热带海洋学报 JOURNAL OF TROPICAL OCEANOGRAPHY
2010年 第29卷 第2期：1?6
https://www.doczj.com/doc/bb803988.html,; https://www.doczj.com/doc/bb803988.html,
收稿日期：2009-05-06; 修订日期：2009-11-08。孙淑杰编辑
基金项目：国家863计划重大项目(2006AA09A310); 中国科学院重要方向性项目及装备项目(KZCW2-YW-215) 作者简介：曹文熙(1963—), 男, 湖南省郴州市人, 研究员, 博士, 主要从事海洋光学研究。E-mail: wxcao@https://www.doczj.com/doc/bb803988.html,
* 感谢中山大学詹杰民、苏炜、赵陶等同志协助完成了浮标模型的水池动力试验。南海北部开放航次为光学浮标的海上试验提供了条件, “实验3”号科学考察船船员在浮标的布放和回收中付出了辛勤的劳动, 赵俊、许占堂、周雯、王桂芬、梁少君等参加海上试验, 在此锚泊光学浮标浮体设计及近海试验*
曹文熙1, 杨跃忠1, 张敬祥1, 柯天存1, 卢桂新1, 李彩1, 郭超英1, 孙兆华1,2
(1. 中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境动力学重点实验室, 广东 广州 510301; 2. 中国科学院研究生院, 北京 100039)
摘要: 文中设计的光学浮标采用了柱状浮体, 提出了自由旋转的马鞍链结构。理论计算结果表明, 该光学浮标一是初稳性高度大, 二是光学浮标重心位于浮心之下, 浮标的摇摆角较小, 抗倾斜及倾覆能力强。海上试验结果表 明, 对于风力7节、浪高3—4m 以下的海况, 浮标倾角≤5°的次数占总采样次数的 54%, 浮标倾角≤10°的次数占总采样次数的83%, 浮标性能较好地满足了水下光辐射测量的技术要求。为减小阴影效应带来的光辐射测量误差, 文中采用了两种解决方法: 一是伸臂结构解决浮标体阴影的影响, 当太阳天顶角为0°时, 在近岸或者清洁水体中浮标体阴影引起的向上辐亮度测量误差分别不大于4% 和1%; 二是光纤光谱仪测量技术减少仪器自阴影的影响, 设计的光谱辐照度和辐亮度光学探头直径均为0.042m, 当水体光束衰减系数为0.12m ?1, 太阳天顶角为10°时, 自阴影引起的向上辐亮度测量误差仅为1.5%。
关键词: 海洋光学; 光学浮标; 水色遥感; 定标与检验
中图分类号: P733.39 文献标识码: A 文章编号: 1009-5470(2010)02-0001-06
Design and test of moored optical buoy
CAO Wen-xi 1, YANG Yue-zhong 1, ZHANG Jing-xiang 1, KE Tian-cun 1, LU Gui-xin 1, LI Cai 1, GUO Chao-ying 1, SUN Zhao-hua 1,2
(1. LED , South China Sea Institute of Oceanology , Chinese Academy of Sciences , Guangzhou 510301, China ; 2. Graduate Univ. of Chinese Academy of Sciences , Beijing 100039, China )
Abstract: A spar body was considered and a free-rotated saddle was used in a moored optical buoy. Theoretical results indi-cated that the buoy’s high initial stability enables it to be stable. Due to the centre of gravity position being lower than the buoyant centre, the rolling angle of the buoy is small, as it would result in strong ability to resist tilting and capsizing. In situ experiment results indicated that 83% of the buoy’s tilt angles are ≤10° and 54% of the buoy’s tilt angles are ≤5° under the conditions of wind speed less than 7 knots and wave height less than 3?4m, therefore the buoy performance satisfies the tech-nical requirement for underwater light measurements. To minimize the shelf–shading effects on the light measurements, two solutions were found: First of all, stroked-out structures were used to avoid shelf-shading of buoy body, and when the solar zenith angle was 0°, the shelf-shading errors of upwelling radiance were lower than 4% and 1% for coastal and open oceans, respectively; Second, fiber spectrometer was used to avoid shelf-shading of sensors. The diameter of designed optical sensors for irradiance and radiance was 0.042m. When the beam attenuation coefficient was 0.12m ?1 and the solar zenith angle was 10°, the self-shading error was 1.5% for upwelling radiance.
Key words: ocean optics; optical buoy; ocean color remote sensing; calibration and validation
自1978年第一台试验性水色遥感器“海岸带水色扫描仪(CZCS)”成功发射后, 水色遥感已取得长足的进展, 并逐步成为海洋环境监测、渔业评估和科学研究的重要手段。目前, 海洋初级生产力、海
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洋生物地球化学循环、海洋环流与海-气交换等科学问题的研究都有赖于水色遥感的发展。水色遥感数据的利用率及产品精度受多方面因素(如数据质量、数据解译和反演水色要素的生物光学模型)的影响。经过大气校正后的离水辐亮度数据必须真实地反映海面离水辐亮度, 但由于受大气辐射、遥感器随时间的飘逸等因素的影响, 遥感数据可能并不准确, 因此需要对遥感器进行现场定标并对遥感数据进行真实性检验。定标与检验依赖于现场实测的海洋光学数据, 并且定标检验需涵盖遥感器的整个寿命期, 以确保遥感数据的质量满足应用要求, 水色要素反演模型的开发和产品数据的解译同样需要现场实测的海洋光学数据, 定标检验和算法开发成为水色遥感的重要课题[1?6]。
遥感数据的定标通常通过离水辐亮度来实现。离水辐亮度是遥感器获得的基本物理量, 依据该参量并结合生物光学模型可提取其他的相关信息。离水辐亮度通常由水下辐照度和辐亮度的剖面数据进行推导, 相应的光学测量可借助船舶、浮标或水面平台等观测平台来实现[7?13]。基于船基的水下光辐射测量的主要缺点是难以获得大量的与遥感数据同时相的高质量现场数据。光学浮标可以获取长时间序列的观测数据, 因此被认为是最适合用于遥感数据定标检验的现场数据获取平台[3,5,14]。一个最成功的例子是海洋光学浮标MOBY[5?6], MOBY由NOAA 和 NASA联合资助研制, 布放于夏威夷近海, 成为SeaWiFS和MODIS定标检验计划的核心设备。另外两个用于水色遥感定标的光学浮标是PlyMBODY [13]以及NASDA buoy[14]。最近, 用于MERIS定标检验的光学浮标 BOUSSOLE已投入应用[2?3]。
在海洋科学观测和近海海洋环境监测方面, 近十年来, 海洋光学浮标或以光学观测为主的综合浮标也得到了普遍应用。值得指出的是, BTM、LEO-15、HYCODE等计划目前都是SIMBIOS现场观测的一部分, 其光学浮标数据与MOBY浮标数据一起构成了SeaWiFS和MODIS数据真实性检验的强大现场数据网。
本文分析了水下光辐射测量对光学浮标平台的基本要求, 并提出了一种新的浮体设计方案。理论分析、水池模型试验和海上现场试验结果表明, 浮体具有良好的抗风浪性能, 在高海况下具有良好的稳性, 符合水色遥感数据定标检验现场光辐射测量的技术要求。1 设计的理论基础及总体方案
1.1主要观测量及传感器布局
光学浮标的一个重要目标是获取离水辐亮度, 为此需要同步测量向下光谱辐照度E d(λ)、向上光谱辐亮度L u(λ)以及海面入射光谱辐照度E s(λ), 其中E s(λ)用于监测入射到海面的光谱辐照度的变化。由实测的E s(λ)、E d(λ)和L u(λ)可以推导出离水辐亮度L w(λ)、归一化离水辐亮度L wn(λ)和遥感反射率R rs(λ)等物理量。在推导这些物理量时还需要一个重要光学参数, 即向下光谱辐照度漫射衰减系数K d(λ)和向上光谱辐亮度漫射衰减系数K L(λ)。为得到K d(λ)及K L(λ), 原则上需要同步测定两个不同深度的E d(λ)和L u(λ), 并根据指数衰减率进行计算。但是在实际问题中, 水面波纹的聚焦效应可引起水下光辐射场的涨落, 为便于在数据处理时尽可能地消除波纹聚焦效应的影响, 水下E d(λ)和L u(λ)的测量设置为3层。由于传感器所处的深度会随浮标体的升沉而变化, 因此应实时同步测定各层光学传感器所处的深度。
根据海洋光学理论, E d(λ)是水平面上的光谱辐照度, 而L u(λ)是天地点的光谱辐亮度, 因此, 要求辐照度及辐亮度探头处于铅直位置。根据水下光辐射传输理论, 考虑到水下光辐射场的角度分布, 倾角为10°时向上辐亮度测量的误差小于3%[15], 倾角为5°时向上辐亮度测量的误差小于2%。SeaWiFS 定标制定的海洋光学规范要求测量E d(λ)和L u(λ)时仪器的倾角小于10°, 这就要求浮标体尽可能保持铅直状态。
光学浮标需要考虑的另一重要问题是阴影效应对光辐射测量的影响。阴影包括浮标体的阴影和仪器自阴影。根据Gordon等[16]的理论研究, 仪器自阴影误差大小随仪器直径与水体光束衰减系数的乘积按指数率变化, 因此, 仪器直径越小越好。为减小自阴影误差, 采用了传光光纤, 辐照度和辐亮度光学探头的直径均为0.042m[17]。理论计算结果表明, 当水体光束衰减系数为0.12m?1、太阳天顶角为10°时, 自阴影引起的水下10m处向上辐亮度测量误差为1.5%, 具体计算方法见文献[18]。浮标体阴影与浮体结构、太阳高度角及方位角、水体光衰减系数等有关, 原则上要求浮标体遮光面积尽可能小。根据曹文熙等[19]的理论计算, 对称伸臂结构可以较好地解决阴影效应的影响, 因此, 在光学浮标的早期设计时我们采用了对称伸臂结构。最近的报道表明,
曹文熙等: 锚泊光学浮标浮体设计及近海试验 3
BOUSSOLE 浮标也采用了这种结构, 并把浮力球置于水下18m 深处, 在其上层建筑上安装光学仪器[3]。这一结构虽较好地解决了阴影的影响, 但使得浮标总长度达25m, 布放和维护难度都很大, 甚至需要借用直升机。在工程样机的设计时, 综合考虑阴影效应、布放维护等多方面因素, 最终采用了单侧伸臂结构, 如图1示。在海面及水下1.5、3.5及5.5m 处各安装向下辐照度及向上辐亮度探头, 经光纤传输至光谱仪狭缝, 实现分光谱测量。光谱仪及数据采集系统安装在浮标舱体内, 且位于标体吃水
线以下。
图1 光学浮标结构示意图
Fig. 1 Diagram of the moored optical buoy
Monte Carlo 模拟的结果表明, 对直径为2m 的浮体, 在水体光束衰减系数c =2.44m ?1、 单次反照率ω=0.87、太阳天顶角为0°的条件下, 浮标浮体阴影引起的水下5m 深度、水平方向距浮体中心线2.5m 处向上辐亮度阴影误差为4%; 当水体光束衰减系数c =0.114m ?1
时, 向上辐亮度阴影误差为1%。光束衰减系数为2.44m ?1和0.114m ?1水体可分别代
表近岸和外海水体, 对于水色遥感数据的定标检验, 一般要求在外海较清洁的水体(光学性质上归为Ⅰ类水体)进行, 因此, 浮体直径小于2m 时, 伸臂结构可以较好地解决阴影影响, 满足水下光辐射测量的要求。
1.2 浮标体设计及稳性计算
基于上述分析, 光学浮标要求浮标体遮光面积小、随波浪摇摆及升沉小且重心低, 为此, 选择柱状浮标。浮标体设置安装传感器的伸臂杆架, 以减小浮体阴影的影响, 如图1示。
光辐射测量要求浮标摇摆角小, 尽可能保持铅直状态。在早期的设计中, 借鉴了MOBY 的投放方式, 即采用子、母浮标方案, 该方案的缺点是布放和回收难度大。通过研究, 最后采用了马鞍形转臂结构, 如图1示, 即在水下长杆架的适当位置安装可旋转的转臂, 锚链挂于转臂底端而不是直接挂于长杆底端, 同时在水下长杆架下端设有4个阻尼叶片以平衡浮体海流作用。在海流作用下, 转轴以上部分与转轴以下部分产生方向相反的转动力矩, 抵消或减少浮标倾斜力矩。该设计的效果将在本文后面的试验结果中给出, 本节主要对浮标的静稳性进行理论分析。
浮标作小倾角倾斜时初稳性回复力矩由下式 计算:
sin M Dh θ= (1)
其中D 为排水量, h 为稳性高度。浮标作大倾角倾斜时的静稳性力臂l 、动稳性力臂l d 由下式计算:
120
cos cos d sin sin d ()I I V V l V
θθ
??θ??θ??η
+??=
?∫∫
sin a θ
(2)
d 0
d l l θ
θ=∫ (3)
式(2)中前项是浮标形状稳性臂, 后项是重量稳 性臂。式中θ是计算静矩积分式的上限角, ?是倾 角变量, I ?是吃水线面面积对转轴的惯性矩, 即:
/233/2
(1/3)()d l l I a b x ?+?=+∫
。
计算得出浮标的静稳性曲线和动稳性曲线如图
2示。由稳性曲线可初步得出以下特点: 浮标的静稳性消失角为180°(我国《海船稳性规范》(以下简称
“规范”)无限航区要求大于55°); 浮标最大静稳性力臂所对应的倾角为92°(规范要求大于30°); 浮标最大静稳性力臂为1.33m(规范要求大于0.2m)。
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图2 光学浮标稳性曲线
Fig. 2 Stability curve of the moored optical buoy
进一步计算了浮标的抗风稳性衡准数。根据有关理论, 抗风稳性衡准数为浮标最小倾覆力臂与风压动倾力臂的比值, 即
q f
L K L = (4)
其中, L f 、L q 分别为浮标风压动倾力臂与最小倾覆力臂。从稳性曲线作图得知, 浮标的最小倾覆力臂
L q =0.46m 。浮标的风压动倾力臂可由下式计算:
f
f M L D
=
, 且f 0.001M P A E =×× (5) 式中, M f 为风压动倾力矩, P 为风压强度, A 为受风投
影面积, E 为风力作用力臂。当风速为42m·s ?1时, 计算得出: M f =229.31Nm, L f =0.1636m 。故抗风稳性衡准数4.5。
同样的方法计算得出其他风速条件下抗风稳性衡准数(表1)。按规范要求, 抗风稳性衡准数必须满足K >1。由上述初步估算, 浮标理论上可抗风速为
70m·s ?1
。
表1 抗风稳性衡准数
Tab. 1 Wind-resistant stability criterion
风速/m·s ?1
风压动倾
力矩/Nm
风压动倾力臂/m
最小倾覆力臂/m
抗风稳性衡准数
33 1416.2 0.1011 0.46 4.55 42 1763.9 0.1258 0.46 2.81 60 4680.9 0.3344 0.46 1.37 70 6371.3 0.4551 0.46 1.01
2 试验结果分析
2.1 水池试验结果
根据几何相似及动力相似原则, 制作了12.5:1的缩比浮标模型。利用该模型在海洋工程水池中进行了模拟试验。试验时将浮标体模型置于船模试验水池, 在池中造一系列不同波长的规则波, 用装于
浮标体模型内部的电子罗盘测出浮标体在每一规则波上的摇摆角?, 根据相应的浪高、
浪周期计算出波倾角α0以及相应于这一波浪周期的横摇放大因子
?/α0, 最后对不同的波浪频率绘成放大因子?/α0曲线, 即?/α0随圆频率ω变化的频率响应曲线。然后将浮标体模型由水池拖车以不同的速度牵引, 做静水拖曳试验, 测出在不同流速下模型的阻力大小及倾角, 计算得出模型的航速阻力曲线、航速倾角曲线。实验中, 浮标体摇摆角用TCM2.5型电子倾角仪测量, 波浪由2000型波高采集系统电容式波高计测量, 浮标所受水流阻力由电测阻力仪测量, 数据由电脑记录并分析处理。
图3给出了水池试验测得的浮标倾角随流速的 变化曲线以及浮标横摇放大因子?/α0随波频率变化
曲线。在没有马鞍结构的情况下的浮标倾角明显大于有马鞍结构时的浮标倾角, 当流速为 3.5 节时, 前者的倾角达20°, 但后者的倾角大约只有10°, 即马鞍结构明显改善浮标抗海流倾斜的性能。同样地, 有马鞍结构时, 浮标横摇放大因子?/α0也较小, 即浮标的随波横荡较小、稳定性较好。
2.2 现场试验结果
2006年9月、2007年8月分别在珠江口进行了
21天和16天的连续观测试验, 浮标布放于担杆岛附近(114.2891°E, 22.0623°N)。2006年试验期间, 最大风速为15.58m·s ?1(由安装在浮标上的风速仪实测)。对倾角数据的分析表明, x 方向倾角平均值8.5°, 倾角小于10°的次数占68.5%, 倾角小于5°的次数占
42.3%; y 方向倾角平均值7.3°, 倾角小于10°的次数占74.2%, 倾角小于5°的次数占44.7%。
结果进一步验证了采用马鞍结构时浮标良好的
稳性。海上试验共获得约9000组倾角数据, 图4a 给出了实测倾角的散点图, 无论是倾角的x 方向还是y 方向分量, 大部分落在10°以内。试验期间, 实测的风速最大达到15.58m·s ?1, 相当于7节风力, 目视浪高达3—4m, 在这样的气象环境下, 浮标仍然可以保持较好的铅直状态, 其倾角大部分落在10°以内。图4b 给出了现场试验时不同倾角的频率分布。统计结果表明, 浮标倾角≤5°的次数占总次数的 54%, 浮标倾角≤10°的次数占总次数的83%。由于浮标体的倾角与光辐射量同步测量, 在实际数据处理中可视浮标倾角大于10°的数据为无效数据, 确保由倾角引起的测量误差控制在3%之内。因每次测量大约可采集25帧数据, 一般来说, 剔出倾角大于10°的数据后还有约20帧有效数据。
曹文熙等: 锚泊光学浮标浮体设计及近海试验 5
图3 浮标模型水池试验结果
a. 浮标倾角随流速的变化曲线, 图中○虚线为未采用马鞍结构的结果, ●实线为采用马鞍结构的结果;
b. 1.5节航速时浮标横摇放大因子?/α0
频率响应曲线, 图中○虚线为采用马鞍结构顺流拖航的结果, ●实线为采用马鞍结构逆流拖航的结果
Fig. 3 Experiment results of testing the optical buoy model in the pool. (a) Curves of optical buoy’s tilt angle versus flow
velocity, the dotted line with open circles is for the buoy without using a saddle structure, while the solid line with filled dots
is for that using a saddle structure. (b)Frequency response curve of the buoy’s r olling amplification factor ?/α0 at 1.5-knot
speed; the dotted line with open circles is in the case that the buoy with a saddle structure is towed in the direction of water
flow, while the solid line with filled dots is in the case of being towed in the reverse direction
图4 现场布放实测浮标倾角分布及频次直方图
a. 倾角x方向和y方向分量的分布散点图, 黑色点代表倾角x轴方向分量, 灰色点代表倾角y轴方向分量;
b. 倾角的频次直方图
Fig. 4 Variation in optical buoy’s tilt angles measured in situ. (a) The scatter plot of the tilt at x axis direction and tilt in y
axis direction; the black dots represent the tilt in x axis direction, and gray dots represent the tilt in y axis direction. (b) The
frequency histogram of tilt
最近的报道表明[3], BOUSSOLE浮标海上布放期间, 约85%的倾角小于10°, 可见本文设计的光学浮标在浮标铅直姿态特性与BOUSSOLE相当。
3 结论
本文设计的光学浮标采用了柱状浮体, 提出了自由旋转的马鞍链结构。理论计算结果表明, 与传统碟形浮标相比, 本文设计的光学浮标有2个明显的特点: 一是初稳性高度(稳心与重心之间的距离称为初稳性高度)大, 能自行恢复到原平衡位置的能力也大; 二是光学浮标重心位于浮心之下(传统的碟形浮标浮心位于重心之下), 由横摇放大因子频率响应曲线可以看到, 光学浮标的摇摆角较小, 抗倾斜及倾覆能力强。海上试验结果表明, 对于风力7节、浪高3—4m以下的海况, 浮标倾角≤5°的次数占总采样次数的 54%, 浮标倾角≤10°的次数占总采样次数的83%。浮标性能较好地满足水下光辐射测量的技术要求。
为减小阴影效应带来的光辐射测量误差, 设计的浮标采取了两方面的有效措施。一是采用了伸臂结构, 在太阳天顶角为0°的条件下, 对于近岸水体(c=2.44m?1), 浮标体阴影引起的向上辐亮度测量误差不大于4%, 对于海外清洁水体(c=0.114m?1), 浮标体阴影引起的向上辐亮度测量误差不大于1%,
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较好地解决浮标体阴影的影响。二是采用光纤光谱仪测量技术, 设计了小型化的光辐射接收器, 设计的光谱辐照度和辐亮度光学探头直径均为0.042m, 当水体光束衰减系数为0.12m?1、太阳天顶角为10°时, 自阴影引起的向上辐亮度测量误差为1.5%, 有效减小了仪器自阴影误差。
参考文献
[1]ANTOINE D, VENETIA S. Guide to the creation and use of
ocean colour, level-3, binned data products[C]// Rep. Int.
Ocean Color Coordinating Group 4, IOCCG. Dartmouth,
Canada, 2004: 88.
[2]ANTOINE D, D’ORTENZIO F, HOOKER S B, et al. As-
sessment of uncertainty in the ocean reflectance determined
by three satellite ocean color sensors (MERIS, SeaWiFS and
MODIS-A) at an offshore site in the Mediterranean Sea
(BOUSSOLE project)[J]. J Geophys Res, 2008, 113: doi:10.1029/2007JC004472.
[3]ANTOINE D, GUEVEL P, DESTE J F, et al. The
“BOUSSOLE” buoy—A new transparent-to-swell taut mooring dedicated to marine optics: Design, tests, and per-
formance at sea[J]. Journal of atmospheric and technology,
2008, 25: 968–989.
[4]CHAVEZ F P, WRIGHT P D, HERLIEN R, et al. A device
for protecting moored spectroradiometers from biofouling[J].
J Atmos Ocean Tech, 2000, 17: 215–219.
[5]CLARK D K, GORDON H R, VOSS K J, et al. Validation
of atmospheric correction over the oceans[J]. J Geophys Res,
102, 1997: 17209–17217.
[6]CLARK D K, YARBROUGH M A, FEINHOLZ M, et al.
MOBY, a radiometric buoy for performance monitoring and
vicarious calibration of satellite ocean color sensors: mea-
surement and data analysis protocols[S]//Ocean Optics Pro-
tocols for Satellite Ocean Color Sensor Validation. 2003,
Rev. 4, Vol. VI, NASA Tech. Memo. 2003-211621, NASA
GSFC, Greenbelt, MD, 141.
[7]FARGION G S, MUELLER J L. Ocean optics protocols for
satellite ocean color sensor validation[S]//Rev. 2. NASA
Technical Memo 2000-209966. 2000, NASA Goddard Space
Flight Center.
[8]HOOKER S B, MCCLAIN C R. The calibration and valida-
tion of SeaWiFS data[J]. Prog Oceanogr, 2000, 45: 427–465.
[9]HOOKER S B, MCCLAIN C R, MANNINO A. NASA
strategic planning document: A comprehensive plan for the
long-term calibration and validation of oceanic biogeochem-
ical data[J]. NASA Special Publication SP-2007-214152, NASA GSFC, Greenbelt, MD, 2007, 31 pp.
[10]DICKEY T D, CHANG G C, LEWIS M R. Optical oceano-
graphy: recent advances and future directions using global
remote sensing and in situ observations[J]. Rev Geophys,
2006, 44: doi: 10.1029/2003RG000148.
[11]STRUTTON P G, RYAN J P, CHAVEZ. F P. Enhanced
chlorophyll associated with tropical instability waves in the
equatorial Pacific[J]. Geophys Res Lett, 2001, 28: 2005–2008.
[12]KUWAHARA V S, STRUTTON P G, DICKEY T D, et al.
Radiometric and bio-optical measurements from moored and
drifting buoys: measurement and data analysis protocols[S]//
Ocean Optics Protocols for Satellite Ocean Color Sensor Va-
lidation. 2003, Vol. VI. 35-79, NASA Goddard Space Flight
Center.
[13]PINKERTON M H, LAVENDER S J, AIKEN J. Validation
of SeaWiFS ocean color satellite data using moored data
buoy[J]. J Geophys Res, 2003, 108: doi:10.1029/2002JC001337.
[14]ISHIZAKA J, ASANUMA I, EBUCHI N, et al. Time series
of physical and optical parameters off Shimane, Japan, dur-
ing fall of 1993: First observation by moored optical buoy
system for ADEOS Data Verification[J]. Journal of Oceano-
graphy, 1997, 53: 245–258.
[15]MOREL A, GENTILI B. Diffuse reflectance of oceanic
waters. II. Bidirectional aspects[J]. Appl Opt, 1993, 32: 6864–6879.
[16]GORDON H R, DING K. Self-shading of in-water optical
instruments[J]. Limnol Oceanogr, 1992, 37: 491–500. [17]杨跃忠, 孙兆华, 曹文熙, 等. 海洋光学浮标的设计及应
用试验[J]. 光谱学及光谱分析, 2009, 29(2): 565–569. [18]CAO WENXI, YANG YUEZHONG, KE TIANCUN, et al.
Optical systems for applications in ocean color remote sens-
ing and interdisciplinary study[J]. SPIE, 2003, 4892: 222–232.
[19]曹文熙, 吴廷芳, 杨跃忠, 等. 光学浮标阴影效应的蒙特
卡洛模拟[J]. 高技术通讯, 2003, 13(3): 80–84.
实验设计的要素与原则
第一节实验设计的基本要素 一个良好的科学实验设计是顺利进行科学研究和数据统计分析的前提，同时也是或得预期结果的重要保证。一个完善的统计学研究设计包括三个基本要素：受试对象、处理因素和试验效应。例如，研究某降压药对原发性高血压患者的降压效果，其中高血压患者即为受试对象，这种降压药为处理因素，血压的变化便是试验效应。科研工作者在进行医药方面的科学研究之前，必须要制定完善的统计研究设计方案，如何选择这三个要素，是实验成败的关键。因此，任何实验研究在设计时，必须明确这三个要素。 一、受试对象 受试对象是处理因素作用的客体，应该根据研究目的来确定。受试对象的选择一般有以下几种情形：l、一般医学科研——常用动物、离体标本或人体内取得的某些样本作为受试对象；2、新药的临床前试验——一般用动物作为受试对象；3．新药的临床试验阶段——一般用人作为受试对象。新药临床试验一般分为4期，在1期临床试验阶段，通常用健康志愿者作为受试对象；而在其他各期临床试验阶段，常用患特定疾病的患者作为受试对象。选择什么样的患者，应有严格的规定。 选择受试对象应有明确的纳入标准和排除标准。首先，受试对象应满足两个基本条件：一是对处理因素敏感；二是反应必须稳定。其次是为是研究结果普遍性和推广价值，需保证受试对象的同质性和代表性。
二、处理因素 处理因素是研究者根据研究目的而施加的特定的实验因素，例如给予的某种降压药。实验研究的目的不同，对实验的要求也不同。若在整个实验过程中影响观察结果的因素很多，就必须结合专业知识，对众多的因素做全面分析，必要时做一些预实验，区分哪些是重要的实验因素，哪些是非重要的实验因素，以便选用合适的实验设计方法妥善安排这些因素。水平选取的过于密集，实验次数就会增多，许多相邻的水平对结果的影响十分接近，不仅不利于研究目的的实现，而且将会浪费人力、物力和时间；反之，该因素的不同水平对结果的影响规律不能真实地反映出来，易于得出错误的结论。除此以外，处理因素应当标准化，在实验过程中同一处理组的处理因素应始终保持不变，包括处理因素的施加方法、强度、频率和持续时间等。在缺乏经验的前提下，应进行必要的预实验或借助他人的经验，选取较为合适的若干个水平，如药物的种类、处理方法的种类等。应结合实际情况和具体条件，选取质最因素的水平，千万不能不顾客观条件而盲目选取。 三、实验效应 实验效应是反映在处理因素的作用下，受试对象的反应或结局，它必须通过具体的指标来体现。要结合专业知识，尽可能多地选用客观性强的指标，在仪器和试剂允许的条件下，应尽可能多选用特异性强、灵敏度高的客观指标。对一些半客观（如读取病理切片或X片上所获得的结果）或主观指标（如给某些定性实验结果人为打分或赋
课 程 设 计 光学显微镜设计 设计题目 学 号 专业班级 指导教师 学生姓名 测量显微镜
根据学号得到自己设计内容的数据要求： 1.目镜放大率10(即焦距25） 2.目镜最后一面到物面距离110 3.对准精度1.2微米 按照实验步骤，先计算好外形尺寸。然后根据数据要求选取目镜与物镜。 我先做物镜。因为这个镜片比较少。按物镜放大率选好物镜后，将参数输入。简单优化，得到比较接近自己要求的物镜。 然后做目镜，同样的做法，这个按照焦距选目镜，将参数输入。将曲率半径设为可变量，调入默认的优化函数进行优化。发现“优化不了”，所有参数均没有变化。而且发现把光源放在“焦点”位置，目镜出射的不是平行光。我百思不得其解。开始认为镜头库的参数可能有问题。最后我问老师，老师解释，那个所谓的“焦点”其实不是焦点，我错误的把“焦点”到目镜第一个面的距离当成了焦距。这个目镜是有一定厚度的，不能简单等效成薄透镜。焦点到节点的距离才是焦距。经过老师指点后，我尝试调节光源到目镜第一面的距离，想得到出射平行光，从而找到焦点。但这个寻找是很费力气的，事倍功半。老师建议我把目镜的参数倒着顺序输入参数。然后用平行光入射，然后可以轻松找到焦点。 但是，按照这个方法，倒着输入参数，把光源放在无限
远的地方（平行光入射），发现光线是发散的。不解。还是按照原来的方法。把光源放在目镜焦点上，尽量使之出射平行光。然后把它与优化好的物镜拼接起来。后来，加入理想透镜（会聚平行光线），加以优化。 还有一个问题，就是选物镜的时候，发现放大倍率符合了自己的需求，但工作距离与共轭距，不符合自己的要求。这个问题在课堂上问过老师，后来经老师指点，通过总体缩放解决。 物镜参数及优化函数
第五章准实验设计 第一节单组准实验设计 一、准实验设计 （一）定义：介于真实验和非实验之间的一种设计类型，能在一定程度上控制无关变量，操纵自变量、控制实验处理,但不能随机的选择和分配被试。 准实验设计的应用：人格研究、临床心理的研究、社会心理以及教育心理研究常常采用准实验设计。 准实验设计的特点 ?不需要随机化程序（与实验或真实验最大的区别）；研究者只能选择那些已具有了某种不同程度特征的被试。而不能像真实验那样从总体中随机选取被试或随机分组。 ?能有效解决生态效度和外部效度问题,但不能从准实验研究结果中作出因 果关系的结论，其主要原因是在研究的变量上缺乏严格控制，因而其内部效度较低。 ?现场研究中采用最多的是准实验设计，不过准实验并不一定都在现场进行。 例：霍桑实验（照明实验、福利实验、群体实验、谈话实验）； 社会心理学家所说的“霍桑效应”也就是所谓“宣泄效应”。霍桑工厂是美国西部电器公司的一家分厂。为了提高工作效率，这个厂请来包括心理学家在内的各种专家，在约两年的时间内找工人谈话两万余人次，耐心听取工人对管理的意见和抱怨，让他们尽情地宣泄出来。结果，霍桑厂的工作效率大大提高。 这种奇妙的现象就被称作“霍桑效应”。 准实验设计与实验设计的关键区别 它和真实验的主要区别在于，准实验中没有运用随机化程序进行被试选择和实验处理；也不能完全主动地操纵自变量。 在实验设计中，样本的随机分配形成了具有完全可比性的两个组别：实验组和控制组。
准实验设计用对照组取代了实验设计中的控制组。研究者努力创造一个与实验组在所有重要方面都尽可能相似的对照组，但与随机分配产生的控制组而言，它的可比性已经大为逊色了。 时间序列设计 【时间系列设计】 要对实验组做周期性的一系列测量，并在测 量的这一时间系列中间呈现实验变量（X），然后比 较实验变量前后的一系列测量记录是否有显著差异。 （一）模式 O１O２O３O４ＸO５O６O７O８ （二）应用 坎贝尔关于康涅狄格州的交通死亡人数与实施严 惩制度的关系的研究。 可能出现的结果类型 从两方面考虑结果： 延续性：主要指引入实验处理后的成绩水平或斜率的变化是持续性的还是暂时性的(D、F、G) 。 潜伏性：指引入实验处理后的变化是即时产生的还是潜伏一段时间后才发生。 时间序列设计的统计分析 要点：要结合各次前测和各次后测成绩的变化趋势，联系起来进行统计分析。
光学系统设计（Zemax初学手册） 蔡长青 ISUAL 计画团队 国立成功大学物理系 （第一版，1999年7月29日） 前言 整个中华卫星二号“红色精灵”科学酬载计画，其量测仪器基本上是个光学仪器。所以光学系统的分析乃至于设计与测试是整个酬载发展重要一环。 这份初学手册提供初学者使用软体作光学系统设计练习，整个需要Zemax光学系统设计软体。它基本上是Zemax使用手册中tutorial的中文翻译，由蔡长青同学完成，并在Zemax E. E. 7.0上测试过。由于蔡长青同学不在参与“红色精灵”计画，所以改由黄晓龙同学接手进行校稿与独立检验，整个内容已在Zemax E. E. 8.0版上测试过。我们希望藉此初学手册（共有七个习作）与后续更多的习作与文件，使团队成员对光学系统设计有进一步的掌握。（陈志隆注） (回内容纲目) 习作一：单镜片(Singlet) 你将学到：启用Zemax，如何键入wavelength，lens data，产生ray fan，OPD，spot diagrams，定义thickness solve以及variables，执行简单光学设计最佳化。 设想你要设计一个F/4单镜片在光轴上使用，其focal length 为100mm，在可见光谱下，用BK7镜片来作。 首先叫出ZEMAX的lens data editor(LDE)，什么是LDE呢？它是你要的工作场所，譬如你决定要用何种镜片，几个镜片，镜片的radius，thickness，大小，位置……等。 然后选取你要的光，在主选单system下，圈出wavelengths，依喜好键入你要的波长，同时可选用不同的波长等。现在在第一列键入0.486，以microns为单位，此为氢原子的F-line 光谱。在第二、三列键入0.587及0.656，然后在primary wavelength上点在0.486的位置，primary wavelength主要是用来计算光学系统在近轴光学近似(paraxial optics，即first-order optics)下的几个主要参数，如focal length，magnification，pupil sizes等。 再来我们要决定透镜的孔径有多大。既然指定要F/4的透镜，所谓的F/#是什么呢？F/#就是光由无限远入射所形成的effective focal length F跟paraxial entrance pupil的直径的比值。所以现在我们需要的aperture就是100/4=25(mm)。于是从system menu上选general data，在aper value上键入25，而aperture type被default为Entrance Pupil diameter。也就是说，entrance pupil的大小就是aperture的大小。 回到LDE，可以看到3个不同的surface，依序为OBJ，STO及IMA。OBJ就是发光物，即光源，STO即aperture stop的意思，STO不一定就是光照过来所遇到的第一个透镜，你在设计一组光学系统时，STO可选在任一透镜上，通常第一面镜就是STO，若不是如此，则可在STO这一栏上按滑鼠，可前后加入你要的镜片，于是STO就不是落在第一个透镜上了。而IMA就是imagine plane，即成像平面。回到我们的singlet，我们需要4个面 (surface)，于是在STO栏上，选取insert cifter，就在STO后面再插入一个镜片，编号为2，通常OBJ 为0，STO为1，而IMA为3。 再来如何输入镜片的材质为BK7。在STO列中的glass栏上，直接打上BK7即可。又
近代物理实验报告 指导教师：得分： 实验时间：2009 年11 月23 日，第十三周，周一，第5-8 节 实验者：班级材料0705 学号200767025 姓名童凌炜 同组者：班级材料0705 学号200767007 姓名车宏龙 实验地点：综合楼503 实验条件：室内温度℃，相对湿度%，室内气压 实验题目：微波光学实验 实验仪器：（注明规格和型号） 微波分光仪，反射用金属板，玻璃板，单缝衍射板 实验目的： 1.了解微波分光仪的结构,学会调整并进行试验. 2.验证反射规律 3.利用迈克尔孙干涉仪方法测量微波的波长 4.测量并验证单缝衍射的规律 5.利用模拟晶体考察微波的布拉格衍射并测量晶格数 实验原理简述： 1.反射实验 电磁波在传播过程中如果遇到反射板,必定要发生反射.本实验室以一块金属板作为反射板,来研究当电磁波以某一入射角投射到此金属板上时所遵循的反射规律。 2.迈克尔孙干涉实验 在平面波前进的方向上放置一块45°的半透半反射版,在此板的作 用下,将入射波分成两束,一束向A传播,另一束向B传播.由于A,B 两板的全反射作用,两束波将再次回到半透半反板并达到接收装置 处,于是接收装置收到两束频率和振动方向相同而相位不同的相干 波,若两束波相位差为2π的整数倍,则干涉加强;若相位差为π的奇 数倍,则干涉减弱。 3.单缝衍射实验 如图,在狭缝后面出现的颜射波强度并不均匀,中央最强,同时也最 宽,在中央的两侧颜射波强度迅速减小,直至出现颜射波强度的最小 值,即一级极小值,此时衍射角为φ=arcsin(λ/a).然后随着衍射角的增
大衍射波强度也逐渐增大,直至出现一级衍射极大值,此时衍射角为 Φ=arcsin(3/2*λ/a ),随着衍射角度的不断增大会出现第二级衍射极小值,第二级衍射极大值,以此类推。 4. 微波布拉格衍射实验 当X 射线投射到晶体时,将发生晶体表面平面点阵散射和晶体内部平面点阵的散射,散射线相互干涉产生衍射条纹,对于同一层散射线,当满足散射线与晶面见尖叫等于掠射角θ时,在这个方向上的散射线,其光程差为0,于是相干结果产生极大,对于不同层散射线,当他们的光程差等于波长的整数倍时,则在这个方向上的散射线相互加强形成极大,设相邻晶面间距为d,则由他们散射出来的X 射线之间的光程差为CD+BD=2dsin θ,当满足 2dsin θ=K λ,K=1,2,3…时,就产生干涉极大.这就是布拉格公式,其中θ称为掠射角,λ为X 射线波长.利用此公式,可在d 已测时,测定晶面间距;也可在d 已知时,测量波长λ,由公式还可知,只有在 <2d 时,才会产生极大衍射 实验步骤简述： 1. 反射实验 1.1 将微波分光仪发射臂调在主分度盘180°位置,接收臂调为0°位置. 1.2 开启三厘米固态信号发射器电源,这时微安表上将有指示,调节衰减器使微安表指示满刻度. 1.3 将金属板放在分度小平台上,小分度盘调至0°位置,此时金属板法线应与发射臂在同一直线上, 1.4 转动分度小平台,每转动一个角度后,再转动接收臂,使接收臂和发射臂处于金属板的同义词,并使接收指示最大,记下此时接收臂的角度. 1.5 由此,确定反射角,验证反射定律,实验中入射角在允许范围内任取8个数值,测量微波的反射角并记录. 2. 迈克尔孙干涉实验 2.1 将发射臂和接收臂分别置于90°位置,玻璃反射板置于分度小平台上并调在45°位置,将两块金属板分别作为可动反射镜和固定反射镜. 2.2两金属板法线分别在与发射臂接收臂一致,实验时,将可动金属板B 移动到导轨左端,从这里开始使金属板缓慢向右移动,依次记录微安表出现的的极大值时金属板在标尺上的位置. 2.3 若金属板移动距离为L,极大值出现的次数为n+1则,L )2 ( λn ,λ=2L/n 这便是微波的波长,再令金属板反向移动,重复上面操作,最后求出两次所得微波波长的平均值. 3. 单缝衍射实验 3.1 预先调整好单缝衍射板的宽度(70mm),该板固定在支座上,并一起放到分度小平台上,单缝衍射板要和发射喇叭保持垂直, 3.2 然后从衍射角0°开始,在单缝的两侧使衍射角每改变1°,读一次表头读数,并记录.
新闻中心 实验室设计要求 添加日期：2011-9-15 16:36:50 实验室设计布局时，开间模数适宜为3.5米～4.0米,以3.6米为最佳。 1、在实验室空间设计时，应考虑必须为实验室安全运行、清洁和维护，提供或预留有足够的实验区域空间。 2、实验室墙壁、天花板和地板应当光滑、易清洁、防渗漏并耐化学品和消毒剂的腐蚀。地板应当防滑。 3、实验台面应是防水的，并可耐消毒剂、酸、碱、有机溶剂和中等热度的作用。 4、应保证实验室内所有活动的照明，避免不必要的反光和闪光。 5、实验室器具应当坚固耐用，在实验台、生物安全柜和其他设备之间及其下面要保证有足够的空间以便进行清洁。 6、应当有足够的储存空间来摆放随时使用的物品，以免实验台和走廊内混乱。在实验室的工作区外还应当提供另外的可长期使用的储存间。 7、应当为安全操作及储存溶剂、放射性物质、压缩气体和液化气提供足够的空间和设施。 8、在实验室的工作区外应当有存放外衣和私人物品的设施。 9、在实验室的工作区外应当有进食、饮水和休息的场所。 10、每个实验室都应有洗手池，并最好安装在出口处，尽可能用自来水。 11、实验室的门应有可视窗，并达到适当的防火等级，最好能自动关闭。 12、在设计二级生物安全实验室时，应在靠近实验室的位置配备高压灭菌器或其他清除污染的工具。 13、安全系统应当包括消防、应急供电、应急淋浴以及洗眼设施。 14、应当配备具有适当装备并易于进入的急救区或急救室。 15、在设计新的设施时，应当考虑设置机械通风系统，以使空气向内单向流动。如果没有机械通风系统，那么实验室窗户应当能够打开，同时应安装防虫纱窗。 16、必须为实验室提供可靠和高质量的水。特别是微生物实验室要保证实验室水源和饮用水源的供应管道之间没有交叉连接。应当安
实验设计的三要素与四原则 众所周知，科研工作者在进行医药方面的科学研究之前，需要制定完善的统计研究设计方案，那么什么样的设计方案才称得上是完善的呢? 完善的设计方案需具备六个条件 一般来说，应具备以下条件：人力、物力和时间满足设计要求;实验设计的“三要素”和“四原则”均符合专业和统计学要求;重要的实验因素和观测指标没有遗漏，并做了合理安排;重要的非实验因素(包括可能产生的各种偏性)都得到了很有效的预防和控制;研究过程中可能出现的各种情况都已考虑在内，并有相应的对策和严格的质量控抗对操作方法、实验数据的收集、整理、分析等均有一套规范的规定和正确的方法。而其中准确把握统计研究设计的“三要素和四原则”，无疑是其设计方案科学严谨的象征。 实验设计的“三要素” 实验设计三要素应着重考虑： 一、受试对象的种类问题。这里面包含以下几种情形：l、一般医学科研——常用动物、离体标本或人体内取得的某些样本作为受试对象;2、新药的临床前试验——一般用动物作为受试对象;3.新药的临床试验阶段——一般用人作为受试对象。新药临床试验一般分为4期，在1期临床试验阶段，通常用健康志愿者作为受试对象;而在其他各期临床试验阶段，常用患特定疾病的患者作为受试对象。选择什么样的患者，应有严格的规定。 二、实验因素。实验研究的目的不同，对实验的要求也不同。若在整个实验过程中影响观察结果的因素很多，就必须结合专业知识，对众多的因素做全面分析，必要时做一些预实验，区分哪些是重要的实验因素，哪些是重要的非重要的实验因素，以便选用合适的实验设计方法妥善安排这些因素。水平选取的过于密集，实验次数就会增多，许多相邻的水平对结果的影响十分接近，不仅不利于研究目的的实现，而且将会浪费人力、物力和时间;反之，该因素的不同水平对结果的影响规律不能真实地反映出来，易于得出错误的结论。在缺乏经验的前提下，应进行必要的预实验或借助他人的经验，选取较为合适的若干个水平。所谓质量因素，就是因素水平的取值是定性的，如药物的种类、处理方法的种类等。应结合实际情况和具体条件，选取质最因素的水平，千万不能不顾客观条件而盲目选取。 三、实验效应。实验效应是反映实验因素作用强弱的标志，它必须通过具体的指标来体现。要结合专业知识，尽可能多地选用客观性强的指标，在仪器和试剂允许的条件下，应尽可能多选用特异性强、灵敏度高的客观指标。对一些半客观(如读取病理切片或X片上所获得的结果)或主观指标(如给某些定性实验结果人为打分或赋值)，一定要事先规定读取数值的严格标准，必要时还应进行统一的技术培训。 实验设计的“四原则” 实验设计四原则的实施主要包括：
常用光电仪器原理及使用 实验报告 班级：11级光信息1班 姓名：姜萌萌 学号：110104060016 指导老师：李炳新
数字存储示波器 一、实验目的 1、熟悉数字存储示波器的使用方法； 2、测量数字存储示波器产生方波的上升时间； 二、实验仪器 数字存储示波器 三、实验步骤 1、产生方波波形 ⑴、打开示波器电源阅读探头警告，然后按下OK。按下“DEFAULT SETUP”按钮，默认的电压探头衰减选项是10X。 ⑵、在P2200探头上将开关设定到10X并将探头连接到示波器的通道1上，然后向右转动将探头锁定到位，将探头端部和基线导线连接到“PROBE COMP”终端上。 ⑶、按下“AUTOSET”按钮，在数秒钟内，看到频率为1KHz 电压为5V峰峰值得方波。按两次CH1BNC按钮删除通道1，
按下CH2BNC按钮显示通道2，重复第二步和第三步。 2、自动测量 ⑴、按下“MUASURE”按钮，查看测量菜单。 ⑵、按下顶部的选项按钮，显示“测量1菜单”。 ⑶、按下“类型”“频率”“值”读书将显示测量结果级更新信息。 ⑷、按下“后退”选项按钮。 ⑸、按下顶部第二个选项按钮；显示“测量2菜单”。 ⑹、按下“类型”“周期”“值”读数将显示测量结果与更新信息。 ⑺、按下“后退”选项按钮。 ⑻、按下中间选项按钮；显示“测量3菜单”。 ⑼、按下“类型”“峰-峰值”“值”读数将显示测量结果与更新信息。 ⑽、按下“后退”选项按钮。 ⑾、按下底部倒数第二个按钮；显示“测量4菜单”。⑿、按下“类型”“上升时间”“值”读数将显示测量结果与更新信息。
LCR测试仪 一、实验目的 1、熟悉LCR测试仪的使用方法； 2、了解LCR测试仪的工作原理； 3、精确测量一些电阻，电感，电容的值； 二、实验仪器 LCR测试仪，电阻，电容，电感等元件 三、LCR测试原理 根据待测元器件实际使用的条件和组合上的差别，LCR 测量仪有两种检测模式，串联模式和并联模式。串联模式以检测元器件Z为基础，并联模式以检测元器件的导纳Y为基础，当用户将测出流过待测元件的电流I，数字电压表将测出待测元件两端的电压V，数字鉴相器将测出电压V和电流I 之间的相位角 。检测结果被储存在仪器内部微型计算机的
化学实验方案设计的基本要求
【同步教育信息】 一. 本周教学内容： 化学实验方案设计的基本要求 二. 重点、难点： 1. 了解化学实验方案设计的基本要求。 2. 培养学生分析、概括、总结、综合和归纳的能力，提高学生的思维能力。 三. 具体内容： 所谓实验设计，是用多种装置和仪器按某种目的进行串联组合完成某项实验，其类型较多，考查形式多样。解答这类题目，要求学生对所学过的物质的性质、制备和净化，常用仪器和装置的作用及使用时应注意的问题等知识融会贯通，要善于吸收新信息并且能加以灵活运用。 化学实验方案设计题具有较强的综合性，但一个化学实验，必须依据一定的实验原理，使用一定的仪器组装成一套实验装置，按一定顺序进行实验操作，才能顺利完成。据此，一道综合实验方案设计题，可以把它化解成几个相互独立又相互关联的小实验、小操作来解答。
由各个小实验确定各步操作方法，又由各个小实验之间的关联确定操作的先后顺序。 （一）化学实验设计的类型 根据不同的标准，可以将中学化学教学中的实验设计划分成不同的类型。 （1）根据实验在化学教学认识过程中的作用来划分。 ①启发性（或探索性）实验设计。由于这类实验是在课堂教学中配合其他化学知识的教授进行的，采取的又多是边讲边做实验或演示实验的形式，因此，在设计这类实验时，要注意效果明显、易操作、时间短、安全可靠。 ②验证性实验设计。由于这类实验的目的主要是验证化学假说和理论，又多采取学生实验课或边讲边做实验的形式，因此，在设计这类实验时，除了上述要求外，还要注意说服力要强。 ③运用性实验设计。这类实验的目的是综合运用所学的化学知识和技能，解决一些化学实验习题或实验问题。因此，在引导学生进行实验设计时，要注意灵活性和综合性，尽可能设计多种方案，并加以比较，进而进行优选。从课内、课外的角度来分，运用性实验设计又包括课内的实验习题设计和课外的生产、生活小实验设
光学系统设计实验报告 设计题目：测量显微镜光学系统 专业班级：光信息08-1班 学生姓名： 学号： 指导老师：
一实验目的 1.了解光学系统设计的基本步骤，学会基本外形尺寸的计算。 2.熟悉ZEMAX软件的操作，了解操作要领，学会应用基本的相差 评价函数并进行优化。 二、实验器材 ZEMAX软件、相关实验指导书 三、设计要求 1）设计说明书和镜头文件。镜头文件包括物镜镜头文件、目镜镜头文件和光学系统镜头文件。 2）部分技术参数选择： ①目镜放大率10 ②沿光轴,目镜最后一面到物面沿光轴的几何距离280毫米 ③对工件实边缘的对准精度为2.2微米 ④其它参数自定 3）其他要求 ①视场大小自定，尽可能大些，一般达到商用仪器的一半。 ②可以不加棱镜。如加棱镜，折转角大小自定。棱镜可以按照等效玻璃板处理。 ③可以对物镜和目镜进行整体优化或独立优化。 ④可以加上CCD。 四、具体设计 1.系统结构设计思路 1)系统结构框图
物体经物镜所成的放大的实像与分划板重合，两者一同经目镜成一放大的虚像。棱镜的型式为斯米特屋脊棱镜，它能使系统成正像，并且使光路转折45°角，以便于观察和瞄准（此处可以不加设计）。为避免景深影响瞄准精度，物镜系统采用物方远心光路，即孔径光阑位于物镜像方焦面上。 （图1 显微镜系统结构图） 2)等效光路原理图
（图2 显微镜无光轴偏转的等效光路图） 2.外形尺寸计算 1)首先绘出光学系统的等效光路原理图。如图所示，首先将棱镜作为等效空气平板处理。 2)求实际放大率。系统的有效放大率由系统的瞄准精度决定。用米字形虚线瞄准被测件轮廓，得系统有效放大率 由于工具显微镜一般要求有较大的工作距和物方线视场，又要求共轭距不能太长，因而工具显微镜的实际放大率和物镜的放大率均不宜过大。取实际放大率为 3)求数值孔径 4)求物镜和目镜的放大率 目镜的放大率 物镜的放大率 5)求目镜的焦距 ? -=Γ30102.02 .21.500055 .061.061.0 nsinU ≈??===δλk NA 3 -=ΓΓ =e β?=Γ10e mm f e e 25250 =Γ= '? ≥?=≥ Γ222 .21.55 .725.72δk
实验室建筑设计的基本要求 要建设一个现代化的实验室，使其能更好地为生产、科研、教学服务，除了先进的科学仪器和完善的实验设备是提升科技水平，促进科研成果的必备条件以外，实验室的建设也是一个非常重要的物质条件。实验室建筑设计的基本要求是建筑设计的前提和依据，在建设单位委托设计单位进行设计时，必须由各实验室或研究室人员共同参加研究，反复讨论，确定各实验室方案，现将建筑设计的基本要求分述如下。 1.1.1实验室名称 （1）房间名称：根据实验室功能设置不同的实验室。 （2）需要房屋间数：同一类的房间需要几间。 （3）每间房屋使用面积：房间面积大小与建筑模数有关，采用何种模数及何种结构形式比较符合实际，计算实验室的使用面积。 1.2.2建筑要求 （1）房间位置要求： 底层：设备重量较大或要求防震，则可设置在底层。 朝北：有些辅助房间或实验本身要求朝北。 朝南：各实验室都有自己的要求。 楼层：有的实验室要求洁净、安静，应尽量放在高层。 （2）室内尺寸要求：如实验室要求空气调节系统必须吊顶，则层高就相应地要增加。有些实验室是属于特殊类型的，则采用单独的尺寸。 （3）房间要求：指实验室本身的要求。 有的要求一般清洁。
有的要求洁净，进行实验时要求房间内空气达到一定的洁净要求。 耐火：大多数实验室要求耐火。 安静：如消音室、录音室等。 （4）门要求：实验室的门有各种要求。 内开：门向房间内开。 外开：主要设置在有爆炸危险的房间内。 个别要求：双向弹簧，有的要求单向弹簧或推拉门。 隔声：有的实验室要求安静，要求设置隔声门。 保温：如冷藏室要求采用保温门。 屏蔽：防止电磁场的干扰而设置屏蔽门。 自动门：大门口要求自动门。 （5）窗要求：实验室的窗有各种要求。 开启：指向外开启的窗扇。 固定：有洁净要求的实验室采用固定窗，避免灰尘进入室内。 部分开启：在一般情况下窗扇是关闭的，用空气调节系统进行换气，当检修、停电时，则可以开启部分窗扇进行自然通风。 双层窗：在寒冷地区或空调要求的房间采用。 遮阳：根据实验室的要求而定，有时需要水平遮阳，有时须用垂直遮阳。有的可用百叶窗。 密闭：窗扇可以开启，但又要防止灰尘从窗缝进入，故采用密闭窗。 屏蔽窗。 隔声窗。 （6）墙面要求：根据实验室的要求各有不同。 一般要求
实验设计练习题 姓名: 张慧学号: 2 一、下面有10个心理效应的相关实验,请判断它们的自变量、因变量以及设计类型。 1、进门坎效应 如果一个人接受了她人的微不足道的一个要求,为了避免认知上的不协调或就是想给她人 留下前后一致的印象,就极有可能接受其更大的要求。 【实验1】美国社会心理学家弗里德曼与弗雷瑟在实验中提出的。实验过程就是这样的:实验者让助手到两个居民区劝说人们在房前竖一块写有“小心驾驶”的大标语牌。她们在第一个居民区直接向人们提出这个要求,结果遭到很多居民的拒绝,接受的仅为被要求者的17％。而在第二个居民区,实验者先请求众居民在一份赞成安全行驶的请愿书上签字,这就是很容易做到的小小要求,几乎所有的被要求者都照办了。她们在几周后再向这些居民提出竖牌的有关要求,这次的接受者竟占被要求者的55％。 因变量: 房前竖“小心驾驶”的大标语牌的接受者的概率 实验设计的类型( A ) A.被试间设计 B.被试内设计 2、巴纳姆效应(暗示效应) 人们常常认为一种笼统的、一般性的人格描述十分准确地揭示了自己的特点,心理学上将这种倾向称为“巴纳姆效应”。 【实验2】有位心理学家给一群人做完明尼苏达多项人格检查表(MMPI)后,拿出两份结果让参加者判断哪一份就是自己的结果。事实上,一份就是参加者自己的结果,另一份就是多数人的回答平均起来的结果。参加者竟然认为后者更准确地表达了自己的人格特征。 因变量: 对报告内容的选择; 实验设计的类型( B ) A.被试间设计 B.被试内设计 3、德西效应 就是指在某些情况下,当外加报酬与内感报酬兼得的时候,外加报酬(主要就是奖励)反而会抵消内感报酬的作用。
1.APSS.v 2.1.Winall.Cracked 光子学设计软件，可用于光材料、器件、波导和光路等的设计 2.ASAP.v7.14/7.5/8.0.Winall.cracked/Full 世界各地的光学工程师都公认ASAPTM（Advanced Systems Analysis Program，高级系统分析程序）为光学系统定量分析的业界标准。 注：另附9张光源库 3.Pics3d.v200 4.1.28.winall.cracked 电子.光学激光2D/3D有限元分析及模形化装置软件 https://www.doczj.com/doc/bb803988.html,stip.v2004.1.28.winall.cracked 半导体激光装置2D模拟软件 5.Apsys.2D/3D.v2004.1.28.winall.cracked 激光二极管3D模拟器 6.PROCOM.v2004.1.2.winall.cracked 化合物半导体模拟软件 7.Zemax.v2003.winall.cracked/EE ZEMAX 是一套综合性的光学设计仿真软件，它将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表集成在一起。 8.ZEBASE Zemax镜头数据库 9.OSLO.v6.24.winall.licensed/Premium OSLO 是一套处理光学系统的布局和优化的代表性光学设计软件。最主要的，它是用来决定光学系统中最佳的组件大小和外型，例如照相机、客户产品、通讯系统、军事 /外太空应用以及科学仪器等。除此之外，它也常用于仿真光学系统性能以及发展出一套对光学设计、测试和制造的专门软件工具。 10.TracePro.v324.winall.licensed/Expert TracePro 是一套能进行常规光学分析、设计照明系统、分析辐射度和亮度的软件。它是第一套以符合工业标准的ACIS(固体模型绘图软件)为核心所发展出来的光学软件，是一个结合真实固体模型、强大光学分析功能、信息转换能力强及易上手的使用界面的仿真软件，它可将真实立体模型及光学分析紧紧结合起来，其绘图界面非常地简单易学。 11.Lensview.UPS.winall.cracked LensVIEW 为搜集在美国以及日本专利局申请有案的光学设计的数据库，囊括超过 18,000个多样化的光学设计实例，支持Zemax，OSLO，Code V等光学设计软件。 12.Code V.v940.winall.licensed CODE V是美国著名的Optical Research Associates公司研制的具有国际领先水平的大型光学工程软件。 13.LightTools.v4.0/sr1.winall.cracked LightTools是一个全新的具有光学精度的交互式三维实体建模软件体系，提供最现代化的手段直接描述光学系统中
北京四中 化学实验方案设计的基本要求 化学实验过程由准备阶段、实施阶段和结果处理阶段组成。在实验的准备阶段，设计一个周密的实验方案是保证实验实施成功的关键。实验方案的主要内容包括：1.实验名称；2.实验目的；3.实验原理；4.实验用品（仪器、药品及规格）；5.实验步骤（包括实验仪器装配和操作）；6.实验现象记录及结果处理；7.问题讨论。 一个实验目的的达到，往往有多个可以选择的方案，但我们总是选择最优的实验方案。实验方案的选择要遵循以下原则：1.科学性；2.安全性；3.可行性；4.简约性。 一、科学性 1．实验原理的科学性。例如检验SO2中是否含有CO2，如果把气体直接通入澄清的石灰水检验，由于SO2也会使石灰水变浑浊，因此无法判断气体中是否含有CO2。正确的实验方案的图示如图： 以上实验中，如果在品红溶液不褪色的情况下，澄清的石灰水变浑浊，可以判断气体中含有CO2，否则没有CO2。 2．操作程序和方法的科学性。请看下列除杂方法： （1）用点燃法除去CO2中混有的少量CO；
（2）用加入乙醇、浓硫酸加热的方法除去乙酸乙酯中的少量乙酸。 如果单从化学原理方面去看，以上两个实验方案是没有问题的，因此许多同学在实验设计上对于这种思路也是乐此不疲，其实这些实验方案是根本无法实施的。方案（1）正确的方法是： 方案（2）正确的实验方法是用饱和Na2CO3溶液洗涤后进行分液操作。 二、安全性 为了杜绝人身伤害和避免实验仪器的损坏，保障实验的顺利进行，安全工作必须做好。实验安全主要包括下列几个方面： 1．防漏气——实验前检查装置的气密性。 2．防爆炸——检验气体的纯度，有可燃性气体的实验，应将装置系统中的空气排净后再进行点燃和加热的操作。例如用H2、CO等气体还原金属氧化物时，需要加热金属氧化物，在操作中，不能先加热，后通气，应当先通入气体，将装置内的空气排干净后，检查气体是否纯净（验纯），待气体纯净后，再点燃酒精灯加热金属氧化物。 3．防倒吸——溶解度很大的气体吸收要加防倒吸装置，对有加热要求的综合实验，在与液体接触的部位前，最好设置“安全瓶”等装置以防止倒吸，实验结束时要注意酒精灯熄灭及导管的处理顺序。
光学设计性实验报告（一步彩虹全息） 姓名： 学号： 学院：物理学院
一步彩虹全息 摘要彩虹全息是用激光记录全息图, 是用白光再现单色或彩色像的一种全息技术。彩虹全息术的关键之处是在成像光路( 即记录光路) 中加入一狭缝, 这样在干板上也会留下狭缝的像。本文研究了一步彩虹全息图的记录和再现景象的基本原理、一步彩虹全息图与普通全息图的区别和联系、一步彩虹全息的实验光路图，探讨了拍摄一步彩虹全息图的技术要求和注意事项，指出了一步彩虹全息图的制作要点, 得出了影响拍摄效果的佳狭缝宽度、最佳狭缝位置及曝光时间对彩虹全息图再现像的影响。 关键词：一步彩虹全息；狭缝；再现 1 光学实验必须要严密，尽可能地减少实验所产生的误差； 2 实验仪器 防震全息台激光器分束镜成像透镜狭缝干板架光学元件架若干干板备件盒洗像设备一套线绳辅助棒扩束镜2个反射镜2个 3 实验原理 3.1 像面全息图 像面全息图的拍摄是用成像系统使物体成像在全息底板上，在引入一束与之相干的参考光束，即成像面全息图，它可用白光再现。再现象点的位置随波长而变化，其变化量取决于物体到全息平面的距离。 像面全息图的像（或物）位于全息图平面上，再现像也位于全息图上，只是看起来颜色有变化。因此在白光照射下，会因观察角度不同呈现的颜色亦不同。 3.2 彩虹全息的本质 彩虹全息的本质是要在观察者与物体的再现象之间形成一狭缝像，使观察者通过狭缝像来看物体的像，以实现白光再现单色像。若观察者的眼睛在狭缝像附近沿垂直于狭缝的方向移动,将看到颜色按波长顺序变化的再现像。若观察者的眼睛位于狭缝像后方适当位置, 由于狭缝对视场的限制, 通过某一波长所对应的狭缝只能看到再现像的某一条带, 其色彩与该波长对应, 并且狭缝像在空间是连
光学全息照相实验报告
实验II 光学全息照相 光学全息照相是利用光波的干涉现象，以干涉条纹的形式，把被摄物表面光波的振幅和位相信息记录下来，它是记录光波全部信息的一种有效手段。这种物理思想早在1948年伽柏（D.Gabor）即就已提出来了，但直到1960年，随着激光器的出现，获得了单色性和相干性极好的光源时,才使光学全息照相技术的研究和应用得到迅速地发展。光学全息照相在精密计量、无损检测、遥感测控、信息存储和处理、生物医学等方面的应用日益广泛，另外还相应出现了微波全息，X光全息和超声全息等新技术，全息技术已发展成为科学技术上的一个新领域。 本实验通过对三维物体进行全息照相并再现其立体图像，了解全息照相的基本原理及特点，学习拍摄方法和操作技术，为进一步学习和开拓应用这一技术奠定基础。 实验目的
了解光学全息照相的基本原理和主要特点； 学习静态光学全息照相的实验技术； 观察和分析全息全图的成像特性。 仪器用具 全息台、He —Ne 激光器及电源、分束镜、全反射镜、扩束透镜、曝光定时器、全息感光底版等。 基本原理 全息照片的拍摄 全息照相是利用光的干涉原理将光波的振幅和相位信息同时记录在感光板上的过程.相干光波可以是平面波也可以是球面波，现以平面波为例说明全息照片拍摄的原理。如图1所示，一列波函数为t i ae y πυ21=、振幅为a 、频率为υ、波长为λ 的平面单色光波作为参考光垂直入射到感光板上。另一列同频率、波函数为t i r T t i Be be y πυλπ222==??? ??-的相 干平面单色光波从物体出发，称为物光，以入射角θ同时入射到感光板上，物光与参考光产生干涉，在感光板上形成的光强分布为 ax ab b a I cos 222++= (1)
使用ZEMAX于设计、优化、公差和分析 摘要 光学设计软件ZEMAX的功能讨论可藉由使用ZEMAX去设计和分析一个投影系统来讨论，包括使用透镜数组(lenslet arrays) 来建构聚光镜(condenser)。 简介 ZEMAX以非序列性(non-sequential) 分析工具来结合序列性(sequential) 描光程序的传统功能，且为一套能够研究所有表面的光学设计和分析的整合性软件包，并具有研究成像和非成像系统中的杂散光(stray light) 和鬼影(ghosting) 的能力，从简单的绘图(Layout) 一直到优化（optimization）和公差分析（tolerance analysis）皆可达成。 根据过去的经验，对于光学系统的端对端（end to end）分析往往是需要两种不同的设计和分析工具。一套序列性描光软件，可用于设计、优化和公差分析，而一套非序列性或未受限制的(unconstrained) 描光软件，可用来分析杂散光、鬼影和一般的非成像系统，包括照明系统。 “序列性描光程序”这个名词是与定义一个光学系统为一连串表面的工具有关。所有的光线打到光学系统之后，会依序的从一个表面到另一个表面穿过这个系统。在定义的顺序上，所有的光线一定会相交到所有的表面，否则光路将终止。光线不会跳过任何中间的表面，且光线只能打在每一个已定义的表面一次。若实际光线路径交到一个表面上超过一次，如使用在二次描光(double pass) 中的组件，必须在序列性列表中，再定义超过一次的表面参数。
大部份成像光学系统，如照相机镜头、望远镜和显微镜，可在序列性模式中完整定义。对于这些系统，序列性描光具有许多优点：非常快、非常弹性和非常普遍。几乎任何形状的光学表面和材质特性皆可建构。在成像系统中，序列性描光最重要的优点为使用简单且高精确的方法来做优化和分析。序列性描光的缺点，包括无法追迹所有可能的光路径(即鬼影反射) 和许多无法以序列性方式来描述的光学系统或组件。 非序列性描光最常用来分析成像系统中的杂散光和鬼影，甚致分析照明和其它非成像系统。在非序列性描光中，光线入射到光学系统后，是自由的沿着实际光学路径追迹；一条光线可能打到一个对象(object) 许多次，而且可能完全未打到其它对象。此外，非序列性方法可用来分析从光学或机构组件产生的表面散射(scatter)，以及从场内(in-field) 和场外(out-of-field) 的光源所产生的表面反射而形成的鬼影成像。 ZEMAX的功能 ZEMAX可以用于一个完全序列性模式中、一个完全非序性模式中和一个混合模式中，混合模式对分析具有大部分序列性而却有一些组件是作用在非序列性方式的系统，是相当有用的，如导光管(light pipes) 和屋顶棱镜(roof prisms)等。 序列性系统需定义视场角(field of view)、波长范围（wavelength range）和表面数据（surface date）。序列性设计的最重要参数之一，为系统孔径(system aperture)。系统孔径，常指入瞳(entrance pupil) 或孔径光栏（STO），它限制可从已定义视场入射光学系统的光线。光学表面可以是折射、反射或绕射。透镜可以是由均匀或渐变折射率材质所制成。表面的下弯(sag) 可以是球面、圆锥面(conic)、非球面(aspheric)或藉由多项式或其它参数函数
设计性实验总体要求 为了巩固学生基本操作技能训练和所学习的各种有关知识，进一步培养面向21世纪的学生所必备的独立地综合运用所学知识和技能进行科学研究的能力我们安排了设计实验的内容。这些实验的内容是要求学生运用已学习过的知识，通过查阅文献，借鉴前人的经验教训，设计出实验方案，在教师认可后并在教师指导下，自己动手合成某些有实用价值的中间体或化合物。通过设计实验进一步培养学生的综合能力，培养学生独立进行研究和创新的能力。通过设计实验培养学生学会查阅文献，包括从多媒体计算机的光盘及计算机网络中查阅并利用古今中外的各种书籍、资料及具代表性的期刊、杂志。但是，要注意的是，各种文献中记载的实验步骤和条件往往彼此不同，有些内容出于保密等原因而不详实，这就要求学生能运用已获得的知识和技能独立地进行正确的判断、综合。通过透彻掌握目标分子的合成原理、主副反应、产物（含副产物）的有关性能（如溶解度、熔点、沸点），设计出可行的实验方案（包括合成路线、使用的原料与试剂、仪器的选用、操作条件的控制、主副产物的分离、产品的精制、鉴定等）。 设计方案经教师审定后，学生独立进行实验。 实验后除了要交出产品还应写出设计实验报告。设计实验报告应按小论文形式撰写。其格式可参照一般化学、化工杂志的论文，应当包括题目、作者、提要（摘要）、关键词、实验内容、结果讨论、主要参考文献等栏目。要简要地介绍题目的背景、实验的目的意义，要有实验步骤的精确描述（包括原料的配比和用量、工艺流程和实验条件、有关数据和现象等等），要有实验结果的有关数据（包括产物的产量和收率、产品质量的有关物理参数及文献值、图表、波谱及其他有关数据，等等），要有讨论（包括对实验结果的评价、对实验的改进意见、意外情况的分析及自己的心得体会等）。具体要求如下： 设计性实验报告的具体要求 一、实验方案设计应包括： 1.实验所涉及的基本原理以及相应的计算公式。 2.实验仪器与试剂（应明确各自的具体用途）。 3.按大纲给出的基本条件设计实验步骤，应具有可操作性，其中必须标明基本数据。 4.如实验中要用到标准溶液，则需写明实验所用标准溶液的配制与标定方法。 5.列出相应的表格用以记录所要测定的实验数据。 6.了解相关仪器的使用方法。 7.列出相关参考文献的出处。 二、实验过程： 1. 实验过程中注意观察实验现象，记录实验现象。 2.充分利用化合物的常数，对过程中出现的问题，认真进行分析。