微介孔材料物理吸附准确性分析的理论与实践

比表面积和孔径分布是表征催化剂和材料物理性质的基本参数,随着材料研究的日益广泛和深入,研究工作者对该参数的科学性和准确性要求日益提高. 但是,比表面积和孔径分布的分析方法—物理吸附法,长期以来被看作一种测量方法,其准确性并不为人们所关注,在实际工作中对其的理解存在着大量的误区. 本文从仪器硬件设计、实验操作及数据处理三方面对物理吸附法所涉及的准确度进行了探讨.     

一种提高生物体拉曼光谱痕量测量精度的方法

微量物质拉曼光谱测量精度的提高是拉曼分析技术的难点之一,特别是高荧光背景下生物体中微量物质的测量。根据拉曼谱峰突发、离散特点,分别给出荧光背景和噪声拟合函数,通过监测总体拟合偏差A类不确定度函数实现拉曼谱峰定位和干扰信号滤波;进一步根据谱峰位置划分光谱区间,在单调区间内弱化非谱峰信号,实现谱峰信号增强。与其他光谱处理方法比较,可以准确拆分重叠特征峰,不会降低特征峰高度,提供更加灵敏的半谱峰面积指标。实验表明,该方法在处理皮肤拉曼光谱时,可以准确得到螺旋构象的酰胺I带、神经酰胺和CO的归属拉曼谱峰;另外经过该方法处理后数据建立水溶性糖(水稻叶片)含量测量模型,其精度优于小波分解、多项式拟合和非线性最小二乘法。     

结合光谱变换和Kennard-Stone算法的水稻土全氮光谱估算模型校正集构建策略研究

土壤组分光谱估算过程中校正样本集的构建会影响模型的预测精度。当前结合反射光谱和Kennard-Stone (KS)算法的校正样本集构建策略忽视了土壤反射光谱是土壤属性的综合反映,构建的样本集通常无法很好地代表目标土壤组分的变异。光谱变换方法可以突出目标组分的光谱特征,为此,本文以湖北省江汉平原滨湖地区水稻土为研究对象,结合包括一阶微分(FD)、Savitzky-Golay(SG)、Haar小波变换、标准正态变量变换(SNV)和多元散射校正(MSC)在内的光谱变换方法和KS算法进行校正样本集建构,通过对比不同样本集构建策略对使用偏最小二乘回归(PLSR)建立的土壤全氮含量光谱估算模型预测精度的影响,研究光谱变换是否有助于提高基于KS算法构建的校正样本集的代表性。结果表明：不同光谱变换会影响校正样本集的构建。反射光谱经过SG或Haar小波变换后,再使用KS算法构建校正样本集与直接基于反射光谱使用KS算法构建的校正样本集相同,建立的估算模型精度不变,相对分析误差(RPD)分别为1.41和1.27。结合FD,SNV或MSC变换和KS算法构建的校正集与基于反射光谱使用KS算法构建的校正集不同,建立的估算模型RPD分别从0.95,1.48和1.42提高到1.13、1.78和2.20。研究表明SNV和MSC等光谱变换方法可以提高基于KS算法构建的校正样本集的代表性,并可有效提高模型预测精度。     

透射边界条件在波动谱元模拟中的实现:一维波动

多次透射公式(multi-transmitting formula,MTF)是一种具有普适性的局部人工边界条件,但其在近场波动数值模拟中一般与有限元法结合.由于波动谱元模拟的数值格式与有限元格式有极大的不同,传统的MTF在谱元离散格式中无法直接实现.为了使物理概念清楚、精度可控的多次透射人工边界条件能够适应波动谱元模拟的需求,首先指出多次透射边界与谱元离散格式结合的基本问题,并分析了空间内插和时间内插两种方案的可行性.然后从空间内插角度出发,提出基于拉格朗日多项式插值模式的MTF谱元格式,并采用一种简单内插方法实现高阶MTF.最后通过一维波动数值试验检验这些MTF谱元格式的精度,并讨论其数值稳定性.结果表明:对于一、二阶MTF,几种格式的精度相当;对于三、四阶MTF,基于谱单元位移模式插值的格式精度最高.相反,随着插值多项式阶次的升高,不同MTF格式的稳定临界值逐步降低,但是所有格式均在人工波速大大超过物理波速时才可能发生失稳.     

Accuracy design of ultra-low residual reflection coatings for laser optics

Refractive index inhomogeneity is one of the important characteristics of optical coating material, which is one of the key factors to produce loss to the ultra-low residual reflection coatings except using the refractive index inhomogeneity to obtain gradient-index coating. In the normal structure of antireflection coatings for center wavelength at 532 nm, the physical thicknesses of layer H and layer L are 22.18 nm and 118.86 nm, respectively. The residual reflectance caused by refractive index inhomogeneity(the degree of inhomogeneous is between -0.2 and 0.2) is about 200 ppm, and the minimum reflectivity wavelength is between 528.2 nm and 535.2 nm. A new numerical method adding the refractive index inhomogeneity to the spectra calculation was proposed to design the laser antireflection coatings, which can achieve the design of antireflection coatings with ppm residual reflection by adjusting physical thickness of the couple layers. When the degree of refractive index inhomogeneity of the layer H and layer L is-0.08 and 0.05 respectively, the residual reflectance increase from zero to 0.0769% at 532 nm. According to the above accuracy numerical method, if layer H physical thickness increases by 1.30 nm and layer L decrease by 4.50 nm, residual reflectance of thin film will achieve to 2.06 ppm. When the degree of refractive index inhomogeneity of the layer H and layer L is 0.08 and -0.05 respectively, the residual reflectance increase from zero to 0.0784% at 532 nm. The residual reflectance of designed thin film can be reduced to 0.8 ppm by decreasing the layer H of 1.55 nm while increasing the layer L of 4.94 nm.     

基于逐行处理的高光谱遥感异常快速检测方法

针对基于逐像元处理的因果实时异常(Causal Real-time Relationship Reed-X Detector,CR-RRXD)检测算法计算量大,以及基于逐像元方式边检测边成像显示的时间过长而不能满足快速处理要求的缺陷,提出了一种基于逐行处理的CR-R-RXD检测算法.与基于逐像元处理的CR-R-RXD检测算法相比,该方法将高光谱图像整行像元向量作为输入,即处理一行高光谱数据只需计算一次,极大地减少了计算次数.实验结果表明,与R-RXD和基于逐像元处理的CR-R-RXD算法相比,本文算法可在获得与R-RXD算法几乎相同的检测准确度的情况下,实现快速实时处理,其检测准确度相较于基于逐像元处理的CR-R-RXD算法有所提高,且算法检测时间大大缩短,增强了算法的时效性.     

Application of central differencing and low‐dissipation weights in a weighted compact nonlinear scheme

This paper proposes WCNS‐CU‐Z, a weighted compact nonlinear scheme, that incorporates adapted central difference and low‐dissipative weights together with concepts of the adaptive central‐upwind sixth‐order weighted essentially non‐oscillatory scheme (WENO‐CU) and WENO‐Z schemes. The newly developed WCNS‐CU‐Z is a high‐resolution scheme, because interpolation of this scheme employs a central stencil constructed by upwind and downwind stencils. The smoothness indicator of the downwind stencil is calculated using the entire central stencil, and the downwind stencil is stopped around the discontinuity for stability. Moreover, interpolation of the sixth‐order WCNS‐CU‐Z exhibits sufficient accuracy in the smooth region through use of low‐dissipative weights. The sixth‐order WCNS‐CU‐Zs are implemented with a robust linear difference formulation (R‐WCNS‐CU6‐Z), and the resolution and robustness of this scheme were evaluated. These evaluations showed that R‐WCNS‐CU6‐Z is capable of achieving a higher resolution than the seventh‐order classical robust weighted compact nonlinear scheme and can provide a crisp result in terms of discontinuity. Among the schemes tested, R‐WCNS‐CU6‐Z has been shown to be robust, and variable interpolation type R‐WCNS‐CU6‐Z (R‐WCNS‐CU6‐Z‐V) provides a stable computation by modifying the first‐order interpolation when negative density or negative pressure arises after nonlinear interpolation. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

数字图像相关方法若干关键问题研究进展

本文报道了作者及其所在课题组近期在数字图像相关(DIC)测量方法上取得的重要研究进展。主要包括:(1)通过对DIC方法中反向组合高斯-牛顿算法的理论误差分析,提出了新的理论误差公式,进一步证明了反向组合高斯-牛顿算法在提高计算速度和测量精度方面的综合优势;(2)采用提出的理论误差公式,发展了数字散斑场的优化及制作方法,保证了测量结果的一致性和正确性;(3)基于相机阵列和图像拼接技术,发展了超分辨率数字图像相关方法,大大提高了DIC测量方法的应变测量分辨率;(4)提出了大视场条件下的三维系统标定方法,实现了三维测量系统的外参实时标定和多相机测量系统中相机位姿的自动矫正;(5)研制了便携式原位三维测量仪和多尺度DIC测量系统,实现了三维实时数字图像相关测量,进一步满足了DIC方法在工业在线检测和医学领域中的应用需求。     

实用化拉曼光谱水下温度遥测系统研究

海水水下温度测量对研究海洋环境和气候监测及自然灾害的早期预报等十分重要。利用蓝绿激光在海水中良好的透射性,拉曼光谱技术可应用于大面积海水水下温度的快速遥感监测。但目前能够实现现场连续水温监测功能的实用化拉曼光谱水温遥测系统还尚未见报道。研制了实用化低成本的拉曼光谱水下温度遥测系统,开发了光谱实时采集和数据处理软件。数据处理中结合了面阵CCD的空间累加与时间积分及本底扣除算法,有效增强了拉曼光谱的信噪比和光谱系统的探测灵敏度。为了提高实际测温精度,以短波段拉曼谱的面积(S_HB)与长波段拉曼谱的面积(S_NHB)之比作为光谱信标与水温建立关系,研究了测温精度与光谱积分范围和拟合阶次的关系。实验测量了五百多组不同水温的拉曼光谱,分别选用比值S_HB/S_NHB和S_NHB/S_HB与水温进行线性拟合和二阶多项式拟合。研究结果显示,分界波长对面积比值变化范围影响很大,而拟合阶次对面积比与温度的拟合关系的准确度影响很大,两者最终都影响水温测量误差。为了更客观地反应不同面积比法、分界波长和拟合阶次对水温测量误差的影响,分析了温度测量误差与不同分界波长的关系。结果显示,温度测量误差受分界波长影响较小,受面积比法和拟合阶次影响较大;相同情况下2阶多项式拟合结果优于相应的线性拟合结果;而采用比值S_HB/S_NHB与水温进行线性拟合时测温精度较高,且拟合参数易于调整。进一步研究了不同面积比方法和分界波长对系统抗干扰性能的影响。研究结果显示,比值S_HB/S_NHB法抗干扰能力随分界波长减小而减小,而比值S_NHB/S_HB法抗干扰能力随分界波长减小而增大。上述研究结果提高了温度反演算法参数设置的合理性和拉曼散射系统测温精度及系统抗干扰能力。综合考虑上述研究结果,数据处理中设定649.3 nm作为分界波长计算拉曼光谱面积比S_HB/S_NHB与水温进行线性拟合。最后通过实验检验了拉曼光谱水下温度遥测系统的连续实时测温能力和测温精度。结果显示,拉曼光谱系统测温值与高精度同步温度传感器测量温度一致,最大测温误差为±0.5 ℃,测温误差的标准差约0.21 ℃。     

基于Adaptive Elastic Net方法的近红外光谱建模技术

当近红外光谱信息远远大于样本量时,对光谱信息进行自动变量选择进而建立光谱与微量成分含量之间的稀疏线性模型重要且具有挑战性。针对聚苯醚生产过程中微量成分邻甲酚难以测量的问题,将变量选择方法Adaptive Elastic Net用于建立近红外光谱与邻甲酚含量之间的定量校正模型,并将其模型性能与ElasticNet方法进行对比。在变量数目远远大于样本量的情形下,ElasticNet方法虽可以实现变量选择,但由于其系数估计不具备Oracle性质,使得模型的可解释性和预测精度受到影响,而Adaptive Elastic Net方法通过对L1惩罚项施加自适应权重从而很好的解决了上述问题并提高了模型性能。为了验证Adaptive Elastic Net方法的模型性能指标,用最终被选中的自变量数目来评价模型复杂度;利用复相关系数R2来评价模型的可解释性,利用平均相对预测误差MRPE(mean relative prediction error)和预测相关系数R_p来评价模型的预测精度。Elastic Net方法建立的模型性能指标为：NSIV=529,R2=0.96, MRPE=3.22％, R_p=0.97; Adaptive Elastic Net方法的性能指标为：NSIV=139, R2=0.99, MRPE=2.00％, R_p=0.99。结果表明：Adaptive Elastic Net所建立模型的性能指标优于Elastic Net方法,可以得到更加简单且具有较强可解释性和较高预测精度的稀疏线性模型。