南极大视场望远镜光学系统研究进展

南极特殊环境可为天文台址提供绝佳的天文观测条件且具有极高的空间碎片过境频率等特性,因此,南极大视场望远镜在天文观测、空间碎片管理和深空探测等领域具有重要研究意义。本文基于南极天文观测科学目标的需求,综合考虑南极天文台址视宁度数据要求,针对满足南极使用的大视场望远镜光学系统关键科学问题,首先总结与分析了南极天文台址的特征。其次,我国先后在南极地区部署的几批大视场光学望远镜,囊括了几类典型的大视场光学系统,本文详细探讨了南极大视场望远镜目前采用的多类典型大视场光学系统的设计理论,并对南极地区现有和规划中的大视场望远镜项目进行了全面的阐述,介绍了这些系统的关键技术特点。最后,深入探讨了南极大视场望远镜在天文探测科学研究领域所取得的重要进展,重点介绍该领域的前沿动态与一些关键性的突破。     

天文望远镜

当代天文望远镜的巨大威力使我们的视野远远超越了太阳系、银河系,使我们见证了宇宙自诞生以来长达140亿年的历史。最为大众所熟知的是光学或者叫可见光天文望远镜。就是一般天文台里大球面建筑物里的望远镜,例如紫金山天文台下属的盱眙观测站拥有的近地天体望远镜。     

南极中山站极区空间环境观测系统

中国南极中山站位于极隙区纬度,可以观测到丰富的日地能量传输过程的电离层征兆和极光现象,非常适合开展极区空间环境观测研究。自1989年开始建设以来,中山站极区空间环境观测系统经历了观测设备的不断完善和发展,现已建立了涵盖地面极光、电离层和地磁观测多要素、多手段的自主观测体系,实现了极区空间环境的连续监测并建立了数据库。所有观测设备的运行状态可实时监控,地磁、宇宙噪声吸收等数据实现了准实时远程传输。最后展望中国极区空间环境观测研究的发展前景。     

我国研制成功最大口径望远镜

任何光学望远镜都是口径越大、看得越清、但视野越窄,而昨天通过国家竣工验收的一台“LAMOST”天文望远镜,却打破这一常理——其口径大于6米,而视场宽度是相近口径常规望远镜的5倍以上。这台世界上口径最大的大视场望远镜,一次观测最多可同时获得4000个天体的光谱,我国由此成为世界上少数几个具备自主研制巨型望远镜能力的国家。     

我国研制成功最大口径望远镜

任何光学望远镜都是口径越大、看得越清、但视野越窄,而昨天通过国家竣工验收的一台“LAMOST”天文望远镜,却打破这一常理——其口径大于6米,而视场宽度是相近口径常规望远镜的5倍以上。这台世界上口径最大的大视场望远镜,一次观测最多可同时获得4000个天体的光谱,我国由此成为世界上少数几个具备自主研制巨型望远镜能力的国家。     

我科学家在南极“冰穹A点”完成设备安装调试

据国家天文台和紫金山天文台证实,两名研究人员周旭和朱镇熹,随中国第24次南极科考队攀上南极大陆之巅“冰穹A点”,这是我国天文工作者首次登临“人类不可接近之极”。他们在该点安装并调试了我国首架光学望远镜阵列（CSTAR）,并建立起一座天文自动观测站（PLATO）。这一国际合作项目由中国南极天文中心领导,中国、澳大利亚和美国专家共同参与。目前,两人已随队安全撤离冰穹A,望远镜已可与卫星和地面配合,实现自主工作。在接下来的近百天内,南极将出现极夜现象,长时间夜幕笼罩正是光学观测和图像拍摄所必需的。     

中国南极昆仑站低轨空间碎片监测优势及CSTAR 望远镜实测

日益增加的空间碎片已严重威胁到各国航天器的运行安全。根据在编低轨空间碎片轨道分布和中国南极昆仑站的台址特点,分析昆仑站监测低轨空间碎片效能,结果表明昆仑站低轨空间碎片过境频次高、可观测时间长、极昼期间也可监测大尺寸空间碎片,对比中低纬度台址有显著优势。利用昆仑站CSTAR望远镜数据,针对其CCD图像中空间碎片图像拖长的特点,采用图像相减和霍夫变换方法,有效提取出空间碎片目标。与已有的空间碎片数据库进行比对结果表明,在72 h连续观测时间内,有效口径仅100 mm、视场为20 deg~2的单台CSTAR望远镜能观测到80%面积大于1 m~2的低轨空间碎片,证实了昆仑站在低轨空间碎片监测方面的高效能优势。     

南极巡天望远镜将赴“冰盖之巅”

我国自主研发的首台“南极巡天望远镜”（AST3）今年将随我国第28次南极科学考察队奔赴南极“冰盖之巅”,执行太阳系外行星、超新星等天文观测任务。     

中国极地考察站广域网通信建设与服务现状及展望

通过中国极地考察"十五"能力南极两站卫星通信网络系统项目的建设,我国南极考察站的广域网通信能力和站区网络通信能力已经有了很大提高。系统阐述南极两站的广域网通信现状,内容包括南极两站卫星通信链路的建设情况、考察站计算机网络系统建设情况以及该系统所提供的服务情况,涉及卫星通信、局域网以及VOIP等技术;对未来几年极地考察通信中可能会采用的通信技术建设提出建议。     

南极海冰、冰穴和冰川冰及其对水团形成和变性的作用

本文利用前人的成果及笔者1992/1993年的南极海冰观测和收集的资料以及水文观测资料数据阐述了南极海冰的特性,特别是南极海冰过程、冰穴以及冰川冰对南极水团(南极表层水、南极底层水、南极陆架水、南极中层水以及南极冰架水)的形成和变性所起的特殊作用。 南极海冰覆盖面积的年际变化,夏季最大年份是最小年份的2倍多,冬季年间变化较小,最大仅为20％;但其季节变化非常大,冬季平均覆盖面积通常是夏季的5倍。南极海冰对大气-海洋间相互作用有重大影响,特别是深海洋区中冬季的结冰和发育造成的垂向对流、夏季的融化是形成南极表层水(含南极冬季水和南极夏季表层水),进而形成南极中层水的主要原因;南极陆架区的的海冰兴衰过程是形成南极陆架水的直接原因,它与变性南极绕极深层水混合并受到冰川冰的进一步冷却作用,成为形成南极底层水的主要水团;南极冰架底部的冷却、融化和冰架以下水体的结冰作用形成的高盐对流过程产生的南极冰架水,亦是形成南极底层水的贡献者。 冰穴是70年代以来卫星观测的重大发现。对其形成和对大气、海洋的影响作用尚不完全清楚,初步的研究成果表明,冰穴中产生的热盐对流对南极水团的形成、变性、大洋深层的翻转以及海洋-大气间的热量传输和气体交换起有非常重要的作用。     

基于Polar WRF模拟结果估算南极泰山站近地面大气折射率结构常数

天文台址的选择与近地面的光学湍流强度密切相关,南极与中低纬度相比,具有极低的天空背景辐射、极低的气溶胶浓度和非常小的光污染,吸引了世界多国在此建立天文观测站。采用专门用于极地研究的极地数值天气预报模式(Polar WRF)来模拟得到南极泰山站的常规气象参数,对于温度和风速大小,模拟值与观测值的相关系数分别高达0.95和0.89。由模拟得到的常规气象参数根据Monin-Obukhov相似理论估算折射率结构常数(C_n~2),并与位于泰山站处移动式极地大气参数测量系统的观测结果做了对比,结果表明模拟值与观测值变化趋势基本一致,相关系数达0.67。     

南极潮汐测量及区域潮汐对冰架表面流速影响的研究进展综述

南极区域潮汐是计算南极物质平衡和南极冰架表面冰流速的重要影响因素,同时对于研究冰架崩解和全球气候变暖具有重要作用。南极潮汐测量的方法从最初的实时测量,发展到了卫星测高和遥感监测以及建立数值模型预测的阶段。已有研究表明潮汐周期与冰架表面流速间存在一定关联,例如Filchner-Ronne冰架和Ross冰架的潮汐变化与冰流速度的联系为:在大潮时冰流速度达到最快,小潮时冰流速度达到最慢。研究还对南极典型冰架区域潮汐特征及对冰架表面冰流速、高程变化等的影响进行了总结。今后的研究不仅需要继续关注西南极和南极半岛的潮汐变化,更加需要对东南极稀疏的区域进行潮汐观测,这对于构建整个南极潮汐数据库和提高数值模型的精度具有重要意义。     

南极冰盖表面冰流速研究综述

冰川表面流速作为南极冰盖物质平衡估算的一项重要内容,对于研究全球变暖背景下的海平面上升具有重要意义。随着技术的进步,南极的冰流速监测方法已经从传统的花杆测量、光学仪器边角测量,发展到先进的GPS测量和遥感观测。南极冰盖冰流速总体特征是:海岸带冰流速快于内陆冰流速,冰架冰流速快于陆地冰流速,西南极冰流速快于东南极冰流速。未来加强对数据稀疏地区的冰流速监测,扩大冰流速研究的时间尺度,开发冰流速研究的新方法以及构建冰流速波动与气候变化相互关系模型等,成为南极冰流速研究的新热点。     

南极内陆冰盖表面地貌特征监测系统设计及应用分析

南极内陆冰盖表面的特征与冰盖表面年际降雪量、冰盖表面风速有关,冰盖表面地貌特征主要包括雪面粗糙度、雪层软硬度,这些特征对内陆车队行进过程中的设备运输具有重要的参考价值。文中提出了车载自动化监测冰盖雪面特征的方法,并进行了监测系统的设计与数据分析;该系统包括以雪地车颠簸幅度代表的雪面凹凸程度(即雪面粗糙度),以GPS模块监测车辆行进距离,以激光测距监测雪地车车辙深度来表征雪面软硬度。通过数据采集系统的实时监测软件平台,实现了冰盖表面地貌特征的监测;该系统分别于2012年11月和2014年11月在中国第29次南极和31次南极考察中进行了监测应用,通过对以上监测数据的分析,初步给出了中山站至昆仑站沿途的冰盖表面粗糙度及雪面软硬度结果。     

国家地名数据库管理系统的设计与实现

采用分布式数据库技术、WebGIS技术,基于C／S和B／S以及单机形式相结合的混合模式,采用数据服务层、应用服务层、表现层等多层体系结构,设计和实现了国家地名数据库管理系统;储备、管理和应用海量的空间信息和地名属性信息,建立操作系统和数据库系统双重身份认证机制,建立分级授权的用户权限机制,建立对用户的操作进行监测的用户监测机制,建立系统运行记录的日志管理机制,确保信息安全和系统安全。     

南极泰山站多能互补微电网系统研究及实证

针对南极泰山站极寒、大风、高原缺氧等极端气候条件,设计高可靠性、高耐候性微电网系统整体架构,根据现场使用环境,研究并仿真计算了微电网系统的必要运行参数和安装实施方式。泰山站多能互补微电网系统研制突破了极端气候条件下太阳能和风能发电能力设计、光伏板防堆雪设计、多能互补微电网系统控制设计等关键技术,研究设计了在无人值守条件下能够自主运行的智能控制平台,通过并网运行与离网运行两种控制模式,构建了高效稳定的风、光、燃、储多能互补型智能微电网系统。系统安装在南极泰山站现场进行了验证性试运行,结果表明微电网系统的各项功能指标均能达到设计要求。南极泰山站多能互补微电网系统的验证性建设和成功试运行为我国在极地地区开展可再生能源利用起到良好的探索和示范作用。     

南极冰盖接地线研究综述

接地线是内陆固定冰盖和漂浮冰架的分界线,其位置的准确界定直接影响到南极冰盖物质平衡的计算。随着技术的发展,接地线的提取手段已经逐步从小范围的实地无线电回波测厚和GPS探测,发展到大范围的遥感观测。遥感观测主要包括4种技术手段,即流体静力学平衡、坡度分析、重复轨道分析以及差分干涉测量。以遥感观测为基础,国际上已发布5种全南极接地线产品,包括MOA、ASAID、ICESat、MEaSUREs以及Synthesized接地线产品。随着卫星数据源的丰富,改进接地线提取方法并高精度提取接地线,扩大接地线研究的时间尺度并对全南极进行长时序的接地线动态变化监测,结合冰架底部消融、冰底地形和海洋温度等参数,深入分析其变化原因和机制以及接地线变化与气候变化相互关系的建模等,将会成为南极接地线研究的新热点。     

南极冰盖内部等时层研究进展综述

南极冰盖内部等时层记录了不同时期冰盖表面的特征及其演变,蕴含了丰富的冰下环境信息。目前,已成为研究大空间尺度与长时间尺度上南极冰盖演化及其底部环境的重要媒介。地球物理观测和数值模拟技术的综合使用,实现了南极冰盖内部等时层在大陆尺度上的可视化。通过这些内部等时层,冰川学研究将南极冰盖内部的古冰流与千年至百万年时间尺度的地貌及冰下环境的变化细节联系起来,得到了一系列数量化的结果。针对南极冰盖,综述产生内部等时层的冰盖动力学物理机理及其在冰川学上的应用,评估在五个方面的运用:(1)深冰芯断代与选址;(2)冰盖动力学过程;(3)冰盖物质平衡;(4)冰盖稳定性;(5)冰下环境。另外,基于对内部等时层的已有认识,对未来在内部等时层研究中可能需要强化的领域进行了归纳:(1)发展更精细描述并测试内部等时层结构时空变化的数值模拟技术框架面临的挑战;(2)如何从内部等时层蕴含的信息推断鉴别以目前南极冰盖作为初始条件的冰盖质量变化;(3)为获得更高分辨率的内部等时层结构图像,得到关于冰盖内部冰体形变与演化的更多数量化信息,如何强化冰盖冰下环境的重复观测。     

可停泊南极机器人的小型新能源充电保温房设计

世界各国在南极开展的科学考察活动中,大多数科考任务的开展均基于自动化设备。而针对机器人在南极难以长期续航工作以及机器人与其设备长期在低温下使用导致使用寿命缩短、敏感度下降的问题,提出一种可停泊南极机器人的小型新能源充电保温房。该设计包括上位机控制系统和以Arduino芯片为核心的主控制系统。本设计通过OpenMV摄像头识别机器人且能与Arduino通讯,同时在内部搭载温度控制系统和无线充电系统,从而保障机器人的长时间高效运行。经过仿真和实验测试,本设计能够在寒冷环境下保持合适的温度,同时能使用无线充电对机器人锂电池进行充电,解决了南极科考机器人的续航问题,实现了对南极科考机器人的充电工作和对其传感器设备的保温工作。     

重庆市环境灾害管理综合信息系统研究

重庆市环境灾害管理信息系统是以环境灾害综合管理与科学决策为目标,在GIS平台上构建的具有一定系统结构、功能以及地学分析模型,通过一定的数据接口连结与GIS紧密结合的一体化系统。整个系统由领导层、管理层和基础层3个层次以及环境灾害数据库、远程通信管理、应用分析和决策支持4个主要模块组成,并通过一定数据接口,实现各种地学分析模型与GIS系统的紧密集成,并具有统一的用户界面。系统的建立将有利于重庆市对环境灾害进行有效的综合管理、监测并提供决策支持,从而减少区域自然灾害带来的经济损失。