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本期目录

2024年, 第41卷, 第3期 上一期
前沿创新
Marangoni流动对液滴撞击过热液池影响的数值模拟
赵烁, 张杰, 倪明玖
2024, 41 (3): 289-297.  DOI: 10.7523/j.ucas.2023.063
摘要 ( 206 ) HTML ( ) PDF (6993KB) ( 309 )
对液滴撞击过热液池的动态过程进行数值模拟,着重关注由液池表面不均匀温度引起的马兰戈尼效应(Marangoni effect)对液池内的流场和温度场演化过程的影响。当乙醇液滴落入过热油池后,液池表面温度随着液滴的靠近而迅速下降,从而在径向上产生很大的温度梯度。由此引发的沿径向向内的Marangoni力会与沿径向向外的蒸汽剪切应力相抗衡,进而在蒸汽层最薄的位置形成一个“热射流”结构。随着时间的推进,占据主导地位的Marangoni力逐渐将“热射流”向内推动,直至在液滴下方形成下沉羽流。此外,随着液池黏度的增加,液池内由表面蒸汽应力引起的流动将被抑制,进而导致界面附近的换热效率大幅下降。
数学与物理学
一类随机泊松系统的保结构数值方法
刘倩倩, 王丽瑾
2024, 41 (3): 298-305.  DOI: 10.7523/j.ucas.2022.015
摘要 ( 222 ) HTML ( ) PDF (1949KB) ( 118 )
考虑一类随机泊松系统,称为随机Lotka-Volterra系统的保结构数值模拟。为该类系统提出一种随机泊松积分子,并证明了该积分子具有一阶均方收敛阶。数值实验对理论结果进行了验证。
Geminga TeV晕周围星际介质的湍动特性
程皓麟, 朱辉, 陈天禄, 田文武, 崔晓红, 吴丹, 高启
2024, 41 (3): 306-311.  DOI: 10.7523/j.ucas.2022.076
摘要 ( 166 ) HTML ( ) PDF (3320KB) ( 149 )
空间功率谱分析是研究星际介质湍动特性的常用方法。以此方法利用GALFA HI巡天数据分析Geminga附近一块中性氢云的湍动特性,其21cm谱线积分亮温度图的空间功率谱符合幂律分布,谱指数为-4.0±0.1。与银河系内本地星际介质的功率谱(谱指数大于-3.0)相比,该云的功率谱较陡。分析陡谱的成因,排除了中性氢云在视线方向所取的速度宽度不足、云周围存在垂直于视线方向的有序磁场、能量传递过程中有损失等因素的影响。这个结果暗示Geminga周围可能存在一个区域,其内部湍动特性与银河系其他区域的湍动特性不同,进而导致了Geminga TeV晕中较低的扩散系数。
常见的恒星质量和恒星形成率计算方法之间的对比
李翠环, 李国栋, 蔡肇伟, 单增罗布
2024, 41 (3): 312-320.  DOI: 10.7523/j.ucas.2022.052
摘要 ( 226 ) HTML ( ) PDF (7915KB) ( 240 )
针对斯隆数字巡天计划中有测光及光谱认证的正常星系的样本,利用天文多波段巡天数据,分别使用恒星质量和恒星形成率(SFR)的数种不同计算方法,从原理到结果进行相互对比。研究发现,不同的恒星质量估算方法的结果相互差异并不显著,然而SFR的不同方法之间存在不同程度且重要的误差。因此,在对星系间SFR进行相互比较,或是研究星系演化时的SFR分析时,应使用相类似的观测数据资料,以及同一种SFR估算方式,避免不同估算方式的偏差造成的错误解读。
化学与生物学
福建桉树异速生长方程与生物量估算
郑小曼, 翁闲, 欧玲珑, 任引
2024, 41 (3): 321-333.  DOI: 10.7523/j.ucas.2022.074
摘要 ( 449 ) HTML ( ) PDF (10322KB) ( 427 )
以中国南方主要速生丰产树种桉树为研究对象,利用野外破坏性实测的90棵桉树解析木数据,研究桉树单木器官生物量的分配及规律,构建最佳单木异速生长方程,计算桉树根冠比并将其应用于桉树树根生物量的估算。结果表明:1)桉树生物量的分配策略如下:随着林龄的增大,桉树树干的生物量分配比例不断增多,而树枝、树叶和树根的生物量分配比例不断减少。2)应用桉树分林龄的根冠比数据估算桉树树根生物量是最为可行且有效的方法。3)在桉树生物量的异速生长方程构建中,乘幂方程优于线性方程,最优自变量则根据各器官有所差异。
环境科学与地理学
京津冀地区大气PM2.5污染时空分布特征及成因分析
苏孟倩, 石玉胜
2024, 41 (3): 334-344.  DOI: 10.7523/j.ucas.2023.025
摘要 ( 365 ) HTML ( ) PDF (6043KB) ( 360 )
基于PM2.5浓度数据、自然因素数据和人类活动因素数据,采用克里金插值法和统计分析法探究2017年京津冀地区13个城市大气PM2.5污染的时空分布特征,并采用相关分析模型和因子分析模型探究其成因。结果表明,京津冀地区:1)PM2.5浓度空间分布呈现“北低南高”的特点,南部和北部城市的年平均浓度梯度最高可达到64μg/m3;2)PM2.5浓度时间分布呈现“冬高夏低”、“早晚高午后低”的特点,冬季PM2.5浓度是夏季的1.3~2.8倍,四季PM2.5浓度日较差介于11~29μg/m3;3)大气PM2.5污染与自然因素关系密切。地势地形影响PM2.5的聚集、传输和扩散过程。风速、日照时数和相对湿度是影响大气PM2.5污染的主导气象因素,冬季PM2.5浓度与气象因素的相关性最强;4)大气PM2.5污染与人类活动关系密不可分,具体可归为:社会经济因素、工业污染排放因素和城市建设因素。研究结果将有助于为京津冀地区大气污染防治查漏补缺。
一类变系数空间滞后的混合地理加权回归模型
唐志鹏, 吴颖, 熊世峰, 黄寰
2024, 41 (3): 345-356.  DOI: 10.7523/j.ucas.2022.081
摘要 ( 202 ) HTML ( ) PDF (957KB) ( 150 )
为解决因变量空间滞后存在的局域性问题,对现有常系数空间滞后的混合地理加权回归模型作了具有更广泛形式的拓展,提出一类变系数空间滞后的混合地理加权回归(MGWR-VSLR)模型。MGWR-VSLR模型实现了空间相关性与空间异质性融合,涵盖了绝大多数地理加权回归的模型形式,基于重构参数化方法和似然比检验分别给出模型的系数估计方法与显著性检验以及选取变系数的判别检验。在蒙特卡罗模拟与实际应用中,MGWR-VSLR模型均表现出优异的因变量拟合与预测能力。MGWR-VSLR模型的提出为定量化研究空间效应问题设定适宜的模型形式提供了支撑依据。
电子信息与计算机科学
基于BBO优化K-means算法的WSN分簇路由算法
彭程, 谭冲, 刘洪, 郑敏
2024, 41 (3): 357-364.  DOI: 10.7523/j.ucas.2022.065
摘要 ( 193 ) HTML ( ) PDF (3087KB) ( 238 )
针对无线传感器网络中传感器节点能量有限、网络生存期短的问题,提出一种基于生物地理学算法优化K-means的无线传感器网络分簇路由算法BBOK-GA。成簇阶段,通过生物地理学优化算法改进K-means算法,避免求解时陷入局部最优。根据能量因子和距离因子设计了新的适应度函数选举最优簇首,完成分簇任务。数据传输阶段,则利用遗传算法为簇首节点搜寻到基站的最佳数据传输路径。仿真结果表明,相较于LEACH、LEACH-C、K-GA等算法,BBOK-GA降低了网络能耗,提高了网络吞吐量,延长了网络生存周期。
大气稳定度对边界层垂直风切变的影响
梁志, 师宇, 张哲, 胡非
2024, 41 (3): 365-374.  DOI: 10.7523/j.ucas.2022.063
摘要 ( 162 ) HTML ( ) PDF (10747KB) ( 347 )
大气边界层垂直风切变是高层建筑、航空和风能利用等领域影响安全的重要因素,对大气垂直分布的研究具有重要实际价值。选用位于河北张家口地区的激光雷达测试场地的140 m测风塔数据,通过测风塔和激光雷达的同期外场测量,验证激光雷达与测风塔对垂直风切变的测量精度,研究大气稳定度对于垂直风切变的影响。结果表明:1)大气稳定度对风切变影响显著,风速切变、风向切变与大气稳定度的相关系数分别为0.48和0.54;2)风速切变随位温梯度的增加而增加,当位温梯度达到0.08 K·m-1后,风速切变保持在0.35~0.40;3)位温梯度大于0时,风向随高度增加顺时偏转;位温梯度小于0时,风向随高度增加逆时针偏转;中性大气风向的垂直分布较为一致。通过测风塔和激光雷达的垂直观测建立了风速切变、风向切变与大气稳定度的关系模型,对风场垂直分布相关的研究与应用具有较好的参考价值。
基于改进U-Net模型的农业大棚遥感提取方法
王寅达, 彭玲, 陈德跃, 李玮超
2024, 41 (3): 375-386.  DOI: 10.7523/j.ucas.2023.060
摘要 ( 266 ) HTML ( ) PDF (27690KB) ( 500 )
农业大棚是一种农业设施,依据表面透光度分为阳棚和阴棚。大范围统计农业大棚对农业设施普查、农业政策制定、县域经济发展规划具有重要意义。针对人工统计费时费力问题,基于卷积神经网络和高分辨率遥感影像实现农业大棚遥感信息提取。针对U-Net模型对遥感影像中语义信息提取不足和边缘信息利用不充分问题,提出以下改进方案:1)优化语义分割任务,使用ConvNeXt和注意力机制提取遥感影像中农业大棚的深层语义信息;2)引入边缘检测任务,采用门控卷积层和拼接操作融合编码器的语义特征和解码器输出的图像梯度,进而结合边缘信息优化分割结果。经测试,改进后的模型能同时提取阴阳2种大棚信息且识别效果良好,相对传统方法有较大提高。
基于非匹配滤波的SAR通信一体化技术
孙文, 孙吉利, 卢虹良
2024, 41 (3): 387-397.  DOI: 10.7523/j.ucas.2022.085
摘要 ( 211 ) HTML ( ) PDF (8398KB) ( 287 )
一体化波形设计是雷达通信一体化技术实现的关键,正交频分复用(OFDM)信号更是被视为最具应用潜力的一体化波形信号。然而,OFDM一体化信号在实际应用中存在如下问题:在匹配滤波框架下,OFDM一体化信号中包含的通信信号导致二维模糊函数出现高旁瓣和伪峰,影响合成孔径雷达(SAR)成像性能;OFDM一体化信号具有较高的峰均功率比(PAPR)值,无法充分发挥功放的线性放大性能,进而影响探测距离和通信性能。针对上述问题,将基于循环前缀的非匹配滤波成像算法应用到一体化信号处理中,同时提出基于离散傅里叶变换预编码的一体化信号设计方法,消除通信信号对成像性能的影响,并将信号的PAPR值控制在可接受范围内,实现了SAR成像和通信性能的良好兼容。最后通过实验证明了所提方法的有效性。
基于时空依赖关系多智能体强化学习的多路口交通信号协同控制方法
王兆瑞, 岩延, 张宝贤
2024, 41 (3): 398-410.  DOI: 10.7523/j.ucas.2023.076
摘要 ( 180 ) HTML ( ) PDF (7098KB) ( 377 )
面对日益严重的交通拥堵现象,智能交通信号控制已成为提升城市道路网络性能必不可少的手段。提出一种基于时空依赖关系多智能体强化学习算法的多路口交通信号控制方法STLight(spatiotemporal traffic light control)。通过基于注意力机制的时空依赖模块STDM(spatiotemporal dependent module),STLight可将初始交通观测数据提取为时空特征,以有效捕获各交叉路口间的时空依赖关系。此外,基于所提取的时空特征,STLight在基于集中训练分散执行框架的多智能体强化学习算法基础之上进一步为各个智能体引入全局时空信息,从而进一步提升多智能体之间的协作能力。实验结果表明,STLight在提升城市道路网络的性能方面具有显著的优势,有助于缓解当前大规模城市道路网络的交通拥堵问题。
不平衡样本下的SA-YOLO自适应损失目标检测算法
苏亚鹏, 陈高曙, 赵彤
2024, 41 (3): 411-426.  DOI: 10.7523/j.ucas.2023.013
摘要 ( 345 ) HTML ( ) PDF (12585KB) ( 288 )
样本不平衡现象是指在数据集中以背景为主的易样本数量较大,而以前景为主的难样本数量过少,即样本存在类间不平衡与难易不平衡问题。现有目标检测算法大多是基于候选区域的两阶段算法或基于回归的单阶段算法,当应用于不平衡样本时无法避免训练中产生的预测框对大量样本过度依赖,从而导致模型过拟合且检测精度低,准确性、泛化性差。为了在不平衡样本下实现高效精准的目标检测,提出一种全新的SA-YOLO自适应损失目标检测算法。(1)针对样本不平衡问题,提出SA-Focal Loss函数,能够针对不同数据集与训练阶段对损失进行自适应调节,以达到平衡类间样本与难易样本的效果。(2)在多尺度特征预测机制下构造CSPDarknet53-SP网络架构,增强困难小目标样本全局特征的提取能力,达到提升难样本检测精度的效果。为验证SA-YOLO算法的性能,分别在样本不平衡数据集与COCO数据集上进行了大量仿真实验。结果表明:相较于现有YOLO系列算法最优指标值,SA-YOLO在不平衡数据集中mAP可达91.46%,提升10.87%,各类目标AP50提升均在2%以上,有极强的专精性;在COCO数据集中mAP50提升1.58%,各项指标均不低于最优值,有良好的有效性。
简报
量子化学计算研究自由基相互作用的双稳态轮烷的穿梭机理
王涛, 李晓毅
2024, 41 (3): 427-431.  DOI: 10.7523/j.ucas.2022.055
摘要 ( 171 ) HTML ( ) PDF (3345KB) ( 213 )
设计了一种氧化还原驱动的可切换的双稳态轮烷。以双百草枯-对苯双自由基双阳离子环 (CBPQT2(·+)) 作为大环分子,主链分子上有2个结合位点,即4,4'-联吡啶自由基阳离子BIPY·+和2,6-二氧亚萘基(DOP)位点。运用密度泛函理论对大环分子在主链分子上的运动机理进行研究,并通过量子力学理论计算分析大环分子CBPQT2(·+)与主链分子上2个结合位点BIPY·+ 和DOP之间的弱相互作用,证明了氧化还原反应控制自由基络合物的形成和解离可以驱动CBPQT2(·+)环沿着主链分子的2个结合位点间实现往复运动。