长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室, 吉林 长春 130000
GaAs基垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL)自1977年问世以来, 凭借阈值电流较低、光束质量很高、可集成到二维阵列、易单模激射等优势被广泛应用于各个领域, 但是其尺寸过小而在制造中难以精确控制精度、等离子体刻蚀时易对掩膜和侧壁造成形貌损伤、刻蚀过程中生成副产物过多等问题, 影响了应用范围和提高了制造难度。如何保持高刻蚀速率并尽可能地减小刻蚀损伤成为了目前的研究热点问题。分析了GaAs基VCSEL干法刻蚀技术的研究现状与技术难点, 并展望了未来的发展趋势。
垂直腔面发射激光器 干法刻蚀 选择性刻蚀 刻蚀损伤 GaAs GaAs vertical-cavity surface-emitting laser dry etching selective etching etch damage
针对当前Deeplab v3+模型没有充分采用高分辨率的浅层特征出现的错误分割、遗漏分割等现象, 提出一种融合多尺度特征的改进Deeplab v3+特征图像语义分割算法。在主干网络中, 引入多尺度金字塔卷积; 将空洞空间卷积池化金字塔中的标准卷积替换为深度可分离卷积, 减少整体模型的参数量; 最后, 在解码层采用多尺度方法来捕捉获取全局背景, 将背景特征通过注意力机制, 再与浅层特征和空洞空间金字塔池化层结合, 丰富融合后的浅层特征语义信息。实验表明, 在CityScapes验证集中, 所提算法具有更好的边缘分割效果, 平均交并比达到了74.76%, 较原有算法提升了2.20%。通过与先进算法比较, 也证明所提算法应对改善错误分割、遗漏分割的有效性。
深度学习 语义分割 多尺度 注意力机制 迁移学习 deep learning semantic segmentation multi-scale attention mechanism transfer learning
1 西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室, 陕西 西安 710049
2 海南电网有限责任公司电力科学研究院, 海南 海口 570125
绝缘纸的老化状态决定了油浸式变压器的剩余寿命, 对绝缘纸的老化状态进行快速有效的评估具有重要意义。 聚合度是表征纤维素绝缘纸老化程度最直接可靠的参量, 在实验室中通过粘度法检测获得, 但该方法需要获得设备纸样, 不但检测耗时长, 还会对变压器类设备的绝缘造成破坏。 近红外光谱分析技术可以快速有效测定物质中的组分含量, 检测过程非侵入、 对绝缘无损, 目前已成功应用于多个领域, 有望成为替代传统聚合度检测的新方法。 然而, 现有的近红外光谱定量分析方法尚不能满足绝缘纸聚合度的预测精度需求, 建立了基于高斯过程回归(GPR)的绝缘纸老化状态定量评估方法。 构建了不同老化程度绝缘纸样本—近红外光谱数据库, 使用Savitzky-Golay卷积平滑算法对光谱数据进行平滑处理以提高信噪比; 研究了不同核函数GPR模型并开展了模型预测精度分析与参数敏感性检验。 结果显示, Exp核模型泛化性能较差, Matern32核、 Matern52核以及RQ核模型对参数敏感性较高、 模型稳定性较差, 最终选择了SE核GPR模型作为最优模型。 将SE核GPR模型与近红外分析领域常用的PLS, SVR与BPNN模型进行性能对比, 结果表明, GPR模型对校正集以及验证集样本的预测误差均最小(RMSE分别为65.5与70.6), 且预测结果与粘度法结果相关系数最高(r分别为0.94与0.93)。 与其他三种模型相比, GPR模型的RMSE比PLS, SVR与BPNN模型低54.1%, 58.8%和12.9%, 显示GPR模型在绝缘纸近红外光谱老化评估领域具有一定优势。
油纸绝缘 近红外光谱 老化状态 定量分析 高斯过程 Oil-paper insulation Near-infrared spectroscopy Aging condition Quantitative analysis Gaussian process 光谱学与光谱分析
2022, 42(10): 3073
系统可靠性建模分析是开展可靠性分配、预计、故障树分析及可靠性优化设计的基础。介绍了一种光电系统可靠性建模分析方法，针对光电系统中部分分系统具有多种失效模式且各失效模式均服从指数分布的特点，依据齐次马尔科夫理论，采用马尔科夫状态转移图方法建立了产品的可靠性模型，并给出解析表达式、数值计算方法和Monte Carlo仿真方法。最后，将其应用于某机载光电系统供电回路的实例分析中。采用两种计算方法及Monte Carlo仿真方法分别进行计算，并将结果进行对比分析，证明了该方法的正确性及可行性。
1 北京林业大学材料科学与技术学院, 北京 100083
2 北京市文物建筑保护设计所, 北京 100050
3 北京林业大学工学院, 北京 100083
自然光中的紫外光在木材表面产生复杂的光化学反应, 是木材在自然环境中老化降解速度最快, 反应最强的化学过程。 基于近红外光谱(NIRs)技术探讨了落叶松表面材色在340 nm波长紫外光照射条件下的老化状况。 不同时间(180, 540, 900, 1 080 h)试材弦切面经紫外光人工老化后, 测量木材表面材色色度学指数, 并采集NIRs信息。 由NIRs二阶导数及其差谱图反映的信息, 定性分析和讨论了木材表面化学组分基团的变化; 定量建立基于偏最小二乘法(PLS)结合留一交叉验证的木材表面材色预测模型。 结果表明: (1) 随着人工老化时间延长, 木材表面明度值L*降低, 红绿指数a*与黄蓝指数b*出现先增加后缓慢降低的趋势, 表明发色基团的形成随着紫外光照射时间的延长而减少, 在辐射时间540 h达到最大值, 此外, 色差值ΔE*与紫外光照射时间成正相关。 (2) NIRs二阶导数在6 996, 6 773以及6 287 cm-1等分别反映木材中纤维素非结晶区、 半结晶区和结晶区的光谱吸光度随着老化时间的延长而增加, 而5 986 cm-1反映木质素特征性谱带吸收峰随着紫外光老化时间的延长而降低, 表明木质素出现降解。 通过紫外光照射1 080 h与对照材的差谱分析发现, 纤维素和半纤维素基团的特征峰差谱值为正, 表明紫外光辐射后木材表面的纤维素和半纤维素相对含量增加, 而木质素基团特征峰差谱值为负, 表明经紫外光辐射后, 木质素的降解导致其相对含量减少。 这些结果与色度值测量结果相一致。 (3) 基于NIRs建立的紫外光照射落叶松表面材色预测模型中, L*交叉验证模型决定系数(R2)为0.949, 相对分析误差(RPD)为4.42; a*交叉验证模型R2是0.928, RPD是3.73; b*的交叉验证模型R2是0.831, RPD为2.43, 建立的材色预测模型满足预测要求。
近红外光谱 差谱 落叶松 表面材色变化 紫外光照射 Near infrared spectroscopy Difference spectra Larch wood Surface color change UV light irradiation
1 北京林业大学材料科学与技术学院, 北京 100083
2 中国轻工业信息中心, 北京 100833
纤维素是一种可再生天然亲水性高聚物, 其庞大的氢键网格形成多种不同的晶体结构形式。 在其五种结晶变体（纤维素Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ和Ⅹ）中, 纤维素Ⅱ由纤维素Ⅰ（天然纤维素）经再生或丝光化处理获得, 是表面自由能最低、 性能最稳定的纤维素, 这主要归因于纤维素Ⅱ具有与纤维素Ⅰ晶型平行链结构相反的反平行链结构, 且相比于纤维素Ⅰ有附加的分子间氢键。 基于近红外光谱（NIRS）对含氢基团的敏感性及纤维素的结晶结构中有大量氢键, 使通过NIRS定性检测、 定量评价纤维素的结晶结构成为可能。 目前, 用NIRS对纤维素结晶变体氢键结合的研究甚少, 针对竹材纤维素Ⅱ及其衍生材料氢键结合的研究国内外尚未见相关报道。 用竹材制备纤维素Ⅰ, 经丝光化处理得到竹基纤维素Ⅱ, 通过NIRS研究其氢键结合状况, 结果与竹粉及竹基纤维素Ⅰ相比较。 此外, 研究还通过NIRS对竹粉及竹基纤维素的结晶度做了定量评价。 结果表明: (1）在无定形区, 竹基纤维素Ⅰ、 Ⅱ和竹粉相比光谱差异不大, 氢键结合只有量的变化, 而无质的差异; (2）在半结晶区, 与竹粉相比, 竹基纤维素Ⅰ晶型结构保持不变, 而竹基纤维素Ⅱ形成双峰; (3）在纤维素结晶区的近红外谱带范围内, 反映竹基纤维素Ⅰ结晶表面纤维素分子内氢键O2—H2…O6的强氢键结合的羟基伸缩振动的一次倍频吸收峰由6 292 cm-1向高波数转移到6 354 cm-1, 该处与竹基纤维素Ⅱ形成的强氢键结合的分子间氢键O2—H2…O2反平行构造相对应; (4）NIRS预测的结晶度与XRD分析结果有良好相关性。 上述结果表明, 纤维素结晶区内的氢键结合在近红外特征谱带出现转移且在半结晶区形成双峰, 是区别竹基纤维素Ⅱ和Ⅰ的主要特征。 研究也表明NIRS对探讨纤维素多种变体的氢键结合及结晶度预测是可靠的。
近红外光谱 X射线衍射 竹基纤维素Ⅱ 结晶构造 氢键结合 Near infrared spectroscopy X-ray diffraction analysis Bamboo-based cellulose Ⅱ Crystal structure Hydrogen bonding 光谱学与光谱分析
2021, 41(4): 1260
北京林业大学材料科学与技术学院, 北京 100083
关于超疏水涂层的制备有许多研究, 其中硅衍生物涂层是一个重点, 然而硅衍生物形成机理的研究还鲜有报道。 以硅酸钠和乙烯基三乙氧基硅烷（VTES）作为硅衍生物的反应物, 利用近红外光谱（near infrared, NIR）和二维相关分析(2D-correlation analysis, 2DCorr)方法探讨硅衍生物的反应机理。 首先, 采用德国Bruker公司的MPA型傅里叶近红外光谱仪采集样品的光谱信息, 分析了17 Wt%硅酸钠、 97 Wt% VTES以及两者1:5摩尔比混合体系的分子结构变化特征, 结果发现: 混合体系在5 176~4 250 cm-1范围内出现了Si—O—H和Si—O—Si基团的吸收峰, 说明溶液中两者混合后发生了水解缩合反应; 并发现10 262 cm-1处的游离羟基减少并向低频方向偏移, 8 905 cm-1处以氢键缔合的羟基增加; 含氢键的醇从7 203 cm-1偏移到6 846 cm-1。 将硅酸钠和VTES按照7种不同摩尔比混合并搅拌成溶胶凝胶状, 采集这些样品的光谱信息, 并且对吸收峰进行归属, 结果发现: 随着VTES的比例增加, 游离羟基以及含氢键的醇减少, 结合羟基增加, 含硅基团也在增加。 最后, 对不同摩尔比的混合体系的光谱数据进行基线校正, 运用软件Matlab 6.5计算基于摩尔比例扰动的二维相关光谱, 提高近红外光谱的分辨率和分析不同官能团之间的变化顺序。 结果发现: 10 262 cm-1处吸收峰的变化先于8 905 cm-1处吸收峰的变化, 7 026（6 846） cm-1处吸收峰的变化晚于5 859 cm-1处吸收峰的变化, 5 264（5 176） cm-1处吸收峰的变化晚于4 397 cm-1处吸收峰的变化, 4 667 cm-1处吸收峰的变化晚于4 397 cm-1处吸收峰的变化。 不同波数的吸收峰变化顺序对应其归属的官能团的变化顺序, 进而揭示了近红外光谱中基团变化的原因。 硅酸钠和VTES两种溶液混合后形成的溶胶凝胶是具有三维网状结构的硅-聚合物, 这种聚合物具有疏水性质能被广泛应用。 研究结果将有利于更深刻地理解硅酸钠和VTES混合体系水解缩合反应过程以及分子结构变化, 为其进一步的研究和使用提供参考。
近红外光谱 二维相关光谱 硅酸钠 乙烯基三乙氧基硅烷 Near infrared spectroscopy Two-dimensional correlation spectrum Sodium silicate Vinyl triethoxysilane
1 煤炭资源与安全开采国家重点实验室（中国矿业大学）, 北京 100083
2 中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院, 北京 100083
3 Zachry Department of Civil Engineering, Texas A&M University, College Station, TX 77843, USA
4 河北省地质实验测试中心, 河北 保定 071051
煤矿区土地复垦及复垦监测工作, 对于我国土地利用和生态环境治理具有重要意义。 微生物复垦技术能够促进植物吸收利用矿质养分和水分, 增强土壤肥力, 对矿区生态恢复具有显著作用。 监测和评价土地复垦效应对植物生长影响的传统方法, 通常采用野外采集植物和土壤样本并进行室内分析, 但这些方法不仅破坏植物根系原状土壤, 造成植株损伤, 而且耗费人力、 物力, 时效性差。 高光谱遥感技术具有数据获取速度快、 信息量大、 精度高且无须离体破坏植株等优点, 对于土地复垦监测有非常大的潜力。 目前, 土地复垦效应遥感监测相关研究仍以观测盆栽大豆、 玉米等作物的叶片光谱分析为主。 实际上, 卫星遥感数据观测到的是冠层光谱, 并非叶片光谱, 但目前还没有通过植被冠层光谱对矿区土地复垦进行监测的研究成果出现。 植被冠层光谱不仅受到叶片光谱的影响, 还受到植株长势、 下垫面等其他因素的影响, 光谱特征变化更为复杂。 矿区植被冠层光谱特征对于土地复垦效应的敏感度分析, 是对矿区植被理化参量进行定量反演的基础, 也是限制高光谱技术应用于大面积土地复垦监测的主要瓶颈。 于煤炭矿区土地复垦实验基地开展野外冠层光谱观测实验, 获取了接菌组和对照组野外植株冠层光谱数据, 并从光谱波形变化和光谱特征参量变化两方面综合分析了植被冠层光谱对土地复垦的敏感性。 冠层光谱波形方面, 分别采用标准差和光谱敏感度作为组内和组间光谱波形差异的有效指标; 冠层光谱特征参量方面, 选取了植被红边、 黄边、 蓝边、 绿峰、 红谷等典型光谱特征, 计算获取其位置、 斜率、 面积等特征参量, 并通过描述性统计和单因素方差分析研究了这些冠层光谱特征参量对土地复垦效应的敏感性, 挑选出矿区土地复垦监测的有效特征参量。 研究表明, 接菌组和对照组冠层光谱的主要波形变化趋势一致, 但接菌组植株的生长状况更稳定, 不同植株之间差异较小, 且绿峰和红谷两个特征更突出。 这说明土地复垦能够减少植株间冠层光谱差异, 增强植被典型光谱特征, 而绿峰和红谷对土地复垦有较高的光谱敏感度。 光谱特征参量方面, 绿峰、 红谷、 红边波长在土地复垦作用下显著向长波方向移动, 而此前叶片光谱研究中对土地复垦较敏感的红边、 蓝边斜率变化并不显著。 这说明, 野外植被冠层光谱分析结果与实验室植被叶片光谱分析的结果并不完全一致, 这可能和植被类型、 生长周期、 土壤背景光谱干扰等因素相关。 在采用卫星或航拍遥感数据进行矿区植被环境监测时, 所获取的都是植被冠层光谱, 因此本研究所得到的结论具有更强的参考意义和实际应用价值。
高光谱 土地复垦 煤炭矿区 植被冠层 敏感性分析 Hyperspectral remote sensing Land reclamation Coal mining area Vegetation canopy Susceptibility analysis 光谱学与光谱分析
2019, 39(6): 1858
