高光谱技术可提供近乎连续的地物光谱曲线, 对土壤组分定量反演具有极大的潜力。 针对受污染土壤, 通过综合分析实验室测定的土壤镉（Cd）含量和同期获取的高光谱数据, 提出了一种基于深度森林2021（Deep Forest 2021, DF21）算法的高光谱土壤Cd含量反演模型。 采用原始光谱数据（OS）和其经主成分分析（PCA）降维处理后的数据作为模型输入参数, 分别构建了基于原始光谱数据的DF21（OS-DF21）模型和基于PCA降维数据的DF21（PCA-DF21）模型。 随后, 基于相同训练样本, OS-DF21和PCA-DF21分别建立了土壤Cd含量和输入参量之间的关系, 并据此对检验样本土壤Cd含量进行了定量反演和对比分析。 选取决定系数（R2）、 均方根误差（RMSE）和相对分析误差（RPD）对模型反演性能进行了评估。 分析结果表明: OS-DF21模型反演精度最佳, 其R2、 RMSE和RPD分别可达0.873、 0.120和2.892。 相比而言, PCA降维处理虽可降低光谱数据的冗余度, 但PCA-DF21模型的预测能力有所下降。 尽管如此, PCA-DF21模型仍表现出较好的土壤Cd含量反演能力, 其R2、 RMSE和RPD分别为0.779, 0.159和2.190。 因此, DF21算法可作为研究区及类似环境区域的土壤重金属快速勘测的补充手段。

双液浆在富水环境中长期服役极易受到水溶蚀作用而力学性能大幅衰减。本文研究了配合比参数、养护制度对双液浆力学性能的影响,并结合多种微观分析手段,揭示了富水环境下双液浆性能衰减的作用机制。结果表明: 10%、15%(质量分数)低含水率砂层中养护有利于早期强度发展,但后期强度逐渐衰减,而25%(质量分数)高含水率砂层中试块早期强度相比15%(质量分数)含水率砂层中试块降低了23.5%,但后期水溶蚀作用被大幅削弱,220 d抗压强度较90 d增加了15%; 标准养护条件加速双液浆力学性能的劣化,试块强度分别较水中养护、绝湿养护降低了80.6%和91.0%; 双液浆力学性能发展主要受水化反应及水溶蚀作用控制,早期阶段由水化反应主导,后期阶段由水溶蚀作用主导,力学性能的演变本质是两种效应相互叠加的结果; 在富水环境中长期养护,基体外侧水化产物不断向外迁移溶出,在试块外层形成多孔结构包覆层,并成为内部结构中钠、硅酸根离子及水化产物的迁移通道,导致力学性能持续劣化。

随着工业互联网(II)、大数据(BD)、人工智能(AI)、云计算(CC)等新一代信息技术(new IT)的迅猛发展，设计的数字化、网络化、智能化特征日益显著，其中最为瞩目的是依托数据网络构建起的智能制造(smart manufacturing)。我国作为制造业大国，拥有数目可观的中小型制造企业，工程设计不单单是依靠经验与已有图纸进行翻版更新，更是对工程实体的全新定义以及数字化赋予工作，因此伴随而来的是技术与设计理念的全新交互。设计工作的发展经历过纸面绘图、计算机CAD画图的“旧时代”，在新技术革命的引领下也迎来了新的时代。智能制造与数字化逻辑关系的正确建立成为解决此问题的关键。数字化工厂是实现智能制造的基本条件，工厂数字化是智能制造实现的核心引擎，构建真正的工厂数字化建设方案成为首要研究对象。

由于长期暴露在阳光、雨水、高低温等自然环境下，硅橡胶复合绝缘子的使用性能和工作寿命会下降，严重威胁了输电线路的安全稳定运行。因此，提高硅橡胶的耐老化性对于加强户外硅橡胶复合绝缘子的可靠性和延长使用寿命具有重要意义。飞秒脉冲激光能够在硅橡胶表面制备出稳定的超疏水状态，为了进一步研究该表面的耐老化性能，使用氙灯老化试验箱对样品进行700 h的加速老化实验。结果表明，超疏水表面的接触角从163°下降到150°左右，表明超疏水硅橡胶具有优异的耐老化性能。检测结果表明硅橡胶表面在老化过程中所产生的亲水性羟基是导致其表面疏水性下降的主要原因。进一步采用一种简单有效的热处理方法使其疏水性快速得到恢复。在200 ℃的加热环境中可以使老化后的样品表面接触角从150°恢复到163°左右，同时表面滚动角恢复到3°左右。该研究结果为增强硅橡胶在工作环境中的使用性能提供了理论指导，并在延长硅橡胶的使用寿命方面提供了一种新的手段。

土壤重金属污染对人类健康造成了极大的威胁, 如何快速摸清土壤污染情况尤为重要。 高光谱遥感具备光谱分辨率高, 快速无损等优势, 使其在土壤组分反演方面具有巨大的潜力。 针对高光谱信息冗余及光谱变换对土壤镉（Cd）含量估算的影响进行分析, 并利用变换前后的高光谱数据对比研究了不同高光谱模型对土壤Cd含量反演的性能。 首先利用等离子体质谱法和FieldSpec4地物光谱仪收集了56组土壤样品的Cd含量和对应的高光谱曲线（350～2 500 nm）; 为了弱化光谱测定中光亮变化和土壤表面凹凸对实验结果的影响, 研究对高光谱数据进行倒数对数预处理; 考虑到高光谱数据中存在大量的信息冗余, 研究采用了主成分分析（PCA）对高光谱数据进行降维处理并最终保留了前12个主成分量作为特征变量。 针对高光谱反演模型, 研究选择了偏最小二乘（PLSR）、 支持向量机（SVM）、 人工神经网络（ANN）和随机森林（RF）四种回归模型建立PCA主成分与Cd含量之间的关系; 最后, 研究选取了决定系数（R2）、 均方根误差（RMSE）和RPD三种精度评估指标评估回归模型的拟合精度, 结果表明针对光谱采用PCA波段降维的方法处理后, 选取的12个主成分对变化前后的光谱累计贡献率均达到99.99%, 作为模型的输入变量, 四种模型均具有一定的预测能力。 无论光谱变换与否, PCA-RF反演模型的预测能力均为最好（R2分别为0.856和0.855, RPD均高达3.39）。 利用PCA对高光谱数据降维处理可以有效降低高光谱数据冗余, 有力的保证模型的预测能力。 以PCA筛选出的主成分量可以作为模型极好的输入变量, 以RF为基础的高光谱反演模型在反演土壤Cd含量时具有最佳效果, 可为该区域及类似地区的土壤重金属污染物反演提供新的方法支撑。

针对纳秒激光刻蚀硅橡胶表面产生的浸润性变化现象,采用分形理论对其表面微结构的形成及浸润性的转变过程进行了研究。当输入的激光能量密度较低时,硅橡胶表面发生局部的热解,生成了具有高自相似性的大小颗粒复合状态的粗糙结构,其表面的分形维数提升而疏水性能略有增加。随着激光能量密度增加,硅橡胶上的大颗粒进一步热解至微纳米尺度的小颗粒,其表面分形维数降低,此时液滴只与表面的微纳小颗粒凸面相接触,由此形成了超疏水表面;随着激光能量密度进一步提高,累积的热效应使表面形成了板状结构和沟壑,导致其粗糙度的增大。当激光能量的输入与硅橡胶表面热解达到平衡时,其表面的粗糙结构和分形特征不再发生明显变化,由此形成了具有较高自相似性的稳定超疏水表面。研究结果对于快速制备超疏水硅橡胶表面及调控其表面微结构具有良好的指导意义。

激光诱导击穿光谱(LIBS)作为一种元素快速分析手段, 具有无需样品预处理、 实时在线、 非接触、 多元素同时探测等诸多优点, 已在多个领域获得应用。 搭建了一套可实现环形扫描探测的LIBS光谱探测系统, 通过探测结果获得元素分布情况, 进而实现元素高浓度区域反演, 为环境异常情况监测、 污染源追踪甚至矿藏勘察提供一种有效的快速实时分析方法。 该系统运行过程中不需要整体移动, 只通过旋转部分光学器件即可完成360°全方位的快速扫描与探测, 进而以所采集到的光谱强度获知不同扫描角度下的元素分布情况, 用于反演元素高浓度区域的具体方位, 达到源头位置判定的目的。 为验证所提出的LIBS环形扫描设想, 评估所搭建系统的探测能力, 实验中以海水为探测样品制备富含K, Ca, Na和Mg的喷雾模拟污染源喷发情况, 通过标志性元素Na的LIBS光谱强度增长作为目标寻源的主要依据, 以每10°为间隔对360°范围内的元素情况进行了扫描探测。 实验结果显示该系统能够较为准确地反演出目标源头的具体方位, 但需要进行必要的探测结果校正。 校正过程具体包括“信号浮动校正”和“探测效率校正”两个方面, 前者用于降低LIBS探测过程中信号的不稳定性, 主要通过选用内标元素进行信号波动的校正; 后者则是减小探测过程中安装调试误差, 以环境中均匀分布元素的探测结果完成各扫描位置的光谱采集效率修正。 经过校正后的环形扫描数据显示, 搭建的系统不仅在大扫描半径(250, 300 mm)下能够准确获得“喷发源”位置外, 还能够在离喷发位置较远、 短扫描半径下(100 mm)明确元素高浓度区域的具体方位。 因此, 提出的这种适用于LIBS技术的环形扫描探测的硬件结构, 实验验证了该结构能够实现近似“雷达”的扫描分析, 通过元素光谱信号强度反馈用以实现目标具体方位的判断, 进而达到目标寻源的分析目的。

海洋微藻研究对海洋环境监测以及生物资源利用有着重要意义, 显微共焦拉曼光谱作为一种非标记、 快速检测技术已在生命领域获得广泛应用。现阶段, 商业化显微共焦拉曼仪器在微生物研究领域占据主导, 但由于体积庞大、工作环境要求严格等因素, 很难开展微藻细胞的现场检测与分析。因此, 将微型 光纤光谱仪引入微藻“单细胞”的检测, 自主研发了一套小型显微共焦拉曼系统, 尝试低成本开发微 生物分析设备。整个系统基于微型光纤光谱仪实现了硬件的一体化小型设计(L750 mm×W350 mm×H410 mm), 具备光谱探测、显微成像、光镊捕获功能。通过四种典型微藻(中肋骨条藻、微拟球藻、东海原甲藻及小藻)的检测验证, 成功识别了“单个活体细胞”内的蛋白质、脂类、糖原、核酸等多种细胞组分, 相应的结果经过主成分分析 (Principal component analysis, PCA)后, 很好地实现了四种微藻的种类归属, 证明了光纤光谱仪应用于单细胞量级 海洋微生物分析的可行性, 并有望在将来发展成为船基设备, 用于微藻的甲板在线检测。

为了简化半导体激光器电源的电路结构、提升其电能转换效率、实现输出电流的快速动态响应, 采用单管正激变换的并联交错技术, 设计出一种2kW单级变换的开关型直流驱动电源。测试并分析了电源的静态特性、动态特性及电能转换效率。结果表明, 电源的效率高达85%; 输出电流0A~100A的上升、下降时间仅为1ms; 满载100A工作时, 输出电流的纹波系数仅为0.04%。与两级串联结构的半导体激光器电源相比, 电源的效率得以提升, 输出电流的动态响应速度迅速, 满足激光加工的要求。