1 哈尔滨工业大学（威海），山东 威海 264209
2 中国科学院海岸带环境过程与生态修复重点实验室（烟台海岸带研究所），山东 烟台 264003
3 中国科学院海洋大科学研究中心，山东 青岛 266071
4 中国科学院大学，北京100049
光谱技术与机器学习算法结合快速识别微塑料, 为微塑料的现场检测提供了极大的技术支持, 是一个得到极大关注的新领域。 近红外光谱检测技术具有检测速度快、 灵敏度高、 不损坏样品, 且可以在不对样品进行预处理的情况下直接检测等特点, 在化学分析、 质量检测等领域广泛应用。 本文基于近红外光谱检测技术, 研究比较了结合Support Vector Machine(SVM)和Extreme Gradient Boosting(XGBoost)两种机器学习分类算法, 构建微塑料的高速有效识别分类模型。 采用微型近红外光谱仪采集了20种常见的微塑料标准样品的光谱数据, 为了防止过拟合, 对每种样品多次采样, 共收集了1 260个微塑料样本, 每个样本包含512个数据点。 利用XGBoost算法进行特征重要性排序, 共提取了对识别准确率影响较大的65个数据点。 分别采用SVM算法和XGBoost算法对数据降维后提取的65个数据点建立微塑料快速识别模型, 并运用网格搜索(GridSearchCV)对XGBoost算法影响较大的超参数进行选取, 确定n_estimators, learning_rate, min_child_weigh, max_depth, gamma的最佳超参数分别为700, 0.07, 1, 1, 0.0。 为了提高模型的稳定性, 识别速率和泛化能力, 对模型采用10折交叉验证和混淆矩阵评估; 研究结果表明, XGBoost模型对微塑料的识别准确率为97%, 而SVM模型对微塑料的识别准确率为95%; XGBoost模型对微塑料识别的正确率优于SVM模型。 综上所述, XGBoost模型微塑料识别整体性能优于SVM模型, 为实际微塑料快速识别提供技术支撑。
微塑料 近红外光谱 Microplastics Near infrared spectrum XGBoost SVM XGBoost SVM 光谱学与光谱分析
2022, 42(11): 3501
1 闽南理工学院土木工程学院,福建 泉州 362799
2 九江学院理学院,江西 九江 332005
3 石狮鹏山工贸学校汽车维修系,福建 泉州 362799
不同涡旋个数和拓扑荷的多涡旋-高斯光束具有不同光强和相位分布。当涡旋个数增大时, 涡旋奇点个数增加, 统计束宽也增大。利用分步傅里叶法数值模拟了多涡旋-高斯光束在负折射率非局域介质中的传输, 发现涡旋点关于原点不对称或各涡旋点的拓扑荷不相等都可以改变孤子的传输方向, 因此通过改变涡旋点位置和拓扑荷数可以实现光束传输方向的控制。若涡旋点虚部的符号发生改变, 孤子的旋转方向也发生改变。此外, 孤子的临界功率和轨道角动量都会随着拓扑荷的增加而增大。因此, 可以通过涡旋点位置﹑涡旋点个数和拓扑荷的方式对光束信息进行编码, 使光束在介质中传输时携带更多容量的信息。
非线性光学 分步傅里叶法 强非局域介质 多涡旋-高斯光束 轨道角动量 nonlinear optics split-step Fourier method strong nonlocal media multi-vortex-Gaussian beam orbital angular momentum
1 赣南师范大学物理与电子信息学院, 江西 赣州 341000
2 闽南理工学院土木工程学院, 福建 泉州 362799
3 九江学院理学院, 江西 九江 332005
不同阶数复宗量厄米-高斯光束具有不同的光强和相位分布, 当阶数增大时, 涡旋奇点个数增加, 其个数与阶数相等, 同时光束束宽和椭圆率也随之增大。利用分步傅里叶法数值模拟了复宗量厄米-高斯光束在强非局域介质中的传输, 发现初始功率不等于临界功率时, 可得到振荡传输的呼吸子; 若光束的初始功率等于临界功率, 可得到稳定的孤子。进一步研究表明, 孤子光强的旋转方向取决于参量 ξ 中虚部前面的符号; 不同阶数孤子的临界功率相同, 轨道角动量却随着阶数的增加而增大; 在添加噪声后, 复宗量厄米-高斯型孤子依然能稳定传输。
非线性光学 强非局域介质 分步傅里叶法 复宗量厄米-高斯光束 轨道角动量 nonlinear optics strong nonlocal media split-step Fourier method complex variable Hermite-Gaussian beam orbital angular momentum
1 闽南理工学院土木工程学院，福建 泉州 362700
2 九江学院理学院，江西 九江 332005
在非线性介质中，离轴偏移涡旋光束的演化规律服从非局域、非线性薛定谔方程，通过解析法可以得到初始光强和轨道角动量的表达式。采用分步傅里叶法数值模拟离轴涡旋位置、拓扑电荷和涡旋环流方向等因素对光束的临界功率、光束宽度、轨道角动量、相结构分布和传输方向的影响。结果表明，选择适当的离轴涡旋位置和拓扑电荷，双涡旋的单光束可以实现双涡结构的光强分布，也可以倾斜传输。轨道角动量的大小不仅取决于传统的拓扑电荷，也取决于离轴涡旋位置。因此，此类双涡旋单光束的可控传播在光束的信息携带和传导中具有重要的理论指导意义和应用前景。
非线性光学 非局域介质 双涡旋 拓扑电荷 轨道角动量 激光与光电子学进展
2021, 58(21): 2119001
1 哈尔滨工业大学（威海）山东 威海 264200
2 中国科学院海岸带环境过程与生态修复重点实验室（烟台海岸带研究所），山东 烟台 254003
3 中国科学院海洋大科学研究中心，山东 青岛 266071
4 中国科学院大学，北京 100049
近年来由于塑料的大量使用和排放, 这些塑料经环境作用破碎变成微塑料大量汇聚到海洋中, 导致海洋中聚集大量微塑料。 微塑料形状较小, 难以识别其来源与种类。 激光拉曼探测技术具有快速、 无损、 且各物质指纹峰明显易被精确识别等优点, 近年来被广泛应用。 本文基于拉曼光谱探测技术, 提出了一种结合小波处理、 随机森林算法实现海水中微塑料快速识别的智能分类方法。 针对六种典型的海水微塑料标准样品(丙烯腈(A)-丁二烯(B)-苯乙烯(S)的三元共聚物(ABS)、 聚酰胺(PA)、 聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、 聚丙烯(PP)、 聚苯乙烯(PS)、 聚氯乙烯(PVC)), 采用激光拉曼探测技术进行光谱数据收集, 对获取的拉曼光谱采用小波基为DB7、 分解次数为3的小波, 标准差归一化进行了拉曼光谱预处理。 为了提高识别速度, 同时还需要对光谱数据进行数据压缩预处理, 分别进行了数据压缩点为64, 128, 256, 512和1 024点的数据压缩比较, 它们的决策树算法识别精度分别为91.51%, 91.67%, 92.35%, 93.17%和93.21%, 随机森林算法识别精度分别为93.12%, 93.92%, 94.83%, 96.81%和96.81%, 实验结果表明, 微塑料的拉曼光谱压缩为512点时为效率和精度的最佳压缩点, 可以为实际工程应用中微塑料拉曼数据压缩提供参考。 分别采用决策树、 随机森林两种算法进行微塑料拉曼光谱识别研究。 研究结果表明, 基于拉曼光谱数据, 随机森林算法的识别微塑料交叉验证精度高于决策树算法。 为进一步提高识别精度, 进行了模型参数(折次k)优化研究, 采用经过优化后的模型参数(k=20), 随机森林算法识别微塑料的交叉验证精度可以达到97.24%。 可以为实际海水中微塑料的快速识别提供技术参考。
微塑料 激光拉曼 小波分析 决策树 随机森林 Microplastics Laser Raman Wavelet analysis Decision tree Random forest 光谱学与光谱分析
2021, 41(8): 2469
强激光与粒子束
2020, 32(9): 092009
1 山东科技大学 机械电子工程学院, 山东 青岛 266590
2 山东科技大学 土木工程与建筑学院, 山东 青岛 266590
采用牛顿-欧拉法建立了空间并联机构的动力学方程, 用于研究4-UPS-UPU五自由度空间并联机构的刚体动力学建模。分析了4-UPS-UPU并联机构的支链受力和动平台受力情况, 基于牛顿-欧拉法推导出了该并联机构的刚体动力学方程。利用Matlab分别对动平台在空载和加载条件下的驱动力进行理论计算, 得到了该机构5个驱动杆的驱动力。最后, 利用ADAMS对4-UPS-UPU并联机构虚拟样机进行了动力学仿真分析。结果表明: 并联机构在Z轴为0.95 m的平面内按半径为0.01 m的圆轨迹运动时, 驱动杆1受力最大, 空载时最大值达-760.6 N, 加载时最大值达-889.7 N。理论计算结果和虚拟样机仿真结果基本一致, 验证了理论模型的正确性。该项研究为4-UPS-UPU五自由度并联机构物理样机的制造奠定了理论基础, 也为其他空间并联机构刚体动力学建模提供了思路。
并联机构 4-UPS-UPU并联机构 牛顿-欧拉法 动力学方程 动力学分析 parallel mechanism 4-UPS-UPU parallel mechanism Newton-Euler approach dynamic equation dynamic analysis 光学 精密工程
2015, 23(11): 3129
赣南师范学院物理与电子信息学院,江西 赣州 341000
研究了傍轴厄米-椭圆高斯光束在强非局域非线性介质中的传输特性。 依据强非局域介质响应函数特征宽度远大于光束束宽, 对非局域非线性薛定谔方程进行了近似简化,得到了介质响应函数为椭圆对称情形下的强非局域模型。 在此基础上利用分离变量法得到了厄米-椭圆高斯空间光孤子解析解及其形成的条件。进一步研究发现, 随着厄米-椭圆高斯空间光孤子阶数的增大,光束束宽增大,介质的非局域程度相对减弱;要获得高阶椭圆高斯空间光孤子, 必须提高非局域介质的非局域程度。最低阶的厄米-椭圆高斯空间光孤子就是椭圆高斯空间光孤子。
非线性光学 厄米-椭圆高斯空间光孤子 分离变量法 椭圆对称响应强非局域介质 nonlinear optics Hermite-elliptical Gaussian spatial optical solito method of separation of variables strongly nonlocal medium with elliptically symmetr
赣南师范学院物理与电子信息学院, 江西 赣州 341000
研究了椭圆厄米高斯光束在强非局域非线性介质中的传输特性。依据强非局域介质响应函数特征宽度远大于光束束宽的原理，对介质响应函数做两次泰勒级数展开,都近似取到二阶，得到了非局域非线性薛定谔方程对应的近似的拉格朗日密度函数。在此基础上，运用变分法得到了椭圆厄米高斯光束各参量的演化方程、演化规律和两个临界功率。当光束、响应函数的椭圆率满足一定条件时，两个临界功率可以相等。当初始功率等于这一临界功率，光束从光腰处入射时，可得到椭圆厄米高斯空间光孤子。进一步分析发现椭圆厄米高斯空间光孤子的相移与介质椭圆率和孤子阶数有密切关系，当介质椭圆率和孤子阶数取不同值时，可产生大的正相移、零相移，甚至负相移。
非线性光学 椭圆厄米高斯空间光孤子 变分法 非局域非线性薛定谔方程 相移 激光与光电子学进展
2012, 49(2): 021901
大连理工大学三束材料表面改性国家重点实验室， 辽宁 大连 116024
在采用团簇线判据优化设计Cu-Zr-Al非晶合金成分的基础上，采用激光熔覆技术在AZ91HP镁合金表面制备了Cu-Zr-Al合金涂层。研究结果表明，合金涂层是由非晶、Cu8Zr3和Cu10Zr7相所组成。通过X射线峰位分离计算表明，随着扫描速度增加，由于熔覆区冷却速率增大，稀释度降低，致使合金涂层中非晶相的相对含量上升，其最高质量分数可达61％。同时，由于金属间化合物的增强作用随着扫描速度的增加而减弱，致使合金涂层的硬度、弹性模量、耐磨性降低，而耐蚀性增高。
激光技术 激光熔覆 镁合金 非晶 成分 组织 性能
