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2021年, 第38卷, 第4期 上一期    下一期
前沿创新
超级陶粲装置上的Collins效应
王滨龙, 吕晓睿, 郑阳恒
2021, 38 (4): 433-441.  DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2021.04.001
摘要 ( 662 ) HTML ( ) PDF (5540KB) ( 535 )
超级陶粲装置(STCF)是未来计划的高亮度正负电子对撞机,将是目前正在运行的北京正负电子对撞机对撞亮度的100倍。利用亮度为2.5 fb-1质心能量在7 GeV的e+e-→qq模拟样本,研究STCF实验上电子湮灭产生单举带电π介子对或带电K介子对的Collins不对称度测量的精度。在预期积分亮度为1 ab-1(预期在STCF上采集一年的数据量)的情况下,预计ππX过程的Collins不对称度测量精度为10-4量级,KKX的测量精度为10-3量级。研究发现测量的不对称度的系统误差受本底水平与K-π误鉴别影响很大,因此在未来的STCF实验上采用契伦科夫探测器提高高动量的K-π鉴别能力对提高Collins碎裂函数测量精度极为重要。
水平磁场作用下金属液滴撞击电解质液池表面的实验研究
任东伟, 阳倦成, 倪明玖
2021, 38 (4): 442-449.  DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2021.04.002
摘要 ( 363 ) HTML ( ) PDF (11356KB) ( 581 )
通过实验研究磁场环境中金属液滴撞击电解质液池所产生的物理现象。实验装置包括恒定磁场系统、金属液滴发生系统、具有氩气保护的液滴撞击实验容器、高速摄影系统4个部分。本实验可以实现高速精细地观察无氧环境中不同水平磁场强度、液滴直径、初速度条件下金属液滴撞击液池的物理过程。实验中液面上方现象可以归纳为3种:伴随二次液滴的细射流、伴随即时飞溅的粗射流,以及伴随二次液滴的粗射流。其中,伴随即时飞溅的粗射流为施加水平磁场后特有的现象。并且,外部水平磁场会抑制中心射流的高度和二次液滴的产生,且磁场强度越大,抑制效果越明显。同时,在液面下方观测到5种现象(椭球震荡、扁平震荡、碗状形变、解体破碎、第2次碗状形变)。外部水平磁场可以改变这些现象发生的临界We以及液滴在运动过程中的演化形态。此外,通过对比液面上方和液池内部金属液滴所产生的现象,获得2种不同区域液滴运动特性的关联性。实验结果表明在外部磁场环境下,金属液滴撞击电解质液池会产生复杂的物理现象,需要后期开展更为详细的实验和数值模拟工作。
物理学
飞秒涡旋光与产生的3次谐波在空气中的耦合传输
展林弟, 钟志萍, 徐立桐, 奚婷婷, 郝作强
2021, 38 (4): 450-458.  DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2021.04.003
摘要 ( 353 ) HTML ( ) PDF (13032KB) ( 288 )
模拟飞秒涡旋光在空气中成丝产生涡旋3次谐波的过程。研究初始基频波的扰动分布和峰值功率对双色涡旋光演化的影响。对于具有对称扰动分布的初始基频波,双色涡旋不受初始峰值功率影响,能够在成丝过程中保持环形强度分布。但是,在高峰值功率情况下,涡旋的螺旋相位分布受到多丝的影响,多丝引起的相位积累效应破坏了双色涡旋的螺旋相位分布。对于具有不对称扰动的初始基频波,当形成多细丝时,双色涡旋的空间环形分布和螺旋相位分布都会被破坏。
强磁场下液态金属微槽道流动与换热实验研究
雷天扬, 孟旭, 王增辉, 倪明玖
2021, 38 (4): 459-466.  DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2021.04.004
摘要 ( 411 ) HTML ( ) PDF (3450KB) ( 522 )
聚变堆面向等离子体第一壁需要承受高强度的中子辐照和表面热负荷,普通材料难以满足要求,采用流动的液态金属作为面向等离子体第一壁是一种有效的解决途径。液态金属作为第一壁的关键前提是需要解决其在壁面均匀铺展的问题,以及需要研究在外加磁场条件下液态金属与壁面的换热特性,已有研究表明微槽道表面结构有助于液态金属的铺展。本文以液态金属镓铟锡合金为工质,通过实验研究在外加均匀磁场条件下,液态金属在微槽道中的流动与换热特性以及无磁场条件下液态金属在微槽道中的流动与换热特性,并对比两种不同工况下实验结果的差别,研究磁场对液态金属在微槽道中流动与换热的影响。
环境科学与地理学
基于GIS的巴基斯坦北部文化遗址时空分布特征及保护对策
姜纯, 骆磊, Shahina Tariq, Muhammad Ali, 姚娅, 王心源
2021, 38 (4): 467-477.  DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2021.04.005
摘要 ( 551 ) HTML ( ) PDF (20401KB) ( 742 )
巴基斯坦北部地区是历史上犍陀罗文化的中心区域,拥有大量的印度教、佛教和伊斯兰教文化遗址。借助考古文献资料、数字高程模型以及野外实地调查与验证数据,运用GIS空间分析方法,对巴基斯坦北部地区印度教、佛教和伊斯兰教文化遗址的时空分布特征、保存现状进行研究,并提出相应保护对策。结果表明:巴基斯坦北部地区先后经历了印度教文化、佛教文化、伊斯兰教文化的传入、兴衰等演变过程。核密度估计显示3种文化遗址分布范围、聚集程度有所不同,但都以伊斯兰堡周边区域聚集程度最高。基于高分辨率的DEM分析表明,90%以上的文化遗址距离河流小于800 m,反映其位置选择对于河流的依赖与需求。从分布的高程看,3种文化遗址大多数在800 m以下、坡度范围在0°~10°之间,主要沿河道和交通要道分布。统计数据表明:伊斯兰教遗址数目最多,佛教遗址次之,印度教遗址最少,反映遗址保存的数量随时间而变化。由于自然因素和人类活动,一些文化遗址如古佩拉、维吉等保存状况较差,亟待加大保护力度。针对遗址目前的保存状况与面临的风险,提出对应的保护措施。
用于人工湿地的基质净水除磷静态实验与渗流模拟综合研究
王迪, 王明玉
2021, 38 (4): 478-485.  DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2021.04.006
摘要 ( 359 ) HTML ( ) PDF (2134KB) ( 329 )
为有效解决人工湿地基质除磷普遍存在的去除率不断下降问题和基质结构优化设计与维护问题,需针对不同介质掌握其对具体含磷污水的吸附特性及实际去磷效果的演变趋势与规律。选取人工湿地可选用的除磷性能较好的沸石、麦饭石和磁铁矿3种基质,首先通过静态实验研究它们对磷的吸附动力学过程和等温吸附特征,并考察不同基质和粒径对磷吸附的影响。进而选取其中磷吸附性能最好的沸石进行去除磷的砂箱渗流模拟试验,获取潜流湿地的基质除磷净化效果。通过磷吸附静态实验和磷去除砂箱渗流模拟试验综合研究,查明不同粒径的沸石基质实际去磷效果的主要机制与演变趋势和规律。研究结果表明:3种基质对磷的吸附过程都包括快速吸附、缓慢吸附和逐渐平衡3个过程,Langmuir方程准确地描述基质吸附磷的等温吸附过程。当含磷水在砂箱基质中呈渗流状态时,不同粒径的沸石吸附除磷及总体除磷效率呈现较大差异,各粒径沸石基质的除磷效率具有波动现象,且总体呈先上升再明显下降趋势。分析表明,除明显的吸附除磷机制,微生物除磷作用也产生相当的去磷效果。
基于超效率SBM模型的中国城市生态效率时空演变及影响因素
闫涛, 张晓平, 赵艳艳
2021, 38 (4): 486-493.  DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2021.04.007
摘要 ( 1227 ) HTML ( ) PDF (6999KB) ( 1275 )
运用含有非期望产出的超效率SBM模型,研究2005—2017年中国285个地级以上城市生态效率的时空演变格局,并运用面板回归模型探析城市生态效率的影响因素。结果表明:1)2005—2017年全国城市平均生态效率波动起伏较小,生态效率整体处于上升状态。2)尽管城市间生态效率的差异呈缩小态势,但全国地区间差异仍然较明显,东部地区的城市生态效率远高于其他地区,城市生态效率整体呈现东部地区>全国平均水平>西部地区>东北地区>中部地区的态势。3)全国城市生态效率时空格局演化特征明显。2005年生态效率较高的城市主要分布在珠三角、长三角、山东等省区,其他大部分地区城市生态效率处于较低水平;2017年城市生态效率较高的空间范围明显扩展,珠三角、长三角、山东、河南、河北、湖北和四川等地区的生态效率处于较高水平,其他地区仍处于较低水平。4)城镇化、经济发展、对外开放、科技水平和产业升级对城市生态效率的提升起着显著的促进作用,而较高的工业化比重对于城市生态效率的提升起着抑制作用。因此促进经济集约高效发展、优化产业结构、增加科技投入、加快工业升级、减少资源消耗和污染物排放应是政策制定的优选方向。
电子科学
指令级功耗特征的硬件木马检测高效机器学习
李莹, 陈岚, 佟鑫
2021, 38 (4): 494-502.  DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2021.04.008
摘要 ( 329 ) HTML ( ) PDF (4130KB) ( 412 )
由于半导体产业的设计和外包代工制造全球化趋势,使得集成电路容易受到硬件木马造成的严峻威胁。基于电路退化模型等的隐秘硬件木马通常将恶意行为隐藏在正常的芯片行为中,从而难以被传统的测试和验证方法发现。建立一个高效的机器学习框架,利用指令级侧信道功耗特征对无木马和插入木马的芯片电路进行分类。算法模型采用不同的指令和木马构造提取的特征向量集。为评估检测方法性能,在Altera Stratix Ⅱ FPGA中实现基于MC8051微控制器的基准电路,并详细分析在有监督和无监督模式下的5种机器学习算法模型。测试结果表明,综合各种特征条件,有监督的朴素贝叶斯方法检测准确率最高,平均为95%,有监督的支持向量机方法运行时间最短,平均为0.04 s。另外验证了无监督的支持向量机可以作为一种没有黄金参考模型下的有价值方法,即使在恶劣训练条件下,其检测准确率也在17%~72%。
一种多时相遥感图像多目标检测算法
席彦新, 计璐艳, 耿修瑞
2021, 38 (4): 503-510.  DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2021.04.009
摘要 ( 381 ) HTML ( ) PDF (11697KB) ( 657 )
随着遥感技术的快速发展,遥感图像得到广泛的应用,其中目标检测是遥感图像众多应用中非常重要的一个分支。目前大多数目标检测算法都是基于单时相遥感图像,对于多时相遥感数据的处理方法较少。最近发表的多时相目标检测算法有滤波张量分析,其将多重线性函数与张量相对应的关系应用于遥感图像目标检测,但该算法只能进行单目标检测,无法同时检测多个目标。本文借鉴多目标约束能量最小化算法中对于多个目标输出能量的约束和滤波张量分析中对于应用张量滤波器的思想,提出多目标滤波张量分析算法,能够在多时相遥感数据中实现同时检测多个目标。模拟和真实数据实验结果均表明,该算法可以有效地提高多时相图像中多目标检测精度。
基于双曲等效的双星滑动聚束SAR两步成像算法
向建冰, 吕孝雷, 付希凯
2021, 38 (4): 511-518.  DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2021.04.010
摘要 ( 355 ) HTML ( ) PDF (4363KB) ( 334 )
双星滑动聚束模式合成孔径雷达(SAR)既保持了双星SAR的灵活性、可靠性和稳定性,同时还可产生高分辨率的图像对,对于观测和测绘具有巨大的潜力。这种模式下需要兼顾双星成像与多普勒带宽显著增加的问题。分析双星滑动聚束SAR系统下目标的多普勒特性,结合双星成像算法与频谱分析法,提出一种基于双曲等效的双星滑动聚束SAR 2步成像算法。同时,针对双曲等效模型误差导致算法聚焦质量下降的问题,提出模型误差补偿方法,给出完整算法处理流程,最后用仿真实验验证所提出的算法。
不同时空条件下的高分三号SAR图像立体定位方法
李丹, 刘佳音
2021, 38 (4): 519-523.  DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2021.04.011
摘要 ( 415 ) HTML ( ) PDF (3874KB) ( 796 )
介绍一种较为可靠的高分三号合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)图像立体定位方法,即便立体像对时空条件差异较大,该方法也能达到较高的定位精度。首先根据斜距多普勒模型建立立体定位方程组,利用多项式拟合法解算卫星状态矢量,最后利用牛顿法求解方程组。利用高分三号卫星在北京、苏州、上海3个地区、成像时间各不相同且分辨率在5 m以内的7景SAR图像进行立体定位实验,以Google Earth上的实际位置为基准,实验得到的所有目标点的平面误差均在30 m内,高程误差均在34 m内,证明即使立体像对成像时间间隔较长,也可以得到精度较高的目标点三维信息,且滑动聚束模式下得到的立体像对定位精度最高。
非均匀杂波背景下MIMO雷达扩展目标自适应检测器
兰云, 唐亮, 卜智勇, 曹乐搬
2021, 38 (4): 524-531.  DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2021.04.012
摘要 ( 332 ) HTML ( ) PDF (2549KB) ( 396 )
随着雷达分辨率的提高,低分辨率下的点源模型不再适用,且由雷达分辨率提高带来的目标距离扩展现象对雷达的检测概率影响越来越大。研究分布式MIMO雷达中距离扩展目标的检测问题,将该问题建模为二元假设检验问题,并将不同发送-接收对所对应的干扰杂波协方差矩阵建模为随机矩阵。同时指定它们的先验分布为逆复Wishart分布。通过设置不同的功率水平模拟不同的发射-接收天线对之间的非均匀杂波功率。根据Rao和Wald检测器的检测标准结合贝叶斯框架在非均匀杂波背景下推导出2个新的检测器。新推导的贝叶斯检测器主要具备以下2个优点:首先,不需要训练数据;其次,在决策规则中包含杂波的先验信息,并以此实现性能增益。仿真结果表明,在非均匀杂波环境中,推导的检测器比现存的检测性能更好,计算复杂度更低。
基于容积卡尔曼滤波的卫星导航定位解算方法
张杰, 李婧华, 胡超
2021, 38 (4): 532-537.  DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2021.04.013
摘要 ( 465 ) HTML ( ) PDF (3822KB) ( 472 )
由于卫星导航定位方程组的非线性特性,传统的定位解算方法在解算之前需要对定位方程组进行线性化处理,会影响定位解算精度。容积卡尔曼滤波算法基于贝叶斯估计和容积变换,可以有效地提高非线性滤波估计的精度。将容积卡尔曼滤波算法应用于卫星导航定位解算,建立定位解算系统状态转移模型和测量模型,通过时间更新和测量更新两个环节递推估计接收机的三维位置坐标。利用IGS观测数据对基于容积卡尔曼滤波的定位解算方法进行验证,并与最小二乘法和扩展卡尔曼滤波算法进行对比,结果证明将容积卡尔曼滤波用于卫星导航定位解算可以获得更高的定位精度,并且具有较快的收敛速度。
计算机科学
基于高斯层级损失的开放场景物体检测
王琳, 陈熙霖
2021, 38 (4): 538-548.  DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2021.04.014
摘要 ( 354 ) HTML ( ) PDF (9432KB) ( 388 )
计算机视觉中的物体检测包括2个目标——对物体的定位和识别。由于现有大多数的物体检测方法都是类别依赖的,因此无法应对开放场景中新类别的检测。注意到检测中定位和识别2个目标从已知类向未知类迁移的难度不同,定位具有更好的普适性,同时受人类在认知未知物体过程中层次关系的启发,提出一种高斯层级损失模型,在物体检测中采用物体类别层次化建模,在学习层级结构中每个类别多维高斯分布的同时,使用KL散度描述类别之间的层级关系,增强已知类到未知类的迁移性,从而提升物体检测方法在开放场景下对未知类的识别能力。实验表明,所提出的方法可以在不损失已知类性能的前提下,提升对未知类的检测能力。
基于神经网络的车联网频谱感知组合算法
纪玉峰, 郑敏, 谭冲, 刘洪
2021, 38 (4): 549-556.  DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2021.04.015
摘要 ( 336 ) HTML ( ) PDF (1871KB) ( 409 )
针对车联网环境下无线频谱资源短缺的问题,提出一种基于神经网络的多条件频谱感知组合算法。该算法利用神经网络较强的多分类能力,将信号能量、协方差矩阵的最大特征值、最小特征值、迹和平均特征值融合作为神经网络特征参数实现合作频谱感知,并从理论上分析参数选择方案,算法还充分考虑信道多径衰落和阴影效应导致的信噪比很低的情况以及车辆移动产生的多普勒效应,达到提高频谱感知成功率的目的,从而提高频谱的利用率。仿真结果表明,该算法在低信噪比情况下比已有的频谱感知算法具有更好的检测性能。
雾计算使能的移动机器人编队跟随研究与设计
沈国锋, 周明拓, 李剑, 王华俊, 李凯, 杨旸
2021, 38 (4): 557-566.  DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2021.04.016
摘要 ( 270 ) HTML ( ) PDF (3502KB) ( 340 )
多机器人系统中的跟随控制一直是研究热点,新兴的雾/边缘计算技术为机器人系统设计提供了新思路。本文提出无需全局定位信息的机器人编队控制方案,在系统实现上引入雾计算技术,卸载机器人计算任务。雾计算节点提供无线网络接入,运行跟随控制程序。跟随控制方案中,利用领航者航速信息计算期望跟随轨迹;通过视觉测量方法得到实时跟踪误差;采用航速重放和PD型迭代学习控制相结合的方法实现轨迹跟踪控制。原型实验表明,雾节点提供的网络可以满足实时控制需求,跟随控制程序的卸载降低了机器人本地算力要求,并节约了25%的计算能耗。3次场试中,编队平均跟踪误差在0.05 m以内,具有较好的精度。
简报
不同天气条件下古尔班通古特沙漠南缘梭梭(Haloxylon ammodendron)群落能量通量日变化特征
李传金, 胡顺军
2021, 38 (4): 567-575.  DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2021.04.017
摘要 ( 280 ) HTML ( ) PDF (2006KB) ( 441 )
基于2018年夏季在古尔班通古特沙漠南缘采用波文比系统实测的气象及能量资料,分析该区不同天气条件下梭梭群落能量特征及能量分配的日变化特征。结果表明:1) 该区夏季晴天和多云天各能量曲线变化趋势基本一致,呈单峰型,土壤热通量最小,晴天和多云天感热略高于潜热;阴天能量传输以感热为主;雨天整体热通量最小,且各能量曲线呈多峰形变化,能量传输以潜热为主。2) 白天,波文比值雨天最小,且小于1,晴天、多云天、阴天依次增大,且大于1;夜间,晴天、阴天、多云天、雨天的波文比值依次增大,均小于1。3) 不同天气条件下能量分配曲线白天变化平稳,夜间波动显著,日出和日落前后波动最为剧烈;因不同天气条件下辐射强度和日照时数的不同,曲线早、晚剧烈变化开始时间有所不同。