高光谱成像技术结合集成学习的金钗石斛氮素检测

金钗石斛叶片氮素含量是实现其精准施肥的重要决策依据之一。传统的氮素含量检测方法耗时且有损样品,如何高效检测金钗石斛叶片氮素含量是种植企业日益关心的问题。为了快速、无损获取金钗石斛叶片氮素含量,以金钗石斛新鲜叶片为实验样品,在获取其402.6~1005.5 nm高光谱图像和氮素化学检测值后,经感兴趣区域(ROI)分割、光谱预处理,利用偏最小二乘回归(PLSR)、核岭回归(KRR)以及支持向量回归(SVR)等三种个体学习器算法,以及随机森林(RF)、Bagging和Adaboost等三种集成学习算法,针对金钗石斛的氮素含量进行建模。在此基础上构建基于金钗石斛新鲜叶片全波段光谱信息、经过竞争自适应加权算法(CARS)特征提取的特征波段光谱信息的回归预测模型,并进行预测精度对比。结果表明,在基于全波段光谱信息构建模型时,经过多项式平滑算法(SG)预处理的光谱数据建立的RF模型最佳(R_(CV)^(2)=0.9614、RMSE_(CV)=0.0818、R_(P)^(2)=0.9726、RMSE_(P)=0.0633),所有模型R^(2)都达到了0.90以上。基于CARS提取的特征波段构建回归预测模型,Bagging模型具有最高的精确度和稳定性,其中SG-CARS-Bagging预测效果最好(R_(CV)^(2)=0.9387、RMSE_(CV)=0.1000、R_(P)^(2)=0.9535、RMSE_(P)=0.0826),而个体学习器中的KRR和SVR模型精度明显下降。经过CARS算法特征提取去掉了一些重要波段,提高了建模的效率,但是模型的精度有所降低。因此在优化回归模型的特征参数时,必须始终考虑精度和效率之间的平衡。结果表明,RF、Bagging和Adaboost等集成算法比PLSR、KRR和SVR个体学习器算法具有更高的稳定性和预测精度,更适用于高光谱数据的分析与处理,在金钗石斛氮素营养监测方面具有明显优势。

电极材料对聚合物太阳能电池光学性能的影响

利用基于传输矩阵法(Transfer matrix method,TMM)的光学模型系统地研究了金属电极材料(Ag、Al、Au)对聚合物太阳能电池光学性能的影响。研究表明,与传统铟锡化合物(Indium tin oxide,ITO)透明电极相比,以合适厚度的金属Ag膜作透明电极,可提高活性层对入射光子的吸收效率;同时,以Ag膜作背电极时,其相应的聚合物太阳能电池的效率优于以Al或者Au为背电极的电池的效率。

Tb^(3+)-Eu^(3+)共掺杂2ZnO·2.2B_2O_3·3H_2O的制备和发光性能

采用水热法合成了Tb3+和Eu3+共掺的2ZnO.2.2B2O3.3H2O红色荧光粉。通过固定Eu3+的掺杂浓度为3%(物质的量比:Eu∶Zn=3%),改变Tb3+的掺杂浓度(2%～15%),研究Tb3+掺杂浓度对红色荧光粉晶相结构和光学性能的影响。用X射线衍射和荧光光谱仪对样品的结构和发光性能进行表征,结果表明:随着Tb3+掺杂浓度的升高,样品由晶态向无定形的玻璃态转变;Eu3+的发光强度也逐渐增强;Tb3+与Eu3+之间存在能量传递的过程,且当采用不同的激发波长(220 nm和393 nm)激发时,其能量传递的过程也不一样。

地方院校传感器原理与技术教学改革的探讨

针对地方院校自身的特点以及地方经济对地方院校的要求，按照地方企业的需求制定教学大纲和培养计划，将实物教学、案例教学、项目教学、课外活动小组以及学科竞赛等手段引入到“传感器原理与技术”的教学实践中，形成一套具有自身特色的应用创新型人才培养体系。

从热蒸发多孔氧化硅薄膜表面形貌研究其生长机理

薄膜的表面形貌与生长机理相关,因此可以通过研究薄膜表面形貌的演变来外推其生长机理。利用热蒸发法在硅片上制备了纳米多孔二氧化硅薄膜,利用扫描电镜(SEM)和X射线能谱(EDS)对不同样品的形貌、成分进行了表征。研究发现所制备的薄膜是由线状结构或直立的片状结构所构成的多孔结构。利用马拉高尼效应和润湿理论,对薄膜的气-液-固生长机理和氧化物辅助生长机理进行了探讨。

氧化钨薄膜气致变色机理的研究进展

首先介绍了氧化钨薄膜的气致变色效应及其潜在的应用,然后概述了氧化钨气致变色机理的双注入模型和氧空位扩散模型及其存在的争议性问题,并在此基础上介绍了由本研究组发展的气致变色结构水分子模型。最后,指出氧化钨薄膜气致变色机理的研究工作不仅有助于人们更好地理解薄膜材料的变色效应,有效地提高变色器件的性能,同时也能推动相关学科(如氢的储存、氢的探测、离子传输材料以及半导体表面催化等学科)的发展。

近红外光谱与图像融合的杂交水稻种子分类方法研究

随着杂交水稻育种技术的快速发展,杂交水稻品种日益繁多,品质与价格也千差万别,利用智能化手段对杂交水稻种子进行快速分类、分级和品质检测成为杂交水稻研究领域的热点。首先研究了不同预处理方式对基于近红外光谱的一维卷积神经网络分类模型对杂交水稻种子的分类效果的影响,研究结果表明利用Savitzky-Golay卷积平滑算法预处理后的一维卷积神经网络分类模型可获得最佳的分类效果,其验证集与测试集的分类精度为95.4%和92.9%。利用随机森林特征波长选择算法选取3个最重要的特征波长分别构建基于单波长灰度图像数据集和基于3波长重构的伪彩色图像数据集,研究了基于图像数据集的卷积神经网络VGG和残差网络ResNet的杂交水稻种子分类模型,其研究结果表明基于伪彩色图像数据集的VGG卷积神经网络模型能够获得最优的分类效果,其验证集与测试集的分类精度分别为92.8%和92.8%,相比基于伪彩色图像数据集的ResNet分类模型,其验证集提升3.6%,测试集提升4.9%。为了进一步提高分类的精度,提出了一种图像信息与光谱信息融合的杂交水稻种子分类方法,该方法利用1D-CNN网络分支提取种子的光谱特征,利用2D-CNN网络分支提取种子图像的空间维度特征,最终构建基于图谱融合的2Branch-CNN卷积神经网络分类模型,其验证集与测试集的分类精度都得到明显改善,分别达到98%和96.7%。并利用混淆矩阵评估了2Branch-CNN分类模型对于各个种类的杂交水稻种子的分类效果。研究结果表明通过图谱融合能有效提升卷积神经网络模型的分类精度,构建基于光谱与图像数据融合的二分支卷积神经网络模型将为杂交品种的种子快速筛选与分级提供新思路。

基于Spark的WOA-BP水稻产量预测

【目的】随着大数据技术和人工智能的快速发展,针对当前水稻产量预测模型精度低、预测区域范围过大、模型优化时间过长等问题,本文提出一种基于Spark的鲸鱼优化算法−反向传播神经网络(Whale optimization algorithm-backpropagation,WOA-BP)水稻产量预测方法。【方法】本文以广东省西部地区的县/市/区水稻产量及气象数据作为研究对象,采用WOA对BP网络的权值和偏置值进行优化,并构建水稻产量预测模型,提升预测精度;此外,在Spark框架下,实现WOA-BP算法并行化,减少算法时间开销。【结果】模型精度方面,通过对预测结果进行反归一化后比较,经WOA优化后的BP神经网络模型,平均绝对百分比误差(Mean absolute percentage error)从8.354%降至7.068%,平均绝对误差(Mean absolute error)从31.320 kg降至26.982 kg,均方根误差(Root mean square error)从41.008 kg降至33.546 kg;运行时间方面,3节点Spark集群比非Spark模式减少了11742 s,减少44%的时间开销。【结论】基于Spark的WOA-BP水稻产量预测方法,能够较好地预测出广东西部县/市/区的水稻产量,同时可以很好地反映气象因素对广东省西部地区水稻产量的影响情况,对研究广东西部县/市/区乃至整个广东的水稻产量情况具有一定的参考价值。

利用光学微腔提高石墨烯的光吸收效率

构建了结构为石墨烯/光学隔离层/银基底的光学微腔来提高石墨烯的光吸收效率。理论研究表明,通过合理设置光学微腔中光学隔离层的厚度,在正入射条件下,石墨烯的吸收光谱出现吸收峰而且最大光吸收效率可达8.5%,约为空气中单层石墨烯光吸收效率(约2.3%)的3.7倍。同时,研究结果还表明,可以通过改变光学隔离层的厚度来调控吸收峰的位置和半高宽。在斜入射条件下,石墨烯对横电波(光电场方向垂直于入射面)入射光的光吸收效率可达42%,约为空气中单层石墨烯光吸收效率的18.3倍。计算结果对石墨烯光电探测器的制备及应用具有一定的指导意义。

基于LED扩展光源环形均匀光斑的自由曲面透镜设计

提出了基于贝塞尔曲线控制点多参数优化自由曲面透镜的方法,利用该方法设计了一款适用于LED扩展光源并能在目标平面内实现环形均匀照度分布的自由曲面透镜.利用光线追迹软件模拟该透镜的光学性能,结果表明,在距离光源1000 mm处的目标平面内,实现了外半径为2 000 mm、内半径为1000 mm的环形均匀照度分布,照度均匀度为0.91,光能利用率为0.80,即该透镜在实现高照度均匀度光分布的同时仍能保持较高的光能利用率.

基于PROSPECT模型的蔬菜叶片叶绿素含量和SPAD值反演

叶绿素含量是衡量植物营养和病虫害发生情况的重要指标。传统的分光光度法对植物叶片破坏性较大且无法实时、快速、无损地获取叶绿素含量。新兴的利用叶绿素仪测量叶绿素相对含量(以下简称SPAD值)的方法不能定量获取实际含量。光学辐射传输模型PROSPECT从生物物理、化学的角度以及能量传输的过程出发,定量描述了叶片色素、水分、结构参数等对叶片反射光谱的影响。因此,提出利用PROSPECT模型同时反演蔬菜叶片叶绿素含量和SPAD值,实时、快速、无损、定量获取植物叶片叶绿素的含量。第一,多次测量三种蔬菜叶片的反射光谱,并用叶绿素仪测量SPAD值。然后,预处理光谱数据,获得平均反射率光谱。第二,以欧式距离为评价函数,利用PROSPECT模型对实测反射率光谱进行拟合。拟合过程中三种蔬菜欧式距离最大为0.0089,最小为0.0064,平均为0.0075,表明该模型能够很好地拟合蔬菜叶片的反射率光谱。第三,根据拟合结果,反演叶绿素含量和透射率光谱,再根据透射率光谱获取叶片在940和650nm波长处的光透过率,计算叶片的反演SPAD值。第四,建立反演叶绿素含量、反演SPAD值与实测SPAD值的关系模型。结果表明:(1)利用该模型反演得到的叶绿素含量值与实测SPAD值有较好的线性关系,其关系模型为:y=1.4633x+16.3743,两者相关系数为0.9271,模型的决定系数为0.862,均方根误差为2.11;(2)利用该模型反演得到的SPAD值与实测SPAD值之间线性关系较好,其关系模型为:y=0.9869x-0.6683,两者相关系数为0.8451,模型的决定系数为0.7143,均方根误差为3.3802。研究表明,通过测量植物叶片的反射率光谱,利用PROSPECT模型可以无损、定量地获取蔬菜叶片的叶绿素含量和SPAD值。该方法可推广至其他植物的叶绿素测量和实时监测,为变量施肥、精准种植提供可靠的数据支持。研究结果对蔬菜生长态势的无损监测具有重要的意义。

利用叠层一维光子晶体调控半透明有机太阳能电池的性能

利用叠层一维光子晶体提高半透明有机太阳能电池的光电转换效率和调控器件的透视颜色.采用传输矩阵法计算了基于叠层一维光子晶体的半透明有机太阳能电池中活性层的吸收光谱和器件的透过率光谱,进而计算了器件的光电转换效率和透视颜色.研究结果表明,通过合理设计叠层一维光子晶体中顶光子晶体和底光子晶体的禁带中心波长,可以将器件的光电转换效率提高24.4%.此外,通过控制顶光子晶体和底光子晶体的禁带中心波长,可以调控半透明有机太阳能电池的透视颜色,获得透视颜色分别为蓝色、绿色和红色的半透明电池器件.与单层一维光子晶体相比,叠层一维光子晶体可以使器件获得更高的光电转换效率,并能在更大光谱范围内调控器件的透视颜色.

多旋翼无人机近地遥感光谱成像装置研制

为了满足多旋翼植保无人机悬停、定速飞行2种作业模式下近地遥感的需求,该文设计了一套液晶光谱成像装置。首先,通过硬件、软件开发,实现了装置采集模块、控制模块和通信模块3部分的协同工作。其中,采集模块由16位CCD灰度相机、消色差镜头、液晶可调滤光器以及UV镜组成,控制模块由微电脑处理器和USB连接器组成,通信模块由数传、北斗定位系统和地面工作站组成。由5V3A电源供电。开发相应软件实现各硬件模块之间的协同控制,以及数据处理的功能。数据处理功能既可用于拍摄前装置的参数调节,又可单独用于光谱图像分析。基于本装置的数据采集方法,实现了光谱图像采集与旋翼无人机2种飞行模式的匹配。通过室内模拟飞行试验和田间试验,对装置性能进行测试。结果显示装置可获得清晰的光谱图像,光谱范围400~720 nm,光谱间隔最高可达到2 nm,空间分辨率1392×1040,且光谱连续平滑、特征稳定可靠。本装置基于面阵分光原理,采用密接耦合光路设计、核心器件同步触发技术,结构紧凑、抗震性好、稳定度高,适合植保作业,有望应用于精准农药喷施、作物处方图生成等多个领域。

白粉病胁迫下小麦叶片光谱响应与智能分类识别

【目的】开展基于高光谱技术的白粉病胁迫下田间小麦光谱的响应研究,实现小麦白粉病感染等级的快速确定。【方法】采用光纤光谱仪配合积分球和叶片夹采集大田活体小麦叶片可见-近红外光谱;通过光谱数据拟合得到的SF-SPAD (Spectrum fitting SPAD)值来反映叶绿素含量,对叶片感染白粉病进行初步判定;使用PROSPECT模型进行光谱敏感度分析确定敏感波段;结合主成分分析(Principal component analysis, PCA)降维和支持向量机(Support vector machine,SVM)建模,实现对光谱数据的二分类;根据二分类模型判断的病点百分比对小麦病虫害感染程度进行分级。【结果】SF-SPAD值随自下而上的叶序的增大而逐渐上升;SF-SPAD值≤0.90的全是病点,≥1.05的全是好点。光谱敏感度分析确定了敏感波段为可见光波段440~500和540~780 nm,降低了数据维度。确定了感染等级(R)与病点百分比(%)的关系为R1:0~30%、R2:30%~50%、R3:50%~70%、R4:70%~100%。本研究所建模型适用的检测株数最少为20株。【结论】结合SF-SPAD值和光谱PCA-SVM二分类建立的监测模型可以准确、快速地判定小麦白粉病感染与否及感染等级,同时可以降低采样数量、减少地面检测工作量、提高检测效率,是一项实用性强、简单、易推广的智能化监测技术。

Ultrafast carrier dynamics in purified and as-grown single-walled carbon nanotube films

Ultrafast time-resolved optical transmissions in purified and as-grown single-walled carbon nanotube films are measured at a temperature of 200K. The signal of the purified sample shows a crossover from photobleaching to photoabsorption. The former and the latter are interpreted as the state filling and the red shift of the π-plasmon, respectively. The signal of the as-grown sample can be perfectly fitted by a single-exponential with a time constant of 232fs. The disappearance of the negative component in the as-grown sample is attributed to the charge transfer between the semiconducting nanotubes and the impurities.

Compact Diode-Pumped Continuous-Wave Nd：LuVO4 Lasers Operated at 916 nm and 458 nm

We report the compact diode-pumped continuous-wave （CW） Nd：LuV04 lasers operated at 916nm and 458nm for the first time. The maximum output power of 780mW at 916nm laser is obtained with a slope efficiency of 9.3%. We generate 50roW of 458nm blue laser employing a type-Ⅰ critical phase-matched LBO crystal.

金纳米颗粒和多壁碳纳米管协同增敏的维生素C传感器的研制与应用

【目的】开发一种低成本、高响应的维生素C电化学传感器,用于实现果蔬中维生素C含量的快速检测。【方法】通过在铅笔芯电极上修饰金纳米颗粒和多壁碳纳米管,构建具有维生素C强催化响应的MWCNTs/Au/PGE电极。通过扫描电镜、X射线光电子能谱、拉曼光谱和循环伏安法表征电极,采用差分脉冲伏安法确定电极的pH适用范围和最优pH条件。采用时间电流法建立标准曲线和方程,以实现快速检测。最后通过加标回收率法检测番茄中维生素C含量。【结果】基于MWCNTs/Au/PGE电极的维生素C电化学传感器可在pH 4~8范围内准确地测定维生素C含量,在pH 5时性能最优。快速检测时检测维生素C的质量分数范围为1~500μg/g,灵敏度达0.244μA·(μg/g)^(−1)·cm^(-2)。该传感器对葡萄糖、苹果酸和柠檬酸的干扰率均小于1.77%,同一传感器多次测定的相对标准偏差为2.7%。成功检出番茄样品中的维生素C质量分数为69.42μg/g,加标回收率为109%~113%,相对标准偏差小于2.26%。【结论】MWCNTs/Au/PGE电极制备工艺简单,成本低,灵敏度高,测量范围宽,有较强的稳定性和抗干扰性,为实现快速检测果蔬中维生素C提供了新思路。

基于表面等离子体激元共振的飞秒抽运探测技术研究

对基于表面等离子体激元共振(SPR)的飞秒抽运探测技术进行了系统地数字分析.计算结果表明,利用SPR技术可将飞秒抽运探测信号强度ΔR/R提高2—3个数量级,其提高的比例依赖于金属膜的厚度和探测光的入射角,其中R和ΔR分别为探测光反射率的总量和变化量.特别地,对于金属-吸收介质体系,金属膜的介电常数变化对ΔR的影响仅为吸收介质影响的2%,所以ΔR/R主要反应吸收介质中的动力学过程,因此该技术对研究表面和界面的超快动力学过程具有重要的意义.

板上芯片型LED光源均匀照明自由曲面透镜设计

提出了基于能量映射关系和易加工性约束的照度偏离量累加反馈优化算法,并设计了一款可实现照度均匀分布的基于板上芯片(COB)型发光二极管(LED)光源的自由曲面透镜。本算法将每次迭代反馈优化后的仿真光分布与目标光分布的照度偏离量,累加到预设目标光分布进行修正,并利用修正后的目标光分布结合能量映射关系重构自由曲面透镜模型;同时,从易加工性的角度提出在反馈优化过程中将透镜外曲面下半部分约束为竖直面。以Cree CXA1816COB LED为光源设计了相应的自由曲面透镜,结果表明,经过3次反馈优化后即可在距离光源1000mm、半径为1480mm的圆形区域实现均匀照度分布。根据设计结果加工了相应的透镜并进行照明效果的测试,实测的照度分布与仿真结果比较吻合。

二维亚波长金属小孔阵列的透射光增强效应

对金属薄膜上的二维亚波长小孔阵列的光透射增强现象进行了数值模拟 ,结果显示不仅实际金属薄膜上的小孔阵列结构具有透射增强效应 ,理想导体薄膜的相同结构也具有透射增强效应 ,但没有实际金属薄膜的增强明显 .通过分析指出 ,这种小孔阵列的光透射增强效应是一种复杂的波导耦合效应 .与金属薄膜上的表面电流一样 ,表面等离激元波具有将入射光能量从金属表面向小孔转移的作用 ,但不是透射增强的本质原因 .