1 巢湖学院电子工程学院， 安徽 合肥238000
2 安徽省气象台，安徽 合肥230031
风场对于天气形势的演变和预报至关重要。基于风云四号A星干涉式大气垂直探测仪（GIIRS）中波通道资料和ERA5风场资料，采用LightGBM进行大气三维风场反演研究。首先，构建模型特征变量。GIIRS通道最优选择采用二步特征选择法：（1）建立GIIRS通道黑名单；（2）采用置换特征重要性（Permutation Feature Importance，PFI）方法选择特征变量，在形成通道最优子集的基础上，构建含有时空信息的特征变量。其次，构建基于LightGBM的三维风场反演方法。最后，基于台风“利奇马”期间的GIIRS加密资料开展了LightGBM超参数优化和相关反演试验。结果表明，相对于ERA5风场资料，测试集中风场U和V分量的均方根误差（Root Mean Square Error，RMSE）分别小于1 m/s和15 m/s。本文中的二步特征选择法能够实现GIIRS通道的动态最优选择。
大气风场反演 特征选择 台风“利奇马” FY-4A/GIIRS FY-4A/GIIRS atmospheric wind field retrieval feature selection LightGBM LightGBM Typhoon “Lekima”
广西大学 计算机与电子信息学院, 广西 南宁530004
传统的解析理论设计方案存在计算复杂度高、有限解析解、耗时长等问题。为了解决以上问题，在传统的光器件设计基础上，提出一种依据逆向设计方法的分光比可调的光功率分束器方案。在1.92 μm×1.92 μm的紧凑区域内，引入Ge2Sb2Se4Te1(GSST)相变材料改变器件的折射率分布。利用直接二进制搜索算法搜索GSST晶态和非晶态的最优状态分布。设计实现同一种器件结构，分光比可调的T型光功率分束器。仿真分析了器件的初始结构、分光比、相变材料区域状态分布、制造容差以及光场分布。结果表明：分光比分别为1∶1、1.5∶1、2∶1的3种光功率分束器在波长1530 nm−1560 nm之间的最小相对误差分别为0.004%、0.14%和0.22%，在制造容差范围内传输曲线最大波动分别是0.95 dB、1.21 dB、1.18 dB。该分光器结构紧凑，在光通信和信息处理领域有着较大的应用潜力。
纳米光子系统 光功率分束器 逆向设计 直接二进制搜索 nanophotonic system optical power splitter reverse design direct binary search
1 南方科技大学环境科学与工程学院，广东 深圳518055
2 深圳市城市固体废弃物资源化技术与管理重点实验室，广东 深圳518055
固态胺吸附剂在CO2捕集领域具有广阔应用前景，但其所用基体材料多为有序介孔材料，存在合成工艺复杂、成本昂贵、环境污染严重等问题，制约了固态胺吸附剂的工业化应用。近年来，固废源固态胺吸附剂因基体材料具有潜在的成本优势引起了国内外研究者的广泛关注。本文综述了近年来固废源基体材料在原料选取、基体材料合成和扩孔方面的研究进展，以及固废源固态胺的制备方式、用于CO2捕集过程中吸附性能和循环稳定性的表现。最后，探讨了固废源固态胺吸附剂当前存在的挑战，并对其发展趋势进行了展望。
固废源固态胺吸附剂 二氧化碳捕集 固废源基体材料 吸附性能 循环稳定性 solid waste derived solid amine adsorbents carbon dioxide capture solid waste derived support materials adsorption performance cyclic stability
1 南方科技大学环境科学与工程学院，广东 深圳，518055
2 深圳市城市固体废弃物资源化技术与管理重点实验室，广东 深圳，518055
H2S杂质对固态胺吸附剂吸附CO2性能的干扰机制还缺少全面研究。以Al2O3为载体负载聚乙烯亚胺(PEI)制备铝基固态胺吸附剂(PEI@Al2O3)，系统探究了H2S对其CO2吸附容量、吸附速率和循环吸附性能的影响规律。结果表明：H2S与CO2共存时，会相互抢占吸附剂上的胺基活性位点，从而发生竞争性吸附，但在模拟沼气条件(40% CO2+59.5% CH4+0.5% H2S)下，H2S的吸附竞争力远小于CO2，H2S吸附被抑制，且二者的最佳吸附温度不一致，在CO2最佳吸附温度下，PEI@Al2O3的CO2吸附容量和循环稳定性均不受H2S干扰。
硫化氢杂质 干扰机制 铝基固态胺吸附剂 二氧化碳吸附性能 hydrogen sulfide impurity interference mechanism aluminum-based solid amine adsorbent carbon dioxide adsorption performance
1 北方爆破科技有限公司, 北京 100097
2 中广核铀业发展有限公司, 北京 100029
为探索压渣厚度对电铲铲装效率的影响, 我们在炮孔直径为251 mm, 台阶高度为7.5 m的生产区块爆破中设计了厚度分别为8 m、10 m、12 m和15 m的压渣。通过对爆后电铲铲装效率的统计, 同时分析爆破块度分布及爆堆高度, 确定了最佳的压渣爆破厚度。试验结果显示:当压渣厚度为10 m时, 不同开挖纵深处, 其块度分布均为最佳, 尤其是400~600 mm的块度区间比例最高; 爆堆隆起高度达到12.6 m, 在所有测试中最接近电铲的最佳铲装高度, 此时电铲铲装效率最高; 区块排数对压渣爆破效果有很大影响, 最佳的炮孔排数为10排, 超过10排后, 爆破效果不佳, 电铲铲运效率降低, 在进行多排孔大区块压渣爆破时, 10排之后的爆破参数需要调整; 采用压渣爆破后, 有效作业时间增加了1 h, 矿石贫化率降低了3%, 在湖山铀矿全寿期内累计可以累计创造4.5亿美元的经济效益。该项研究首次将压渣爆破技术推广至多排孔大区块(20~30排)爆破中, 这既符合大型矿山生产的客观需求, 也是设备大型化后的必然趋势。可以使得湖山矿爆破更为精细化的同时, 也可以为国内外类似的矿山爆破提供重要的现场数据。
爆破工程 压渣爆破 铲装效率 块度分布 隆起高度 blasting engineering buffer blasting loading efficiency fragmentation distribution muck pile height
Author Affiliations
Abstract
1 School of Science, Jiangsu Provincial Research Center of Light Industrial Optoelectronic Engineering and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China
2 School of Electronic and Information Engineering, Changshu Institute of Technology, Changshu 215556, China
3 The 38th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Hefei 230000, China
We have fabricated the AlGaN solar-blind ultraviolet metal–semiconductor–metal (MSM) photodetectors (PDs) with an Al composition of 0.55. The surface roughness and dislocations of the high-Al-content epitaxial layer are analyzed by atomic force microscopy and transmission electron microscopy, respectively. The device exhibits high spectral responsivity and external quantum efficiency due to the photoconductive gain effect. The current reveals a strong dependence on high temperatures in the range of 4–10 V. Moreover, the Poole–Frenkel emission model and changing space charge regions are employed to explain the carrier transport and photoconductive gain mechanisms for the AlGaN PD, respectively.
metal–semiconductor–metal solar blindness photodetector Poole–Frenkel emission photoconductive gain Chinese Optics Letters
2021, 19(8): 082504
国际防止船舶造成污染公约(MARPOL)中关于防止船舶垃圾污染的附则V规定, 对含有海洋环境有害的物质(HME)的干燥残留物必须在适当的港口接收设施中排放, 但因费用等因素影响, 很多船只将废弃物直接抛弃于海洋中。 散落于海冰表面的船运铁矿粉会污染海冰品质, 并加速海冰融化, 对海洋环境造成一定的污染。 对铁矿粉污染海冰的光谱反射率特征的研究, 能够为利用光学遥感影像进行海冰品质监测提供数据基础。 通过现场测量覆盖不同面积比例铁矿粉颗粒的海冰和清洁海冰之间光谱特征差异, 为港口附近铁矿粉污染的范围以及沉降量的估算提供参考和依据。 该研究是在渤海海域天然海冰条件下进行的, 获取并分析了不同污染程度的海冰光谱特征, 探讨这些光谱特征与铁矿粉颗粒几何截面积比例的相关性。 为了反演海冰表面铁矿粉面积比例, 利用光谱矢量角余弦值和光谱吸收指数阈值法进行了海冰、 铁矿粉端元提取, 根据混合像元线性解混模型理论, 建立基于特征光谱波段反射率值的海冰表面铁矿粉面积比例反演模型。 所研究海冰表面铁矿粉面积比例分为0 (洁净海冰), 25.8%, 37.2%, 46.1%, 52.1%, 65.1%, 72.5%, 82.3%, 92.3%, 93.1%和100%(纯铁矿粉)等, 数据采集波长范围350~2 500 nm。 结果表明, 利用1 460 nm波段处的吸收指数(SAI)进行海冰和铁矿粉端元提取效果最佳, 反射率与铁矿粉面积在918~1 400, 1 500~1 780和2 250~2 300 nm波段, 相关系数都大于0.90, 86%以上波段范围的反射率与铁矿粉面积的相关系数在0.90以上, 91.75%以上的波段范围相关系数在0.80以上。 选取1 610~1 630 nm波段的平均反射率估算铁矿粉面积比例, 几何截面积较小的误差一般大于几何截面积较大的, 在克服海冰背景反射率的影响下, 比较精确地估算了海冰-铁矿粉像元中铁矿粉颗粒的几何截面积比例, 平均反演精度达到94.23%。
海冰 铁矿粉 光谱 Sea ice Iron ore powder Spectra
1 广东电网有限责任公司珠海供电局, 广东 珠海 519000
2 无锡联河光子技术有限公司, 江苏 无锡 214000
分布式光纤声波传感(DAS)系统中的单模光纤存在双折射现象, 导致光纤输出的光偏振态发生变化, 与参考光偏振状态不匹配从而产生偏振衰落现象。设计了一套基于偏振分集技术的DAS系统, 将瑞利散射光分别与2种状态的偏振参考光相干后进行光/电转换和数据采集, 消除了偏振衰落现象的产生, 从而减少DAS系统的漏、误报率, 大幅提升了系统的实用性。实验结果表明: 在DAS系统中, 采用偏振分集技术可以完全消除光纤沿线由于偏振衰落造成的系统误判, 提高DAS系统报警准确度。
偏振衰落 光纤传感 瑞利散射 衰落噪声 振动检测 polarization fading optical fiber sensing Rayleigh scattering fading noise vibration detection
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
4 中国科学院上海技术物理研究所杭州大江东空间信息技术研究院, 浙江 杭州 311222
赤霉病是小麦的一种主要病害, 它会导致小麦减产甚至绝收, 严重影响小麦种子质量, 此外小麦受侵染分泌的真菌毒素危害人类身体健康。 因此, 小麦赤霉病籽粒的识别具有非常重要的意义。 起初普遍采用色谱法和酶联免疫法进行赤霉病检测, 这些方法设备昂贵、 检测速度慢、 准确性低。 近年来, 高光谱成像技术被广泛应用于农作物的识别与检测中, 但是在小麦赤霉病检测的应用研究中, 大多采用抽样检测的方法, 图像采集完成后需要通过ENVI软件手动选取感兴趣区域。 前期准备工作冗杂, 而且容易发生漏检, 漏检的小麦籽粒在存储运输过程中向周边籽粒快速侵染, 难以保障小麦安全健康。 鉴于此, 利用高光谱成像系统结合机器学习提出了一种用于对大量小麦赤霉病籽粒样本快速可视化识别的算法, 以降低漏检率并提升检测效率。 实验分别采集健康小麦和染病小麦469～1 082 nm波段的高光谱图像, 通过直方图线性拉伸结合图像分割的方法获取小麦样本的掩膜图像信息。 利用Savitzky-Golay平滑去噪法与标准正态变量变换法(SNV)进行数据预处理, 通过主成分分析法(PCA)和连续投影法(SPA)进行特征变量提取, 筛选特征变量个数分别为4个和8个。 在掩膜图像位置采集健康小麦样本与染病小麦样本各400份, 其中75%用于建模集, 25%用于测试集。 采用十折交叉验证法结合线性判别分析法(LDA) 、 K-近邻算法(KNN)、 支持向量机(SVM)分别建立分类模型, 测试集准确率都达到90%以上。 随后比较了网格法(GRID)、 粒子群算法(PSO)、 遗传算法(GA)三种核参数寻优方法对SVM模型的影响, 其中, SG-SPA-SVM(PSO)模型分类效果最优, 建模集准确率为95.5%, 均方根误差为0.212 1, 测试集准确率为98%, 均方根误差为0.141 4。 基于样本点预测的基础之上, 对掩膜获得所有小麦样本的光谱曲线进行预测并将识别结果反馈回掩膜中再进行伪彩色显示, 实现染病籽粒可视化识别。 结果表明, 高光谱成像结合SG-SPA-SVM(PSO)算法建立的分类模型可以高效快速、 准确无损、 可视化的实现小麦赤霉病籽粒识别, 为研制小麦赤霉病自动识别设备提供了算法基础。
高光谱成像 小麦 赤霉病 主成分分析 连续投影法 支持向量机 Hyperspectral Wheat Fusarium head blight Principal component analysis Successive projections algorithm Support vector machine 光谱学与光谱分析
2019, 39(11): 3540
1 中国科学院空间主动光电重点实验室, 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
2 中国科学院大学, 北京 100049
城市地表水是城市生态环境的重要组成部分, 地表水环境高光谱遥感是高光谱遥感的重要应用方向, 水体提取是地表水环境高光谱遥感的第一步, 其主要任务是从高光谱遥感数据中提取地表水水体轮廓。 基于光谱指数的水体提取方法充分利用光谱信息, 计算简单, 实现容易, 提取效果优异。 归一化植被指数(NDVI)、 归一化水体指数(NDWI)、 高光谱差异化水体指数(HDWI)和基于指数的水体指数(IWI)等光谱指数已经广泛应用于湖泊、 大江大河等开阔水体提取。 近些年来, 随着成像光谱技术的发展, 高光谱遥感数据的获取能力也突飞猛进, 空间分辨率和光谱分辨率不断提高。 与江河湖基本在流域内沿地形分布不同, 城市地表水一般细小, 纵横交错, 形成河网。 在高光谱遥感数据用于城市体表水提取时, 其面临的图像空间分辨率、 地物类型和地物复杂等, 与江河湖水体提取有很大不同。 因此, 需要对这些常用的光谱指数在城市地表水提取中的适宜性进行评价。 以此做为出发点和目标, 以河网密布的江南水乡中国浙江省嘉兴市为研究对象, 以应用型航空成像光谱仪(Airborne imaging spectrometer for applications, AISA)获取的高空间分辨率机载高光谱遥感数据为数据源, 通过Youden指数确定最佳阈值, 将总体分类精度、 错分误差、 漏分误差、 Kappa系数作为衡量指标, 分析评价了NDVI, NDWI, HDWI和IWI 4种光谱指数在城市河网提取中的适宜性。 结果表明, 阴影与水体光谱变化趋势类似, 是造成水体提取过程中高错分误差的主要因素。 四种指数都可以准确抑制落在植被中的阴影, 但无法有效抑制落在建筑物中的阴影。 HDWI虽然可以在一定程度上抑制建筑物中的阴影, 但是无法有效地抑制亮建筑物背景。 通过对不同类型水体和阴影(笼罩下地物)光谱的进一步分析, 虽然水体和阴影光谱曲线变化趋势相似, 均在560～600 nm附近存在波峰, 但是水体和阴影波峰高度存在差异, 水体波峰值较大而阴影波峰值较低。 因此, 通过充分挖掘水体和阴影在560～600 nm处光谱反射信息, 有望进一步抑制建筑物阴影, 提高城市河网水体提取精度。
城市河网水体 高光谱水体提取 光谱指数 适宜性分析 Urban river network Hyperspectral water body extraction Spectral index Suitability analysis 光谱学与光谱分析
2019, 39(11): 3482
