基于垂直结构GaN LED的可见光通信系统研究
这是一篇关于氮化镓发光二极管,垂直结构,可见光视频通信,系统设计的论文, 主要内容为6G作为下一代移动通信技术,其核心要求包括更高的数据速率、更低的延迟、更好的可靠性和更广的覆盖范围。而可见光通信技术是能够为6G的实现提供重要支持的一种技术。通过利用发光二极管(light-emitting diode,LED)等光源发出的光信号,实现高速、低功耗、抗干扰、安全等优势。与传统无线通信技术相比,可见光通信技术不会产生电磁波干扰和辐射,同时还可以实现高密度覆盖、高速率、低成本等优势。本文首先从LED器件出发,在4英寸硅衬底金属键合氮化镓晶圆上设计出垂直结构的蓝光和绿光发光二极管,并简要叙述了垂直结构GaN LED的晶圆结构与制备流程工艺;使用测量仪器对所设计的LED进行电学测试、光谱测试与通信性能测试等,依据LED测试的结果来优化光通信系统发射与接收端电路方案、视频数据的处理方式以及主控芯片选型。其次通过对可见过光通信信道模型进行理论分析,可以得出可见光通信系统在不同信道传输中关键技术需求;并根据不同的通信调制方案进行对比,选择便于位同步、带宽适中与降低系统设计复杂度的二进制频移键控(Binary Frequency Shift Keying,2FSK)作为系统的调制方式;同时设计实现出低失真、可调电压的发射驱动电路;设计出高增益、高灵敏与低噪声的接收电路,并对所设计的电路进行波形测试调整;基于现场可编程门阵列(Field Program Gate Way,FPGA)的可重构性强、并行处理能力高、功耗低等优势选择作为光通信系统的主控电路,从而实现以太网接口的音视频信号采集、数据的存储分包、信号RS编解码与FSK调制解调等功能,并搭建验证测试平台对相应的代码进行功能仿真测试;最后搭建双工的可见光通信系统平台,完成了实际系统测试。本文根据实验结果表明,垂直结构GaN LED相比较于平面LED器件具有更高的发光效率、更大的功率和良好的散热率,且在传输伪随机二进制序列(Pseudo-Random Binary Sequence,PRBS)波形时速率可达到20Mbps,单颗LED在系统正常工作时电功耗约为3W,系统的正常工作电压为12V;同时,基于FPGA对音视频数字信号进行编码调制处理、以蓝光和绿光GaN LED作为发射源、在2m的水箱中进行调制频率分别为5Mbps和10Mbps的2FSK信号光通信实验,实现了全双工音视频通信的测试。
基于激光雷达的杭州市区不同强度霾探测研究
这是一篇关于霾,CALIPSO卫星,气溶胶,垂直结构,探测的论文, 主要内容为随着我国经济发展和城市化进程的推进,低能见度天气已成为当前国内众多城市面临的重要环境问题,霾也由原来的天气状态升级为一种污染现象。目前对于霾的观测主要依赖于地面观测站点和光学遥感提供空气质量与霾污染范围,而对霾天大气气溶胶垂直分布的探测相对较少。美国国家航空航天局(NASA)和法国国家航天中心(CNES)2006年发射的“云-气溶胶激光雷达红外开拓者(Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations,CALIPSO)"卫星提供了较高垂直分辨率和测量精度的全球云和气溶胶观测数据,为研究霾过程中大气气溶胶的垂直分布特征提供了有效监测手段。 本文根据杭州地区7个常规气象站气象资料、空气污染指数资料等实测资料,按照《霾的观测和预报等级(QX/T113-2010)》标准整理研究了杭州市霾天气的历史演变情况及其季节变化和月变化特征；并利用星载激光雷达数据分析了杭州市区无霾与不同程度霾天的大气垂直结构特征,得到基于星载激光雷达探测城市霾的方法。研究工作主要有以下4个结论： (1)杭州市霾天气时间演变特征： 1951年-2010年杭州市霾天数历史演变过程可分为3个阶段：1951-1964年的环境恢复期,1965-1975年的稳定期和1975年后的霾天天数快速增长期。霾天天数的季节变化特征为：冬季>春秋>夏季,这主要是受到杭州市气候条件的影响。霾天数的月变化特征为：1月和12月最容易发生霾过程,7月份霾多年平均发生次数相对最少。 (2)杭州市区大气垂直分布特征： 随着高度的上升,大气后向散射系数、体积退偏振比和色比等光学参数的取值减小,气溶胶的不规则性减弱。各高度层中光学参数随着其值的增加出现频率降低。0-2km高度层内大气散射能力强于其他高度空间,532nm后向散射系数峰值主要在0.0008-0.0025km-1·sr-1范围内；体积退偏振比以0-15%为主；色比频率随着取值的增大呈现先增大后减小的变化规律,频率峰值出现在0.4-1.0之间。 气溶胶具有吸湿性,湿霾天气时气溶胶吸湿后下沉,边界层散射强度减弱,以中等粒径且表面规则的气溶胶颗粒物为主。中层由于气溶胶颗粒物吸湿后表面较为且则粒径增大,散射能力增强。高层空间由于空气相对干燥,干霾和湿霾时大气结构变化较小。比较不同程度霾过程,轻度霾时以较规则的细粒子气溶胶为主,中度霾时以规则的粗粒子气溶胶为主,重度霾时以不规则细粒子气溶胶为主。 (3)利用CALIOP激光雷达数据进行杭州市区霾探测研究： 根据三个参数的F检验结果,结合不同天气过程时市区大气参数的垂直分布特征,利用0.5-1.2km高度层内的光学参数对霾过程进行判识。SPSS判别运算结果表明,以VDR/BKS/COR(各高度依次排列)的组合方式建立判别函数可以有效的区分无霾与霾天。根据修正后的消光系数计算垂直能见度,进而得到霾层厚度,有利于加深对霾过程气溶胶分布的正确认识。 (4)杭州市区霾源分析： 结合地面气象资料、主要大气污染物质量浓度情况与CALIOP激光雷达数据,对2013年1月26日霾过程进行案例分析。结果表明,当日霾层厚度在1km左右,污染物主要集中在近地面；霾天气的发生,除了受到静风、逆温以及连续多日无降水等气象影响外。汽车尾气等本地污染物的不断积累也为霾的产生提供了有利条件。HYSPLIT轨迹反演结果表明气流传输带来的外部污染物在一定程度上降低了大气能见度,促进了霾天气的出现。因此对于霾的控制与治理不但需要控制本地污染物的产生和排放,区域联合治理也是重要控制手段。
基于激光雷达的杭州市区不同强度霾探测研究
这是一篇关于霾,CALIPSO卫星,气溶胶,垂直结构,探测的论文, 主要内容为随着我国经济发展和城市化进程的推进,低能见度天气已成为当前国内众多城市面临的重要环境问题,霾也由原来的天气状态升级为一种污染现象。目前对于霾的观测主要依赖于地面观测站点和光学遥感提供空气质量与霾污染范围,而对霾天大气气溶胶垂直分布的探测相对较少。美国国家航空航天局(NASA)和法国国家航天中心(CNES)2006年发射的“云-气溶胶激光雷达红外开拓者(Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations,CALIPSO)"卫星提供了较高垂直分辨率和测量精度的全球云和气溶胶观测数据,为研究霾过程中大气气溶胶的垂直分布特征提供了有效监测手段。 本文根据杭州地区7个常规气象站气象资料、空气污染指数资料等实测资料,按照《霾的观测和预报等级(QX/T113-2010)》标准整理研究了杭州市霾天气的历史演变情况及其季节变化和月变化特征；并利用星载激光雷达数据分析了杭州市区无霾与不同程度霾天的大气垂直结构特征,得到基于星载激光雷达探测城市霾的方法。研究工作主要有以下4个结论： (1)杭州市霾天气时间演变特征： 1951年-2010年杭州市霾天数历史演变过程可分为3个阶段：1951-1964年的环境恢复期,1965-1975年的稳定期和1975年后的霾天天数快速增长期。霾天天数的季节变化特征为：冬季>春秋>夏季,这主要是受到杭州市气候条件的影响。霾天数的月变化特征为：1月和12月最容易发生霾过程,7月份霾多年平均发生次数相对最少。 (2)杭州市区大气垂直分布特征： 随着高度的上升,大气后向散射系数、体积退偏振比和色比等光学参数的取值减小,气溶胶的不规则性减弱。各高度层中光学参数随着其值的增加出现频率降低。0-2km高度层内大气散射能力强于其他高度空间,532nm后向散射系数峰值主要在0.0008-0.0025km-1·sr-1范围内；体积退偏振比以0-15%为主；色比频率随着取值的增大呈现先增大后减小的变化规律,频率峰值出现在0.4-1.0之间。 气溶胶具有吸湿性,湿霾天气时气溶胶吸湿后下沉,边界层散射强度减弱,以中等粒径且表面规则的气溶胶颗粒物为主。中层由于气溶胶颗粒物吸湿后表面较为且则粒径增大,散射能力增强。高层空间由于空气相对干燥,干霾和湿霾时大气结构变化较小。比较不同程度霾过程,轻度霾时以较规则的细粒子气溶胶为主,中度霾时以规则的粗粒子气溶胶为主,重度霾时以不规则细粒子气溶胶为主。 (3)利用CALIOP激光雷达数据进行杭州市区霾探测研究： 根据三个参数的F检验结果,结合不同天气过程时市区大气参数的垂直分布特征,利用0.5-1.2km高度层内的光学参数对霾过程进行判识。SPSS判别运算结果表明,以VDR/BKS/COR(各高度依次排列)的组合方式建立判别函数可以有效的区分无霾与霾天。根据修正后的消光系数计算垂直能见度,进而得到霾层厚度,有利于加深对霾过程气溶胶分布的正确认识。 (4)杭州市区霾源分析： 结合地面气象资料、主要大气污染物质量浓度情况与CALIOP激光雷达数据,对2013年1月26日霾过程进行案例分析。结果表明,当日霾层厚度在1km左右,污染物主要集中在近地面；霾天气的发生,除了受到静风、逆温以及连续多日无降水等气象影响外。汽车尾气等本地污染物的不断积累也为霾的产生提供了有利条件。HYSPLIT轨迹反演结果表明气流传输带来的外部污染物在一定程度上降低了大气能见度,促进了霾天气的出现。因此对于霾的控制与治理不但需要控制本地污染物的产生和排放,区域联合治理也是重要控制手段。
云卫星资料在天山山区降雨云研究中的应用
这是一篇关于总云量,低层云,冰云特性参量,垂直结构,相关关系的论文, 主要内容为云在大气中的时空分布、云系内部结构及其发展演变过程是当前大气遥感、天气预报和气候预测的重要前沿课题。随着越来越多环境和气象卫星发射升空,揭示降水云的宏微观特性以及云和降水的关系已逐渐成为可能。本文基于A-Train国际卫星编队中Aqua和CloudSat两颗卫星反演的云数据产品,分析了总云量和低层云的特性参量在新疆地区云的时空分布规律,在此基础上结合地面降水量资料针对天山山区选取了CloudSat卫星监测到的8次中到暴雨过程,对冰云的含水量、粒子有效半径和粒子数浓度的垂直分布特征进行了研究,并考察了这三个冰云参量与降水量之间的相关关系,结果如下： 1.新疆地区总云量和低层云的特性参量分布差异很大。三大山区的总云量和低层云云量的年变化趋势相似,春夏季云量值较高,而秋冬季云量减少,且两种云量的五年月平均变化显著相关；低层云的冰水柱含量春夏季高,秋冬季较少,而云水含量在冬季最丰富；三大山区低层云的水云粒子有效半径年变化相似,夏季和秋季有效半径相对较小,冬春季偏大,但波动幅度不大,且三大山区五年月平均的最大值和最小值相差不大；天山和阿勒泰山区冰粒子有效直径的年变化幅度很小,而昆仑山山区8月份的有效直径急剧变小,与水云粒子有效半径一样,两种粒子尺度的最小值都出现在夏季的8月份；受山区海拔高度的影响,昆仑山山区的低层云有效高度最大,其次是天山山区。云参量的多年平均空间分布表明,不管是云量,还是低层云的云水柱含量、粒子尺度,天山地区都是高值区。 2.降雨云层的顶部和底部是冰水含量的低值区,冰水含量的高值区在云层中部6～7km高度处,并且在云的垂直高度上有最大峰值现象,但峰值出现的高度略有差异；冰水含量值域段越小,所占的分布比例越大。冰粒子有效半径的高值在云层的底部,并随着高度的上升呈变小的趋势；500～1000μm值域段的冰粒子有效半径所占比例较大,尤其是500～800μm值域段冰粒子有效半径占的比例最大,大于1500μm的冰粒子有效半径比例不超过1%。冰粒子数浓度随云层垂直高度的上升而增大,云层的底部是冰粒子数浓度的低值区,高值区出现在云层的中上部；8次降雨过程中有3次过程各个值域段(0～3513L-1)的冰粒子数浓度都有分布,2次过程中冰粒子数浓度的值域在0～2000L-1范围之间,另外2次过程在0～1500L-1的值域范围内。 3.不考虑云层高度,分别用云中冰水含量、冰粒子有效半径和冰粒子数浓度值的区域平均值分别代表三个参量值,考察8次降雨过程的云参量和降水量的相关关系。结果8次个例中冰水含量和冰粒子数浓度与降水量低度相关,冰粒子有效半径与降水量的相关性相对较显著；在4-9km高度段(5个高度层)冰水含量和冰粒子有效半径与降水量的相关性较好,云层越高相关性越差,而冰粒子数浓度在云层的中上部与降水量相关性比低层的相关性高。
基于垂直结构GaN LED的可见光通信系统研究
这是一篇关于氮化镓发光二极管,垂直结构,可见光视频通信,系统设计的论文, 主要内容为6G作为下一代移动通信技术,其核心要求包括更高的数据速率、更低的延迟、更好的可靠性和更广的覆盖范围。而可见光通信技术是能够为6G的实现提供重要支持的一种技术。通过利用发光二极管(light-emitting diode,LED)等光源发出的光信号,实现高速、低功耗、抗干扰、安全等优势。与传统无线通信技术相比,可见光通信技术不会产生电磁波干扰和辐射,同时还可以实现高密度覆盖、高速率、低成本等优势。本文首先从LED器件出发,在4英寸硅衬底金属键合氮化镓晶圆上设计出垂直结构的蓝光和绿光发光二极管,并简要叙述了垂直结构GaN LED的晶圆结构与制备流程工艺;使用测量仪器对所设计的LED进行电学测试、光谱测试与通信性能测试等,依据LED测试的结果来优化光通信系统发射与接收端电路方案、视频数据的处理方式以及主控芯片选型。其次通过对可见过光通信信道模型进行理论分析,可以得出可见光通信系统在不同信道传输中关键技术需求;并根据不同的通信调制方案进行对比,选择便于位同步、带宽适中与降低系统设计复杂度的二进制频移键控(Binary Frequency Shift Keying,2FSK)作为系统的调制方式;同时设计实现出低失真、可调电压的发射驱动电路;设计出高增益、高灵敏与低噪声的接收电路,并对所设计的电路进行波形测试调整;基于现场可编程门阵列(Field Program Gate Way,FPGA)的可重构性强、并行处理能力高、功耗低等优势选择作为光通信系统的主控电路,从而实现以太网接口的音视频信号采集、数据的存储分包、信号RS编解码与FSK调制解调等功能,并搭建验证测试平台对相应的代码进行功能仿真测试;最后搭建双工的可见光通信系统平台,完成了实际系统测试。本文根据实验结果表明,垂直结构GaN LED相比较于平面LED器件具有更高的发光效率、更大的功率和良好的散热率,且在传输伪随机二进制序列(Pseudo-Random Binary Sequence,PRBS)波形时速率可达到20Mbps,单颗LED在系统正常工作时电功耗约为3W,系统的正常工作电压为12V;同时,基于FPGA对音视频数字信号进行编码调制处理、以蓝光和绿光GaN LED作为发射源、在2m的水箱中进行调制频率分别为5Mbps和10Mbps的2FSK信号光通信实验,实现了全双工音视频通信的测试。
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