空化可压缩流动空穴溃灭激波特性研究

为深入研究空化可压缩流动中空泡/空泡团溃灭过程中激波产生、传播及其与空穴相互作用规律,本文采用数值模拟方法对空化可压缩流动空穴溃灭激波特性展开了研究.数值计算基于OpenFOAM开源程序,综合考虑蒸汽相和液相的压缩性,通过在原无相变两相可压缩求解器的控制方程中耦合模拟空化汽液相间质量交换的源项,实现了对空化流动的非定常可压缩计算.利用上述考虑汽/液相可压缩性的空化流动求解器,对周期性云状空化流动进行了数值模拟,并重点研究了空穴溃灭激波特性.结果表明:上述数值计算方法可以准确捕捉到空穴非定常演化过程及大尺度脱落空泡云团溃灭激波现象,大尺度脱落空泡云团溃灭过程分为3个阶段:(1) U型空泡团形成; (2) U型空泡团头部溃灭; (3) U型空泡团腿部溃灭.在U 型空泡团腿部溃灭瞬间,观察到激波产生,并向上游和下游传播,向上游传播的激波与空穴相互作用,导致水翼吸力面新生的附着型片状空穴回缩,直至完全溃灭.并且空穴溃灭激波存在回弹现象, 抑制了下一周期的空化发展.      

可获得高分辨率谱线信息的新型太阳极紫外成像仪

极紫外光谱观测和诊断是研究太阳大气基本物理过程的最重要手段之一。但因为波长短，很多可见光仪器的设计方案不再适用，且极紫外观测只能在太空中开展。国际上现有卫星上的太阳极紫外成像仪和光谱仪都有各自的不足，比如极紫外成像仪不能获得高光谱分辨率的谱线信息；狭缝式光谱仪通过扫描可得到活动区域的信息，但扫描时间过长，对于研究剧烈变化的太阳活动有很大的局限性。这些不足制约了对日冕物质抛射(CME)和耀斑等太阳活动的高精度观测及对其机理的研究：无法看到CME在内日冕的加速过程，而且无法将可见光看到的CME现象同极紫外看到的日面源区直接联系；缺少观测目标的视向速度信息，难以识别CME的触发过程。采用多级衍射成像方式的一种新型太阳极紫外成像仪，除实现传统极紫外成像仪功能外，还可以在太阳活动变化过程中同步获得全日面各区域的光谱信息。新型成像仪可以得到高光谱分辨率数据，用于反演低日冕的等离子体视向速度，获得全日面的速度分布，与同时得到的高空间分辨率图像相结合，可以识别太阳活动现象对应的物质运动, 为空间科学研究提供数据；因为没有狭缝和运动部件，可以实现对大视场的太阳活动区域的高时间分辨率成像，有利于捕捉日面活动的快速变化。新型成像仪采用无狭缝光谱分光成像的设计理念，即同一时间把一定光谱带宽的信息记录到一个二维的图像上，此过程可以看成是从某一个角度将空间和光谱数据立方体投影到一个面上，然后再利用反演得到空间分辨图像和光谱信息。多级光谱成像的光学设计与传统光谱仪最大的不同是其不存在逐行扫描的狭缝，这使得其能够同时获得大视场内太阳的空间信息和光谱信息。因为极紫外波段的特殊性，以及本仪器面向卫星遥感应用，不可能像可见光波段或者医用CT机一样实现很多衍射级的同时成像。因此，新型极紫外成像仪光学系统由反射镜、色散光栅和五个探测器组成，入射的太阳极紫外辐射经过光栅色散后分别由五个级次的探测器接收，其中四个探测器分部接收±1和±2衍射级图像，另外一个接收0级图像。空间信息可以直接从0级图像得到，而光谱信息则需要根据五个级次成像的反演结果得出。介绍了光学系统的设计以及反演算法，并分析了反演算法的误差。光路基于变间距光栅设计，可实现空间分辨率1.8 arcsec·pixel-1, 光谱分辨率7.8×10-3 nm·pixel-1，同时减小了体积和重量，适合空间应用。     

基于真实情境的深度学习——以研究木耳中铁含量为例

教师创设研究木耳中铁含量的课题，引导学生充分利用已经学习过的铁单质、铁的氧化、铁的检验等知识及溶解、过滤等实验技能，通过在真实背景下自觉地进行研究并解决问题，在实践中学习新知识和新方法，将课本上的浅表性知识批判性吸收，有效提升学生对知识的理解与应用能力。     

行车环境下钢轨轮廓激光条纹中心的提取方法

研究了行车环境下激光条纹图像中心线快速、准确且可靠的提取方法。基于ENet深度学习模型实现了激光条纹的多区段快速分割;通过统计各区段内光条梯度方向的直方图来确定各分段光条的法线主方向,并构造了相应的方向模板;利用分区域多模板匹配的灰度重心法实现了光条中心的亚像素坐标提取。研究结果表明,该方法可以有效克服室外行车环境中各类干扰信息对光条中心提取的影响,单幅钢轨轮廓图像的光条提取时间仅为2.1 ms,误差均值约为0.082 pixel,标准差为0.047 pixel,兼顾了光条中心提取的时效性和准确率。     

基于单目视觉的机械臂目标定位系统设计

在筒子纱染色的工业生产中,获取机械臂及纱杆锁扣的相对位置实现机械臂的精确定位和抓取目标是染色过程的关键技术。设计了基于单目视觉的机械臂目标定位及光学测量系统,通过单目光学成像的方式实时获取锁扣目标的图像,结合图像分析算法解算出目标空间位置以及目标与机械臂的相对位置。利用OPC通讯技术,将目标的空间位置信息传输给机械臂控制模块并控制机械臂的运动实现目标的抓取。通过现场实验,机械臂定位系统的定位误差在2mm范围内。     

1.6μm相干激光测风雷达的速度标定研究

介绍了相干激光测风雷达系统中用转盘进行速度标定的方法,在实验室搭建了激光雷达速度标定装置。采用1.645μm种子注入单频脉冲激光器,在激光中心频率相对种子光移频量约62MHz、转盘直径300mm、转盘速度-47.12～47.12m/s可调、激光出射方向和转盘线速度方向夹角为36°时,采用相干探测的方法测出了多普勒频移并反演出了测量速度;数据处理过程中分别采用最大值频谱估计法和频谱对齐法计算多普勒频移和转盘速度。实验结果显示,频谱对齐法相对于最大值频谱估计法能够提高36.3%的测速精度,因此在激光雷达测风系统中采用频谱对齐法相对于常用的最大值频谱估计法测量的风速精度更高,这对提高相干激光雷达测风的风速精度提供了实验依据和参考标准,验证了频谱对齐法在激光雷达测风的数据处理中的可行性。     

基于高光谱分析的玉米叶片氮含量分层诊断研究

为了明确不同生育时期进行玉米氮素营养诊断的叶片层位，建立准确稳健的玉米氮素营养诊断模型，以达到合理追施氮肥，提高氮肥利用率的目的。试验采用单因素盆栽试验设计，以玉米（郑单958）为研究对象，应用高光谱技术，分析了不同氮营养水平下不同生育时期不同层位玉米叶片的氮含量分布和变化规律及光谱响应特征；并依据叶片氮含量与光谱反射率的相关关系，叶片氮含量与全波段(400～2 000 nm)任意两两波段组合构建的比值光谱指数(RSI)的回归关系，初步确定了不同生育时期进行氮素营养高光谱诊断的目标叶片，筛选出最优的比值光谱指数，建立了叶片氮素含量估算模型。结果表明：玉米叶片氮含量：上层>中层>下层；随着玉米的生长，在低氮条件下上层叶片氮含量呈先减少后增加（追肥）再减少趋势，在高氮条件下呈减少趋势，中下层叶片氮含量呈递减趋势。六叶期下层玉米叶片光谱反射率敏感范围较大，相关性较强；九叶期和灌浆期上层玉米叶片的光谱反射率敏感范围较广，相关性较强；开花吐丝期中层叶片的光谱反射率敏感范围较大，相关性较强。六叶期选取下层叶作为诊断目标叶，选取最佳比值光谱指数RSI(1 811, 1 842)建立线性估算模型，九叶期和灌浆期选取上层叶片作为诊断目标叶，选取的最佳比值光谱指数分别为RSI(720, 557)，RSI(600, 511)建立线性估算模型，开花吐丝期选取中层叶片作为诊断目标叶，选取比值光谱指数RSI(688, 644)建立线性估算模型。研究结果可为快速准确地利用光谱技术进行玉米叶片氮素营养诊断提供理论依据。