直接辐射表性能测试研究

根据WMO关于直接辐射表性能指标的要求,提出了针对响应时间、零点偏置、温度响应、倾斜响应和非线性误差的测试方法。首先介绍了测试条件,然后利用测试设备,结合上述性能指标定义,详细分析了对应的测试方法过程,最后,对四种不同型号的直接辐射表的性能测试数据进行分析研究,结果显示,上述测试方法科学可行,被测直接辐射表均达到了ISO一级表的要求,研究成果对直接辐射表性能测试,了解仪器特性,改进产品质量和提高太阳辐射测量具有重要意义。

基于相位法激光测距原理的雪深传感器研究与应用

从传感器测量原理、观测方法、数据处理算法等方面介绍了一种利用相位法激光测距原理测量积雪深度的雪深传感器,并参加了中国气象局于2010/2011年在黑龙江通河、新疆阿勒泰等台站开展的积雪深度对比观测试验,与超声波传感器和人工测量积雪深度进行了对比,比较了三者之间测量结果的差异。试验结果表明:这种激光雪深传感器能够适应冬季严寒和暴雪天气条件,可以连续、自动、准确的监测雪面变化过程;与超声波雪深传感器相比,激光雪深传感器测量结果更加稳定,更加接近人工观测结果;激光雪深传感器与人工测量雪深结果之间的平均误差约为,测量精度达到《地面气象观测规范》要求。

太阳光谱辐射计的信号传递与性能表征模型研究

太阳光谱辐射计作为一种专用光谱辐射测量仪器,对于其宽谱段和大动态范围的测量特点,准确完整地表征分光性能是十分重要的。研究内容旨在为太阳光谱辐射计的研制与验证提供明确的理论依据和测试方法,给出清晰而准确的机理模型和指标模型对光谱仪器系统的设计和评估提供指导。因此,重点阐述了光谱仪器系统的信号传递模型到性能指标模型的推导和建立过程。线谱扩展函数这种串联卷积模型能够综合反映仪器的各个元件对系统的影响,而且很容易通过窄带线谱光源测试而得到,并且线谱扩展函数矩阵能够清晰完整地给出光谱仪器的分光性能细节特性。而在线谱扩展函数的基础上再进一步提取关键几何特征,通过简单的算法定义即可得到半高全宽(FWHM),带外抑制和带外辐射这三项示性函数指标,可以很好地对分光系统的性能进行定量表征,是十分有效的光谱仪器系统性能评估的指标模型。

太阳模拟器两轴回转控制系统研究

太阳敏感器是卫星控制系统中的一个重要部件,装星之前需要通过地面试验验证其各项功能及技术指标.本文针对太阳敏感器的地面测试设备——太阳模拟器两轴回转控制系统展开研究.该系统采用伺服电机与绝对式光电编码器相结合的方案,包括偏航与俯仰两个回转控制机构,主要用于改变太阳模拟器光轴的方向.给出了回转控制系统的组成和工作原理,并对影响系统精度的因素进行了分析.实验表明,回转系统的角度控制精度优于0.03°,满足该地面测试设备设计时提出的0.04°精度指标.

氢和氧稳定同位素示踪湖泊蒸发的对比研究

氢氧稳定同位素被广泛用于水文循环过程的研究。本文观测了2015年太湖湖水H^2HO和H_2^(18)O组分,分析了它们的时空变化规律及其控制因子,探讨亚热带大型浅水湖泊的同位素富集机制;基于稳定同位素质量守恒法计算太湖蒸发量;评价了动力分馏学系数的传统湖泊算法与海洋算法的适用性;重点分析了H^2HO和H_2^(18)O示踪湖泊蒸发的效果,对比二者之间的差异。研究结果表明,在空间上,太湖湖水和河水的氢氧同位素在南部特别是东南部较为富集但在北部区域较为贫化,这主要是受水流方向的控制,东南部湖水经历的蒸发时间较长,因此湖水中同位素累积较多;在季节上,冬季湖水同位素较贫化、春夏季较富集。对于2015年太湖的年蒸发量,用氢同位素示踪的结果与观测值较一致,为880mm;氧同位素的示踪结果略低,为690mm。使用传统湖泊研究中对动力学分馏系数的取值,会导致蒸发被显著低估,而氧稳定同位素的示踪结果对动力学分馏系数的取值更为敏感,同时氢稳定同位素在同位素分馏过程中主要是平衡分馏效应占主导,因此H^2HO在动力学分馏系数的参数化方案中影响较小,在实际应用中更为稳定。本文的研究结果表明了稳定同位素水文学研究中使用合适的动力学分馏系数的重要性。

基于HJ卫星的中国南方地区甘蔗面积提取研究

为研究大范围甘蔗种植面积的提取方法,以广西、云南、广东湛江和海南为研究区,以30 m空间分辨率的多时相HJ卫星影像为数据源,采用基于NDVI时间序列的决策树分类模型提取研究区内2014/2015年度甘蔗种植面积。结合农业部门的统计数据对甘蔗种植面积提取结果进行精度评价,总体精度达到87.5%。对研究区广东湛江甘蔗种植区域进行抽样调查,抽样调查精度达到93.2%,Kappa系数为0.81。表明该方法可以高效地应用于中国南方地区的甘蔗种植空间信息识别。

嵌入式数据库在自动气象站中的应用研究

针对目前自动气象站数据采集器使用普通文件存储数据的方式存在数据可靠性较低、应用程序设计较复杂、数据结构调整灵活性差等问题,设计了一种基于数据采集器的嵌入式数据库管理方法。该方法利用数据库表存储各类气象要素数据和要素名,并通过调用数据库提供的API设计数据库访问、数据结构更新和数据库修复程序。实验表明,这种存储管理方式可以有效地提高数据存取的可靠性,简化程序的设计流程并提高其执行效率,同时实现通过终端命令对数据结构进行调整。

基于精密太阳光谱辐射计的气象辐射观测

目前,气象业务观测普遍采用的积分型太阳辐射观测仪器存在观测数据信息量少、数据差异大的观测瓶颈,已无法满足目前众多应用科学研究领域对太阳光谱辐射精细化观测的需求,具有高光谱分辨率的精密光谱辐射计的仪器研制及观测方法与技术已成为太阳辐射观测的前沿科技问题。在此背景下,为解决气象领域太阳辐射的精细化观测问题,开展了深入的科学研究与技术开发工作。重点阐述了仪器开发成果和数据观测分析方法,首先介绍了开发研制的用于地基太阳光谱辐照度观测的光谱辐射计系统。光谱辐射计的分光系统采用了平场凹面光栅结构,具有低杂散光、高收光效率和高可靠性的特点,尤其适用于长期无人值守的户外观测。系统所采用的平场凹面光栅的像差校正特性对于300～1 100 nm这种宽谱段的应用来讲更为合适,在整个谱段范围内光谱分辨率变化很小,不同波长通道的带宽基本一致,使用25μm狭缝时光谱分辨率(FWHM)约为2 nm,像素采样间隔小于0. 5 nm。对于太阳辐射观测来讲,这是一种谱段范围和分辨率都与需求十分匹配的专用光谱辐照度观测仪器。其次,在观测数据的基础上,阐述和分析了气象等领域的光谱应用观测方法。太阳辐射照度分布的能量通过不同参数化模型约束的接收系统收集,将太阳光谱辐射在半球天穹中的变化及分布进行约束并划分为水平总辐照度(GHI),法向直接辐照度(DNI)和水平散射辐照度(DHI)三种光谱辐照度辐射分量,阐述了基于GHI,DNI和DHI三种观测形式下的数据特征与用途。其中,GHI是地表实际辐照度水平,适用于太阳能资源评估; DHI反映大气和云态; DNI作为直接透射形式,可用于计算日照时数和分析大气参量。并且,进一步分析了观测形式、光谱特征与地理(经度、纬度、海拔高度、大气质量)及气象参数(云量、大气吸收)之间的互易演算关系。与传统的波长积分式辐射观测相比,太阳光谱辐射计为辐射能量观测增加了波长信息维度。从DNI形式的光谱辐照度数据中可以看出,不同波长之间的辐射能量变化显著,而这些变化与大气变化密切相关。因此,太阳光谱辐照度数据不仅仅是为业务观测提供更精细化的太阳辐射信息,更提供了丰富的辐射能量的变化信息通道,利用特征波长维度的辐射信息,可进一步通过模型反演计算气溶胶光学厚度、臭氧、水汽等大气参数。通过精密太阳光谱辐射计,可将纳米分辨率水平的太阳光谱辐照度作为基础业务运行数据,提供精细化的太阳辐射分布及变化信息用于气象与气候模型、光伏资源评估与生态环境等研究;同时也为辐射波长分布中所蕴含的气候、农业、生态等领域关心的各种通量监测和演化关系研究提供了有力的数据信息及观测工具。

小型CCD光谱仪波长定标精度控制与影响分析

在光谱仪硬件性能基础上,波长定标是进一步引入误差的关键环节。若在定标方程系数固化过程中引入误差水平等同于像素采样误差,则在实际应用中波长测量误差就是在像素采样和波长定标方程计算环节上叠加引入2次误差,将造成测量误差的成倍扩大。以自主研制的小型光谱仪为基础,旨在通过数据分析研究波长定标环节中的影响因素,进而给出避免扩大误差的有效方法。所用的光谱仪在100μm狭缝下半峰全宽(FHWM)约为5nm,像素波长间隔约为0.45nm,硬件系统的波长误差理论上为半像素波长间隔0.225nm。重点分析了测量噪声和峰位判定算法对定标精度的影响,并提出采用多次测量均值降噪结合高斯拟合峰位判定法来提高定标精度。与传统的直接极值法相比(定标方程均采用5次多项式),定标方程拟合残差的2倍标准差约为0.1nm,传统直接极值峰位判定法下,定标方程拟合残差的2倍标准差为0.37nm。通过研究,波长定标过程中的3个误差控制关键环节分别是测量噪声控制、峰位判定算法及最小二乘平差。通过选择适当的算法参数值,将波长定标拟合残差的标准差控制在约1/10pixel波长间隔水平,充分体现了高斯拟合峰位判定算法的多像素统计优势。

太阳辐射观测仪余弦误差修正方法

为了提高太阳辐射观测仪测量准确度,针对余弦校正器自身漫射特性和菲涅耳反射引起的余弦误差,研究了不同安装形式、不同结构下修正余弦误差的方法.结合太阳辐射特性和余弦误差的产生因素,提出了余弦校正器外露、余弦器外露配合挡光环两种安装形式下的余弦误差修正方法,以及余弦校正器、积分腔两种结构形式下的余弦误差修正方法.根据太阳辐射观测仪的使用要求,利用TracePro对不同安装方式下的余弦误差进行建模仿真,利用高准直性太阳模拟器配合转台和转臂模拟不同方向的准直太阳光,并实测余弦误差.实测结果表明,余弦器外露配合挡光环形式下,入射角小于±80°,余弦误差可优于±6%.该修正方法可有效地减小太阳辐射光大入射角情况下的余弦误差,提高太阳辐射观测准确度.

便携式自动气象站结构与功能设计

从便携式自动气象站的用途、需求出发,进行了便携式自动气象站结构与功能设计,重点突出了移动应急气象观测对自动气象站的便携性、易架设性、低功耗、支持多种通信方式的要求。中国气象局气象探测中心制定了《便携式自动气象站功能规格需求书》,并对8个厂家生产的设备在3个气象台站进行了试用,测试了传感器性能、使用的便携性和易架设性、通信方式的多样性、设备运行的低功耗和长期稳定性,试验结果表明,设备结构和功能设计可满足移动应急气象观测需求。

北斗卫星通信在应急自动气象站中的应用

为了能够在发生灾难事故时进行紧急通信,应急自动气象站采用了北斗卫星导航定位系统的简短通信技术。在北斗卫星通信方式设计过程中,采取压缩数据包长度、主动传输+失败应答通信模式、对通信终端采取休眠工作等方式,在保证数据传输质量的同时减少不必要的通信次数,降低系统功耗,延长工作时间。研究结果表明,采用本文的通信设计,可以实现:1)将数据包长度压缩60%,满足了北斗卫星短信包的长度要求。2)兼顾解决了数据完整性问题和通信资费问题,在正常工作状态下采用自动定时传输模式节约通信资费;在通信失败的情况下采用主从应答通信模式,通过向自动气象站发出数据补收命令,及时取得丢失的数据。3)有效地降低了系统的功耗,通信终端平均功耗下降了10%。

公路交通气象自动观测系统设计

公路交通气象自动观测系统(RWIS)的设计以满足高速公路沿线天气预报和实况预警需求为出发点,在技术选取方面既保持与常规气象观测技术指标的一致性,又考虑了公路交通气象野外监测对数据时效性和可靠性的要求。与常规地面气象观测方法相比,该系统设计主要具有适应野外无人探测环境、观测要素按需选取、模块化设计灵活可配、传感器布局有特殊要求以及数据流、状态流和控制流兼容并行等特点。公路交通气象观测系统的硬件结构采用模块化设计集成各类传感器,通信传输采用数据对象字典方式组织气象观测数据和设备状态信息以数据流方式实时上传,观测信息和设备信息通过采集软件和中心站软件进行分析处理。目前该系统已在全国推广应用,数据上传至中国气象局,并形成业务化系统平台,观测产品已通过CMACast系统分发至全国各地共享应用。

CCD光谱辐射计的非线性特性建模与校正

采用自主研制的CCD光谱辐射计,对CCD探测器的积分时间和光强灰阶2个关键参数的非线性参数依赖特性进行实验与建模,给出CCD的微分非线性量化表征函数,并以此为基础实现CCD在多级尺度下自动积分时间调整测量的非线性修正.以激光作为输入光源进行双参数调节响应特性测试,并对CCD光电转换非线性特性进行分析.根据数据集曲线族的结构特征重构数据表征空间,在新的表征坐标下进行CCD的参数依赖非线性变化关系的拟合建模.结果表明,在多级尺度范围内,该模型能够通过2个参量描述CCD光谱辐射计产生的非线性偏差变化的精确函数关系,即实现了相关双参数在CCD光电转换过程中产生非线性偏差现象的精准量化表征.采用该模型进行非线性校正后与监测功率计进行比较,发现该模型能够有效地将非线性偏差降低至±2%以内.

臭氧探空仪电化学反应池检测设备研制与应用

臭氧探空仪作为获取地面至上平流层区域内大气臭氧垂直结构的有效手段之一,施放之前需要进行地基检测,评估其探测性能,保证其施放之后可以获取高质量观测数据。首次介绍了国内自主研制的测试臭氧探空仪电化学反应池探测性能的地基检测系统,系统包括检测仪、数据采集模块和处理软件,主要用于检测电化学反应池的背景电流和响应时间两个指标参数。检测仪可以控制输出测试电化学反应池所需的具有不同臭氧含量的空气,测试结果通过数据采集模块传送至计算机,处理软件实现数据自动存储和处理,并提取出响应时间和背景电流。应用结果表明,该套系统检测精度高,性能稳定,可用于未来国内臭氧探空业务化的地基检测工作。

基于温度自适应控制的太阳能电源管理系统

基于LTC4121实现锂电池的充电管理,并结合放电管理电路和温度控制电路实现了一整套针对锂电池的太阳能电源管理系统。通过试验研究的方法对该系统充放电电路的充放电性能、温度自适应功能进行验证。研究结果表明:所研究的温度自适应控制的太阳能电源管理系统具有良好的充放电性能、充电效率达到80%以上,可实现低温环境下对锂电池的充放电管理,具有较高的工程应用价值。

基于STM32降水现象仪检测装置设计

针对目前用于检定翻斗雨量计的流量式标准仪器以及采用与雨滴性质相近的玻璃球模拟降水粒子并不能对光学降水现象仪探测性能进行检验的问题。设计了一款基于STM32为数据处理与控制核心的降水现象仪检测系统,通过可控速度的圆盘调节模拟粒子速度,以及在圆盘上贴有不同直径大小的贴片来模拟粒子大小的方法,用以检验光学降水现象仪检验降水粒子速度与尺度的效果。实验表明,该设计可以同时控制模拟降水的下落速度和尺度大小,对检验和衡量雨滴谱仪的测量准确性以及性能判定具有重要现实价值。

基于“深度学习”识别模型的玉米农田监测应用系统设计与实现

为了精准判断玉米所处生长阶段,远程实时监测玉米长势,分析生长阶段与田间环境要素间的关系,本文提出深度局部关联神经网络,克服了玉米生长阶段识别中存在的多模态和模糊性问题,在Oxford VGGNet(Visual Geometry Group Net)模型中添加一个新的监督层,即局部关联损失层,提高深层特征的判别能力。基于所提的玉米生长阶段图片识别新算法,拓展环境要素监测功能,设计一套基于深度学习的玉米农田监测系统。系统由玉米农田监测装置和云端服务器组成,监测装置采集玉米图像、气象要素和田间位置数据,通过4G无线发送给云端服务器,云端服务器利用深度局部关联神经网络识别生长阶段,显示结果并存入数据库中。仿真试验表明,深度局部关联神经网络平均识别准确率达到92.53%,较VGGNet的87.21%和LSTM的88.50%,准确率分别提高了5.32%和4.03%。实地测试结果表明,野外环境下系统准确率可达到91.43%,能够稳定地对农田玉米生长情况进行监测,具有重要的应用价值。

数字式电场测量系统的设计

场磨式电场测量系统广泛应用在雷电预警、环境质量监控等领域,但存在测量精度低、电路结构复杂、维护不方便等缺点。针对这些问题,采用FPGA设计了基于差分式结构的数字式电场测量系统,通过对电场仪探头结构、信号处理电路等方面的改进,消除了测量过程中产生的共模干扰同时简化了电路结构,制作了实验原理样机并进行了实验室标定和外场测试。测试结果表明,该系统比传统场磨式电场测量系统具有更高的测量精度,能完全满足电场测量的需要。

基于FPGA的数字式大气电场仪的设计与实现

针对传统大气电场仪的信号处理电路结构复杂、数字化程度低等缺点,提出了一种基于FPGA的数字式大气电场仪的设计方案,其前级感应探头采用差分式的测量结构,有效地减少了前级感应片之间的共模干扰,提高了测量精度;以FPGA为核心的数字信号处理电路完成了电场幅值的精确测量和电场信号极性的判断,简化了电路结构。详细给出了该传感器的工作原理以及实现方法,并制作了实验原理样机。实验测试结果表明,该传感器的性能良好,具有重要的应用价值和意义。