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单分子拉曼成像检测分子内部结构变化的理论研究

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单分子拉曼成像检测分子内部结构变化的理论研究

作者：王涣齐鲁工业大学

学位级别：硕士

作为物质的基本组成单元,原子和分子的几何构型与电子结构决定了其众多的物质化学性质,如力学、热学、光学、电学等属性。因此,对分子的实时成像和观测具有重要的学术和应用价值。扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,STM)通... 详细信息

作为物质的基本组成单元,原子和分子的几何构型与电子结构决定了其众多的物质化学性质,如力学、热学、光学、电学等属性。因此,对分子的实时成像和观测具有重要的学术和应用价值。扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,STM)通过使用纳米级别的金属针尖,使得空间分辨率达到了纳米级,开启了利用电学成像手段表征单分子结构的大门。然而,由于STM主要用于测量分子内电子的局部能态密度,无法直接提供元素和成键信息,导致其并不能提供单分子化学分辨的功能。在此背景下,拉曼光谱因其包含丰富的分子结构振动信息,成为了确定单分子结构化学信息的新兴技术手段。为了能够在真实空间中表征单个分子,传统的拉曼散射需要克服两个限制,即弱灵敏度和低空间分辨率。表面增强拉曼光谱(Surface Enhanced Raman Spectroscopy,SERS)利用纳米结构表面的局域场增强效应和化学增强效应解决了弱灵敏度的限制,但SERS仍然还是受到光学衍射极限的限制,得光学手段无法达到观测单分子所需的纳米级分辨率。针尖增强拉曼光谱(Tip-enhanced Raman spectroscopy,TERS)结合了SERS的超强灵敏度以及STM的超高空间分辨率,将具有化学识别能力的空间分辨率提高到了一个纳米以下,首次通过光学成像手段“直接看到”了单个分子。典型的TERS步骤为:当测量固定金属纳米针尖位置时,通过移动针尖,TERS光谱会随之发生变化,因此可以选择特定的振动模式形成针尖增强拉曼散射图像,即拉曼成像,来提供真实空间与所选振动模式相关的分子信息,从而获得完整的分子振动光谱。因此,我们能够通过不同的振动模式构建一系列拉曼成像,获得真实空间中单分子更多的化学信息。本论文主要基于纳米尺度下局域等离激元(Spatially Confined Plasmon,SCP)与单分子相互作用的理论方法,进行了拉曼成像检测分子内部结构变化的理论研究,提出了拉曼成像技术用于表征单分子结构性质的新手段。本论文主要包含两部分的研究工作:(1)探测卟啉烯分子环内氢原子的位置信息,通过引入高度局域化的等离激元场,显著提升了卟啉烯分子环内氢原子的振动信号,进一步产生的拉曼成像能够提供氢原子准确的位置信息,有效地检测与区分出卟啉烯分子的各种同分异构体。与此同时,当卟啉烯分子环内氢原子被同位素取代时,我们可以观察到不同振动模式的拉曼成像能够明显地区分出分子环内氢与同位素的位置,表明单分子拉曼成像在辨析分子化学信息方面强大的优势。(2)TERS可以区分实空间中晕苯(coronene,CR)及同位素交换引起的差异。通过结合TERS成像技术,来探测具有不同数量和位置的H同位素交换的过程。此外,我们还分析了同位素交换对振动模式所产生的影响,得出了在单分子水平上同位素效应的表征。这大大提高了同位素检测的空间分辨率,并提供了一种检测复杂表面合成领域反应过程的有效手段。本论文共由五章组成,第一章为简介部分,主要介绍了单分子拉曼成像技术的起源与发展。第二章介绍了纳米尺度下局域光与分子相互作用的理论方法和单分子拉曼成像的计算模拟。第三章介绍了卟啉烯不同异构体之间可以通过基于高度局域等离激元的非共振TERS图像进行识别与区分。第四章介绍了通过对真实空间中具有不同数量和位置的H同位素交换的分子进行TERS成像可以区分真实空间中CR分子同位素交换的细节。第五章对全文工作进行总结,以及对未来工作的展望。

关键词：针尖增强拉曼光谱单分子拉曼成像密度泛函理论局域等离激元场

基于不确定性估计的离线确定型Actor-Critic

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计算机学报 2024年第4期47卷 717-732页

作者：冯涣婷程玉虎王雪松中国矿业大学信息与控制工程学院江苏徐州221116 江苏信息职业技术学院智能工程学院江苏无锡214153

Actor-Critic是一种强化学习方法,通过与环境在线试错交互收集样本来学习策略,是求解序贯感知决策问题的有效手段.但是,这种在线交互的主动学习范式在一些复杂真实环境中收集样本时会带来成本和安全问题离线强化学习作为一种基于数据驱... 详细信息

Actor-Critic是一种强化学习方法,通过与环境在线试错交互收集样本来学习策略,是求解序贯感知决策问题的有效手段.但是,这种在线交互的主动学习范式在一些复杂真实环境中收集样本时会带来成本和安全问题离线强化学习作为一种基于数据驱动的强化学习范式,强调从静态样本数据集中学习策略,与环境无探索交互,为机器人、自动驾驶、健康护理等真实世界部署应用提供了可行的解决方案,是近年来的研究热点.目前,离线强化学习方法存在学习策略和行为策略之间的分布偏移挑战,针对这个挑战,通常采用策略约束或值函数正则化来限制访问数据集分布之外(Out-Of-Distribution,OOD)的动作,从而导致学习性能过于保守,阻碍了值函数网络的泛化和学习策略的性能提升.为此,本文利用不确定性估计和OOD采样来平衡值函数学习的泛化性和保守性,提出一种基于不确定性估计的离线确定型Actor-Critic方法(Offline Deterministic Actor-Critic based on UncertaintyEstimation,ODACUE).首先,针对确定型策略,给出一种Q值函数的不确定性估计算子定义,理论证明了该算子学到的Q值函数是最优Q值函数的一种悲观估计.然后,将不确定性估计算子应用于确定型Actor-Critic框架中,通过对不确定性估计算子进行凸组合构造Critic学习的目标函数.最后,D4RL基准数据集任务上的实验结果表明:相较于对比算法,ODACUE在11个不同质量等级数据集任务中的总体性能提升最低达9.56%,最高达64.92%.此外,参数分析和消融实验进一步验证了ODACUE的稳定性和泛化能力.

关键词：离线强化学习不确定性估计分布外采样凸组合 Actor-Critic

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硅烷偶联剂改性金属加热元件提高碳纤维/聚苯硫醚热塑性复合材料电阻焊接强度

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复合材料科学与工程 2024年第5期 76-84,91页

作者：王涣翔赵刚徐剑大连理工大学化工学院大连116081

以使用碳纤维为增强体,聚苯硫醚为树脂基体的碳纤维增强聚苯硫醚(Carbon Fiber Polyphenylene Sulfide,CF/PPS)热塑性复合材料为研究对象,对其电阻焊工艺进行了研究,获得了最佳工艺参数,并使用硅烷偶联剂对加热元件(304不锈钢金属网)进... 详细信息

以使用碳纤维为增强体,聚苯硫醚为树脂基体的碳纤维增强聚苯硫醚(Carbon Fiber Polyphenylene Sulfide,CF/PPS)热塑性复合材料为研究对象,对其电阻焊工艺进行了研究,获得了最佳工艺参数,并使用硅烷偶联剂对加热元件(304不锈钢金属网)进行改性。在探索最佳工艺参数时,使用了田口试验方法,设计了三因子三水平的正交试验,得到了在CF/PPS电阻焊试验最佳参数(电流为42 A,压力为2.0 MPa,时间为10 s)下的最大单搭接剪切强度(Lap Shear Strength,LSS)为24.5 MPa。运用硅烷偶联剂对加热元件进行表面改性,提高了聚苯硫醚与金属网之间的黏附性。与加热元件未进行任何处理的焊接接头相比,使用硅烷偶联剂处理加热元件的焊接接头搭接剪切强度为31.1 MPa,提高了27%。

关键词：碳纤维/聚苯硫醚热塑性复合材料电阻焊接田口方法硅烷偶联剂表面改性

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空间目标远距离磁控方法及应用分析

系统工程与电子技术 2024年第1期46卷 261-270页

作者：赵宏亮张元文杨乐平黄涣马天国防科技大学空天科学学院湖南长沙410073

星间电磁力/力矩作用相对于传统航天器操控方式,具有不消耗推进剂、无羽流污染、可控能力强等优势。因此,在交会对接、编队集群、失效卫星消旋等方面得到了广泛关注。然而,电磁力/力矩的数值与场源作用距离的3到4次方成反比,导致电磁力... 详细信息

星间电磁力/力矩作用相对于传统航天器操控方式,具有不消耗推进剂、无羽流污染、可控能力强等优势。因此,在交会对接、编队集群、失效卫星消旋等方面得到了广泛关注。然而,电磁力/力矩的数值与场源作用距离的3到4次方成反比,导致电磁力/力矩的有效作用空间有限。磁化同轴枪强流脉冲放电装置可产生高传输速度(~1000 km/s)、高电子密度(~10^(16)cm^(-3))、高能量密度(~1 MJ/m^(2))、具有球马克位形的等离子体环,且等离子体环的放电电流可产生强度可观的环向磁场和极向磁场(~1 T)。此外,等离子体环的生成和输运环境与空间真空环境高度契合。基于磁化同轴枪生成具有球马克位形的等离子体环并将等离子体环所携带磁场远距投送的新型磁控方式,本文研究可控等离子体环远距投送对空间目标的磁控能力以及对空间目标消旋/回收的应用潜力等,并通过初步仿真算例予以验证结论的正确性。

关键词：等离子体环磁场冻结空间目标磁控操控能力创新应用

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基于低复杂度加法网络的非正交多址接入短报文多用户检测算法研究

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电子与信息学报 2024年第6期46卷 2409-2417页

作者：王骥李子龙肖健李涣哲谢文武余超华中师范大学物理科学与技术学院湖北武汉430079 湖南理工学院信息科学与工程学院湖南岳阳414006

针对非正交多址接入(NOMA)系统中,接收机使用串行干扰删除算法译码时需要已知干扰用户的调制方式而产生额外的信令开销问题,该文提出一种基于联合星座轨迹图和深度学习的NOMA短包传输干扰用户调制方式盲检测算法。考虑在通信设备部署神... 详细信息

针对非正交多址接入(NOMA)系统中,接收机使用串行干扰删除算法译码时需要已知干扰用户的调制方式而产生额外的信令开销问题,该文提出一种基于联合星座轨迹图和深度学习的NOMA短包传输干扰用户调制方式盲检测算法。考虑在通信设备部署神经网络时存在计算复杂度高和能量消耗大等不足,将原始卷积神经网络替换为深度加法网络,在调制检测准确率,计算延迟和能耗等方面进行了充分比较,使用时域过采样技术改善低信噪比下的识别率。最后分析并验证了功率分配,数据包长度对检测性能的影响。

关键词：非正交多址接入调制检测深度加法网络过采样

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南海渔业资源状况及其管理挑战

上海海洋大学学报 2024年第3期33卷 786-798页

作者：田思泉柳晓雪花传祥王寅杜涣洋上海海洋大学海洋生物资源与管理学院上海201306 国家远洋渔业工程技术研究中心上海201306 大洋渔业资源可持续开发教育部重点实验室上海201306

通过归纳南海各渔业区的渔业资源特点及国内渔业管理现状,总结了当前南海渔业资源及其管理面临的主要问题。南海为我国渔业资源最富饶的海域之一,然而南海北部渔业区重要经济种类正面临资源开发过度的严峻形势。南海外海开发潜力巨大,... 详细信息

通过归纳南海各渔业区的渔业资源特点及国内渔业管理现状,总结了当前南海渔业资源及其管理面临的主要问题。南海为我国渔业资源最富饶的海域之一,然而南海北部渔业区重要经济种类正面临资源开发过度的严峻形势。南海外海开发潜力巨大,但迫切需要及时丰富和优化渔业资源调查评估和手段。有关南海目前的渔业管理现状,休渔制度的实行使得开捕后的多种主要经济物种资源有所恢复,但效果有限,仍需未来更多的研究和调查数据来论证休渔制度的效果。人类活动、气候变暖及海洋酸化、资源评估手段较为单一和落后等问题,为南海渔业资源的管理和养护带来巨大挑战。制定合理的渔业资源养护和管理措施,开展持续的资源调查以及引入合适的资源评估手段,对实现南海渔业资源的可持续利用具有重要意义。

关键词：南海渔业资源资源评估管理措施挑战

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计及制冷系统和过热保护的含高温超导电缆配电网可靠性评估方法

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电力自动化设备 2024年第1期44卷 64-72页

作者：吕忠麟顾洁金之俭上海交通大学电力传输与功率变换控制教育部重点实验室上海200240

为适应高温超导电缆商业化运行需求,提出一种考虑不同应用模式下制冷系统和过热保护影响的含高温超导电缆的配电网可靠性评估方法。依据高温超导电缆制冷系统的工作原理、故障特性及过热保护装置的动作逻辑和自动重合规则,对高温超导电... 详细信息

为适应高温超导电缆商业化运行需求,提出一种考虑不同应用模式下制冷系统和过热保护影响的含高温超导电缆的配电网可靠性评估方法。依据高温超导电缆制冷系统的工作原理、故障特性及过热保护装置的动作逻辑和自动重合规则,对高温超导电缆系统可靠性进行建模分析。考虑了低压联络和配电线路增效2种典型应用模式下高温超导电缆接入对配电网的可靠性影响,采用融入了计及高温超导电缆的新增故障模式的最小割集法求解配电网可靠性指标,实现含高温超导电缆的配电网可靠性评估。以某实际配电网为算例,通过仿真分析了制冷系统故障和过热保护对配电网不同可靠性指标的影响,并与传统的配电网改造方案进行对比,验证了所提方法的有效性。

关键词：高温超导电缆配电网可靠性评估最小割集法制冷系统过热保护

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岩体声发射与地震活动相关性和地震预报

东南大学学报（自然科学版） 2024年第3期54卷 697-706页

作者：祝志文姜子涵汕头大学工学院汕头515063

为研究声发射(AE)技术用于地震预测的可行性,在花岗岩地下隧道内布置AE系统和地震仪同时开展AE及地震监测.采用多模态统计方法分析了35 d监测期内AE与地震活动的时间相关性,并观测了AE时间序列的b值和自然时间方差κ_(1)的演化.实验结... 详细信息

为研究声发射(AE)技术用于地震预测的可行性,在花岗岩地下隧道内布置AE系统和地震仪同时开展AE及地震监测.采用多模态统计方法分析了35 d监测期内AE与地震活动的时间相关性,并观测了AE时间序列的b值和自然时间方差κ_(1)的演化.实验结果表明:包含爆发的AE特性变化预示着主震的临近,其密集爆发与临近的3.2级及2.4级主震密切相关;主震发震前,b值出现连续下降的趋势并降至1以下的最小b值,自然时间方差从0.07迅速减小到接近零的最小值;多模态统计方法得到的AE时间分布的变化趋势比地震活动早,能提前约17 h预测主震事件.因此,AE与地震活动有很强的相关性,可作为地震前兆.实测结果为AE用于地震预报提供了可能性和观测证据.

关键词：声发射地震预报岩体 b值自然时间分析多模态统计

上海汛期极端降雨阈值时空分布与内涝影响评估

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自然灾害学报 2024年第3期33卷 28-38页

作者：胡恒智董强辛辰沈涣焕温家洪上海商学院上海200235 中国气象局上海城市气候变化应对重点开放实验室上海200030 上海海关学院上海201204 上海师范大学上海200234 上海中心气象台上海200030

汛期极端降雨给城市地区造成了严重的内涝威胁。首先基于近30 a上海逐日降雨数据构建了日极端降雨阈值时间序列,按照汛期降雨类型区分为梅雨期、盛夏期和秋雨期3种降雨时期,该分类的差异通过了统计检验。汛期极端降雨阈值情景表明,上海... 详细信息

汛期极端降雨给城市地区造成了严重的内涝威胁。首先基于近30 a上海逐日降雨数据构建了日极端降雨阈值时间序列,按照汛期降雨类型区分为梅雨期、盛夏期和秋雨期3种降雨时期,该分类的差异通过了统计检验。汛期极端降雨阈值情景表明,上海市汛期极端降雨雨量为盛夏期最大,极端降雨的空间分布与城市中心、郊区的城市化水平以及汛期降雨时期密切相关。研究基于Mike21数值模型构建城市内涝模型,模拟了汛期极端降雨阈值情景。结果表明:在90分位、95分位、99分位阈值情景下,上海郊区的受淹面积占比最大;盛夏期内涝淹没区域则主要聚集于中心城区和上海东南部,最大淹没深度达1.5 m。99分位阈值情景下,承灾体高暴露度(淹没水深>0.15 m)结果显示,道路受淹比例最高,在22%以上,建筑次之,受淹比例在8%以上,耕地受淹比例相对较小,在4%以上。汛期应重点防范99分位极端降雨事件,研究结果可为防汛除涝提供决策支持。

关键词：汛期降雨降雨阈值城市内涝承灾体暴露