了建设在中国安徽地区的多站流星雷达系统,该系统包括安装在蒙城(33.36°N,116.49°E)的一台单站流星雷达和长丰(31.98°N,117.22°E)的一台远程接收机,两地直线距离约为167 km.相比于单站流星雷达,多站流星雷达系统探测到的前向散射流星数目增加了约70%,并且一般可以提供400 km×400 km以上的水平观测区域.除此之外,多站流星雷达系统还可以提供更加丰富的流星观测角度.新多站系统可以实现中间层-低热层大气二维水平风场的观测,在获取平均水平风场以及风场水平梯度的同时,还可以估计水平风场的散度、相对涡度和拉伸、剪切形变信息.多站流星雷达能够提供更多的水平风场参数,对进一步研究中间层-低热层区域的大气动力学过程具有重要意义.不仅如此,未来即将建成的多站流星雷达观测网将会实现中国中东部地区上空的中间层-低热层大气高时空分辨率的三维风场观测,这将有利于促进我们对中间层-低热层区域内的各类波动过程的理解.

中国东南区域闪电活动特征及其与大气环境参数的关系

利用近18年(1997~2013)的星载LIS/OTD(lightning imaging sensor and optical transient detector)闪电观测资料、NCEP/NCAR(National Center for Environmental Protection/National Center for Atmospheric Research)和ERA-Interim再分析资料,对北纬30°以南、东经100°以东的中国陆地地区(17.5~30°N,100~122.5°E)的闪电活动特征及其与大气环境因素的关系进行了分析.结果表明:中国东南闪电高发区闪电活动季节性特征明显,春夏两季为闪电高发期,厄尔尼诺事件对其闪电活动的年际变化有较强的影响,在此期间冬春季闪电活动有明显的增强.东南闪电高发区闪电活动与地面温度、700~400hPa平均相对湿度、850hPa位温等热力学参数有明显正相关,与多种稳定度参数有强相关,显示出大气层结不稳定性越大,闪电活动越强.进一步通过多元逐步线性回归方法,建立了东南闪电高发区区域平均闪电密度与地面温度、CAPE(convective available potential energy)、BR(Bowen ratio)、LI(lifted index)、SI(Showalter index)的回归方程,有助于利用多种参数开展预报区域闪电活动.

空间等离子体磁场重联过程地面实验装置及实验研究概述

磁场重联是空间等离子体环境中的重要物理过程。对磁场重联进行深入研究,于空间灾害预报以及各种空间探测活动而言都有重要意义。文章首先回顾磁场重联研究史中的几个重要模型;然后介绍国际上进行磁场重联地面实验的主要等离子体装置及有关实验研究;最后介绍国内磁场重联实验研究的现状,重点介绍中国科学技术大学的KLMP装置和最新实验结果,以及在建中的KRX等离子体装置。地面实验作为磁场重联的重要研究手段,还需要拓展装置尺寸及对不同条件下重联特征的研究。

中国山西地区法布里-珀罗干涉仪测风能力及数据质量检验

介绍了中国气象局山西岢岚大气观测站(39°N,112°E)法布里珀罗干涉仪(FPI)的基本构造、测风能力、程序处理流程、数据质量控制方法以及检验情况.岢岚观测站FPI可以观测892.0(OH)nm,557.7(OI)nm和630.0(OI)nm波长处气辉谱线的多普勒移动,分别计算对应87 km,97 km和250 km高度处的大气风速和大气温度,可给出中间层顶区域及热层风的大气潮汐和扰动情况.采用水平风模型(HWM)输出结果进行交叉检验,对FPI测风数据质量进行验证.结果显示,岢岚大气观测站FPI仪器的测风数据在长期趋势上与HWM模式的输出数据一致,风速变化幅度有季节性差异,数据质量控制方法有效,测风误差在87 km高度处为5.7 m·s^(-1),97 km处为1 3m·s^(-1),250km处为4.1 m·s^(-1),测风数据通过了可靠性俭验.

能见度激光雷达探测实验的设计

针对培养激光雷达人才的需要,我们从中国科学技术大学地球和空间科学学院实验教学中心的实际情况出发,详细设计了能见度激光雷达探测实验,包括激光雷达系统操作安全知识,能见度激光雷达系统结构和组成和能见度激光雷达基本原理和数据反演方法。通过该项实验有利于学生掌握激光雷达的基本知识和培养基本动手操作能力,为学生将来进行更复杂的激光雷达系统科研工作打下坚实的基础。

基于LabVIEW的全向离子探测器地面标定实验的便捷设计和实施

全向离子探测器搭载在中国导航卫星上,对地球同步轨道附近空间中的低能段(5eV^25keV)离子进行探测.探测器在飞行之前,地面标定实验是理解空间中离子探测结果的关键步骤.根据对全向离子探测器的标定实验需求来设计特定的标定实验过程,实现复杂实验自动化进行,避免手动实验带来人为失误,并且提高实验效率.针对全向离子探测器的标定实验,给出了使用LabVIEW快速设计标定软件系统的方法和程序模板,为类似离子探测器标定的复杂实验设计提供参考,增加程序复用性.实验结果表明,该测试软件运行稳定可靠,减少了软件开发周期,提高了测试效率,能够精确控制多轴转台以及进行实时并且准确的信息处理.

空间低能离子能谱仪地面实时测试软件设计

介绍了基于LabVIEW的空间低能离子能谱仪地面测试软件的设计思路与功能实现并给出了软件测试结果。为了实时处理空间低能离子能谱仪原理样机读出电子学获得的能谱数据,结合读出电子学的工作原理和数据格式,采用流水线结构设计了一款具有工作模式控制、实时数据接收、在线及离线数据处理等功能的地面测试软件。能谱仪在电子学自检模式下,通过软件得到的数据分析结果与理论计算值相符,Ar离子束流测试也证明了该软件能够得到离子的通道强度分布。结果表明,该软件可以将测量结果实时地显示出来,处理效率高,界面友好,满足工程人员需求。

半空间低能离子谱仪高压电源设计

为满足半空间低能离子谱仪的高压供电需求,设计了低能离子谱仪的高压电源板。该高压电源板按航天要求设计,核心器件是固定高压模块S9098/S9097与光电耦合器HV801RH,共包括三路扫描高压与一路固定高压。实验测试表明:固定高压在要求范围内可调,纹波系数为0.03%。三路扫描高压的输出电压误差不大于5 V,建立时间为ms数量级。扫描高压1的纹波峰峰值小于4 V,扫描高压2和3的纹波峰峰值小于10 V,基本达到了预期要求。

平流层飞艇激光风速仪的设计和分析

准确的风场数据对于平流层飞艇实现长时间驻空任务有着重要的安全保障作用。针对20 km高度处空气稀薄的特点,为实现平流层飞艇航行环境的风场探测需求,设计了波长为532 nm的直接探测多普勒光纤激光风速仪。使用双通道法布里-珀罗标准具为鉴频器和波长可调谐的脉冲光纤激光器,完成了系统的结构设计。系统参考了相干测风激光雷达的光路设计,采用收发合置的望远镜设计方案,无探测盲区,接收视场角较小,提高了全天探测的性能。利用液晶相位延迟器的光束偏振特性可实现光路探测方向的控制。以最小的风速探测误差为标准,通过仿真分析选取了法布里-珀罗标准具的各项参数,并对系统的风场探测性能进行了分析。仿真过程中,激光器的平均功率为500 mW,积分时间为10 s,距离分辨率为100 m,分析结果表明,风速误差在500 m探测距离内小于1 m/s,计算得出的风向误差在风速大于10 m/s的情况下,其风向精度优于5°。

电离层电子密度剖面和特征参数对两次日食事件的响应研究

本文利用亚洲和美洲地区多个测高仪台站的观测,并结合三维电离层-热层耦合理论模型进行数值模拟,对2020年6月21日和2017年8月21日两次日食事件期间电离层电子密度剖面的变化特征进行分析,并探讨这两次事件中日食效应的异同及形成机制.分析结果表明,在这两次日食期间,位于电离层低高度的E层和F1层的电子密度变化与太阳辐射的变化基本同步;且F1层峰值密度的日食响应幅度大于E层.该结果与以往观测一致,且日食响应无明显的经度变化.进一步地,通过分析观测和模拟结果中电子密度日食衰减效应的高度变化和时延特征,我们发现:(1)观测和模拟结果均表明,食甚时电子密度的最大相对衰减的位置一般不在F1层峰的位置,而是在其上方约几十公里的高度;模拟结果显示该现象是由日食期间F1层上方光化学过程与动力学过程共同作用导致;(2)在中纬地区,在F2层峰附近及以上区域中电离层电子密度最大日食衰减相对太阳辐射变化的时延具有显著的经度变化,其相对衰减在亚洲地区随高度增加而减少,在北美地区随高度无明显变化,与以往报道的欧洲地区随高度增加而增加的趋势也不同;(3)日食电子密度衰减时延的高度变化受到日食发生的地方时的显著影响,如上午时段与午后时段的响应有明显不同.模拟结果表明F2层峰及以上高度的日食效应受到中性风和双极扩散的影响较大,而受电场漂移的影响相对较小;模拟结果同时显示在午后这些动力学输运过程及其日食响应比在午前更强,该现象与午前和午后背景电子密度的大小差异有关.这可能是观测到的日食电子密度衰减时延的高度依赖具有经度变化的原因.

背景气体对激光等离子体和外磁场界面上槽纹不稳定性的影响

等离子体在外磁场中膨胀产生的抗磁腔和不稳定性是空间物理和聚变物理中的重要现象.本文实验研究了激光产生的等离子体在外磁场中膨胀时在抗磁腔表面产生的槽纹不稳定性,数据分析显示实验中观察到的不稳定性属于大拉莫尔半径槽纹不稳定性.实验发现充入稀薄背景气体能够显著抑制槽纹不稳定性的发展,背景气体气压超过50 Pa时(约为抗磁腔表面等离子体密度的1%),槽纹不稳定性几乎被完全抑制.动理学分析表明离子-离子碰撞是抑制不稳定性发展的主要因素.这些结果对磁场辅助激光聚变和爆炸空间物理现象等领域有重要参考价值.

热层大气密度反演与建模研究进展

热层是位于地球表面大约90 km到近1000 km的大气圈层,它与电离层和低层大气都存在着复杂的耦合关系;同时热层作为人类航天器空间活动的主要区域,其大气直接影响着各类低轨航天器的运行轨迹.近年来,热层大气观测资料的逐步增加推动了热层大气变化特性的研究和大气模式的发展.本文首先综述了基于多源卫星观测数据的热层大气密度反演算法.着重介绍了基于精密轨道数据以及加速度计数据反演密度的主要算法,以及各种反演策略的优缺点.总结了当前工程常用的MSIS、Jacchia以及DTM热层大气模式在数据源、算法实现过程及其适用范围等方面的异同.接着介绍了基于当前最新大气密度观测数据结合已有大气模式,应用多项式、稀疏矩阵拟合以及数据同化等技术的大气模式优化研究进展.最后概述了基于观测数据研究热层大气响应磁暴、耀斑以及日食等空间事件方面的科学进展.

多普勒激光雷达中种子激光注入的一种鉴别方法

多普勒测风激光雷达以其高分辨率、高精度、大探测范围、能提供三维风场信息的能力,吸引了多国学者的关注,并投入了大量的人力、物力进行研究。所研究的多普勒测风激光雷达采用种子注入的方式获得单纵模、窄线宽、高功率的激光输出。激光器中心频率的缓慢漂移、环境噪音、激光棒温度变化或者振动干扰都有可能导致激光器种子光的注入不成功,出射激光光谱由注入成功时的单纵模输出变为多纵模输出。激光单纵模输出时线宽约为200 MHz,而多纵模时激光线宽很宽。而种子注入不成功时所出射的多纵模激光脉冲将导致瑞利后向散射谱变宽,会增加风速测量误差。该脉冲筛选电路在数据采集环节实现对多纵模激光脉冲的筛选,有效降低了风速测量误差,提高测风准确度。

日侧极光弧的发光强度与沉降电子能谱的相关关系

本文利用中国北极黄河站多波段全天空极光观测数据,选取稳定的日侧极光弧,统计研究了极光强度比I_(557.7)/I_(630.0)与极光发光强度I_(557.7)的相关关系.发现I_(557.7)在午前暖点和午后热点区附近出现极大值,分别为2.2kR和2.9 kR;而I_(630.0)在磁正午出现极大值,为1.5kR.当I_(557.7)从0.1kR增加到10kR时,极光强度比I_(557.7)/I_(630.0)也由0.2增加到9.结合DMSP卫星探测的沉降粒子能谱数据,找到17个DMSP卫星穿越黄河站上空极光弧的事件,共穿越40条极光弧.得到了沉降电子的平均能量正比于极光强度比I_(557.7)/I_(630.0),沉降电子的总能通量正相关于极光强度I_(557.7)的关系式.利用该关系式反演所有极光弧的电子能谱,发现在午前和午后扇区,产生极光弧的沉降电子主要来源于等离子体片边界层;在高纬出现强度较弱的弧,对应等离子体幔区域.在磁正午附近,沉降电子的平均能量较低,极光弧处于低纬一侧,粒子源区主要是低纬边界层.

基于Davis-Smith方法计算卫星磁强计零位补偿的误差特征研究

卫星所携带的磁通门磁强计会随时间发生零位漂移,因此需要对其进行补偿.基于行星际磁场的剪切阿尔芬波动特性,利用Davis-Smith方法可计算磁强计的零位磁场.本文利用数值模拟,分析了总磁场幅度BT及压缩波动对Davis-Smith方法所产生零位补偿的误差特征.我们发现,BT越大,零位补偿误差越大;且当压缩波动频率和剪切波动频率不同时,磁场各分量的零位补偿之间的比值与对应背景磁场的比值近似相等;压缩波动的幅度越小,零位补偿的误差趋于更小;此外,压缩波动的频率和初始相位等也会影响零位补偿的误差.这些误差特征可为提高零位补偿的可靠性提供重要的理论依据.

ENSO期间海洋性大陆典型地区闪电活动特征分析

利用星载闪电探测器(光学瞬变探测器(OTD)和闪电成像传感器(LIS))的观测资料,配合其他气象资料,对厄尔尼诺期间(1998年春季)和拉尼娜期间(1999年春季)海洋性大陆典型地区(11.25°S—3.75°N,96.25°—128.75°E)的闪电活动变化特征进行研究,分析了雷暴单体数目以及雷暴单体闪电率对闪电活动变化的影响,并通过对比厄尔尼诺年春季和拉尼娜年春季的大气环流形势、相对湿度、最大对流有效位能、对流风暴高度等气象要素,讨论闪电活动变化的原因。结果表明:(1)从ENSO期间雷暴单体密度和闪电密度的空间分布变化特征来看,厄尔尼诺年春季的闪电活动及雷暴活动均比拉尼娜年春季的多,并且,从闪电数目和雷暴单体数目的纬向平均、经向平均的年际变化可以发现在厄尔尼诺年春季闪电活动、雷暴活动有东伸南移的趋势。(2)在海洋性大陆典型地区,雷暴单体数目的变化是闪电数目变化的主要因子,而雷暴单体闪电率的变化是闪电数目变化的次要因子。(3)与1999年春季相比,1998年春季的副热带高压范围大、强度大;地面相对湿度大,高空相对湿度小,上下层湿度差异大,有利于对流发展;对流风暴高度较高,冰相粒子层厚度也较深厚,对流发展旺盛;最大对流有效位能大于300 J/kg的天数的空间分布极大值区域正好与闪电密度、雷暴单体密度的大值区域对应,雷电活动与对流有效位能值密切相关。

超音速高密度喷流对撞过程中的高效能量转移

在双锥对撞点火激光核聚变方案中,两个锥口相距约100μm放置的金锥内氘氚球冠靶在高功率纳秒激光烧蚀驱动下,获得沿金锥的球对称压缩和加速,形成沿着金锥轴向的超音速高密度喷流,出射喷流在两个金锥的几何中心发生对撞减速并形成聚变密度等离子体.在对撞过程中,高速运动喷流的动能转化为内能,实现对等离子体的预加热,与此同时,皮秒拍瓦激光产生的高能快电子从垂直方向入射并加热高密度等离子体,使其快速升温达到聚变温度,实现聚变点火.2020年在中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光联合实验室神光Ⅱ升级激光装置上,我们利用总能量为10 kJ的八路纳秒激光进行了两轮实验.实验利用包括X射线汤姆逊散射、硬X射线单色背光成像、X射线条纹和分幅成像等多种主动、被动诊断方法对超音速高密度喷流对撞过程进行了高时空分辨研究,实验测量发现,在单锥口形成的超音速等离子体喷流密度为5.5—8 g/cm^(3);在对撞过程中形成了阻滞时间约200 ps的高密度等离子体,中心密度达到了(46±24)g/cm3.通过对等离子的温度、速度的分析发现,对撞过程中动能到内能的转换效率高达89.5%.

地球自转对北极黄河站观测日侧极光弧运动的影响

利用北极黄河站全天空极光数据,采用AACGM模型,将日侧极光弧映射到地磁坐标系,定量计算地球自转导致的极光弧运动速度.对于任意一条极光弧,其偏斜角定义为极光弧方向与当地地磁东西方向的夹角.研究发现,地球自转产生的速度由极光弧离开天顶的距离和偏斜角决定,其中偏斜角的影响更为重要,其还决定速度的方向.在4年的观测数据中,提取超过40 000张出现极光弧的图像,计算极光弧偏斜角.计算结果表明,日侧极光弧的偏斜角随磁地方时增大而逐渐减小,并在大约10:00 MLT(磁地方时)附近发生反转.由于偏斜角的反转,地球自转产生的极光弧运动在晨侧多为极向运动,到午后多为赤道向运动.相比午前,午后的运动更为明显,最大速度可超过300m.s^(-1).

高功率光纤激光器中ASE噪声的测量方法（英文）

高峰值功率脉冲光纤激光器在激光雷达系统中有着广泛的应用。然而,光纤激光器中放大自发辐射噪声(ASE)严重影响了系统的探测性能。提出一种测量高峰值功率脉冲光纤激光器中ASE噪声的方法。在该方法中,首先对高峰值功率的激光脉冲衰减,然后在时域分别测量和计算ASE噪声和激光脉冲的相对能量。给出了光纤激光器在驱动电流分别为6A,7A和8A时衰减后的ASE噪声廓线以及ASE噪声占激光脉冲能量的比例。

太阳极区冕洞内小尺度结构的紫外光谱研究

SOHO/SUMER太阳紫外光谱仪的N Ⅳ谱线观测到太阳南极区冕洞内存在许多小尺度结构，其空间尺度约1～几角秒，寿命尺度约1～几min。小尺度结构沿狭缝方向呈条状，视向多普勒速度可至几十km · s-1。在有的南极区冕洞区域内，小尺度结构的视向多普勒速度呈红、蓝移准周期性交错分布，持续时间长达100 min。部分小尺度结构在同一观测窗口的高温 Ne ⅤⅢ谱线还可清晰显现。有的小尺度结构在Ne ⅤⅢ速度演化图的时间和位置与N Ⅳ谱线速度图基本一致，但它们在Ne ⅤⅢ速度演化图中更延展和弥散。N Ⅳ紫外光谱显示部分小尺度结构谱线呈现非高斯形状，谱线两翼速度可达150 km · s-1，与太阳过渡区爆发事件的光谱特征相似。太阳过渡区爆发事件常出现在宁静区，SOHO/SUMER太阳紫外光谱仪的NⅣ谱线显示在南极区冕洞也可产生爆发事件，且具有较强的动力学特征。