基于卷积残差注意力网络的高光谱图像分类算法

基于卷积神经网络(CNN:Convolutional Neural Network)的高光谱图像(HSI:Hyperspectral Image)分类方法显著提高了分类性能,然而在获取深层语义特征方面存在瓶颈,且随着网络层数增加,计算成本明显上升。注意力机制允许网络集中注意力于特定区域或通道,提高对关键信息的感知,且有助于处理图像中的长距离依赖关系,促使网络同时获取局部特征和全局特征。因此,本文提出一种基于卷积残差注意力网络的高光谱图像分类算法。首先,设计了光谱-空间特征提取模块,使网络能够更全面地捕捉高光谱图像中的信息;其次,设计注意力增强骨干,通过注意力机制和残差网络的交互,更加关注重要的通道和特定区域,提高特征的判别能力并增强对空间信息的感知能力;最后引入注意力对比学习,增强样本类内间的关联度与类间的区分度。在三个公开的高光谱数据集上的实验结果表明,相较于已有代表性高光谱图像分类算法,所提方法的分类性能更优异。

LIBS和Raman光谱的VOCs在线探测

作为一种主要的大气污染物,挥发性有机物(VOCs)因其对大气环境极强的破坏性和生理毒性而受到广泛的关注,在线探测大气中挥发性有机物是一个极具挑战性的工作。将激光诱导击穿光谱(LIBS)与Raman光谱相结合,分别从原子发射光谱及分子结构信息角度对挥发性有机物进行了分析。在线原位检测得到的LIBS光谱观测到了Br元素特征谱线及N,O和H等空气所含元素特征谱线。实验成功探测到了挥发在空气中的邻氟溴苯,对于大气中溴的探测及其相关反应机理研究提供了支持。对于高能激光作用下产生的CN和C 2自由基分子,具体分析了二者产生机理。激光脉冲使空气中的氮气和邻氟溴苯的苯电离分解,邻氟溴苯中的碳原子与空气中的氮发生反应,会形成高温的等离子体,其中的碳氮原子再重新自由组合从而形成CN自由基并自发辐射,通过光谱仪可采集到该自由基的自发辐射的分子谱。待测样品邻氟溴苯分子含有苯环,分子中存在多个碳原子。在强激光作用下邻氟溴苯分子发生光解离,易于形成C 2自由基分子,并辐射产生C 2自由基光谱。实验验证了C 2自由基来自于邻氟溴苯样品里的苯环基团。为增加对挥发性有机物分子结构信息的了解,Raman光谱在线探测的引入很有必要。在样品Raman光谱实验结果的基础上,结合了密度泛函理论(DFT)对其振动模式及分布进行了计算拟合,对其振动产生的特征峰进行了标定并获得了其特征光谱指纹。强度较高的4个峰(310,833,1036和1244 cm^(-1))是C—Br键及C—F键振动表征,特别是前二者(310和833 cm^(-1))显示存在溴、氟原子位移,可作为该分子的特征光谱指纹对其进行识别。实验证明,LIBS与Raman光谱相结合应用至VOCs的在线探测具有很好的效果,对相关探测工作具有重要参考价值。

基于Arduino控制器的双臂写字机器人开发与设计

文中设计了一种基于Arduino控制器的写字机械臂,含左臂、右臂和控制两臂升降的抬臂。Arduino控制器输出控制脉冲和方向电平控制舵机,采用直线插补和圆弧形插补算法控制机械臂的运动落点,通过精确计算直线距离和旋转角度控制双臂协调前进后退,从起始坐标运动到目标坐标,实现所有目标字符的书写。该设计可以通过字母的组合实现单词书写,也可以通过数字组合实现时间书写及部分汉字书写。

基于激光诱导击穿光谱的果木炭燃烧对空气成分影响的研究

果木炭是一种常见的燃料,其燃烧过程中产生的气体和烟尘气溶胶会影响环境空气质量并损害人体健康,因此对果木炭燃烧过程中空气成分进行检测与分析具有重要意义。采用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对果木炭燃烧时的空气、烟尘气溶胶进行检测,同时检测果木炭及其燃烧灰烬作为辅助分析。对四种样品的谱线进行标定,发现果木炭燃烧时空气中碳浓度增大,生成的气溶胶中含有Ca、Mg、K、Si等元素。果木炭和灰烬的元素组成较为相似,均含有C、Fe、Mg、Ca、Sr、K、Na和Ba等元素,果木炭光谱中C、H元素谱线强度均高于灰烬。此外,结合机器学习算法对有无果木炭燃烧时的空气进行区分,选取C、CN分子特征谱线所在的波段作为聚类分析的原始特征。主成分分析(PCA)结果表明在有无果木炭燃烧两种条件下的空气能被较好地区分,证明LIBS结合PCA技术能有效地识别果木炭的燃烧并检测果木炭燃烧造成的空气污染。进一步利用LIBS结合机器学习算法对果木炭及其燃烧灰烬进行区分,发现区分效果良好,为果木炭燃烧后的回收利用提供了参考。

不同外电场下对二甲苯结构和光谱特性研究

本文采用密度泛函B3LYP方法在6-311G++(d,p)基组上优化了不同外电场下(-0.025~0.025 a.u)的对二甲苯分子,得到了不同外电场下的键长,能量,电偶极矩和前线轨道等构型参数,并分析了上述参数随外电场的变化情况.之后在优化后基态的基础上,采用TDDFT/B3LYP/6-311++G(d,p)方法得出了不同外电场下(0~0.02 a.u.)对二甲苯分子的紫外可见吸收光谱,并探讨了外电场变化对对二甲苯分子前9个激发态的激发能,波长和振子强度的影响规律.这些计算结果为利用强电场降解有毒物质对二甲苯提供理论依据.

电磁场调制下的应变黑磷烯带间光电导

黑磷烯具有各向异性且独特的光电性能被广泛研究.应变、电压等常用来调制能带结构,进而调制其光电特性.本文采用紧束缚近似哈密顿量,考虑施加垂直磁场、电场、面内面外应变条件下的黑磷烯能带结构,进一步利用Kubo公式研究了黑磷烯光电导率在多个调制因子下的特征,并从能带结构进行了机理分析.垂直磁场使能带劈裂,产生多通道带间跃迁,光电导率表现出多个峰.随着面内拉伸应变增加能隙增加,光电导峰位依赖于能隙.而面外拉伸应变对能隙的调制区别于面内应变,能隙表现出非单调变化.电场通过带隙的变化,调制光电导率峰值位置.综合不同的调制因子,能带和光电导表现出丰富的调制效果,为研究基于黑磷烯光电器件的应用提供理论支持.

溴乙烷在外电场下的光谱和解离特性（英文）

溴乙烷在太阳辐射下解离生成溴自由基,破坏大气臭氧层,因此有必要采取措施对其进行降解。采用密度泛函理论(DFT)方法,在B3LYP/6-31G+(d,p)水平上计算外电场(0~0.0285 a.u.)下溴乙烷的解离特性和光谱特征。计算结果表明,随着Z轴方向的电场强度从0 a.u.增加到0.0285 a.u.,分子体系总能量逐渐减小。同时在这一过程中,能隙单调变小,偶极矩逐渐增大。计算的溴乙烷解离势能曲线显示,强度为0.030 a.u.的外电场将使C-Br键断裂。以上这些结果为溴乙烷进行电场降解提供了重要信息。

激光诱导击穿光谱对农药气溶胶的在线监测

作为现代农业的重要工具,农药凭借其高效的灭病虫害能力在农业生产中应用广泛,然而其灭杀虫害的同时对大气环境和人体健康等方面也会造成危害。使用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对农药的气溶胶喷雾进行了在线探测,研究了使用LIBS技术对农药使用过程的实时监测。首先检测了清洁环境下的空气LIBS光谱,在空气的光谱中探测到大量的氮(N)、氧(O)原子发射谱,这个结果与空气成分是相吻合的;同时还观察到了氢(H)的两条巴尔默系原子谱线,这主要是来源于空气中的水蒸气。值得注意的是,在空气谱中还发现了两条氩(Ar)的原子谱线,这也表明LIBS技术在微量元素检测方面有着重大潜力。选用农药敌杀死作为研究对象,对其有效成分溴氰菊酯(C_(22)H_(19)Br_(2)NO_(3),CAS:52918-63-5)进行了LIBS检测。在溴氰菊酯的LIBS光谱中观察到了卤素元素溴(Br)的存在,标记出了两条Br的原子发射谱线(827.294和833.470 nm)。对农药样品进行探测时也发现了包括CN分子发射谱与C_(2)分子发射谱等大量空气光谱中没有检测到的特征谱线;同时还检测到了空气谱中没有观测到的元素纳(Na)以及钙(Ca);尤其是Ca,农药中不仅仅检测出了Ca的存在,而且相比于溴氰菊酯光谱中Ca谱线的能量以及数量都有着非常明显的上升。最后,实验中对CN分子的温度进行了研究;拟合得到溴氰菊酯与农药的CN分子的振动温度分别为8800和6200 K,转动温度分别为8600和5500 K。以上结果表明了使用LIBS技术对农药的在线监测是可行的,是有发展前景的。

基于激光诱导击穿光谱的洋葱在线原位检测

激光诱导击穿光谱(Laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS)是一种分析多元素的光学技术,可用于新鲜蔬菜的快速检测.以洋葱为例,采用LIBS对其含有的元素进行了在线原位检测.用乙酸铅溶液污染洋葱以模拟大气湿沉降的重金属污染现象,并进行重金属Pb元素检测.使用主成分分析(principal components analysis, PCA)和反向传播人工神经网络(back-propagating artificial neutral network, BP-ANN),以洋葱、大蒜、小葱为样品进行区分检测.洋葱光谱中的特征谱线包括Si、Fe、C、Mg、Al、Ca、Ti、Sr、Ba、Na、Li和K等元素,以及N、H、O的谱线和CN分子谱带.不同浓度梯度乙酸铅溶液污染的洋葱样品中都能检测出Pb元素,其相对强度与溶液浓度成比例.此外,PCA的结果表明洋葱、小葱、大蒜的区分效果明显,BP-ANN交叉验证的识别率为89.47%.结果证明LIBS在对元素进行快速分析时具有较好的识别能力,是检测新鲜蔬菜的有效手段.

ZnO在辐射场中的光激发特性研究

采用密度泛函理论的BPV86方法,在6-311G++(d,p)基组水平上优化了不同外电场(0~0.080a.u.)下氧化锌分子的基态稳定构型,在此基础上利用同样的方法计算了氧化锌分子的分子结构、偶极矩、总能量、能隙以及红外光谱和紫外-可见吸收光谱强度。结果表明,在外电场的作用下,分子结构变化明显,与电场呈现强烈的依赖关系。随着正向外加电场的增加,ZnO分子键长一直在增大,电偶极距也是一直增大,分子总能量不断减小,分子能隙不断减小,红外光谱吸收峰出现红移现象。随着外电场的加强,分子紫外可见吸收光谱振子强度先增大后减小再增大再减小反复变化,其波峰则出现蓝移现象。

间二甲苯分子在不同外电场下结构和解离特性研究

间二甲苯是挥发性有机物(VOCs,Volatile Organic Compounds)的关键活性成分,研究其在外电场下的性质十分重要.采用密度泛函理论(DFT),在B3LYP/6-311G++基组水平上对间二甲苯分子进行优化,从分子结构研究了不同外电场(-0.025 a.u.~0.025 a.u.)作用下,间二甲苯分子的总能量,键长,电偶极矩,前线轨道,红外光谱和解离势能面.计算结果表明,沿两甲基中C原子连线方向的电场(-0.025 a.u.~0.025 a.u.)增加时,分子总能量和能隙先增大后减小,电偶极矩先减小后增加.通过计算发现外电场对间二甲苯分子不同键长和不同振动模式的红外光谱的影响均有所不同.间二甲苯分子的解离特性表现为:沿两甲基中C原子连线方向施加强度超过0.047 a.u.的电场时,位于电场增加方向的甲基与苯环之间起连接作用的C-C键断裂.以上计算结果可为利用电场降解间二甲苯提供重要理论参考.

碘甲烷在外电场下的光谱和解离特性（英文）

碘甲烷是一种有毒的甲基化试剂和土壤消毒剂,应用十分广泛,研究其基本的物理性质和使其降解的有效措施很有必要。使用密度泛函理论(density functional theory,DFT),在B3LYP/LANL2DZ水平上研究在外电场(0～0. 04 a. u.)作用下碘甲烷分子的解离特性以及多种物理性质。计算结果表明,在C—I键连线Z方向上,外电场从0逐渐增加到0. 04 a. u.时,分子体系能量逐渐减小,偶极矩单调增大. HOMO-LUMO能隙EG却呈现先增大后减小的变化趋势,C—I和C—H键键长逐渐增大,更加易于裂解。在外电场逐渐增强时,解离特性表现为:CH3I分子的C—I键方向扫描得到的势能曲线的束缚状态逐渐消失,势垒逐渐变小最后消失。计算发现,强度为0. 04 a. u.的外电场足以使CH3I分子发生C—I键断裂而降解。该结果为保护环境和对碘甲烷进行电场降解提供理论依据。

激光诱导击穿光谱技术实时检测蔷薇属植物

玫瑰、蔷薇和月季三种花同属于蔷薇属植物,这三种花外貌相似,极易混淆。蔷薇属植物具有重要的观赏价值、药用价值等,因此快速鉴别蔷薇属植物具有重要意义。利用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对三种花进行原位在线检测,可以识别三种花中的主要元素。通过植物中所含元素的差异以及同一元素对应谱线的相对强度的差异,可以辨别玫瑰、蔷薇和月季。此外,在蔷薇属植物光谱中还可以探测到CN自由基,利用LIFBASE软件模拟光谱中的CN,计算CN的振动温度和转动温度,得到的参数可以视为实验参数。在对比分析三种不同花的激光诱导击穿光谱后,选择强度差异显著的特征谱线作为变量,结合广义回归神经网络(GRNN)对花属进行预测,正确率可达93.3%。

利用速度成像技术研究碘乙烷多光子电离解离动力学

卤代烷烃会破坏臭氧层,而碘乙烷(C_2H_5I)是卤代烷烃中重要代表物质之一.采用离子速度成像技术、飞秒激光技术和飞行时间质谱技术,探究了C_2H_5I的多光子电离解离动力学.通过分析C_2H_5I在强场作用下多光子电离解离得到的解离通道、碎片的动能、角度分布和各向异性参数等信息来研究碘乙烷离子(C_2H_5I^+)C-I键裂解机理.根据飞行时间质谱实验,C_2H_5I在飞秒激光脉冲作用下发生多光子电离解离得到的碎片有C_2H_5^+,I^+,CH_2I^+,C_2H_2^+,C_2H_3^+,C_2H_4^+等.与C-I键相关的碎片为C_2H_5^+和I^+,解离机制分别对应于C_2H_5I^+→C_2H_5^+I和C_2H_5I^+C_2H_5+I^+.同时,采用离子速度成像技术研究C_2H_5I^+的C-I键裂解产生的C_2H_5^+和I^+的速度影像,得出两者的速度分布和动能分布,分析结果表明C-I键裂解产生C_2H_5^+和I^+的过程都存在高能通道和低能通道.进一步分析解离碎片离子的角度分布发现C_2H_5^+解离时各向异性参数接近于0,可能对应于慢速的振动预解离过程.I^+在解离时各向异性参数较高,可能源于排斥势能面上的快速解离过程.最后采用密度泛函理论计算了C_2H_5I分子电离前后构型变化、离子态的能级强度及谐振强度,对C_2H_5I^+的解离机制做了更进一步的分析和讨论.

莫尔测量法中相位物体位置对结果的影响研究

莫尔测量法被广泛用于各类流场的结构显示和关键参量测量中,关于相位物体在光路中的放置位置已有不同的报道,针对该问题进行了理论和实验研究。理论分析表明,当相位物体放置于2个光栅前时,偏移量和相位主要取决于2个光栅之间的距离,偏折角取决于相位物体引起的相位扰动与2个光栅之间的间距的比值;而当相位物体放置于2个光栅之间时,偏移量和相位主要取决于相位物体到后面一个光栅之间的距离,偏折角则取决于相位物体引起的相位扰动与其到后面一个光栅之间的距离的比值。为了验证理论结果的正确性和合理性,实验中选取燃烧蜡烛火焰作为对象,对比发现在两种情况下,只要相应的距离选取适当,则相位物体的位置并不影响实验中重建的相位和偏折角等结果。相关研究成果可为莫尔测量法更好地用于各类流场的检测提供一定的参考。

外电场作用下D-甘油酸分子的结构和光谱研究

采用密度泛函(DFT)B3LYP方法在6-311G基组上优化了不同外电场作用下D-甘油酸分子的基态几何结构、电偶极矩和分子的总能量,并在此基础上利用含时密度泛函(TD-DFT)方法在相同基组下探讨了各电场情况下D-甘油酸分子前6个激发态的激发能、波长和振子强度与外电场大小的关系.结果表明:分子的几何构型在外电场F=0.003 a.u.时会发生明显的变化,当外电场强度F=0.003 a.u.时,分子总能量骤然下降,电偶极矩骤然上升,其紫外吸收峰也出现明显的红移.当电场继续增加时,上述指标重新回到正常水平,骤变消失.

利用LIBS技术对电烙铁的烟雾进行在线分析

为了研究电烙铁工作时焊接含铅锡线产生的烟雾对局域空气的污染,设计了一套基于激光诱导击穿光谱技术(LIBS)的实验系统,对电烙铁焊接含铅锡线的烟雾进行在线分析,在烟雾的光谱中发现了重金属元素铅的特征谱线。使用元素内标法对铅元素进行定量分析,通过分析铅元素的等离子体温度与电子数密度的相关特性,验证了实验所得光谱的有效性。结果表明,通过拟合曲线获得铅元素的检出限为19.35×10^(-5);对比传统化学的化验方法,基于激光诱导击穿光谱的电烙铁焊接锡线的场景检测实验系统和方法具有在线、原位、快速的优越性。该研究对解决电烙铁工作时室内空气的污染,减轻对使用者健康造成的危害是有帮助的。

三氯甲烷在外电场中的物理性质研究

三氯甲烷是挥发性卤代烃,可通过皮肤接触、呼吸或饮水进入人体,危害人体健康,其物理性质的进一步研究对于保护环境与人体健康十分重要.本文采用DFT(密度泛函理论)计算方法,在B3PW91/6-311G+(2d,p)基组水平下对三氯甲烷分子进行优化,从分子结构角度研究了不同外电场作用下,三氯甲烷分子的总能量,键长,电偶极矩,解离势能面,隧穿电离和红外光谱.计算结果表明,随着外加电场的增大,分子键长逐渐增长,偶极矩也随之增加,然而分子的总能量却逐渐减小.分子的最低空轨道能量与最高占据轨道能量之间的能隙也随着外加电场的增大而降低.分子的解离能在增加的电场条件下逐渐降低,吸收光谱的IR强度也有明显的变化.上述的计算结果为利用电场降解三氯甲烷提供重要的理论参考.

基于调制激光的自由空间无线传输系统的研究

利用调制光进行自由空间的信息传输一直是通讯领域的研究热点。合理设计调制、接收电路和通讯时序过程是实现时效通讯的关键。为了延长目前可见光通信的传输距离,提高通信系统的抗干扰性,从短距离通讯应用背景出发,采用可调制激光作为光源,PIN光电二极管作为接收器件和RS232作为通讯协议,设计了一套信号传输系统。

太赫兹区石墨烯光吸收特性对其复光电导的依赖

采用转移矩阵方法,在含石墨烯的多层介质结构中,研究了太赫兹频域的光传输过程。在多层结构中,光吸收表现为多个吸收峰,且吸收峰的位置依赖于入射光频率、入射角和石墨烯化学势。随着石墨烯化学势和石墨烯层数的增加,吸收率增大,石墨烯光导虚部增大,吸收峰的位置蓝移。周期性吸收峰发生在反射光干涉相消的条件下,且可通过两条主要反射光间的相位差来理解。因此,可基于光传输中石墨烯吸收峰的位置和强度来给出石墨烯的化学势、能级展宽因子参数。给出了与石墨烯材料相关的可提高石墨烯吸收率、降低透射率的参数条件。