DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 2. 材料与方法 2.1. 星地结合监测方法 采用星–地结合定位技术应用于野生动物监测，可以实现低功耗高精度的定位跟踪，从而随时掌握动物所在的位置，记录其活动的路径，了解野生动物活动范围，对进一步研究其行为具有重要意义。以金丝猴为研究对象，研发金丝猴定位跟踪设备，包括定位感应项圈、定位基站等，形成一套完整的低功耗定位跟踪设备 [ 4 ] 。其中星地结合定位算法是实现林区精准定位导航的核心功能，首先要实现卫星定位系统与地面定位系统的时间同步，在两个定位系统达到时间同步的基础上，然后将卫星定位数据与地面定位数据进行数据格式的统一和数据转换；最后将数据格式统一后的两个定位数据进行融合，分析得出待测点的地理坐标，实验中金丝猴位置数据采用2015年7月1日至2015年7月31日的数据；位置数据的技术路线如图1所示。 图1. 星地结合定位算法技术路线图 卫星定位数据与地面定位数据融合算法的研究，是星-地组合定位方法中在林业定位应用中所必须要研究的内容。融合算法的优劣在一定程度上影响着星-地组合定位方法的定位精度，初步研究结果表明，星地结合定位算法的关键内容是地面定位算法的实现。地面定位算法基于三边测距原理，根据无线信号传播模型，可以得到定位点与三个定位基站之间的距离模型： R i = 10 ( p l 0 − p l i ) / 10 ⋅ k ，   i = a ， b ， c 其中， p l 0 表示各地面定位基站发射的信号强度， 为定位终端接收到来自基站的信号强度， k 为林区环境下的修正因子，受林分密度、胸径、林下植被结构等因子的影响，其在不同林区环境下的取值会有所不同。 林下地面定位技术的实现是以无线传感器网络节点作为地面定位桩，定位终端如项圈在多个定位桩覆盖的范围内移动，通过定位终端与定位桩之间的通讯信号的强弱来判断定位终端的位置，从而实现地面定位。其中地面定位系统需要3个以上无线发射基站组成，并且基站的地理位置通过卫星定位系统获得，在地面定位基站选址时，需要考虑基站布设位置可接收卫星个数、信号强度以及卫星定位精度等以保证信号覆盖范围。完成基站部署可以不断向外界发送具有相同信号强度的定位信号，地面定位终端用于接收来自各地面定位基站的发射信号及相关参数，利用接收的信号强度、传播时间等参数在地面定位终端或者定位服务器端进行位置信息计算。在无线-卫星组合定位方法中，首先通过卫星定位技术获得地面定位基站的定位坐标，并将该坐标作为地面定位坐标的计算基准，根据定位终端接收的参数，通过信号在林区环境下的传播时间或者各基站信号到达的传播时间差，采用基于TOA的定位方法和基于TDOA的定位方法，应用相应的计算公式和定位模型，计算出该点的地面定位坐标数据，最后将基站的卫星定位数据与地面定位数据融合，便可得到待定位点最终的定位坐标数据。基本原理如图2所示。 2.2. 环境监测数据 环境监测站布设在金丝猴经常活动区域范围的道路两侧，分别在道路东北角(110.3884326， 31.4695507)和西南角(110.3885865， 31.46893502)。监测站监测数据包括温度、土壤温度、土壤湿度、二氧化碳浓度及人为影响。实验中同样采用2015年7月1日至2015年7月31日日均数据。 2.3. CartoDB应用 CartoDB基于ruby开发，使用postgre数据库管理系统，redis提供一个高性能的key-value数据库作 图2. 星地结合定位系统示意图 为缓存服务器。它是一个开源的允许在web上存储和虚拟化地理数据的工具，提供“一键式制图功能”，即分析任何用户上传的数据、自动制作地图以显示相关信息，可以提供上传和创建编辑虚拟显示的导出数据的用户接口，创建在PostgreSQL和PostGIS上的数据库，提供SQL接口，通过HTTP返回给用户GeoJSON或KML等格式的数据库。与Google Maps、Nokia Here等地图服务不同，其侧重点不在于基础地图，而是地图之上的数据和应用层，其云平台可部署定位智能与可视化数据引擎，可以帮助用户方便地将定位数据转化为洞察力。 CartoDB提供了“简单模式”、“团簇模式”、“等值模式”可视化地图，简单易用，展示效果好，平台基于B/S模式，用户不需要安装客户端即可完成地图可视化工作，被称为“云上的地理数据库”。可以根据用户上传的数据自动检测出地理数据，然后分析文件中其他的信息并提供一系列地图格式以供用户选择、修改、方便使用。目前CartoDB在国外的应用领域包括金融业、商业智能分析、全球森林监察、自然资源、动物轨迹监测、政府机构、新闻学与新媒体、房地产、web开发等，在国内尚无应用案例，针对CartoDB的开源优势，论文基于中国林业科学研究院资源信息研究所高性能计算环境成功搭建CartoDB运行环境，用户通过登录将实验中采用的位置和生境及坡度数据上传至云服务器同时添加到CartoDB数据集中，平台根据数据集中的位置及属性自动创建地图并可查看金丝猴位置分布图 [ 5 ] 。 2.3.1. 金丝猴活动轨迹分布图 项圈获取的金丝猴位置数据，利用唯一ID值标识哺乳期金丝猴(ID = 0)和非哺乳期金丝猴(ID = 1)，包括雄性金丝猴。将2015年7月1日至2015年7月31日一个月位置监测数据按照CartoDB运行所需格式整理上传至服务器创建地图，使用Map layer wizard中的heatmap制作金丝猴活动轨迹热力图，为了研究哺乳期金丝猴与非哺乳期金丝猴活动区域的差异，利用CartoDB提供的SQL功能，在Custom SQL query区域输入where ID = 0即可得到哺乳期金丝猴经常活动范围，如图4。实验中可以明显得到哺乳期金丝猴活动区域与非哺乳期金丝猴的不同。如图3和图4。 图3. 哺乳期和非哺乳期金丝猴活动热力图 图4. 哺乳期金丝猴活动热力图 2.3.2. 金丝猴活动区域坡度分布图 登录CartoDB平台，上传带有坡度的金丝猴位置数据，利用Map layer wizard提供的Category功能制作金丝猴活动区域坡度图，该坡度的表示与GIS软件制作不同，将坡度值使用不同色彩的符号表示，色彩的不同代表坡度的缓急，同时用户可以自定义色彩。图5为金丝猴活动区域坡度分布图，图例的值越大代表该点的坡度越大，从图中可以看出，金丝猴在坡度较缓的区域活动较多，也会在道路上及边缘频繁活动，这可能与觅食有关。
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user: 3. 结果与分析 3.1. 金丝猴活动区域分析 为了综合分析金丝猴活动区域，利用金丝猴位置数据制作活动区域分布表，如图6。 通过CartoDB平台对金丝猴位置数据快速可视化，得到哺乳期金丝猴活动范围热力图，综合图6分析：相比非哺乳期金丝猴，哺乳期金丝猴活动整体范围纬度差较小，很少越过道路活动，说明受人为影响较大。综合区域坡度分析，说明哺乳期金丝猴更愿意在坡度值为17.98的附近区域活动，大部分时间在平缓低纬度区域活动，非哺乳期金丝猴在该区域也较为活跃，但在坡度值为19.93至22.14范围内活动频繁，说明活动范围广，在高纬度、较陡区域均会频繁活动。 3.2. 金丝猴活动区域与生境监测综合分析 制作环境监测站东北和西南监测点监测因子温度、土壤温度、土壤湿度、二氧化碳、人为影响月均值图，如表1。 从表1中得出东北监测点的温度、土壤温度相比西南监测点偏低，同时土壤湿度与土壤温度监测值 图5. 金丝猴活动区域坡度分析图 图6. 金丝猴活动区域分布表 Table 1 Monitoring station of monitoring attribute mea 监测站 温度 Temperature/℃ 土壤温度 Soil temperature/℃ 土壤湿度 Soil moisture/m 3 /m 3 二氧化碳 Carbon dioxide/ppm 人为影响 Humidity/% 东北Northeast 16.3 11.7 26.7 437.9 98 西南Southwest 16.8 13.7 23.2 427.5 98 表1. 监测站监测属性均值 成反比与实际吻合。结合金丝猴活动范围综合分析，哺乳期金丝猴更喜欢土壤温度较低湿度较高的区域活动，受人为影响大。在东北监测点，聚集金丝猴较多，可能会对该区域二氧化碳含量产生一定影响，同时在该区域监测的二氧化碳值比西南监测点高。东北和西南监测点都受同一道路影响，人为影响都较大。
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user: 4. 结论 实验得出，同一区域金丝猴哺乳期金丝猴更喜欢生活在较低纬度及坡度较低区域，受人为影响较大，基本不会越过道路活动，而非哺乳期金丝猴则较为活跃，经常越过道路活动且去高纬度区域活动。同时，哺乳期金丝猴更喜欢生活在温度较低，土壤温度较低而土壤湿度较高的区域，且非哺乳期在该区域也经常在该区域活动，说明，低温区域会聚集较多金丝猴，可能对区域二氧化碳有一定贡献，这与环境监测站点监测二氧化碳浓度较高相吻合，该结论还需进一步探讨。 通过分析得到哺乳期金丝猴活动范围与其余金丝猴活动范围的差异，为管理人员提供可靠的金丝猴保护依据。实验也证明了CartoDB平台能够快速制图并分析已有数据，针对开发人员提供便捷的SQL数据库和Cartocss界面可视化接口，并且用户可以将分析结果公开分享，与不同区域的金丝猴管理人员分享保护经验，CartoDB的优势同样适用于其它动物的保护及林业碳储量等工作，具有一定的推广价值。
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user: 摘 要 本文在笛卡尔直角坐标系中采用电磁学中的镜像法，计算了均匀带电细圆环和接地无限大导体平面上的感应电荷在周围空间产生的电势和导体平面上的感应电荷与带电圆环相互作用的电场力，并绘出电势、电场力随角度和距离变化的图像。 关键词 :电势分布，电场力，接地无限大导体平面，均匀带电细圆环，Mathematica Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 在文献 [ 1 ] [ 2 ] 中研究了共轴的均匀带电细圆环间的电场力，文献 [ 1 ] 在计算电场力的过程中先采用了将椭圆积分函数用级数展开形式来计算电势，然后利用电场力与电势能关系解出电场力，再进一步讨论了其近似程度(误差)。本文采用电磁学理论中的镜像法 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] ，运用电场的叠加原理和Mathematica数学软件 [ 6 ] [ 7 ] ，先计算均匀带电细圆环和接地无限大导体平面上的感应电荷在周围空间激发的电场，再利用电场力与电势能的关系计算了相互作用的电场力，并绘出了电势和电场力随角度和距离变化的图像。
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user: 2. 带电细圆环与接地导体平面在导体平面左侧空间的电势分布 在如图1(a)所示的笛卡尔直角坐标系中，设均匀带电细圆环带电为正 q ，圆环半径为 R ，圆环所在平面与无限大接地导体平面的法线成 α 夹角，以圆环圆心为坐标原点 o ， x 轴方向与导体平面法线平行，既 x 轴垂直于导体平面，则圆环所在平面与 x 轴负方向夹角为 α ，圆环圆心到导体平面的距离为 d ， y 轴在 x 轴和 x 轴在圆环所在平面内的投影所决定的平面内， y 轴和 z 轴所决定一平面与导体平面平行且满足右手螺旋系。按电磁理论中的镜像法 [ 5 ] ，当该均匀带电圆环在导体平面上产生的感应负电荷在导体处于静电平衡时，在导体平面左侧空间产生的作用效果(力学的、电磁学的)等效于该均匀带电圆环经导体平面成像于导体平面右侧处的均匀带负电圆环体 − q 在左侧空间产生的作用效果。分别在带电圆环和像圆环上任一点 p 1 ( − R cos α cos ϕ 1 ， R sin α cos ϕ 1 ， R sin ϕ 1 ) 、 p 2 ( 2 d + R cos α cos ϕ 2 ， R sin α cos ϕ 2 ， R sin ϕ 2 ) 各取微元电荷 d q 1 、 − d q 2 ，其中 ϕ 1 ( 0 ≤ ϕ 1 ≤ 2 π ) 和 ϕ 2 ( 0 ≤ ϕ 2 ≤ 2 π ) 分别是点 p 1 和点 p 2 在 y o z 平面的投影点与坐标原点 o 的连线与 y 轴正方向的夹角，称其为方位角。取无穷远处电势为零，这两个微元电荷在导体平面左侧空间任一点 p ( x ， y ， z ) 产生的电势为： d φ = 1 4 π ε 0 d q 1 R 1 − 1 4 π ε 0 d q 2 R 2 = 1 4 π ε 0 q 2π ( d ϕ 1 R 1 − d ϕ 2 R 2 ) (1) 其中 ε 0 为真空间中的介电常数， { R 1 = ( x + R cos α cos ϕ 1 ) 2 + ( y − R sin α cos ϕ 1 ) 2 + ( z − R sin ϕ 1 ) 2 R 2 = ( x − 2 d − R cos α cos ϕ 2 ) 2 + ( y − R sin α cos ϕ 2 ) 2 + ( z − R sin ϕ 2 ) 2 若令 { r 1 = x 2 + y 2 + z 2 + R 2 a = ( x cos α − y sin α ) r 2 = ( x − 2 d ) 2 + y 2 + z 2 + R 2 b = [ ( 2 d − x ) cos α − y sin α ] 则 R 1 、 R 2 可化为 图1. 带电细圆环与接地导体平面在导体平面左侧空间的电势分布 { R 1 = r 1 2 + 2 a R cos ϕ 1 − 2 z R sin ϕ 1 R 2 = r 2 2 + 2 b R cos ϕ 2 − 2 z R sin ϕ 2 再分别对(1)式中的变量 ϕ 1 、 ϕ 2 积分，可得到在导体平面左侧空间任一点的电势： φ = q 2 π 2 ε 0 [ K [ − 4 R a 2 + z 2 r 1 2 − 2 R a 2 + z 2 ] r 1 2 − 2 R a 2 + z 2 − K [ − 4 R b 2 + z 2 r 2 2 − 2 R b 2 + z 2 ] r 2 2 − 2 R b 2 + z 2 ] (2) 其中 K [ x ] = E l l i p t i c K [ x ] 是第一类完全椭圆积分函数， K [ x ] = F ( π 2 | x ) ，其定义为 F ( ϕ | x ) = ∫ 0 ϕ ( 1 − x sin 2 θ ) − 1 / 2 d θ 。 下面讨论两种特殊情况： A当 α = π / 2 时，既圆环所在平面与导体平面平行，可得： φ = q 2 π 2 ε 0 [ K [ − 4 R y 2 + z 2 r 1 2 − 2 R y 2 + z 2 ] r 1 2 − 2 R y 2 + z 2 − K [ − 4 R y 2 + z 2 r 2 2 − 2 R y 2 + z 2 ] r 2 2 − 2 R y 2 + z 2 ] (3) 当 R 较小时，可将(3)式中的函数分别按 R / r 1 和 R / r 2 用泰列级数展开，得到： { K [ − 4 R y 2 + z 2 r 1 2 − 2 R y 2 + z 2 ] r 1 2 − 2 R y 2 + z 2 = π 2 [ 1 r 1 + 3 ( y 2 + z 2 ) 4 r 1 3 ( R r 1 ) 2 + ⋯ ] K [ − 4 R y 2 + z 2 r 2 2 − 2 R y 2 + z 2 ] r 2 2 − 2 R y 2 + z 2 = π 2 [ 1 r 2 + 3 ( y 2 + z 2 ) 4 r 2 3 ( R r 2 ) 2 + ⋯ ] (4) 将(4)式代入(3)式，当 R → 0 ，即带电圆环变为点电荷，则(3)式变为下式。 φ = q 4 π ε 0 ( 1 r ′ 1 − 1 r ′ 2 ) (5) 其中 r ′ 1 = x 2 + y 2 + z 2 和 r ′ 2 = ( x − 2 d ) 2 + y 2 + z 2 分别是空间 p 点到点电荷 q 和像点电荷 − q 的距离。 B当 α = 0 时，既圆环所在平面与导体平面垂直，可得： φ = q 2 π 2 ε 0 [ K [ − 4 R x 2 + z 2 r 1 2 − 2 R x 2 + z 2 ] r 1 2 − 2 R x 2 + z 2 − K [ − 4 R ( x − 2 d ) 2 + z 2 r 2 2 − 2 R ( x − 2 d ) 2 + z 2 ] r 2 2 − 2 R ( x − 2 d ) 2 + z 2 ] (6) 当 R 较小时，将(6)式中的函数分别按 R / r 1 和 R / r 2 级数展开，当 R → 0 式，，同样得到(5)式。 知道了空间电势的分布，由 E = − ∇ φ 可得知空间任一点 p 的电场强度 E ，其中 ∇ = ∂ ∂ x i + ∂ ∂ y j + ∂ ∂ z k 为梯度算符。 图1(b)~(f)是电势随空间的分布图像。图中参数取值：带电细圆环半径 R = 0.05   m 、它的圆心到接地无限大导体平面的距离 d = 0.06   m ，圆环与 x 轴负方向夹角 α = π / 6 。图1(b)、图1(c)、图1(d)中分别是 x o y 、 x o z 、 y o z 平面内的等势线，图1(b)、图1(c)中右侧的直线是电势为零的等势线，即位于接地导体平面处。 图1(b)、图1(c)、图1(d)中的曲线在第二象限从外到内对应的电势分别为 1.0 q 2 π 2 ε 0 、 3.0 q 2 π 2 ε 0 、 5.0 q 2 π 2 ε 0 、 10.0 q 2 π 2 ε 0 、 15.0 q 2 π 2 ε 0 、 18.0 q 2 π 2 ε 0 、 25.0 q 2 π 2 ε 0 ，在这三个图中，最小闭合的曲线是电势值皆为 25.0 q 2 π 2 ε 0 的两条等势线。若 q 和 ε 0 取国际主单位，则上述电势的单位就是伏特。图1(e)、图1(f)是电势分别为 15.0 q 2 π 2 ε 0 、 20.0 q 2 π 2 ε 0 的等势面。
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user: 3. 带电细圆环与接地导体平面上感应电荷的相互作用力 接下来计算均匀带电细圆环与接地无限大导体平面上产生的感应电荷的作用力。先考虑圆环所在平面与导体平面平行( α = π / 2 )时的特殊情况。 当 α = π / 2 时，导体平面上的感应负电荷在圆环处产生的电势处处相等，由(3)式的中括号中的第二项可得感应电荷与带电细圆环间相互作用势能： E p = − q 2 2 π 2 ε 0 K [ − 4 R y 2 + z 2 r 2 2 − 2 R y 2 + z 2 ] r 2 2 − 2 R y 2 + z 2 (7) 由电场力与电势能的关系 F = − d E p d r e r 可得相互作用力各分量的大小为： F x = q 2 2 π 2 ε 0 E ( − R 2 d 2 ) 4 ( d 2 + R 2 ) (8) 同时可得 F y = 0 、 F z = 0 ，这是平面镜镜像对称性必然的结果。其中 E [ x ] = E l l i p t i c E [ x ] 是第二类完全椭圆积分函数， E [ x ] = E ( π 2 | x ) ，其定义为 E ( ϕ | x ) = ∫ 0 ϕ ( 1 − x sin 2 θ ) 1 / 2 d θ 。(7)式也是共轴的相距为 2 d 、 半径皆为 R 、带相同电量 q 的均匀带电细圆环间的电场力。 当 R 相对于 d 较小时( R / d < 1 )，将(8)式按 R / d 作级数展开 F x = q 2 2 π 2 ε 0 1 ( 2 d ) 2 π 2 [ 1 − 3 4 ( R d ) 2 + ⋯ ] (9) 当 R / d → 0 时，这时带电圆环可视为点电荷，(9)式变为 F x = 1 4 π ε 0 q 2 ( 2 d ) 2 (10) 这就是点电荷与无限大接地导体平面的作用力。 当 α ≠ π / 2 时，由(2)式中括号中的第二项可得感应电荷在圆环处任一点 p 的电势： φ 2 = − q 2 π 2 ε 0 K [ − 4 R b 2 + z 2 r 2 2 − 2 R b 2 + z 2 ] r 2 2 − 2 R b 2 + z 2 (11) 在点 p 处任取一微元电荷 d q = q 2π d ϕ 1 ，它与感应电荷的作用势能为： δ E p = φ 2 d q = − q 2 4 π 3 ε 0 K [ − 4 R b 2 + z 2 r 2 2 − 2 R b 2 + z 2 ] r 2 2 − 2 R b 2 + z 2 d ϕ 1 该微元电荷所受电场力的 x 分量由电势能与电场力的关系有： d F x = − d ( δ E p ) d x 利用电场的叠加原理把带电圆环上所有微元电荷加起来(积分)，可得到导体平面上的感应电荷与带电圆环的相互电场力： F x = ∫ d F x = − ∫ d ( δ E p ) d x = − q 2π ∫ 0 2π d φ 2 d x d ϕ 1 = q 2 4 π 3 ε 0 ∫ 0 2π [ ( 2 d − x ) b 2 + z 2 − b R cos α ] r 2 − 2 R b 2 + z 2 K [ − 4 R b 2 + z 2 r 2 − 2 R b 2 + z 2 ] [ r 4 − 4 R 2 ( b 2 + z 2 ) ] b 2 + z 2 d ϕ 1 (12) 其中 { x = − R   cos α cos ϕ 1 y = R   sin α cos ϕ 1 z = R   sin ϕ 1 b = 2 d cos α + R cos ( 2 α ) cos ϕ 1 r = 4 d 2 + 4 R d cos α cos ϕ 1 + 2 R 2 (12)式要得到解析结果是困难的，但因为 R cos α < d ，先将被积函数按 R / d 作级数展开，再对 ϕ 1 积分可得到电场力按 R / d 级数展开的形式来作近似解： F x = 1 4 π ε 0 q 2 ( 2 d ) { 1 + 1 2 cos α R d + 3 2 2 cos ( 2 α ) ( R d ) 2 + 1 2 7 sec α [ 36 cos ( 2 α ) + 15 cos ( 4 α ) + 17 ] ( R d ) 3     + 15 2 12 [ 12 cos ( 2 α ) + 67 cos ( 4 α ) + 137 ] ( R d ) 4 + ⋯ } (13) 同样可得 F y = 0 、 F z = 0 ，这也是镜像对称所要求的必然结果。当 R / d → 0 时，带电圆环相对于导体平面的位置(夹角)无关，这时带电圆环趋于点电荷，(13)式变为(10)式。 当 α = 0 时，既圆环所在平面与导体平面垂直，由(13)式可得 F x = 1 4 π ε 0 q 2 ( 2 d ) [ 1 + 1 2 R d + 3 2 2 ( R d ) 2 + 17 2 5 ( R d ) 3 + 405 2 9 ( R d ) 4 + 1281 2 9 ( R d ) 5 + ⋯ ] (14) 图2给出了带电细圆环与接地无限大导体平面上感应负电荷相互作用的电场力随夹角和距离变化的图像，这些电场力均指均匀带电细圆环与接地导体平面在不同夹角或不同距离情况下，导体处于静电平衡时其表面上的感应负电荷与均匀带正电细圆环的作用力。在这四个图中， R = 0.05   m 。图2(a)图中 d = 0.06 m ，该曲线表明带电细圆环与接地无限大导体平面上感应电荷的相互作用的电场力随角度的增大而减小，既在距离一定时，当带电圆环与导体平面垂直时作用力最大，平行时作用力最小；图(b)中的图线自上而下分别对应于 d = 0.06   m 、0.07 m、0.08 m、0.09 m、0.15 m、0.25 m，表明带电细圆环与导体平面上感应电荷的相互作用电场力随夹角、距离的增大而减小，同时表明随距离的增大，作用力的大小几乎不随夹角的变化而变化，既这时细圆环的形状、位置对带电细圆环与导体平面上感应电荷的电场力几乎没有影响，这是因为当 d / R ≫ 1 ，带电细圆环近似于点电荷；图(c)中在第二象限内的5条图线自上而下分别对应于 α = 0 ， π / 6 ， π / 4 ， π / 3 ， π / 2 ，同样表明电场力随夹角、距离的增大而减小，当带电细圆环到导体平面的距离较大时，电场力就与夹角几乎无关，只与距离有关，既带电圆环在这种情况下近似于点电荷。图(d)中在是电场力随角度、距离变化而变化的3D图。 图2. 带电细圆环与接地导体平面上感应电荷的相互作用力
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user: 4. 结束语 本文根据电磁学中的镜像法，借助于Mathematica研究了均匀带电细圆环作用下，在接地无限大导体平面上产生的感应负电荷和带电细圆环在周围空间共同产生的电势，给出了解析表达式，在此基础上，利用电场力与电势能之间的关系计算出电场力，并绘出电势和电场力随距离和夹角变化而变化的图像。虽然均匀带电细圆环和无限大导体平面是理想模型，但当带电细圆环的半径远大于圆环丝自身的直径时就可近似为细圆环；当导体平面尺寸远大于带电细圆环的半径且距离导体平面足够近时，也可视为无限大导体平面。当知道电势分布规律后，由就可确定电场强度；利用电场力与电势能的内在联系，就可计算带电体间的作用力。所以本文的研究具有一定的教学理论价值和实际意义。
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user: 摘 要 全固态激光器具有单色性、准直性和高亮度等特点，550~650 nm波长范围黄光激光器在生物医学、激光演示和各种军事野外作业中均有特殊的用途。其中0.5 μm波段的激光非常适合于眼球的诊断和治疗，561 nm黄激光对于眼底黄斑部进行眼底光凝治疗更是有显著作用。本文介绍了561 nm激光器国内外的研究现状，对实验原理和实验元件进行了分析，并指出了其未来的发展趋势，对该领域内的研究提供了有益参考。 关键词 :全固态激光器，561 nm激光器，黄绿光激光器 Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 全固态激光器(Laser Diode Pumped Solid-State Laser或DPSSL)是指以激光二极管(LD)为泵浦源的固体激光器，是激光技术领域的一个重要分支。全固态激光器有着转换效率高、器件结构紧凑、体积小、可靠性高、结构牢固、光束质量好、输出能量大、峰值功率高、工作介质覆盖的波段广及运转方式多样等优点，与非线性光学频率技术相结合，可实现多种波长的运转，已成为新一代的优质相干光源。现今全固态激光器的输出波段己经覆盖包括红外，红，绿，蓝，至紫外等，成为当前激光技术发展的主要方向。目前，激光二极管抽运的腔内混频激光器主要应用在腔内倍频激光器上，已经有大量文章对激光二极管抽运腔内倍频红、绿和蓝激光器进行报道，技术上己经非常成熟。 近年来黄绿光波段的全固态激光器是全固态激光器的一个研究热点，这一波段在黄绿光波段的激光在激光显示、生物医学、波色–爱因斯坦凝聚、化学等领域有着广泛的应用。波长为561 nm黄绿光是共焦显微镜流式细胞仪及其它生物成像装置的理想光源，同时也是激光治疗复杂眼科疾病的最佳波长，在生物医学方面有着极大的用途，因此561 nm激光器的研究备受关注。
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user: 2. 全固态激光器的发展 在固体激光器发展之初，通常使用闪光灯作为抽运源。但是因为闪光灯的发射光谱范围较宽，固体激光晶体的吸收带宽却很窄，导致总的电–光转换效率很低，仅为1%~5%。因此，在相当长一段时间内，固体激光技术的发展停滞不前。直到1962年 [ 1 ] ，前苏联科学家Nikolay Basov报道了世界上第一只同质结砷化镓半导体激光器；1963年 [ 2 ] ，美国人纽曼第一次提出LD可以作为固体激光器的抽运源。但在LD发展的初期，由于制作技术不够完善，导致转换效率低、LD输出功率起伏很大，并且工作寿命非常短。更重要的是，当时的LD还要采用液氮来制冷，所以当时没有发挥出它的优点 [ 3 ] [ 4 ] 。因此当时的LD还不适合用作固体激光器的抽运源，在很长的一段时间内，人们并未给予LD以足够的重视，DPSSL技术研究工作止步不前。步入二十世纪八十年代，人们将MBE和MOCVD等现代“非平衡生长技术”引入到III-V族宽带半导体材料的生长中，采用了量子阱、应变量子阱结构，提升了LD的各项性能，最终使得LD可以作为全固体激光器的抽运源 [ 5 ] 。到了90年代，由于LD制作技术取得了很大的发展并且伴随着外延生长技术的提高，LD的发射波长已经覆盖600 nm~2.0 µm的光谱范围 [ 6 ] 。 与早期闪光灯抽运的固态激光器相比，全固态激光器(DPSSL)的优势在于涵盖了LD和DPSSL两者的优点，并且互相弥补了彼此的某些缺点，使全固态激光器的各项参数指标及在实现产业化方面都取得了很大的进步。概括起来有以下几点 [ 7 ] ： 1) 提高总体转换效率达到15%以上，这比早起闪光灯泵浦的DPSSL总效率提高了5~10倍。其主要原因是LD发射的谱线宽度要比闪光灯的窄很多。这样就提高了抽运光的使用效率(如图1)，从而使更多的泵浦光用来增加反转粒子数。 2) DPSSL的频率稳定性更高。在固态激光器中，泵浦功率的波动对其发射线宽的影响很大，而LD的稳定性明显好于闪光灯 [ 8 ] ；同时，使用LD作为抽运源时，激光晶体可以不吸收无用辐射，大大减小了激光晶体的热效应，因此在很大程度上改善了激光器噪声特性。目前LD泵浦DPSSL的频率稳定性和线宽已可以和气体激光器相提并论。单频输出的漂移小于10 kHz，输出功率波动小于1%。 3) DPSSL的光束质量高。由于DPSSL的激光晶体可以采用水冷或者风冷，这样就有效的减小了激光晶体的热效应，提高了激光器输出光束的光束质量。例如：一台千瓦级闪光灯泵浦的固态激光器，其光束发散角是衍射极限的40~60倍 [ 9 ] 。而一台千瓦级DPSSL的光束发散角仅仅是衍射极限的二倍。在端面抽运时，可以得到近于衍射极限的激光输出。 4) DPSSL的可靠性高，寿命长。DPSSL的寿命可长达10 4 ~10 5 小时，而闪光灯抽运的固态激光器寿命通常只有400多小时。 5) DPSSL的体积小，重量轻，更适于实现全固化。 此外，DPSSL还在很大程度上弥补了LD的不足，如： ① DPSSL的线宽窄。DPSSL的线宽通常为0.0001~0.01 nm，而LD的线宽通常为0.02 nm~2 nm。 ② DPSSL的峰值功率高。固体激光晶体的亚稳态能级寿命较长、发射谱线较宽，容易实现粒子数反转，通过调Q或锁模等方式可以获得更高的峰值功率。 ③ DPSSL具有确定的输出波长。LD的泵浦源是电流，导致它的输出波长随着温度变化，变化量为0.1~0.2 nm/℃。 ④ DPSSL可以获得不同波长激光输出。固体激光晶体总类繁多，如常用的Nd:YAG、Nd:YVO 4 等，因此它们可以发射不同波长的激光，再利用非线性频率变换技术，获得不同种类的波长输出 [ 10 ] 。另外还可以使用多个LD同时泵浦激光晶体，得到比单个LD大许多的输出功率。 综上所述，我们可以看出，DPSSL同时弥补了全固体激光器和半导体激光器的缺点，它在激光运转的稳定性、输出光束的光束质量等方面都是其它激光器无法比拟的。 图1. Nd:YAG的吸收光谱与闪光灯、LD发射光谱的比较
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user: 3. 561 nm激光器的基本原理及研究现状 目前561 nm激光的获得方法有三种 [ 11 ] ：1) 直接倍频红外波段；2) 双波长和频；3) 拉曼频移。这几种方法中直接倍频基频光得到黄激光的输出方式相对而言，结构简单，转化效率高，稳定性好，比较容易获得高功率的输出，也比较容易产业化，是目前研究的重要方向，其原理图如图2所示 [ 12 ] 。 LD泵浦的Nd:YAG激光器是最常见、发展最迅速的DPSSL器件。Nd:YAG是掺入钕钇铝石榴石的简称，它是将钕离子按一定比例掺入钇铝石榴石中替代钇离子。对于激光介质来说，三价的钕离子(Nd 3+ )是激活离子，钇铝石榴石(YAG)是基质，Nd:YAG是目前最成熟的固体激光材料。 Nd:YAG晶体的激光光谱中共有30多条跃迁谱线，其激光跃迁分别发生在激光上能级 F 4 3/2 的斯塔克能级和激光下能级 I 3 13/2 ， I 3 11/2 ， I 3 9/2 之间，如图3所示。 图2. 全固态561 nm单频激光器实验原理图 图3. Nd:YAG的能级和主要跃迁图 除了经常利用的1064 nm，1319 nm和946 nm谱线以外，1112 nm，1116 nm和1123 nm这三条谱线的性能也相对较好。但 F 4 3/2 → I 3 11/2 的所有跃迁(1112 nm、1116 nm、1123 nm)中最不活跃的谱线是561 nm激光的基频光——1123 nm谱线。 从表1可以看出1123nm谱线的相对性能是1064 nm谱线的2/5，和946 nm、1318 nm、1112 nm、1116 nm这些谱线的相对性能相差不多，受激发射截面接近，在对一个波长腔内倍频的过程中，受其他波长倍频及与该波长和频的影响，使得功率输出稳定性差，波长也容易跳变。所以，要实现561nm单谱线输出，需要通过附加与波长相关的选择性损耗来抑制其他谱线的振荡。 在常用的选择性损耗光学元件中双折射滤波器因其可调谐范围大、调谐方便、插入损耗小和抗损伤能力强等优点被广泛应用。双折射滤波器，简称BF，作用原理基于双折射效应，由于双折射效应，经过晶体的偏振光会分成o光和e光，并且他们的折射率不同，传播速度在晶体中也不同，所以会产生相位差，利用这一特性，适当选择晶体厚度、光轴与晶体表面夹角可使晶体具有调谐作用，实现选频。 1992年天津大学王兴龙和姚建铨教授对双折射滤波器的传输和调试特性进行研究 [ 13 ] ，分析了双折射滤波器的原理以及调制特性，给出双折射滤波器的传输公式，绘制出双折射滤波器透射曲线。1999年，天津大学应用物理系进行了用于钛宝石激光器的可调谐双折射滤光片的综合设计 [ 14 ] 。2004年中国科学院西安光机所瞬态光学技术国家重点实验室研究了布氏角放置的双折射滤光片在腔内倍频中的作用 [ 15 ] ，同样以钛宝石激光器为例，详细研究了双折射滤光片在宽带增益激光器腔内倍频中的作用以及双折射滤光片在腔内位置对倍频效率的影响。2016年西北核技术研究所对787~952 nm可调谐全固态Cr:LiSAF激光器 [ 16 ] 的研究，分析了激光器效率和调谐范围的限制因素。利用BF具有插入损耗较小、调谐范围宽等的优点，进行调谐，实验发现在加入BF后输出功率下降约10 mW。 在对1123 nm的基频光进行倍频的过程中，LBO晶体和KTP晶体都是目前比较常用的两种非线性晶体。KTP晶体电光系统大，非线性系数大，不潮解，允许角度大和允许温度高，走离角小，折射率小，对温度不敏感，机械性能好，导热性能好，化学性能稳定，除了在紫外区不透明外，是一种特性优良的晶体。LBO晶体透明范围宽，甚至可以达到紫外波段，非线性系数较大，允许角大，损伤阈值高，不潮解，机械性能好。在选择合适的倍频晶体和选频手段后，561nm激光器可获得较高的转化效率，获得高功率的激光输出。 近年来国内外已有很多关于通过腔内倍频获得561nm激光输出的报道。2008年，E. Räikkönen，O. Kimmelma等人，使用2.5 W的激光二极管抽运Nd:YAG，获得1123nm谱线振荡，再使用KTP晶体进行腔外倍频，得到脉冲频率为12 kHz的，平均功率为55 mW、波长为561nm的激光输出 [ 17 ] 。2011年，何艳艳，夏丹青等人采用半导体模块作为泵浦源，在泵浦功率为50 W得到了6.3 W的1123nm激光输出。使用KTP晶体腔内倍频，采用镀选择性介质膜的方式，对1064nm、946nm和1318nm激光进行抑制，最终得到了3.5 W的561nm黄激光连续输出 [ 18 ] 。 Table 1 Comparison of laser performance of the Nd:YAG at the main laser transitio λ / nm 跃迁 相对性能 1064 R 2 →Y 3 100 1318 R 2 →X 1 34 1112 R 2 →Y 6 49 1116 R 1 →Y 5 46 1123 R 1 →Y 6 40 表1. Nd:YAG的主要几条谱线的相对性能比较 2012年，崔锦江，檀慧明等人采用半导体抽运腔内倍频的方法，通过选择允许角度和允许温度较小的倍频晶体，通过调整晶体放置位置，采用LD端面泵浦，当泵浦功率为13.5 W，通过设计了合理的谐振腔膜系，使增益较大的1064，1319和946nm谱线的振荡被抑制，得到了1.41 W的561 nm单谱线输出，光–光转换效率为10.5% [ 19 ] 。2013年，Jing Gao，Xianjin Dai等人报道了一种连续腔内倍频561nm激光器，采用标准具和特殊的膜系设计，实现了1123nm单谱线运转，在吸收泵浦功率为21.8 W时，得到最大输出2.3 W，光光转换效率为10.6% [ 20 ] 。2013年，邵志强，高兰兰等人利用激光二极管端面抽运Nd:YAG晶体，LBO非线性晶体采用一类相位匹配切割，对1123nm基频光倍频的方法，得到561nm激光输出如图4所示，在抽运功率为5 W时的最大输出功率为123 mW，此时的光–光转换效率为2.46% [ 21 ] 。 2017年，马刚飞，姚文明等人利用LD抽运Nd:YAG晶体，实验装置如图5所示，得到1123 nm基频光，通过LBO晶体腔内倍频得到561 nm输出 [ 22 ] 。 在泵浦功率为5 W时，实现了561 nm激光单波长输出，输出功率达到107 mW，此时561 nm激光功率在5 min内不稳定度为0.7%，如图6所示。
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user: 4. 结束语 波长在550~600 nm范围的黄绿光可以应用于军工、通讯、信息存储、医疗美容、生物医学、食品药品检测、大气遥感等方面。军事上黄光激光可用于空间目标的探测与识别。本文对全固态激光器的发展进行了简单的介绍，并对561 nm激光器的基本原理及几种常用元件的性能进行了分析，并对561 nm激光器的研究进展进行了回顾。虽然LD泵浦的全固态561 nm激光器因其结构紧凑、重量轻等优点逐渐成 图4. LBO晶体倍频的561 nm输出谱线 图5. 实验装置原理图 图6. 5 min内稳定性测试 为激光器领域的研究热点，但输出激光的稳定性和光束质量，在一定程度上限制了其应用，所以如何采取更好的方法平衡各参数指标、并且提高激光的光束质量和稳定性，将是下一步的研究重点。
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user: 摘 要 随着各式各样遥感仪器空间分辨率、光谱分辨率的不断提高，监测森林状况的遥感影像数据量会随着时间的积累而急剧増长。传统的遥感影像数据存储系统一般都采用SAN(存储区域网络)架构，面对当前日益増长的遥感影像数据，系统在存储方面存在存储效率较低，扩展性较差，扩展成本较高等问题。要解决这些问题，最好的方式就是将遥感影像数据的集中式管理模式转变为分布式管理模式。本文基于上述问题，以Hadoop平台为基础，以气象数据的分布式计算为目的，研究气象遥感数据的分块策略。实验采用对HDF数据按行分割的分块策略进行实验，并存储与HDFS之上，并通过实验结果得到数据分块后的存储效率更高的结论。 关键词 :Hadoop，存储区域网络，分块策略 Copyright © 2018 by author and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 由于我国卫星遥感技术日渐成熟，遥感影像数据已经广泛应用到生态、国防建设、社会服务等各行各业之中。我国各类遥感卫星的研制和发射已经进入了一个快速的发展期。据相关报道，我国卫星在轨运行总量超过了俄罗斯，在轨卫星总量跃居世界第二。为保护我国自然生态资源的可持续发展，我国将目前所研究的先进的卫星遥感技术，计算机技术应用于生态环境建设中。其中，林火监测是生态环境建设中非常重要的一部分。 目前大部分林火监测的数管平台中对于影像文件的管理方式是文件系统和数据库混合方式，影像文件存放在数据库外的文件系统中，数据库管理相应的元数据，同时记录影像的外部管理路径 [ 1 ] 。这种方式虽然保持了文件系统的读取效率，但也存在很多不足之处，不适宜进行分布式处理。同时，随着遥感技术的不断发展，气象卫星每天通过拍摄所产生的数据量越来越多，这些巨量的数据带来了存储、管理、处理与分析上的难题。如影像数据的存储速度受限，扩展成本高。具体如下： 1) 时效性问题：随着卫星的覆盖范围面越来越广，拍摄的精度越来越高，使得每天获得的遥感影像数据量非常庞大。传统的集中式管理方式对数据的存储和处理的时间大大增加。而在林火监测中，为了能更加快速处理即时发生的状况，对于数据处理的时效性要求越来越高，传统的遥感影像数据单机串行的处理方式已经达不到目前对于时效性的要求。我们需要找到一种并行的存储与处理方式，使得同样的遥感影像数据经过切分后存储在不同的存储节点上，并在相应节点上进行并行处理，从而缩短存储与处理数据的时间，满足当前林火监测对于时效性的要求。 2) 多源异构遥感数据管理问题：随着卫星应用范围越来越广，发射的卫星数量和种类不断增加，同时，卫星上载荷的种类也在不断增加，例如气象卫星(如风云三号卫星)的有效载荷包括可见光红外，微波湿度计，微波温度计，紫外臭氧垂直探测仪和中分辨率光谱成像仪等。这些载荷产生的数据的数据格式不同，元数据不同，处理方法也不同，这些不同加剧了气象遥感数据管理的复杂性。为了更好的对多源异构遥感影像数据进行统一的管理，需要研究较为通用的遥感影像存储组织方式，实现对多星多载荷遥感影像数据进行一体化管理。 3) 成本问题：随着遥感数据量的增加，数据存储所需要的存储设备的容量也需要扩大。传统的集中式管理模式采用盘阵进行存储，对数据的处理通过后台服务器完成。因为这些设备价格昂贵，扩容成本太高，所以需要找到更加廉价的方式来解决遥感影像数据量急剧增大导致的扩容问题。 本文以Hadoop的HDFS分布式文件系统作为气象数据的分布式存储平台，建立原型系统，研究分布式环境下气象遥感影像数据的划分及分块策略，并设计相应实验。
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user: 2. 基于Hadoop的气象遥感数据存储框架 2.1. Hadoop介绍 Hadoop是Apache Lucene创始人Dong Cutting所创建，Lucene是一个应用广泛的文本搜索系统库。Hadoop起源于开源的网络搜索引擎Apache Nutch，Nutch本身也是Lucene项目的一部分 [ 2 ] 。Hadoop主要包括Hadoop Common，Avro，Hbase，Chukwa，Hive，Pig，MapReduce，HDFS，ZooKeeper等组件。 2.2. 气象数据分布式存储平台框架 HDFS是Hadoop中提供高吞吐量的分布式文件系统，是GFS(谷歌文件系统)的开源实现，是分布式计算的底层。HDFS 具有高容错的特点，可以部署在相对便宜的硬件设施上，并且提供高吞吐量的数据读写。同时，HDFS通过增加数据节点来达到扩容和加快数据处理的目的。HDFS属于传统的层次文件组织结构，可以实现文件的删除、重命名、创建等操作。HDFS架构由一组特定的节点构建而成，其中包括NameNode、DataNode和Secendary NameNode节点。本文以HDFS为分布式存储平台，将气象数据存储于HDFS上，平台框架如图1所示。 图1. HDFS存储架构图 其中，NameNode负责管理HDFS的空间名称和数据块映射信息，配置备份副本策略及响应客户端请求；DataNode主要存储实际的气象数据，并提交存储信息给NameNode节点；Secendary NameNode辅助NameNode并分担其工作量，在紧急情况下可辅助恢复NameNode，或者替代NameNode继续工作。
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user: 3. 气象数据分块研究 3.1. 气象数据分块策略研究 MapReduce是Google公司为解决大规模Web网页数据快速搜索而提出的一种分布式计算框架，Doug Cutting在这个基础上，使用Java语言实现MapReduce框架，并运行在由大量普通计算机组成的Hadoop集群中，能够对海量数据以高容错并且可靠的方式进行分布式计算。与传统分布式模型相比，开发人员只需熟悉MapReduce提供的分布执行接口，即使没有分布式开发经验也能够比较容易的编写计算程序。 MapReduce编程模型的核心是Map和Reduce函数，其运行思路为Map函数接受并处理来自HDFS或其他数据源的数据分片，并将处理之后的数据组织成中间键–值对格式。其中，键相同的键-值对将会被划分至同一个Reduce函数中进行处理。通过将Map和Reduce任务分发给各计算节点，从而实现大规模数据集的高并发处理。 遥感影像应用的基础是遥感影像存储与管理，在不同遥感影像应用中，遥感影像存储与管理方式具有较大的差异性，因此对当前遥感影像应用现状进行深入研究是很有必要的。将遥感影像数据按使用目的划分，可分为遥感影像数据共享服务、遥感影像地图服务及其他遥感影像应用(如森林灾害)。由于MapReduce (Hadoop分布式数据处理模型)移动计算的特点，并且MapReduce是一种应对数据密集型计算的编程模型，因此合理的划分数据和设计数据模型是提高MapReduce应用程序效率的最好方法，从而最大限度的提升整个分布式计算的效率 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 。 结合上述分析，我们首先以遥感影像地图服务为例，遥感影像通常采用分层分片的方式进行存储管理，瓦片大小决定HDFS中数据块的读取效率。如果对于遥感影像数据共享服务，主要只是为了提供数据查询和下载服务，并不会对存储的数据做修改，在这种情况下，则无需对原始数据做更多处理，只需要将数据采用默认的HDFS存储方式直接存储到HDFS中即可。对于需要通过MapReduce来提升计算效率的影像数据而言，需要通过不同的数据划分方式来提升系统的分布式计算性能。 3.2. 基于HDFS的气象数据分块算法 本文主要涉及的是气象数据，目的是为了对存储在HDFS上的气象数据进行分布式计算，提高处理速度。因为气象数据一般以HDF格式存储，故接下来研究HDF格式的遥感数据存储算法 [ 6 ] 。HDF的最新版本是HDF5，本文研究的气象数据都是HDF5格式，HDF5只有两种基本结构：组(group)和数据集(dataset)，组包含0个或多个数据集。HDF5 的物理结构如图2所示。 对于气象数据，一般包括三个组：全局文件组，私有文件组和科学数据集。为了更好的对气象数据进行分布式计算，需要对HDFS默认的分块方式以及保存格式进行修改，使得分块后的文件是HDF格式存储的小文件，并且文件大小与HDFS设置的分块大小相等。因为MapReduce是以块进行处理的，所以将气象数据分成默认块大小可以提高计算效率。通过对全局文件组和私有文件组的部分属性修改，并对科学数据集采用按行分割的方式将HDF文件根据需要分成若干个HDF小文件，达到分块的目的。分块的算法可以通过HDFS提供的接口和HDF库接口实现。通过HDF库函数调取HDF文件中各个属性字段对应的数组，采用按行分割的方式对数组进行分块。利用HDFS的FSDataInputStream类获取分块后的文件，并通过write函数写入到HDFS之中。分块后文件按照HDFS默认的方式存储在各个DataNode节点上，文件信息保存于NameNode中。 图2. HDF5结构图
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user: 4. 实验测试与分析 4.1. 硬件环境 单机組采用的测试机是内存4GB，硬盘空间为500 g的硬件配置，在CentOS系统环境下运行，后台与服务器相连。并行组采用Hadoop集群方式，采用服务器虚拟机的方式，在虚拟机上设置7台同样配置的计算机节点，构建一个Hadoop集群的环境，分配其中两个节点分别作为主NameNode和备用NameNode，另外5个节点作为DataNode。 4.2. 软件环境 单机与服务器虚拟机上的操作系统均为CentOS-7-x86_64-DVD-1503-01，Eclipse版本为eclipse-jeemars-1-win32-x86_64，JDK为64位jdk-7u79-linux-x64.tar.gz。集群上Hadoop版本为2.7.3。 4.3. Hadoop集群环境搭建 1) 安装centOS7，使用的是CentOS-7-x86_64-DVD-1503-01.iso镜像，安装时选择工作站服务器模式，选择需要的软件包进行安装。 2) 安装java运行环境。首先是卸载系统自动安装的openJDK卸载OpenJDK： 3) 新建Hadoop账户用户和组均为Hadoop，密码为Hadoop，home目录为/Hadoop。 [root@dn3 ~]# useradd -d /home/Hadoop Hadoop 4) 设置ssh无密码登陆 5) 修改core-site.xml 6) 修改HDFS-site.xml 7) 修改mepred-site.xml 8) 安装zookeeper软件 9) 集群启动 启动zookeeper [Hadoop@nn1 ~]$ /home/Hadoop/zookeeper/bin/zkServer.sh start 10) 启动所有Hadoop服务 [Hadoop@sbin]./start-all.sh 11) 启动名称节点 将nn1状态改为active [Hadoop@nn1~]$ /home/Hadoop/Hadoop-2.7.3/sbin/Hadoop-daemon.sh start zkfc 至此配置完成，在浏览器中打开172.16.3.111：5070，查看HDFS集群状况。 4.4. 实验结果 本文实验数据采用的是FY-3D红外高光谱大气探测仪L1数据和风云三号B星微波湿度计冰水厚度指数反演数据所构造的仿真数据，文件大小约900 M，约25 G。通过对上述数据进行单机文件存储以及集群文件存储的对比，并记录了相应的存储时间，如表1和表2所示(由于数据量比较大，故每一项只测试了三次，取平均值)。 4.5. 实验结果分析 可以看出，集群存储的速度总的来说是优于单机存储的(最少提速22.9%，最快可以提高123.2%)。因为多个节点可以同时进行存储。分块大小对存储速度影响不大，但是分块越大，磁盘寻址消耗时间越小(磁盘寻址消耗时间大约为10 ms)。随着节点增多，数据的存储速度加快，通过表格可以知道节点增多，存储速度的上升率在降低，最终会趋于交换机的最大速度(除去所以损耗和其他工作进程消耗后的速度)。 Table 1 Single machine storage spee 文件大小 平均存储时间 平均存储速度 25 G 14 min 21 s 29.07 MB/s 表1. 单机存储速度 Table 2 Cluster storage spee 文件大小 分块大小 存储节点个数 平均存储时间 平均存储速度 25 G 64 M 5 11 min 37 s 35.73 MB/s 25 G 64 M 6 9 min 57 s 41.87 MB/s 25 G 64 M 7 8 min 18 s 50.20 MB/s 25 G 64 M 10 7 min 11 s 57.87 MB/s 25 G 128 M 5 11 min 20 s 36.77 MB/s 25 G 128 M 6 9 min 50 s 42.34 MB/s 25 G 128 M 7 8 min 08 s 50.99 MB/s 25 G 128 M 10 7 min 01 s 59.50 MB/s 25 G 256 M 5 11 min 12 s 37.20 MB/s 25 G 256 M 6 9 min 45 s 42.73 MB/s 25 G 256 M 7 8 min 02 s 52.08 MB/s 25 G 256 M 10 6 min 48 s 61.20 MB/s 表2. 集群存储速度 实际应用中，数据应该存在多个节点上，可以尽可能大的利用并行分布式所达到的效率，分块上来说应该具体根据所存文件大小而定，毕竟速率的影响不大，此时更要考虑网络稳定的问题。如果分块过大，在网络不稳定的情况下，更容易出现传输错误。
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user: 5. 结论 本文通过对Hadoop框架的学习，了解Hadoop的源码知识，利用实验室的服务器以及测试机完成Hadoop集群的搭建。同时，研究HDF气象数据的数据格式，并对数据进行分块，为后续分布式处理打下基础。最后，完成气象数据分块存储与单机存储的速度对比实验，并得到数据在分布式存储集群上存储效率更高的结论。
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user: 摘 要 GaAs作为重要的III-V族半导体材料，具有直接带隙和高载流子迁移率，且具有良好的抗辐照能力，是制备空间器件的重要候选材料之一。当半导体器件在空间工作时，会受到复杂的空间粒子辐照的影响，导致器件性能下降，可靠性降低，寿命受限，因此，研究GaAs材料的辐照效应损伤具有重要意义。本文综述了不同粒子材料对GaAs材料及器件的辐照损伤效应的研究进展，阐述了不同粒子辐照源对GaAs材料结构及发光特性的影响，对GaAs材料在空间环境中的进一步应用具有实际意义。 关键词 :GaAs，辐照损伤，电子辐照，质子辐照，离子辐照 Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 GaAs作为第二代半导体材料的典型代表，其具有直接带隙(1.42 eV)、高载流子迁移率等特点(8500 cm 2 /vs) [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] ，是制备光电子器件的重要的材料，在太阳能电池、探测器等方面有广泛的应用。同时，GaAs材料具有良好的抗辐照能力 [ 4 ] [ 5 ] ，是制备空间器件的重要候选材料之一。 然而，当半导体器件在空间中工作时，会受到太空中各种辐射粒子的照射，如空间带电粒子、空间中性粒子以及空间X射线等 [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] 。粒子辐照会与材料原子发生相互作用，导致材料在力学位移及组织成分与结构上的变化。同时，材料的辐照损伤会因辐射粒子种类、能量、材料性质的不同而发生变化 [ 9 ] [ 10 ] 。因此，研究粒子对GaAs材料的辐照损伤直接关系着其光电器件在空间技术中应用的稳定性和寿命。本文分别综述了电子辐照、质子辐照及离子辐照对GaAs材料及器件性质的影响，为推进GaAs材料在空间环境中的进一步应用具有实际意义。
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user: 3. 结论与展望 本文从不同的空间辐照环境出发，阐述了不同粒子材料对GaAs材料及器件的辐照损伤效应，发现GaAs受高能粒子辐照时，会产生辐照损伤，在材料内部产生深能级缺陷，降低GaAs材料的发光性能及载流子寿命，降低太阳能电池效率。但是，不同的粒子诱导的辐照损伤会有差别，其中质子辐照损伤会高于电子辐照损伤，而离子辐照损伤会高于质子辐照损伤，这是因为不同粒子具有不同的静止质量，因而具有不同的能量。了解不同粒子对GaAs材料的辐照效应，对推进GaAs材料在空间领域的进一步应用有重要的实际意义。 目前，电子和质子辐照在GaAs材料中所引入的缺陷已得到证实，可离子辐照对于GaAs材料的辐照 图9. 氪离子辐照样品的拉曼光谱：(a) 氪离子辐照P型GaAs的拉曼光谱；(b) 氪离子辐照N型GaAs的拉曼光谱；(c) N型、P型和本征未掺杂GaAs LO声子峰峰位偏移随辐照损伤的变化 [ 26 ] 损伤尚不完备。已有的GaAs材料的离子辐照效应研究侧重于简单的性能分析，对于引入缺陷的指认尚不完全。为进一步推进GaAs材料在空间器件中的应用，应采用光致发光光谱和深能级瞬态谱等有效手段进一步研究GaAs材料的离子辐照效应。