纤维素拉曼光谱的单体仿真方法研究

纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖,是世界上最丰富、最便宜、最容易获得的天然聚合物。纤维素作为最古老最丰富的天然高分子在研究中备受关注,纤维素的可控性取决于其分子量、大小和结构,而拉曼光谱具有“指纹特性”,可以对不同的纤维素纤维进行鉴别,也能对历史老化的纺织纤维材料进行鉴别。然而纤维素作为大分子多糖对其做理论仿真较为困难,该研究提出采用基本单元模拟大分子光谱这一方案,使用纤维素单体仿真拉曼光谱来分析纤维素大分子的光谱性质。使用Gaussian 16软件基于密度泛函理论,在B3LYP/6-31g(d, p)的基组条件下,计算了不同外电场(-0.01-0.03 a.u.)下的纤维素单体的拉曼光谱,以及纤维素双链节的拉曼光谱。研究表明,在无外电场作用下,纤维素单体的拉曼光谱主要在449、 597、 842、 1 127、 1 361、 1 395和3 005 cm^(-1)处有特征峰,对其做振动分析,结果表明这些拉曼峰分别是由环(C6—C4—O20)伸缩振动、 C—C—H扭曲振动、环(C4—O20—C2)伸缩振动、糖苷键(C2—O1—C8)的伸缩振动、 CH_(2)的弯曲振动、 CH_(2)的弯曲振动、 CH_(2)的伸缩振动产生。通过与实验值比较,纤维素单体仿真拉曼光谱与天然纤维素的实测拉曼光谱相吻合,故可通过对纤维素单体的第一性原理计算来反映纤维素大分子的拉曼光谱特性。当外电场由负方向变为正方向且逐渐增大时,597 cm^(-1)对应的环C—C—H扭曲振动的振幅无明显变化,以无电场为基准,施加外电场时,振动能量减小光谱红移;1 127 cm^(-1)对应的糖苷键(C2—O1—C8)的伸缩振动振幅明显减小,光谱呈蓝移;CH_(2)的弯曲振动在1 395 cm^(-1)处的特征峰光谱呈蓝移,在1 361 cm^(-1)处产生的光谱先蓝移再红移又再次蓝移,推测是弯曲振动区域更容易受到骨架振动和环境变化的影响。对比纤维素单体与双链节拉曼光谱的差异,除单体明显的特征峰外,双链节分子的在1 041和151 cm^(-1)处有明显的特征峰,其分别为仲醇C—O伸缩振动,C—O—H弯曲振动所产生,可对纤维素单体的拉曼光谱进行补充说明。这些结论为研究纤维素在外电场作用下的光谱提供理论依据,同时为其他大分子聚合物的拉曼光谱研究分析提供一种新的方法。

空间外差遥感数据光谱-干涉图双向校正算法研究

空间外差光谱技术(SHS)作为新型高光谱分析技术,被广泛应用于大气检测、卫星遥感等领域,但由于空间外差光谱仪的制作不理想或工作环境的变化都会改变仪器参数而引入误差,使干涉图数据不准确,需要进行误差校正。在卫星平台下,由于与地面环境的巨大差异,导致地面测定的校正参数对空间外差干涉图数据不再适用,特别是调制项误差(相位误差和非均匀误差)的改变,极大影响了光谱的准确性。针对空间外差遥感数据的调制项误差,从光谱与干涉图两个方面入手,进行误差分离与原因分析,认为空间外差遥感数据误差主要来源于CCD尺寸伸缩导致的光谱频率变化和CCD响应改变导致的干涉图强度变化,提出了光谱-干涉图双向校正方法。校正测试数据选取高分五号搭载检测仪(GMI)实测的12条O 2吸收光谱。取其中一条作为标定光谱,以SCIATRAN仿真的无误差光谱为基准,与标定光谱进行对比,分析两者在光谱维的频率偏差,通过特征峰频率确定两者的频率变换关系。然后根据变换关系将仿真光谱进行频率拉伸,使拉伸后的仿真光谱与实测光谱谱峰重合,计算拉伸仿真光谱与实测光谱干涉图,将两者干涉图相比得到干涉图强度的变化关系。最后将干涉图强度变化关系用于其余11条光谱的校正,得到校正后光谱。为了衡量校正效果,以校正前后光谱的标准差、均方误差和信噪比作为评价指标。结果显示标准差、均方误差都明显降低,同时信噪比显著增大,且标准差基本都在0.07以下,信噪比基本能达到20以上。其中校正效果最好的实测光谱,标准差减少了0.3767,信噪比提高了25.1016,均方误差降低了0.1587,校正效果较差的实测光谱,标准差减少了0.2296,信噪比提高了9.6328,均方误差降低了0.1049。因此所提出的光谱-干涉图双向校正方法对空间外差遥感数据的误差校正起到较好的效果,且处理过程简单,为同类数据的处理提供了一种新思路。

DFT方法研究木质素单体及二聚体的结构与拉曼光谱

木质素是自然界中第二丰富的天然聚合物,广泛存在于各种陆地植物的木质部中,利用木质素拉曼光谱对植物种类进行快速无损鉴别具有重要的应用价值。但由于木质素大分子构型非常复杂,对其拉曼特征光谱的仿真研究一直存在困难。利用Gaussian16W中包含的B3LYP密度泛函方法结合6-311G(d, p)基组,构建出三种木质素单体及其三种同种木质素单体构成的二聚体以及三种异种木质素单体构成的二聚体,提出了一种利用木质素的三种基本结构单体及其二聚体仿真分析木质素大分子拉曼光谱特征的方法。首先计算了三种单体的基本构型、轨道能级和电子空间分布,并分析了三种木质素单体拉曼光谱和振动模式的特点。随后利用不同组合方式的β-O-4二聚体的光谱谱峰特征,解释了特征谱峰信号位置漂移的成因,提出了判断木质素大分子信号特征的主要依据。研究结果表明,1 712 cm^(-1)谱峰信号最强且位置稳定,振动归属为碳碳双键伸缩振动,该振动归属引起的特征峰可以作为木质素大分子最主要的信号特征;1 642 cm^(-1)谱峰信号振动归属为芳香环骨架振动,仅受芳香环甲基数量影响产生劈裂,该振动归属引起的特征峰不仅可以作为识别木质素大分子最主要的信号特征也可以作为木质素内三种单体含量的判据;1 352 cm^(-1)谱峰信号振动归属为HCCH原子链摇摆振动,附近的特征峰受单体种类和聚合方式共同影响,在木质素大分子拉曼光谱中会形成信号包络,可以作为鉴别木质素的一个辅助判据。该研究对于复杂分子的光谱特征及其物理机制的仿真具有一定的借鉴价值,同时也能为植物检材的拉曼光谱分析方法提供理论指导。

基于自适应分层滑模的塔式起重机防摆与定位控制

针对三维空间中呈现二级摆结构的塔式起重机的防摆与定位控制问题,考虑变幅回转联合运行工况,提出了一种自适应分层滑模控制方案。首先将塔式起重机系统分为定位子系统、一级摆角子系统和二级摆角子系统,设计了分层滑模控制律;然后设计了自适应律,提高了系统对参数的适应性和对外在干扰的抑制性能;最后验证了系统的稳定性并对系统进行了仿真。仿真结果表明,系统在受到瞬时扰动时,自适应律可估算出扰动大小,控制器能快速做出反应,调整控制力/力矩以抵消瞬时扰动,使瞬时扰动不对系统的位置以及吊钩和负载的摆角造成明显影响。该文自适应分层滑模控制器能在一定程度上抑制瞬时扰动造成的吊钩和负载的摆动,具有较好的鲁棒性。

碳布负载的钴镍双金属沸石咪唑框架作为独立电极用于高效电催化析氧反应

开发低成本、高效和稳定的电催化剂对于加快水分解中的析氧反应(OER)速率,实现可再生、清洁和大规模能源转换技术至关重要。在本文中,我们开发了一种简单的方法来制备钴镍双金属沸石咪唑框架(CoNi-ZIF),通过低温热解去除客体分子将CoNi-ZIF纳米片牢固地负载到碳布(CoNi-ZIF-CC-200)上。组装的独立电极避免了对粘合剂的依赖和无效表面积的增加,从而显著提高了催化剂的催化活性和传质效率。电化学测试结果表明CoNi-ZIF-CC-200独立电极在OER过程中表现出良好的电化学活性和稳定性。CoNi-ZIF-CC-200独立电极在10 mA·cm^(-2)下表现出255 mV的低过电位,并且在恒电位测量过程中保持10 h以上的稳定运行。此外,由CoNi-ZIF-CC-200独立电极作为阳极和Pt/C作为阴极组成的水分解系统表现出优异的稳定性。

数字孪生驱动的南水北调中线水源工程水质平台设计与开发

南水北调中线水源地面临着水质监测数据自动化程度不高、污染物扩散模拟效率较低、突发性水污染应急能力不足等困难,迫切需要开展数字化转型。基于数字孪生建设的总体要求,综合运用GIS、UE4、WebGL等新一代信息技术,建立了数字孪生水质平台,研发了水质浓度场静态可视化、污染物迁移扩散动态可视化和水质三维分层可视化模型等关键技术,初步实现了水质“四预”功能,切实提升了南水北调中线水源区水环境智能化、精细化管理水平,为推进饮用水水源地水质现代化提档升级提供了技术示范。

基于BIM的自行走测量机器人研究与应用

建筑施工过程中,建造和竣工验收工程中需要大量的实测实量工作。传统的实测实量方式主要依靠人工使用靠尺、卷尺等工具手动测量,存在作业耗时耗力、数据可靠性差、主观性强等缺点,因而研发出一套基于BIM的自行走测量机器人用于工程中的实测实量工作。主要利用底盘小车通过BIM模型生成的地图行驶到指定位置后使用三维激光扫描仪采集高精度点云数据,并通过设备内置计算机利用人工智能算法自动分析数据并生成报表,实现了单人单设备测量、结果自动生成等功能。在满足实测实量检测精度要求的基础上,节省了人力资源、提高了工作效率,降低了生产成本。

污泥源腐殖酸的提取及沉淀低浓度稀土作用机制

采用焦磷酸钠法和碱溶酸析法分别从剩余污泥中提取污泥源腐殖酸。利用扫描电镜、红外光谱和三维荧光光谱对2种腐殖酸进行表征分析,并对比了二者对低浓度稀土离子的沉淀效果。结果表明:2种腐殖酸中均含有大量的羧酸类、胺类、羟基类官能团,但焦磷酸钠法提取的S-HA-1中官能团的种类更多、含量更高;当沉淀稀土离子浓度为103.40 mg/L时,2种腐殖酸对稀土的沉淀率分别达97.30%和91.18%,沉淀物中稀土元素重量百分比总和分别为31.73%和28.64%,S-HA-1沉淀效果较优。采用S-HA-1为沉淀剂,稀土离子浓度为51.70 mg/L时,通过单因素实验与响应面优化实验确定了较优反应条件:腐殖酸浓度0.25 g/L,反应时间56.53 min,搅拌速率106.27 r/min,反应温度40℃,pH=5.90,在此条件下,稀土沉淀率≥98%。利用能谱和红外光谱分析稀土沉淀物发现,沉淀过程中稀土离子与S-HA表面的酚羟基和羧基等官能团发生了一系列物理化学反应,形成腐殖酸-稀土絮状体沉淀。研究结果表明,从剩余污泥提取腐殖酸低浓度稀土离子沉淀剂,既能实现沉淀剂再利用,又能回收稀土资源。

基于自抗扰控制的混凝土浇筑轨迹跟踪控制

为实现混凝土泵车高性能浇筑轨迹跟踪控制,抑制浇筑过程中由于混凝土泵送、风力等干扰对浇筑轨迹跟踪的影响,研究了混凝土泵车臂架系统的数学建模、浇筑轨迹跟踪控制问题。在分析臂架系统组成并建立连杆坐标系的基础上,应用拉格朗日方法建立了臂架系统的动力学模型。建立了泵送过程中混凝土与各臂架之间的摩擦力以及作用于臂架系统末端反向冲击力的数学模型。考虑混凝土泵送以及外部不可测量、不可预期的干扰作用于混凝土泵车臂架系统的情况,设计自抗扰控制(ADRC)方法。仿真结果表明,所设计的ADRC方法,对混凝土泵送干扰以及外部不确定干扰具有较好的抑制作用,实现了混凝土泵车臂架系统末端快速高精度轨迹跟踪控制,满足混凝土浇筑要求。

硅烷化介孔硼硅酸盐生物玻璃微球对PMMA骨水泥生物活性和力学性能的影响

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥因具有良好的力学性能、适宜的凝固时间和低毒性等优点而在骨科手术中作为可注射型人工骨修复材料受到广泛的应用。然而,其生物惰性可能导致假体长期植入后产生无菌性松动。本研究采用模板法制备了介孔硼硅酸盐生物玻璃微球(MBGS),并用硅烷偶联剂γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(γ-MPS)对其进行改性,制备了MBGSSI。再将硅烷化介孔硼硅酸盐生物玻璃微球(MBGSSI)与聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥复合,制备了一种具有良好生物活性和力学性能的复合骨水泥。实验结果表明,由于γ-MPS与MBGS的结合主要发生在介孔微球的近表面,MBGSSI比MBGS具有更大的比表面积和更小的孔容积。与MBGS/PMMA复合骨水泥相比,γ-MPS可以改善复合材料中无机相和有机相之间的结合,因此MBGSSI/PMMA复合骨水泥的力学性能得到了改善,符合ISO 5833:2002对丙烯酸类骨水泥的力学性能要求。此外,在SBF溶液中浸泡42 d后,MBGS/PMMA和MBGSSI/PMMA复合骨水泥的表面均生成了羟基磷灰石(HA),证明复合骨水泥具有良好的生物活性。因此,MBGSSI/PMMA复合骨水泥是一种潜在的骨修复材料。

Sc掺杂Ti_(1-x)NiSb半哈斯勒合金的制备与热电性能

采用高能球磨法制备了Ti_(1–x)NiSb(x=0,0.10,0.15,0.20,0.25)和Ti_(1–x–y)Sc_(y)NiSb(x=0.10,0.15;y=0.03,0.05)样品,并系统地研究了Sc掺杂对Ti_(1–x)NiSb样品的物相、微结构以及电热输运性能的影响.实验结果表明,Sc掺杂能够有效降低载流子浓度,提高塞贝克系数,改善材料的电输运性能.此外,由于Sc掺杂能够提高原子间的结合能,从而有效减少了NiSb杂相.Ti_(1–x–y)Sc_(y)NiSb的晶格热导率随Sc掺杂而上升,这可归因于化学键的增强以及电声散射作用的减弱.但是载流子浓度的急剧下降导致样品的电子热导率显著下降,从而Ti_(1–x–y)Sc_(y)NiSb样品的总热导率明显降低.最终,Ti_(0.8)Sc_(0.05)NiSb样品获得最佳的热电性能,其功率因子在973 K达到17.7μW·cm^(-1)·K^(-2),无量纲热电优值ZT在973 K达到0.42,相比未掺杂的单相Ti_(0.9)NiSb样品提升了180%.

水声定位关键量值计量校准装置设计

为解决水声定位精度与作用距离等关键量值的计量溯源问题,研发基于大比尺深水港池的水下六自由度控制机构,搭建基于无人船的全溯源验证比对平台,实现声基阵与应答器在毫米级空间坐标系下的定姿定位,以激光测距和实时动态卫星差分定位(简称GNSS-RTK)技术为参考标准,采用比较校准法对超短基线水声定位系统几何参数进行计量测试。基于六面消声水池集成水声测量系统,实现对水声换能器声源级、工作频率等声学参数计量测试,研制目标模拟应答器,提出一种基于等效声波时延反馈的模拟校准方法,实现水声定位全量程模拟校准。试验结果表明:在150 m距离范围内,2套被检设备定位误差分别优于1%和3%,标准不确定度U=0.08 m。

空间静态偏振调制干涉光谱系统的设计与仿真

为了更好地获取目标物的光谱偏振信息,设计了一套空间静态偏振调制干涉光谱系统。该系统结合了空间外差光谱和偏振光谱强度调制技术,只需一次采样便可同步获取目标的分辨偏振光谱信息以及高光谱分辨率的Stokes矢量偏振光谱。首先从偏振光谱强度调制和空间外差光谱仪的光学理论入手,对该系统的光谱信息采集和偏振信息调制解调过程进行数学推导。然后根据调制模块中高阶相位延迟器的厚度与光谱仪带宽之间的对应关系,发现现有的光谱仪带宽过窄,导致延迟器厚度过大,无法适应宽波段的光谱测量需求。结合延迟器厚度与光谱复原分辨率的约束关系,在极限厚度下得出了空间外差光谱仪的最小拓宽光谱范围。最后根据改进的参数匹配设计,对探测过程进行了计算机数值模拟。研究结果表明:在空间外差光谱仪的最小拓宽工作波段内,对CCD探测器记录的干涉图进行基于傅里叶变换的解调处理,能够高保真地复原输入光信号的Stokes参量的偏振光谱信息,从而验证了该系统的可行性。

基于模糊滑模控制的物料吊运定位防摆控制

塔吊是现代建筑业中不可或缺的设备。针对塔吊作业过程中极易发生物料晃动,影响吊运作业的安全性和定位准确性的问题,对塔吊的变幅与回转运动,以及物料摆动的动力学特性进行分析,建立了塔吊的动力学模型。针对上述具有不确定性的多变量强耦合、欠驱动非线性系统,提出了防摆路径规划与鲁棒控制相结合的控制方案。在为回转和变幅运动规划S型防摆吊运路径的基础上,设计了一种变幅-回转模糊滑模控制与物料摆角PD调节相结合的控制方法。仿真结果验证了所提控制方法不仅能够提高物料吊运的准确性和动态防摆特性,而且对外界扰动亦具有良好的鲁棒性。

基于压电陶瓷的生理信号监测算法

为实现低成本、非接触式、实时监测人体呼吸、心率等有利于疾病预防和健康管理的生理信号,设计了基于压电陶瓷的非接触式生理参数监测系统。通过压电陶瓷传感器将人体呼吸、心跳以及其他微弱震动产生的压力变化信息转换为电信号,从而获得原始生理信号。采用小波硬阈值算法对原始生理信号进行预处理去噪,选择合适的小波基、分解层数及硬阈值函数,滤除干扰信号。采用变分模态分解算法对预处理后的生理信号进行分解,根据分解后各个模态分量的频谱分布特点进行生理信号的重构,分解出原始生理信号中的呼吸信号和心冲击信号。与先经过巴特沃斯滤波器预处理再进行信号分解相比,变分模态分解算法具有更好的还原性。实验结果表明,该方法既能准确分离呼吸信号、心冲击信号,也能保留心冲击信号更多的尖峰特征。

手术室综合护理在预防老年前列腺手术患者术中低温及寒战中的应用

目的探讨手术室综合护理在预防老年前列腺手术患者术中低温及寒战中的应用效果。方法选取天长市人民医院2020年1月至2021年8月收治的106例择期行经尿道前列腺等离子电切术(TURP)的老年良性前列腺增生(BPH)患者,按照随机数字表法分为研究组(n=53,手术室综合护理干预)和对照组(n=53,常规优质护理干预)。比较两组手术情况、术中生命体征变化及寒战发生情况、手术并发症发生率。结果研究组手术时长短于对照组(P<0.05);研究组麻醉后10 min、持续冲洗30 min、持续冲洗60 min、冲洗完毕时和术毕各时间点的口腔体温均高于对照组,持续冲洗60 min、冲洗完毕时和术毕各时间点的心率及平均动脉压均低于对照组(P<0.05);研究组患者寒战发生率及严重程度均低于对照组(P<0.05);两组手术并发症发生率比较,差异无统计学意义(P>0.05)。结论手术室综合护理能够有效降低老年TURP患者术中低温和寒战发生风险,维持稳定血流动力,减轻应激反应。

基于高光谱GIIRS红外亮温的大气三维风场反演研究

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1.5 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。

基于小波分解的组合模型在高层建筑物沉降预测中的应用

针对高层建筑物沉降变形的准确预测对保障人民生命财产安全意义重大。本文充分发挥小波分解在数据处理领域以及支持向量机(Support Vector Machine,SVM)模型、AR模型在数据预测中的优势,提出了一种基于小波分解的SVM-AR组合预测模型。该组合模型实现建筑物沉降预测的流程为:首先对建筑物沉降监测序列进行小波分解,得到不同频段的分量;其次使用SVM模型对低频分量进行预测,使用自相关性强的AR模型对平稳序列的高频分量进行预测;最后重构不同分量预测结果得到最终预测结果。将本文提出组合预测模型应用于实际高层建筑物沉降预测中,并与单一的SVM模型、AR模型预测结果进行对比,结果表明,本文提出的组合预测模型在小样本、低信噪比条件下表现出了更好的预测性能,能够对高层建筑物沉降进行准确模拟与预报。

腹腔镜下全直肠系膜切除术治疗直肠癌的优势

目的探讨腹腔镜下全直肠系膜切除术治疗直肠癌患者的临床效果与安全性。方法选取2020年8月至2022年3月徐州医科大学附属沭阳医院收治的直肠癌患者69例,采取红蓝小球随机抽签方式划分对照组(蓝色球,34例)与观察组(红色球,35例),对照组患者采取开腹全直肠系膜切除术治疗,观察组患者实施腹腔镜下全直肠系膜切除术治疗,记录比较两组患者手术指标及术后恢复用时差异,统计两组患者发生术后并发症的发生率。结果观察组手术总时长(181.23±15.21)min长于对照组(t=15.285,P<0.05),淋巴结清扫数目与对照组比较无显著差异(t=0.113,P>0.05)。此外,观察组患者术后出现并发症的总发生率2.86%低于对照组的23.53%(χ2=4.803,P<0.05)。结论治疗直肠癌疾病可首选腹腔镜下全直肠系膜切除术,其优点在于对患者造成伤害小,术后恢复快,同时并发症少,安全性理想。

具备检错和纠错性能的可重构可存储的混沌逻辑运算

基于混沌同步理论与电光调制理论,提出一种新颖的可重构可存储的混沌逻辑运算实现方案。通过探索驱动垂直腔表面发射激光器和响应垂直腔表面发射激光器输出偏振光的同步质量随外加电场与归一化注入电流的演变规律,将外加电场与归一化注入电流分别调制为控制逻辑信号和逻辑输入。通过转换逻辑控制信号与逻辑输入的运算关系,系统就能重构处理混沌逻辑运算。采用阈值机制获得四个相同的逻辑输出,实现了混沌逻辑运算的延时存储,且系统噪声强度在低于1.84×10^(9)情况下逻辑输出具备良好的检错和纠错性能。