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星光成像的大气影响研究(Ⅱ):大气湍流
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作者 陶志炜 戴聪明 +8 位作者 武鹏飞 任益充 梅海平 童杰 骆传凯 青春 冯云松 魏合理 饶瑞中 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第5期125-134,共10页
工作于近地空间的星敏感器,其观测过程将不可避免受到天空背景辐射、大气湍流以及大气折射的影响。本文是星光成像的大气影响系列文章之二,建立了湍流大气星光传输模型,研究了恒星成像的大气湍流影响。基于ERA5数据和光学湍流预报方法... 工作于近地空间的星敏感器,其观测过程将不可避免受到天空背景辐射、大气湍流以及大气折射的影响。本文是星光成像的大气影响系列文章之二,建立了湍流大气星光传输模型,研究了恒星成像的大气湍流影响。基于ERA5数据和光学湍流预报方法得到大气湍流参数廓线,计算了典型地区不同时刻及观测条件下星光的闪烁指数,对比星光闪烁的理论值,验证了数值计算的可靠性。研究了湍流大气中星光传输的闪烁效应及星像质心的抖动特性,得到了典型观测高度及观测天顶角情况下的恒星抖动量。研究表明:恒星抖动的到达角和到达角起伏与星光的闪烁指数呈正相关关系,提升星敏感器的观测高度、减小星敏感器的观测天顶角,能一定程度上减轻星光成像的大气湍流影响。 展开更多
关键词 星敏感器 恒星成像 大气湍流 闪烁指数 到达角起伏
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深度湍流条件下激光往返传输漂移特性的实验探究
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作者 李昕淼 梅海平 +3 位作者 张骏昕 李艳玲 邓涵凌 陶志炜 《红外与激光工程》 EI CSCD 北大核心 2024年第5期173-182,共10页
为探究深度湍流条件下激光往返传输的漂移特性,基于修正的Rytov理论,推导了深度湍流条件下光束漂移角方差表达式。搭建了折返路径激光成像探测系统,实验获取了1 km和7 km传输路径上不同时段激光光斑的回波图像和大气相干长度。利用回波... 为探究深度湍流条件下激光往返传输的漂移特性,基于修正的Rytov理论,推导了深度湍流条件下光束漂移角方差表达式。搭建了折返路径激光成像探测系统,实验获取了1 km和7 km传输路径上不同时段激光光斑的回波图像和大气相干长度。利用回波图像计算了漂移角均方差及其各向异性因子并与理论对比。结果表明:漂移角均方差和大气相干长度随时间变化具有明显周期性,两者变化同步,但趋势相反。1 km传输路径上,漂移角均方差在2~24μrad之间波动。而7 km传输路径上漂移角均方差在4~26μrad之间波动。通过对比Kolmogorov理论、Von Karman理论、Exponential理论和修正的Rytov理论模型下漂移角均方差与实测值的相对偏差发现:基于Von Karman理论的模型与1 km传输路径上漂移角均方差的实测值更为吻合,平均相对偏差约为18.20%,基于修正Rytov折射率功率谱理论的模型与7 km传输路径上漂移角均方差的实测值更为吻合,平均相对偏差约为21.09%。在1 km和7 km传输路径上,漂移特性均随着大气相干长度的减小而趋于各向同性。相关实验结果进一步揭示了深度湍流下往返路径传输激光漂移的机理,对于长距离空间光通信维持稳定通信链路具有一定参考价值。 展开更多
关键词 深度湍流 折返路径 激光光斑 漂移角均方差 大气相干长度
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结合TG-TDLAS的煤热解反应毒性的评估
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作者 孟星星 康文运 +6 位作者 王庚乾 李琳 田亚莉 郭古青 刘强 邱选兵 李传亮 《中国光学(中英文)》 北大核心 2025年第2期333-342,共10页
为构建一套基于热重-可调谐半导体激光吸收光谱(TG-TDLAS)技术的煤热解HCN气体浓度检测系统,并结合波长调制技术进一步提高系统的稳定性和灵敏度,本文利用HCN在波长1531 nm处具有较高吸收强度且受烟气中常见气体干扰较小的特性,通过二... 为构建一套基于热重-可调谐半导体激光吸收光谱(TG-TDLAS)技术的煤热解HCN气体浓度检测系统,并结合波长调制技术进一步提高系统的稳定性和灵敏度,本文利用HCN在波长1531 nm处具有较高吸收强度且受烟气中常见气体干扰较小的特性,通过二次谐波信号处理获取HCN浓度信息。采用高精度的流量控制器,利用99%标准氮气稀释配比得到5×10^(−6)mol/mol到20×10^(−6)mol/mol的HCN,最后对测量数据进行校准。实验结果表明,HCN的线性相关系数R2为0.9978。基于该实验装置,深入探讨了不同煤种、升温速率和煤粒径大小对热解的影响,以及煤样失重率与HCN浓度释放量的关系。分析了3种不同煤化程度煤种的挥发分中HCN的释放特性和非等温热解动力学。通过划分热解温度阶段,建立了热解动力学模型,并计算不同煤种在不同升温速率下的活化能和频率因子。结果表明,HCN释放量与煤种煤化程度及含氮量密切相关,煤化程度越低,含氮量越高,其HCN释放量越多。在固定的热解终温下,升温速率的增加会导致HCN释放量的增多。随着煤样粒径的减小,热解反应释放HCN的时间会相对滞后,且HCN浓度有所减少。不同热解阶段HCN浓度释放量与煤样失重率之间存在不同的对应关系,热解反应越剧烈,HCN浓度释放量与煤样失重率的比重越大。本研究为进一步评估煤热解反应过程中HCN的毒性提供了重要的实验基础。 展开更多
关键词 TG-TDLAS 煤热解 波长调制 热解动力学
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Influencing factor of the characterization and restoration of phase aberrations resulting from atmospheric turbulence based on Principal Component Analysis
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作者 WANG Jiang-pu-zhen WANG Zhi-qiang +2 位作者 ZHANG Jing-hui QIAO Chun-hong FAN Cheng-yu 《中国光学(中英文)》 北大核心 2025年第4期899-907,共9页
Restoration of phase aberrations is crucial for addressing atmospheric turbulence in light propagation.Traditional restoration algorithms based on Zernike polynomials(ZPs)often encounter challenges related to high com... Restoration of phase aberrations is crucial for addressing atmospheric turbulence in light propagation.Traditional restoration algorithms based on Zernike polynomials(ZPs)often encounter challenges related to high computational complexity and insufficient capture of high-frequency phase aberration components,so we proposed a Principal-Component-Analysis-based method for representing phase aberrations.This paper discusses the factors influencing the accuracy of restoration,mainly including the sample space size and the sampling interval of D/r_(0),on the basis of characterizing phase aberrations by Principal Components(PCs).The experimental results show that a larger D/r_(0)sampling interval can ensure the generalization ability and robustness of the principal components in the case of a limited amount of original data,which can help to achieve high-precision deployment of the model in practical applications quickly.In the environment with relatively strong turbulence in the test set of D/r_(0)=24,the use of 34 terms of PCs can improve the corrected Strehl ratio(SR)from 0.007 to 0.1585,while the Strehl ratio of the light spot after restoration using 34 terms of ZPs is only 0.0215,demonstrating almost no correction effect.The results indicate that PCs can serve as a better alternative in representing and restoring the characteristics of atmospheric turbulence induced phase aberrations.These findings pave the way to use PCs of phase aberrations with fewer terms than traditional ZPs to achieve data dimensionality reduction,and offer a reference to accelerate and stabilize the model and deep learning based adaptive optics correction. 展开更多
关键词 phase aberration atmospheric turbulence principal component analysis Zernike polynomials
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利用激光雷达探测潍坊市夏季臭氧分布特征 被引量:6
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作者 涂爱琴 王珍珠 +4 位作者 李恒昶 施奇兵 张海 刘东 翁宁泉 《红外与激光工程》 EI CSCD 北大核心 2023年第5期189-196,共8页
为了研究潍坊市夏季臭氧的分布特征,使用差分吸收激光雷达在潍坊市进行观测,分析了晴天和雨天臭氧分布的差别,并统计了无降水日臭氧的垂直分布和日变化特征。结果表明:降水发生前强烈的对流运动和大风会使对流臭氧层变厚,臭氧浓度变低;... 为了研究潍坊市夏季臭氧的分布特征,使用差分吸收激光雷达在潍坊市进行观测,分析了晴天和雨天臭氧分布的差别,并统计了无降水日臭氧的垂直分布和日变化特征。结果表明:降水发生前强烈的对流运动和大风会使对流臭氧层变厚,臭氧浓度变低;降水发生在一天中的不同时段,对臭氧污染的影响差异很大;无降水日对流臭氧层主要分布在1500 m以下,呈现白天高、夜晚低的日变化特征,高浓度值常出现在12~18时;在垂直结构上呈现分层的特征,其中,300~500 m高度的臭氧浓度随着高度的增加而增大,且在500 m附近达到极大值,该高度和米散射激光雷达探测的边界层高度基本一致;1500 m高度各个时段的臭氧浓度趋于一致,且自该高度往上臭氧无明显日变化特征,可将该层臭氧浓度作为臭氧预报的大气背景值。 展开更多
关键词 差分吸收激光雷达 臭氧 垂直分布 日变化 浓度廓线
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FPGA主控型数字锁相放大器设计及光谱测量 被引量:7
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作者 张雷雷 曹振松 +6 位作者 钟磬 黄印博 袁子豪 黄俊 齐刚 潘文雪 卢兴吉 《红外与激光工程》 EI CSCD 北大核心 2023年第10期127-138,共12页
针对激光传输实验中传输内通道空间狭小、CO_(2)浓度低的特点,结合波长调制TDLAS技术,设计了基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的数字锁相放大器,实现锁相放大和数据采集功能一体化,并将其成功应用于低浓度CO_(2)检测中。为解决低浓度CO_... 针对激光传输实验中传输内通道空间狭小、CO_(2)浓度低的特点,结合波长调制TDLAS技术,设计了基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的数字锁相放大器,实现锁相放大和数据采集功能一体化,并将其成功应用于低浓度CO_(2)检测中。为解决低浓度CO_(2)吸收微弱、噪声强等问题,设计了高精度ADC模块,电压分辨率可达0.3 mV;基于DDS原理内部产生正余弦参考信号,保证谐波信号单一性,且实现参考信号频率可调节,覆盖范围1~40 kHz;改进了CIC滤波器,并通过降采样级联FIR滤波器的方式,以较少的硬件资源消耗实现窄带低通滤波,积分时间200μs~20 ms可调;基于CORDIC算法实现平方和开根运算,相较于JPL算法精度更高。为系统更加小型化,基于Qt实现上位机并结合串口通信,使锁相放大器兼具数据采集处理功能。常温常压光程30 m条件下,测量了CO_(2)在2μm波段的吸收光谱,获得波长调制吸收光谱信噪比为102.6,相较于直接吸收信噪比8.8,提高约11.7倍;设计并开展低浓度CO_(2)标定实验,获取二次谐波信号幅值和CO_(2)浓度之间的线性关系,相关度为0.996;在纯氮气条件下,利用Allan方差评估了系统性能,平均时间为2 s时,系统检测下限1.30 ppm(1 ppm=10−6),平均时间为180 s时,系统检测下限0.19 ppm;分析了系统响应时间,可在0.5 s内获取气体浓度。实验结果表明,设计的数字锁相放大器具有测量灵敏度高、参数可调节、能够实时处理和小型化的特点,可满足传输内通道中低浓度CO_(2)的检测需求。 展开更多
关键词 数字锁相放大器 激光传输 FPGA TDLAS 数字滤波器 CORDIC算法
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