合肥钠测温测风激光雷达与武汉流星雷达水平风场的对比研究

中间层顶区域大气温度和风场是研究中高层大气动力学的重要参量。简要介绍中国科学技术大学钠测温测风激光雷达系统。其可用于高分辨率探测中间层顶区域（80~105 km）大气温度和风场。给出了该激光雷达测量大气温度和风场的基本原理,对系统的发射部分、接收部分和光电探测采集及时序控制部分进行简要介绍,给出了该系统探测的大气温度和风场的结果。温度和风场结果分别与TIMED/SABER卫星仪器和武汉地基流星雷达观测结果进行了对比。     

三通道瑞利散射测风激光雷达风速反演算法

为了获得更为准确的大气风速廓线,使用国内首台基于三通道Fabry-Perot标准具的瑞利散射测风激光雷达进行风场测量,提出了根据实测数据及时调整标准具位置的激光频率反演方法。此方法有效减小了激光频率漂移和抖动造成的反演误差,同时对传统风速算法进行了改进。利用非线性迭代算法处理数据,通过对两种算法处理结果的比较,发现迭代算法具有更高的反演精度。使用非线性迭代算法对三通道瑞利散射多普勒测风激光雷达风场测量数据进行处理,得到了10km～40km的大气风速廓线。结果表明,此种风速反演算法切实可行,并提高了反演精度。     

机载多普勒激光雷达指向影响分析及定标

通过分析机载多普勒激光雷达测量模式特征,考虑飞机姿态测量精度的影响,仿真分析了径向速度误差,以及多视线反演水平风场的反演精度,按照文中仿真系统的输入参数,不考虑雷达系统频率检测误差,风速测量误差小于0.3 m/s。该结果为机载多普勒激光雷达平台设计和测量模式的选择提供了参考。在此基础上,提出了一种基于地面散射信号测量的激光指向定标方法,并通过激光雷达实测数据进行验证,指向定标精度优于0.2°。     

瑞利激光雷达探测大气温度算法分析

介绍了瑞利激光雷达的基本结构,描述了使用瑞利散射激光雷达探测平流层和中间层低部大气温度的数据处理方法,构建同时包含标准大气模式温度信息和实际探测背景噪声的模拟数据,对此模拟数据进行背景扣除、平滑去噪、参考点选取等计算分析,探讨提高温度反演精度的实用算法。并应用此数据处理方法对瑞利激光雷达的实际测量数据进行了计算处理,将计算结果与模式CIRA86、HALOE卫星数据进行对比分析,反演高度30～45km时误差1～3K,45～65km误差大约在2～5K,65～70km误差＜10K。     

星载钠荧光多普勒激光雷达性能分析

星载钠荧光多普勒激光雷达可以用来测量全球的中间层顶及低热层区域的大气风场、温度及钠原子数密度等。为了从理论上分析星载钠荧光多普勒激光雷达的可行性,该文依据激光雷达方程,对星载钠荧光多普勒激光雷达的回波信号强度以及大气参数测量精度进行仿真计算。分析结果显示在使用400 km轨道高度,30.0观测角度,9.0 W激光发射功率,1.0 m接收望远镜口径,2.0 km垂直距离分辨率,30.0 s信号累积时间情况下,可获得0.8 m/s视线风速测量精度,1.5 m/s水平风速测量精度和2.5 K温度测量精度。      

瑞利激光雷达探测大气温度算法分析

介绍了瑞利激光雷达的基本结构,描述了使用瑞利散射激光雷达探测平流层和中间层低部大气温度的数据处理方法,构建同时包含标准大气模式温度信息和实际探测背景噪声的模拟数据,对此模拟数据进行背景扣除、平滑去噪、参考点选取等计算分析,探讨提高温度反演精度的实用算法。并应用此数据处理方法对瑞利激光雷达的实际测量数据进行了计算处理,将计算结果与模式CIRJA86、HALOE卫星数据进行对比分析,反演高度30～45km时误差1—3K,45～65km误差大约在2—5K,65—70km误差〈10K。     

高光谱分辨率激光雷达测量低层大气温度

基于碘分子滤波器对大气气溶胶散射的强吸收特性,滤除低层大气中气溶胶散射的影响,从而利用分子瑞利后向散射信号强度反演低层大气温度.激光雷达低层大气温度测量结果与探空数据进行了对比,显示出较好的一致性,温度偏差在9 km内不大于3 K.讨论了激光雷达测得的大气温度与探空数据对比结果之间存在的系统偏差和由于参考高度温度初始值引起的激光雷达温度反演结果的变化.     

基于双F-P标准具的直接探测测风激光雷达

研制了基于双F-P标准具直接探测的地基测风激光雷达.简要回顾了双边缘直接探测技术,介绍了系统结构与控制.为验证系统测量结果的准确性,研制了多普勒校准仪.在+40 m/s动态范围内的校准实验表明:当累计光子数达到2 000时,测风激光雷达系统对靶盘径向转速测量的标准误差为0.6 m/s.风场观测初步对比实验时,测风激光雷达的测量结果与风廓线测量结果一致.给出了24 h连续大气风场观测的结果:风场观测的垂直分辨率为21.2m,每个径向观测的累积时间1 min,当激光雷达扫描视场内有云层时,测风激光雷达的探测高度可达10 km.     

探测边界层大气温度的转动喇曼激光雷达

为了研制一种测量边界层大气温度的激光雷达,采用氮气和氧气的转动喇曼谱的强度比反演大气温度垂直分布的方法,对转动喇曼激光雷达系统进行了理论分析与实验研究,取得了边界层内的大气温度数据。结果表明,该激光雷达测量的大气温度在0km~2.5km处与大气模式表现出了较好的一致性,激光能量为100mJ,测量时间约为17min,垂直分辨率为7.5m;2.5km处信号随机起伏引起的统计误差达到1K,可以对边界层内2.5km以下的大气温度进行高精度测量;如果要使测量的高度进一步增加,可以增大激光脉冲的能量或选用口径大的望远镜。这对探测边界层大气温度的转动喇曼激光雷达系统的研制提供了有益的指导。     

直接探测多普勒激光雷达的光束扫描和风场测量

介绍了直接探测多普勒激光雷达的系统结构和主要参数，给出了该系统进行大气风场测量的光束扫描方法，详细推导了三维风场的计算公式，给出了其风速和风向误差的求解方法。在径向风速均为1 m/s和扫描角度误差均为1°的情况下，水平风速和风向的误差分别为1.155 m/s和0.707°。给出了合肥地区对流层风场的测量结果，结果表明，采用该方法测量大气风场是切实可行的。     

Polarimetric microwave wind radiometer model function and retrieval testing for WindSat

A geophysical model function (GMF), relating the directional response of polarimetric brightness temperatures to ocean surface winds, is developed for the WindSat multifrequency polarimetric microwave radiometer. This GMF is derived from the WindSat data and tuned with the aircraft radiometer measurements for very high winds from the Hurricane Ocean Wind Experiment in 1997. The directional signals in the aircraft polarimetric radiometer data are corroborated by coincident Ku-band scatterometer measurements for wind speeds in the range of 20-35 m/s. We applied an iterative retrieval algorithm using the polarimetric brightness temperatures from 18-, 23-, and 37-GHz channels. We find that the root-mean-square direction difference between the Global Data Assimilation System winds and the closest WindSat wind ambiguity is less than 20/spl deg/ for above 7-m/s wind speed. The retrieval analysis supports the consistency of the Windrad05 GMF with the WindSat data.     

激光雷达观测的武汉上空钠原子层形态特性

对１９９６年３月１日至３日钠荧光散射雷达获得的观测数据进行了分析与处理，得到了钠原子密度随高度的剖面分布和随时间的变化关系。分析结果指出，武汉上空中高层大气钠原子剖面具有强烈的时空变化特点。钠层主要分布在８０～１０５ｋｍ高度，钠层最大密度高度位于９２～９５ｋｍ范围，在不出现流星雨时，其值在１～３×１０９原子每立方米之间变化     

激光雷达探测合肥云层高度方法研究及分析

为了通过雷达回波信号廓线图准确确定云底、云峰、云顶高度,采用微分识别法着重分析了多峰时如何判别单层云和多层云,介绍了雷达结构系统,讨论了2008年5月期间合肥地区云层的高度、厚度、光学厚度的激光雷达探测结果,并进行了理论分析和实验验证。为验证方法的可行性,将雷达和芬兰Vaisala云高仪(探测距离0km～7km)对准同一片云,取得了实测数据,并进行了对比分析。结果表明,用微分法所得云高数据与Vaisala在7km以下较吻合,7km以上所测的卷云和SAGEⅡ所测的卷云高度基本一致,且实验所测合肥上空的高层卷云基本上都是薄卷云,云峰主要分布在9km～12km范围之内。这一结果对以后研究云层高度反演、并与卫星数据进行校验对比是有帮助的。     

利用浮标和NWP风场对HY-2散射计联合定标验证

本文对海洋二号卫星微波散射计(Haiyang-2 Scatterometer,HY-2 SCAT)进行了海洋定标算法研究,并使用数值天气预报模型风场(Numerical Weather Prediction,NWP)和浮标数据对定标后反演风场进行联合验证.通过匹配2012年12月份的HY-2 SCAT反演风场、NWP风场及浮标的观测数据,共得到无降雨条件下的3112个25km分辨率的匹配数据.对匹配数据进行分析时,采用基于变量的误差分析方法能够得到比传统线性回归方法更精确的验证结果.选取在风场U、V分量进行联合验证能得到较在风速、风向上更为有利的验证结果.验证结果表明,经过海洋定标法之后的HY-2 SCAT测量后向散射系数的误差残余小于0.15dB,其反演风场与浮标及NWP数据相吻合,U、V分量相对浮标及NWP数据偏差均小于0.23m/s,验证了该定标算法的有效性及定标后反演风场的高精度.     

利用 IASI资料反演平流层大气温度

红外大气探测干涉分光仪(Infrared Atmospheric Sounding Interferometer, IASI)能够获取平流层的大气温度廓线,而且由其 提取的大气温度扰动信息可用于平流层的重力波特征分析。基于神经网络方法,利用典型 大气廓线库和大气辐射传输模式建立了由IASI反演25～60 km高度范围内的平流层大气温度廓 线的算式,并结合再分析资料对反演结果进行了检验。模拟试验结果表明,平流层大气 温度反演的偏差主要在0 K附近且不超过1 K,均方根误差处在2～6 K之间,且50～5 hPa之间的均方 根误差在3 K以内。对比验证结果表明,本文的平流层大气温度反演与欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-range Weather Forecasts, ECMWF)的再分析资料在总体上具有可比性,而且反演速度更快,覆盖的区域更完整。     

多碱阴极XPS 分析研究

介绍了多碱阴极的特点及其在超二代像增强器中的应用。叙述了多碱阴极进行制作和封接,之后在XPS 分析仪器的预真空室中进行解封并送入仪器分析室进行分析的过程。对多碱阴极不同膜层厚度处各元素原子的百分比进行了XPS 分析。首先对多碱阴极的表面进行宽谱扫描,发现元素之后再针对各个元素进行窄谱扫描,之后进行氩离子刻蚀。刻蚀一定时间后再对多碱阴极表面进行宽谱或窄谱扫描,氩离子刻蚀一直进行到阴极玻璃窗的表面。通过氩离子刻蚀并结合XPS 能谱分析,得出了多碱阴极膜层内部不同厚度处Na 元素、K 元素和Sb 元素的原子百分比。结果表明:多碱阴极的结构是一种两层结构,即以Na2KSb 为基础层,表面再吸附Cs 原子层。两层膜层中,Na2KSb 基础层较厚,而Cs 原子层较薄,厚度仅为整个阴极膜层厚度的2.7%。另外,实测多碱阴极膜层中Na 原子、K 原子和Sb 原子数量的百分比并不完全遵循2:1:1 的化学计量比,并且在整个阴极膜层厚度范围内,三种元素的原子百分比并不保持恒定,未出现在某一位置处三种元素原子百分比达到2:1:1 的理想状态。原因是目前多碱阴极制作工艺对蒸发元素蒸发量的控制精度较低。理论和实践证明,只有获得具有严格化学计量比的Na2KSb 膜层才可能获得高的灵敏度,因此,如果采用分子束外延技术来制作多碱阴极,那么成分控制的精度将大大改善,2:1:1 的化学计量比才可能获得,阴极灵敏度才会得到进一步的提高。     

Land-Contamination Compensation for QuikSCAT Near-Coastal Wind Retrieval

The QuikSCAT scatterometer is used to accurately retrieve winds over the ocean at both high (2.5 km) and low (25 km) resolutions. In near-coastal regions, land contamination of measurements results in inaccurate wind estimates using current techniques. Here, we show that identifying land-contaminated measurements allows wind retrieval to be accurately achieved in near-coastal regions using QuikSCAT data at up to 2.5-km resolution using the AVE algorithm. To identify and remove land contamination, two metrics are compared, namely, the minimum distance to land and the land contribution ratio (LCR). The LCR is used as a metric to identify and remove land-contaminated backscatter $sigma^{o}$ measurements before wind retrieval by discarding measurements with LCR values above a threshold. LCR thresholds used to remove land-contaminated measurements are determined using Monte Carlo simulations and set during processing using a lookup table based on the local wind speed, land brightness, and the cross-track swath location. Wind retrieval from $sigma^{o}$ fields generated using the LCR is more accurate closer to the coast than previously achieved using both low- and high-resolution processing.      

Nip the Sodium Dendrites in the Bud on Planar Doped Graphene in Liquid/Gel Electrolytes

Sodium (Na) metal is the most promising alternative anode to metallic lithium for high‐energy batteries due to the low cost and high abundance of Na resources, but it suffers from severe dendritic/mossy growth at high current densities. Understanding Na nucleation/growth mechanism in different electrolyte systems is the key to tackling this issue but is complicated by the structural complexities of existing substrates for Na plating/stripping. Herein, well‐defined planar doped graphene substrates are synthesized as model plating platforms to unravel a binding energy dominant Na nucleation‐growth mode. The dopants (e.g., boron) in doped graphene and the regions close to the dopants possess high binding energies with Na atoms, providing abundant preferential nucleation sites and contributing to uniform Na plating/stripping. Accordingly, the boron‐doped graphene regulated Na anode exhibits long‐term stability at high current densities in both liquid and polymer electrolytes. The results enhance the understanding of Na nucleation/growth for stabilizing Na metal batteries.     

激光钠导引星技术研究进展

望远镜是人类探索宇宙奥秘最重要的科学工具之一。大型地基光学望远镜对天观测时,大气扰动使星光波前畸变导致其实际分辨率大幅下降,是长期困扰高精度天文观测的重大科技问题。因此世界各大望远镜均在竞相发展自适应光学技术,以校正大气造成的波前畸变,使望远镜达到近衍射极限分辨率,这标志着地基光学望远镜正在进入自适应光学望远镜时代。激光钠导引星是用激光激发海拨约90 km电离层中的钠原子产生的人造亮星,作为自适应光学校正的信标源,是自适应光学望远镜的核心技术之一。文中介绍了激光钠导引星技术的原理、方法与国内外发展状况,尤其是该实验室采用的固体激光和频技术,实现了钠D2线光谱匹配和钠层激发匹配的微秒脉冲钠导引星激光,并在国内外大望远镜上使用获得成功。     

Implantation of sodium ions into germanium

The donor properties of Na atoms introduced by ion implantation into p-Ge with the resistivity 20–40 Ω cm are established for the first time. Na profiles implanted into Ge (the energies 70 and 77 keV and the doses (0.8, 3, 30) × 10¹⁴ cm⁻²) are studied. The doses and annealing temperatures at which the thermoprobe detects n-type conductivity on the sample surface are established. After implantation, the profiles exhibit an extended tail. The depth of the concentration maximum is in good agreement with the calculated mean projected range of Na ions R _p . Annealing for 30 min at temperatures of 250–700°C brings about a redistribution of Na atoms with the formation of segregation peaks at a depth, which is dependent on the ion dose, and is accompanied by the diffusion of Na atoms to the surface with subsequent evaporation. After annealing at 700°C less than 7% of the implanted ions remain in the matrix. The shape of the profile tail portions measured after annealing at temperatures 300–400°C is indicative of the diffusion of a small fraction of Na atoms into the depth of the sample.