Design of the Coordinate Transformation Function for Cylindrical Acoustic Cloaks with a Quantity of Discrete Layers

Acoustic cloak based on coordinate transformation is of great topical interest and has promise in potential appli- cations such as sound transparency and insulation. The frequency response of acoustic cloaks with a quantity of discrete homogeneous layers is analyzed by the acoustic scattering theory. The effect of coordinate transforma- tion function on the acoustic total scattering cross section is discussed to achieve low scattering with only a few layers of anisotropic metamaterials. Also, the physics of acoustic wave interaction with the interfaces between the discrete layers inside the cloak shell is discussed. These results provide a better way of designing a multilayered acoustic cloak with fewer layers.     

注入电流对绿光高压LED光电特性的影响

设计并制备了12 V 的GaN基绿光高压发光二极管（LED）,并对其进行了变电流测试。研究了绿光高压LED的正向电压、峰值波长、光功率以及光效等重要参数随注入电流的变化关系,电流变化范围为3~50 mA,测试温度为25 ℃。实验结果表明：电流对绿光高压LED的光电特性有很大影响。在驱动电流为20 mA时,对应电压为14 V。随着注入电流的增大,峰值波长蓝移了2 nm。随着电流的增大,光功率近似于线性增加。在注入电流从3 mA增大到20 mA的过程中,光效降低了约61%;在注入电流从20 mA增大到50 mA的过程中,光效降低了约39%。这说明高压LED在大电流驱动时,光效降低的幅度比较缓慢。上述结果对 GaN基绿光高压 LED 的改进优化具有一定的参考价值。     

基于椭圆对数极坐标变换的尺度变化目标跟踪算法

针对传统对数极坐标变换局限于跟踪圆形或类圆形尺度变化目标这一问题,提出一种基于椭圆对数极坐标变换域下目标匹配的尺度变化目标跟踪算法。算法利用Mean Shift进行空间定位,确定目标的形心,通过椭圆对数极坐标变换域中目标和候选的最大相关匹配系数来确定目标的尺度参数。实验结果表明:该文算法在目标小形变和光照变化条件下,跟踪误差较小,尺度跟踪准确率更高,具有较好的鲁棒性。     

基于LIBS技术的水泥粉末在线成分分析

在工业现场生产水泥的过程中，各种成分的含量直接影响着水泥的质量，因此如何快速准确地监测水泥中各个成分的含量意义重大。采用的实验方式为，将不经过任何预处理的水泥粉末直接放入位于二维移动平台上的物料盒中，通过激光诱导击穿光谱(LIBS)直接对水泥粉末表面的不同位置进行激发检测，对得到的光谱数据首先进行归一化和主成分分析等预处理操作，然后针对水泥中Ca, Si, Al, Fe, Mg五种元素，分别建立偏最小二乘(PLS)和支持向量回归(SVR)两种定量分析模型进行方法比较。此外，对比了粉末状水泥与压片式水泥两种测量方式的结果。实验结果表明，采用粉末状水泥直接测量的方式下，针对水泥样品元素浓度与所得到的光谱中特征线强度的关系，SVR方法比PLS方法更具优势，粉末状水泥直接测量的精度接近压片式测量的精度，说明LIBS技术对水泥粉末状样品直接在线测量具有可行性。     

基于毛竹叶片理化参数的刚竹毒蛾危害检测研究

虫害检测算法研究是开展虫害快速、准确监测,制定精准森防检疫措施的重要基础。以毛竹叶片为研究尺度,基于刚竹毒蛾危害下的寄主外部形态与内部生理现象总结,选择并实测叶损量LL、相对叶绿素含量RCC、相对含水量RWC、原始光谱的733.66~898.56 nm值(ρ_{733.66~898.56})、一阶微分光谱的562.95~585.25 nm值(ρ′_{562.95~585.25})与706.18~725.41 nm值(ρ′_{706.18~725.41})等理化参数,随机划分实验组(63组)和验证组(37组)并设计5次重复实验;分别运用Fisher判别分析、BP神经网络、随机森林等三种方法建立刚竹毒蛾危害等级的检测模型,从检测精度、Kappa系数及R2等指标对模型的检测效果予以分析和比较。结果显示,Fisher判别分析、BP神经网络、随机森林的检测精度分别为69.19%,65.41%,83.78%,Kappa系数分别为0.576 9,0.532 4和0.778 8,R2分别为0.722 2,0.582 6和0.870 9,总体而言,三种方法均具备刚竹毒蛾危害的检测能力,随机森林的检测效果最优,Fisher判别分析次之,再次为BP神经网络;从分等级来看,随机森林的检测精度亦优于Fisher判别分析与BP神经网络,但3种方法对中度危害等级的检测精度均有所不足。该成果可为刚竹毒蛾危害及其他病虫害检测算法的选择提供参考,并为进一步建立冠层、遥感影像像元等尺度的虫害检测模型奠定基础。     

高光谱的草本植物水分含量检测模型构建

基于高光谱开展植物水分盈缺检测是当前植物生理学研究的热点。羊茅草是我国北方草坪使用量最大的草本植物之一,其生长对水分需求量大,水分亏缺会使其叶片颜色、纹理、形态等物理特征和组织生理特性发生系列变化。开展基于高光谱的草本植物水分含量检测模型构建,可实现对羊茅草等草本植物水分盈缺状况的快速无损监测,利于全面、可靠的诊断草本植物水分状况并及时采取应对措施,为预测未来气候变化下北方常见草本植物生理响应及变化过程提供重要依据。以北方使用量最大的草本植物--羊茅草为例,采用盆栽控制实验法开展基于高光谱的植物水分含量观测模拟实验研究。实验在恒温恒湿培养箱中进行。经查阅有关文献,该实验共设置空气CO₂浓度(CX)(包括400和700 μmol·mol-1两个梯度)和土壤持水量(WX)(包括：100%田间持水量,40%田间持水量,20%田间持水量三个梯度)两个变量,共六种不同情景;在不同情景条件下,借助ASD Field Spec HandHeld光谱仪于每天10:00-14:00测定羊茅草叶片光谱反射参数,主要包括：光谱反射率(R_i)、一阶导数光谱(Dλ_i)、红边幅值(Dλr)、红边位置(λr)、红谷吸收深度(D)、红边面积(Sr)、光化学反射指数(PRI)、叶绿素指数(Rch)、归一化植被指数(NDVI)、比值植被指数(RVI)、归一化光谱指数(NDSI)、比值光谱指数(RSI)、分形维数(Fd)等。通过采集不同情景下植物光谱反射参数,采用多元线性逐步回归分析、方差分析、数学统计模型构建等多种方法,探讨不同生境条件下羊茅草叶片水分含量与光谱反射率(R_i)、红边幅值(Dλr)、红边面积(Sr)等光谱参数之间的量化关系,筛选出可以用于检测羊茅草水分含量状况的最优光谱特征参数,并构建了基于高光谱的羊茅草水分含量检测模型公式。研究结果表明：归一化植被指数(NDVI)、叶绿素指数(Rch)、分形维数(Fd)与羊茅草叶片含水量之间相关性在99%置信水平上达到极显著水平(p<0.01),且对于不同土壤水分胁迫条件下的羊茅草长势分辨效果较好,是监测羊茅草水分含量的有效参数和最优参数。同时发现,羊茅草叶片水分含量(Y)与诸多光谱特征参数(X)之间具有良好的多元线性关系,拟合得到羊茅草水分含量检测模型公式为：Y=-0.125X_Rch+1.714X_NDVI-0.023X_Fd+0.018,相关系数平方(R2)达到0.89,通过F检验,模型检验达到极显著水平(F=15.588>7.21,p<0.01),说明建立的回归模型具备统计学意义,可以用于羊茅草水分含量检测。为快速便捷且准确无损的监测羊茅草受旱程度,指导大面积草坪灌溉和管理等提供;重要的技术支撑,对于丰富植被水分光谱探测研究具有重要理论与实践意义。     

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。     

基于可见光波段的燃烧与未燃烧矸石分类方法研究

我国煤矿数量众多,分布广泛,大量堆积的煤矸石对矿区环境造成严重影响,其中部分煤矸石处理不当可能引发自燃和爆炸,对矿区安全构成直接威胁。根据煤矸石的燃烧状态可以分为燃烧矸石和未燃烧矸石两类,其存在的安全隐患和对环境的危害性有所不同,同时其综合利用的途径亦不相同。因此,对煤矸石进行燃烧矸石和未燃烧矸石的分类识别与监测就显得尤为重要。目前的监测方法主要为实地勘查调研,其效率低、成本高,难以满足煤矸石监测的实际需求。选择辽宁省铁法矿区作为研究区,首先从矿区矸石山现场采集典型的煤矸石样本106个;然后,利用SVC HR1024光谱仪测试其可见光-近红外光谱,分析燃烧和未燃烧矸石的光谱特征,并基于可见光波段构建光谱指数NDGI,用于识别燃烧矸石和未燃烧矸石。选择实验室测试的光谱数据和实际卫星遥感数据对该指数进行了验证,并与随机森林法进行对比。结果显示：在350～760 nm燃烧矸石光谱曲线斜率整体较高,在550～630 nm反射率存在陡升现象,而未燃烧矸石在整个可见光波段光谱曲线斜率较低;以0.25作为NDGI指数阈值,可以很好地将燃烧矸石和未燃烧矸石区分开来,实验室样本验证结果显示,NDGI指数的分类精度可达99.1%,高于随机森林分类法的95.2%;现场的验证结果表明,使用铁法矿区的landsat8 OLI数据,并基于NDGI指数对矿区内的矸石山进行燃烧和未燃烧区域识别划分,所提取的燃烧和未燃烧矸石在形态和大小上与Google Earth具有很好地一致性,表明该指数对于矸石的燃烧状态具有很好识别效果。在上述研究基础上,分别取燃烧和未燃烧矸石进行矿物鉴定,通过对比矸石燃烧前后矿物种类的变化,分析造成燃烧和未燃烧矸石的光谱特征差异的原因。结果表明：燃烧使矸石中的Fe2+被氧化为Fe3+。Fe3+的大量增加造成光谱曲线在550nm处形成明显的波谷特征,在整个燃烧过程中生成的玻璃质在750nm处形成高反射率,二者综合造成燃烧和未燃烧矸石的NDGI指数差异。研究结果为煤矿区燃烧和未燃烧矸石的区分识别提供了一种快速、高效、较为准确的实用方法。     

考虑水分光谱吸收特征的水稻叶片SPAD预测模型

叶绿素是植被光合作用的重要色素,传统实验室方法测定叶绿素含量需破坏性取样且操作复杂。通过构建高精度SPAD光谱估算模型,可以实现对水稻叶片叶绿素含量的实时无损监测。以黑龙江省不同施氮水平下水稻为研究对象,采用SVC HR768i型光谱辐射仪共获取移栽后、分蘖期、拔节期、孕穗期、抽穗期共五个关键时期水稻叶片反射光谱数据。光谱探测范围350~2 500 nm。利用自带光源型手持叶片光谱探测器直接测定叶片光谱,光源为内置卤素灯。采用SPAD-502型手持式叶绿素仪同步测定水稻叶片的SPAD值。叶片水分是植物光合作用的基本原料,也间接影响着叶绿素含量。叶片含水量降低则会影响植物正常的光合作用,导致其叶绿素含量随之降低。因此将叶绿素敏感波段与水分吸收范围结合作为SPAD估算的输入量。随机森林模型是一个基于多个分类树的算法。算法在采样的过程中包括两个完全随机的过程,一是有放回抽样,可能会得到重复的样本,二是选取自变量是随机的。因此本文对叶片光谱反射率进行去包络线（CR）处理,综合考虑可见光近红外波段提取水稻叶片反射光谱特征参数和植被指数,综合分析光谱指标与SPAD相关关系,采用随机森林算法构建不同输入量的SPAD高光谱估算模型。结果表明: （1）水稻叶片SPAD与光谱反射率的相关系数在叶绿素敏感波段红波段范围（600～690 nm）、红边范围（720~760 nm）、水分吸收波段范围（1 400~1 490和1 900~1 980 nm）均为0.75以上;（2）在光谱参数与SPAD 的相关分析中,NDVI,DP2与水稻叶片SPAD值相关性最好,相关系数为0.811和0.808;（3）以结合水分光谱信息后的CR_{(V1, V2, V3, V4)}为自变量所建立的随机森林模型精度最高,R2为0.715,RMSE为2.646,可作为水稻叶片叶绿素预测模型。研究结果揭示了不同品种水稻的光谱响应机制,提供了水稻叶片SPAD值高精度反演的技术方法,为监测与调控东北地区水稻正常生育进程提供技术支持。     

D介子衰变中的奇异轴矢介子(英文)

目前,奇异轴矢介子的性质并没有被很好地理解,而这类介子是可以在D介子衰变中得到更多的研究。将窄宽近似下的等式关系和强衰变中CP守恒应用到四体衰变D0 → K+K-π+π-中的D0 → K±K₁?（1270）（→ρK or K*π）的实验数据中,可以发现实验数据与理论存在矛盾,然而,当考虑更多K₁（1270）的衰变过程后,可以发现,B（D0 → K-K₁+（1270）（→ K*0π+））的实验数据很可能被高估了一个量级。考虑共振态K₁（1400）的贡献,利用因子化方法计算相应的衰变过程的分支比,可以发现,B（D0 → K-K₁+（1400）（→ K*0π+））的分支比与使用等式关系得到的B（D0 → K-K₁+（1270）（→ K*0π+））的分支比在量级上是相同的。另外,对于含有奇异轴矢介子的D介子衰变实验数据的合理性,实验可以通过测量K₁（1270）→ ρK和K*π分支比的比值来检验,或者通过验证D介子衰变中的等式关系来检验。