太赫兹光谱技术用于干旱胁迫下大豆冠层含水量检测研究

近年来水资源短缺问题日益严重,部分地区由于农业灌溉用水不足导致庄稼减产农民利益受损。大豆是一种需水量较大的农作物,一旦水分亏缺将直接影响大豆植株的形态和生长发育,从而造成大豆品质降低和产量减少。大豆叶片的水分状况可真实地反映植株水分受土壤水分亏缺的影响程度,因此,大豆冠层叶片水分含量的快速获取成为一种需要。太赫兹辐射在水中的强烈衰减使其成为一种非常灵敏的非接触式探针,可以快速、无损地检测叶片含水量。因此基于太赫兹光谱这一新技术进行大豆冠层叶片含水量的检测研究,用于实时监测田间大豆的健康状况。实验选用中黄13号大豆进行栽培,为尽可能模拟田间不同程度的干旱胁迫状况,将开花期大豆进行5个不同梯度：正常供水、轻度干旱胁迫、中度干旱胁迫、重度干旱胁迫、严重干旱胁迫(分别占田间最大持水量的80%,65%,50%,35%,20%)的水分灌溉,每个梯度设置3个重复。利用人工称重法与便携式土壤水分速测仪结合将土壤含水量调控到各水分梯度要求。然后,将实验大豆植株运回实验室并利用透射式太赫兹时域光谱仪进行样本扫描,每个梯度采集18片冠层叶片,共90个样本,以2∶1的比例分为校正集和预测集。在获取各样本时域光谱数据后,根据Dorney和Duvillaret提出的模型进行了光学参数的提取,得到各样本的吸收系数谱以及折射率谱。定性分析了太赫兹时域光谱、吸收系数、折射率随水分胁迫程度不同的变化情况。实验发现：随着水分胁迫程度的降低,时域光谱的峰值呈不断衰减趋势,且均低于空白参考峰值,同时有明显的时间延迟。吸收系数值随干旱胁迫程度的加剧逐渐降低;折射率值同样随干旱胁迫程度的加剧逐渐降低。并利用偏最小二乘(PLS)和多元线性回归(MLR)方法定量研究了时域光谱、吸收系数、折射率光谱数据与叶片含水率的相关关系。结果表明,太赫兹波对大豆叶片水分差异十分敏感,基于时域光谱最大值和最小值的MLR预测精度最高,预测集相关性(r_p)达-0.939 3,均方根误差(RMSEP)为0.049 5。研究表明太赫兹光谱技术应用于大豆冠层叶片含水量观测具有良好的可行性,为开展大豆冠层含水量信息快速获取,实现科学节水管理与灌溉决策提供了新的检测手段和实验依据。     

基于拉曼光谱的PE膜包装食用农产品品质检测误差的校正方法

透明保鲜膜包装以其方便、经济、卫生的特点被广泛应用于超市卖场及日常生活中,却也给食品农产品的检测增加了难度,所以急需一种能够隔透明薄膜无损检测农产品的方法。叶绿素是影响黄瓜品质的重要因素之一,该研究主要探讨了拉曼技术检测黄瓜品质时,食品保鲜膜层数对叶绿素特征峰的影响,并通过对菠菜、油菜和芹菜对得出的结论进行验证。采用点检测拉曼光谱系统,采集无保鲜膜包装以及多层包装下黄瓜的拉曼光谱。拉曼信号经Savitzky-Golay(SG) 5点平滑和自适应迭代惩罚最小二乘法扣除荧光背景,探究不同层数(1~6层)的PE保鲜膜对黄瓜叶绿素特征峰的影响。采集被保鲜膜覆盖的黄瓜的拉曼信号并处理,即可建立叶绿素的特征峰(1 158和1 528 cm-1)减少值与保鲜膜层数之间的变化规律,并对规律的预测效果进行评价。随着保鲜膜层数的增加,透明包装层数与黄瓜叶绿素特征峰强度之间呈现良好的线性相关关系。提取出单层透明包装对叶绿素在1 158和1 528 cm-1处特征峰强度的降低值分别为81.4和103.1,分别占未加保鲜膜时叶绿素特征峰强度值的7.98%和8.56%,多组验证结果的相关系数达到0.95以上,验证的相关系数达到0.94。随着样品浓度增高,线性递减效果越明显。作为验证,通过透明保鲜膜检测菠菜、油菜和芹菜叶片中的叶绿素表明,每加一层膜叶绿素在1 158和1 528 cm-1处的特征峰强度会比覆膜前分别降低7.9%～8.6%和8.1%～8.6%;导致检测信号强度呈线性降低是由于保鲜膜使激发光分散不聚焦导致,保鲜膜成分对检测结果无影响。该研究为拉曼光谱隔透明包装检测拉曼光谱特征峰强度,进而获得农产品品质信息提供了一种新的分析方法。     

几种常见树种叶片光谱秋季变化特征分析

叶片随着时间生长产生变化,其光谱特征也会发生变化。研究相同树种叶片不同时间条件下的光谱变化规律以及不同树种叶片相同时间条件下的光谱特征,不仅为植被叶片光谱随时间变化的规律研究提供理论基础,也是高光谱遥感精确识别植被信息的关键。选取北京市10种常见树种,利用地物光谱仪观测各树种不同时间叶片光谱,同时将观测的光谱进行一阶微分处理和典型波段分析,对比相同时间不同树种叶片光谱的差异,分析相同树种不同时间的光谱变化规律,探索不同时相条件下高光谱遥感识别树种的有效波段。结果表明：不同树种叶片光谱均随时间的改变而产生显著变化,但差异规律各不相同;不同树种相同时间叶片光谱在部分波段存在显著差异,为高精度树种识别提供了理论依据和叶片基础光谱数据。     

重金属铅离子胁迫下玉米叶片光谱弱差信息的DSAT甄别模型

光谱间微弱信息测度是当今高光谱遥感研究难点之一,传统光谱测度方法难以区分光谱信息的微弱差异。研究设计了不同浓度的铅(Pb)污染实验,并测量了不同浓度铅离子(Pb2+)胁迫下玉米叶片的高光谱反射率、叶绿素含量及Pb2+含量,但是从所测结果得出,不同浓度Pb2+胁迫下的光谱相似性相关系数均达到0.999,难以区分不同浓度Pb2+胁迫引发的光谱间微弱信息差异和污染程度。针对这一情况,基于光谱微分处理、正切函数增强、光谱角量度与波谱分段检测等,提出了一种新型的相似光谱测度方法,即微分光谱角正切(derivative spectral angle tangent,DSAT)法。为了验证DSAT在区分相关系数达0.99以上相似光谱的可行性和有效性,将DSAT用于不同浓度Pb2+胁迫玉米叶片的整体波形与光谱区间子波形的信息差异性度量与检测。实验结果得到,波形差异信息与玉米叶片中叶绿素相对浓度与Pb2+含量显著相关。进而也证明DSAT法在甄别较高相似性光谱间差异上具有更好的实用性和优越性。     

基于BPLT模型的小麦叶片背景扣除方法的研究

为准确且无损测定小麦叶片的反射光谱,研究了不同背景对叶片表面反射光谱的影响,在400～1 000 nm波段范围测定了小麦叶片8种背景下的反射光谱以及叶绿素含量。以PLATE模型为基础,首次提出了BPLT(background plate)模型,扣除由不同背景导致的叶片反射光谱的变化。模型以背景下叶片的反射率R₀,不同背景反射率σ为输入,空气和致密叶片的界面反射比R₁₂,致密叶片和空气的界面反射比R₂₁,致密叶片的透射系数τ三参数中间变量,得到最终无背景时叶片反射率R值的2-3-1模型。采用方差分析法(analysis of variance, ANOVA)进行了BPLT模型验证,对比分析了背景扣除前后10种叶绿素指数值的变化。结果表明,当反演的确定系数DC(determination coefficients)>0.90且残差平方和SSE<1时,反演的灵敏度较高,对小麦叶片不同叶绿素浓度的背景扣除有着较好的效果;采用BPLT模型背景扣除后,背景因素所占的百分比低于5%;优选了NDI&MCARI的函数关系,NDI&MCARI的斜率和叶绿素浓度的R2由背景扣除前的0.847 4提高到背景扣除后的0.977 8。为真实测定不同背景下小麦叶片的反射光谱提供了依据。     

非轴对称端壁与弯叶片联合造型方法及应用

本文采用改进的侧偏余弦函数作为造型基函数,使用Beier样条曲线控制造型参数沿轴向的变化规律,构造了一套叶栅非轴对称端壁造型系统。并在此基础上,进一步加入对三维叶型积叠规律的控制,将弯叶片造型方法和非轴对称端壁造型系统整合成非轴对称端壁与三维叶片积叠联合造型系统。将该造型系统与商业优化软件iSIGHT集成,采用模拟退火算法对某两级透平的第一级静叶进行了气动优化设计,优化目标为气动效率最高。优化后绝热效率增加了约0.43%,流量增加了约2.1%。优化结果表明非轴对称端壁与三维积叠的联合造型方法能够在单一造型方案的基础上进一步提高叶栅的气动效率。     

叶片多角度偏振光谱特性影响因素的实验研究

通过测量绿萝、银杏、苹果三种叶片的多角度偏振光谱,采用斯托克斯矢量法计算了叶片的多角度光谱偏振度,并通过PROSPECT模型反演得到叶片的叶绿素、水分含量,进而分析了叶绿素、水分含量对叶片多角度光谱偏振度的影响,探索了观测几何条件与不同波段叶片偏振度间的关系。结果表明,相对于近红外波段,红光波段的偏振度受叶绿素含量变化的影响较小,而水分含量对这两个波段的偏振度基本均无明显影响。在反映叶片偏振度随观测几何变化方面,近红外波段较另外两个波段有着更好的敏感性和稳定性,但其偏振度值较另外两个波段偏小。     

基于叶片光学属性的作物叶片水分含量反演模型研究

叶片含水量是反映作物生理特性的一个重要参数, 对生态环境的研究具有重要意义。采用小波分析方法, 分析叶片含水量对反射率的影响特征, 建立综合利用多波段信息的作物叶片水分含量反演模型。基于PROSPECT模型的辐射传输理论, 推导出由叶片反射率光谱的小波系数反演叶片水分含量CW的理论模型。利用六种常用的小波函数, 对叶片组分水、干物质和白化基本层的吸收光谱进行小波分解。选取对水分变化最敏感, 同时对其他组分不敏感的分解尺度和波段位置, 找到能稳定突出水的光谱特征的小波系数。结果表明: bior1.5小波函数在尺度为200 nm, 波段位置为1 405和1 488 nm的小波系数具有上述特征。建立由叶片反射率光谱的bior1.5小波系数反演叶片水分含量CW的反演模型, 模型有两个转换系数a和Δ都受叶片结构参数N的影响。利用PROSPECT模型生成模拟光谱数据集, 校正建立的叶片水分含量反演模型中的两个转换系数a和Δ, 并与LOPEX93实验光谱数据集结合验证反演模型。结果表明: 反演模型不仅比传统基于植被指数的统计模型在精度上有提高(反演值与实测值的R2最高达到0.987), 而且更加稳定, 普适性更高。研究表明, 小波分析方法在利用高光谱数据反演作物叶片水分含量方面具有独特的优势。     

超声速转子叶片非定常引射器流场特性数值模拟

采用计算流体力学方法,结合适当的边界条件,对超声速转子叶片非定常引射器进行了模拟。从结果可以看出:此类引射器内流态复杂,主气流出口斜激波干扰现象明显,叶片设计参数对引射器性能影响很大。叶片尾部的膨胀波有效诱导了被引射气流,在短距离内增强了气流混合,湍流效应对引射器性能的影响较小;叶片可维持自旋转,提升叶片转速可增强引射效率。最后,对引射器内的流动机理进行了探讨。     

Transient simulation of a pump-turbine with misaligned guide vanes during turbine model start-up

Experimental studies of a model pump-turbine S-curve characteristics and its improvement by misaligned guide vanes （MGV） were extended to prototype pump turbine through 3-D transient flow simulations. The unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes equations with the SST turbulence model were used to model the transient flow within the entire flow passage of a reversible pump-turbine with and without misaligned guide vanes during turbine model start-up. The unstable S-curve and its improvement by using misaligned guide vane were verified by model test and simulation. The transient flow calculations were used to clarify the variations of pressure pulse and internal flow behavior in the entire flow passage. The use of misaligned guide vanes can eliminate the S-curve characteristics of a pump-turbine, and can significantly increase the pressure pulse amplitude in the entire flow passage and the runner radial forces during start-up. The MGV only decreased the pulse amplitude on the guide vane suction side when the rotating speed was less than 50% rated speed. The hydraulic reason is that the MGV dramatically changed the flow patterns inside the entire flow passage, and destroyed the symmetry of the flow distribution inside the guide vane and runner.