基于无人机多光谱图像的土壤水分检测方法研究

以表层土壤为对象,探究土壤的多光谱反射率与土壤水分含量相关性,进行基于无人机多光谱图像的土壤水分含量预测模型方法的探究。选取中国农业大学通州实验站为研究区域,实地采集试验田的土壤样本100组,按照一定梯度配制土壤含水量,配成的土壤含水率为10%~50%之间,土壤含量的真实值采用土壤烘干法进行测定。多光谱相机灵巧便捷,可搭载在无人机上对土壤进行监测。将RedEdged-M型多光谱相机搭载在Phantom 3型无人机上,选择阳光充足的采集环境,实时采集土壤样本的多光谱图像,建立土壤多光谱信息与水分含量之间的模型。利用处理光谱数据的ENVI5.3软件提取土壤样本多光谱信息,以多光谱相机自带的标准白板反射率为100%,计算出土壤样本在蓝、绿、红、红边、近红外五个波段的光谱反射率。采用BP神经网络算法、支持向量机算法、偏最小二乘算法分别建立基于无人机多光谱图像的土壤水分含量的预测模型。以80组土壤样本数据作为训练集,建立基于多光谱图像的土壤水分含量预测模型。采用莱文贝格-马夸特算法对BPNN进行改进,提高了其训练速度,当网络结构为5-10-1时,训练效果最好,本文选择该网络结构;SVM采取高斯核函数,当参数为0.56时,模型效果最好。本研究采用归一化均方根误差(NRMSE)和决策系数(R 2)对三种土壤水分含量的预测模型进行定量对比。以20组土壤样本数据作为测试集,结果可知,基于BP神经网络土壤水分含量预测模型的NRMSE为0.268,R 2为0.872;基于支持向量机的土壤水分含量预测模型的NRMSE为0.298,R 2为0.821;基于偏最小二乘土壤水分含量预测模型的NRMSE为0.316,R 2为0.789。对三种模型分析可知,基于BPNN的土壤水分含量预测模型效果均较好。结果可知,土壤的光谱反射率与含水率间存在较密切的相关性,将多光谱相机搭载在无人机上可以对土壤水分含量进行有效的实时监测,对监测土壤墒情提供技术支持和理论支撑。     

基于三维荧光光谱法和PARAFAC对多环芳烃定性定量分析

三维荧光光谱法在研究多环芳烃(PAHs)类物质的荧光信息时起到了重要作用。多环芳烃类物质具有致癌性,难降解性,多由尾气排放,垃圾焚烧产生,危害着人类健康及环境,因此人们不断探索对多环芳烃检测的方法。实验选取多环芳烃中的苊和萘作为检测物质,利用FLS920荧光光谱仪,为避免荧光光谱仪本身产生的瑞利散射影响,设置起始的发射波长滞后激发波长40 nm,设置扫描的激发波长(λex)范围为:200~370 nm,发射波长(λem)范围为:240~390 nm,对多环芳烃进行荧光扫描获取荧光数据,采用三维荧光光谱技术结合平行因子算法对混合溶液中的苊和萘进行定性定量分析。实验选用的苊和萘均购于阿拉丁试剂官网,配制浓度为10 mg·L-1的一级储备液,再将一级储备液稀释,得到苊和萘浓度为0.5,1,1.5,2,2.5,3,3.5,4和4.5 mg·L-1的二级储备液,并将苊和萘进行混合。在进行光谱分析前需要对苊和萘的光谱进行预处理,采用空白扣除法扣除拉曼散射的影响,并采用集合经验模态分解(EEMD)消除干扰噪声。实验测得苊存在两个波峰,位于λex=298 nm,λem=324/338 nm处,萘存在一个波峰,位于λex=280 nm,λem=322 nm处。选用的PARAFAC算法对组分数的的选择很敏感,因此采用核一致诊断法预估组分数,估计值2和3的核一致值都在60%以上,分别对混合样品进行了2因子和3因子的PARAFAC分解,将分解后得到的激发发射光谱数据和各组分浓度数据进行归一化处理,并绘制光谱图,与归一化处理后的真实的激发发射光谱图和各组分浓度图进行对比。同时将PARAFAC得到的混合样本的预测浓度,通过计算回收率(R)和均方根误差(RMSEP)来判定定量分析的准确度。选择2因子时,各混合样品中苊和萘拟合度为95.7%和96.7%,平均回收率分别为101.8%和98.9%,均方根误差分别为0.0187和0.0316;选择3因子时,各混合样品中苊和萘拟合度为95.3%和95.8%,平均回收率分别为97%和102.5%,均方根误差分别为0.033和0.116,由三项指标可得选用2因子进行定性定量分析的效果明显好于选用3因子。分析实验结果表明,基于三维荧光光谱法和PARAFAC算法对混合样品进行定性定量分析,能够有效的判定混合样品的类别,同时能够成功的预测出混合样品的浓度。     

基于近似解析法的超导储能磁体设计

降低超导储能磁体的研制成本一直是控制超导磁储能系统(Superconducting Magnetic Energy Storage, SMES) 总成本的重要手段之一. 本文考虑在一定磁体结构参数范围内, 磁体产生的最大磁场值可以采用级数进行 表示, 磁体的电感值可以采用线性函数表示, 给出了超导储能磁体磁场能量的近似解析表达式, 提出了一种基于近 似解析法的超导储能磁体设计方法. 该方法以储能磁体的线材用量最小作为设计目标, 在给定超导线材参数和临界电流特性曲线, 以及磁体储能总量要求的情况下, 依据此方法可快速的得到成本最优时所对应的磁体结构参数.将近似解析法优化和采用传统的有限元软件 Ansys 仿真优化进行对比分析, 结果表明采用近似解析法进行磁体优化更加方便快捷, 节省了大量计算时间.     

基于微腔效应增强单层二硫化钨光吸收

提出基于金属薄膜-分布式布拉格反射器微腔效应增强单层二硫化钨光吸收的多层薄膜结构.运用光学传输矩阵理论研究了其输运特性,发现由于金属薄膜-分布式布拉格反射器的微腔效应,在间隔层和覆盖层之间形成电场强度极大值,有效促进入射光与单层二硫化钨的相互作用.综合优化金属层、间隔层和覆盖层厚度,单层二硫化钨在612 nm处的光吸收提高了38倍,达到78.42;.进一步探讨了光入射角、分布式布拉格反射器周期、间隔层折射率与单层二硫化钨光吸收的关系.研究结果表明,上述结构参数的变化可有效调控单层二硫化钨的吸收峰值.研究结果为制备高性能单层二硫化钨光电探测器等新型光电子器件提供了新思路.     

铅基堆超临界CO2复合循环发电系统热力学分析

本文对比了再压缩超临界CO2 (S-CO2)循环、蒸汽朗肯循环、He布雷顿循环分别应用于铅基堆的最优热学性能,明确了S-CO2循环与铅基堆结合较传统循环的热力学优势。为进一步提高再压缩S-CO2循环的效率,以跨临界CO2 (T-CO2)循环为底循环构建了再压缩S-CO2/T-CO2复合循环,探讨了不同顶循环透平入口温度、压力和压缩机入口温度条件下系统性能的变化规律,对比了S-CO2/T-CO2复合循环和S-CO2循环的热学性能。结果表明:铅基堆再压缩S-CO2循环发电系统较传统循环形式具有更高的热效率;构建的S-CO2/T-CO2复合循环能够有效提高S-CO2循环的效率,在所研究参数范围内,S-CO2/T-CO2复合循环的热效率和效率比S-CO2循环分别最大可提高约4.8%和8.3%;再压缩S-CO2循环和S-CO2/T-CO2复合循环热学性能随顶循环关键参数变化规律具有一致性。     

超导离子源铌三锡六极线圈镜像磁场约束结构的优化设计

中国科学院近代物理研究所正在进行国际首台45 GHz全铌三锡超导离子源FECR(Fourth Electron Cyclotron Resonance)磁体的研制，该离子源磁体线圈由六个铌三锡超导六极线圈和四个铌三锡超导螺线管线圈组成。由于单根超导线绕制异形六极线圈(非标准鞍型)技术难度大，且铌三锡超导性能对应力敏感，为了测试单个铌三锡六极线圈性能能否达到设计指标，基于铝合金壳层结构和Bladder-Key精确预紧技术，设计了镜像磁场约束结构。本工作主要阐述了运用ANSYS参数化设计编程对镜像磁场结构进行优化设计的过程和优化后的镜像磁场结构，确定了室温预应力大小，并给出了线圈经过室温预紧、冷却降温和加电励磁后的最大等效应力。进一步结合实际六极线圈制作公差(±0.1 mm)，分析和评估了公差对镜像磁场结构中六极线圈预应力施加的影响。     

饮用水中三氯甲烷与其他氯消毒副产物在活性炭上的吸附竞争研究

通过等温吸附实验，探究了三氯甲烷（CHCl₃）与二氯一溴甲烷（CHBrCl₂）、二氯乙酸（Cl₂CHCOOH）在活性炭上的竞争吸附关系，同时探究了在低浓度条件下CHBrCl₂和Cl₂CHCOOH浓度变化对活性炭吸附CHCl₃的影响。实验结果表明，活性炭吸附CHCl₃和CHBrCl₂符合Freundlich模型，对Cl₂CHCOOH的吸附符合Langmuir模型；活性炭对3种消毒副产物均为优先吸附，吸附能力由大到小依次为CHBrCl₂、CHCl₃、Cl₂CHCOOH；低浓度条件下，活性炭对消毒副产物的吸附效果随体系中物质种类的增加而降低；低浓度条件下，Cl₂CHCOOH的浓度变化对CHCl₃的吸附效果影响不大，但吸附效果随水体中CHBrCl₂浓度的升高而降低。