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浮游植物类别不均衡图像分类方法对比研究

生态学报 2025年

作者：梁天泓殷高方邵新童赵南京张小玲贾仁庆徐敏张子豪胡翔黄朋董鸣陈晓伟中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学技术大学合肥综合性科学中心环境研究院安徽大学

自然水体中浮游植物物种丰富且类别分布不均，采集的显微图像中优势类别样本远多于劣势类别样本，导致深度学习方法在劣势类别上的分类准确率低。针对浮游植物类别不平衡引起的深度学习模型分类误差问题，分析了宏观领域类别不平衡问题... 详细信息

自然水体中浮游植物物种丰富且类别分布不均，采集的显微图像中优势类别样本远多于劣势类别样本，导致深度学习方法在劣势类别上的分类准确率低。针对浮游植物类别不平衡引起的深度学习模型分类误差问题，分析了宏观领域类别不平衡问题的多种解决方法和策略，探究这些方法在浮游植物显微图像领域的实用性。采集了巢湖流域中常见的29个藻属、18044张图像，构建了具有严重类别不平衡特性的浮游植物显微图像数据集，并提出使用微平均和宏平均综合评价模型的分类能力。实验结果表明，常规方法训练的模型预测劣势类别样本时的F1值较低，而使用重采样大类中平方根采样法训练的模型在微平均和宏平均两个指标上均有明显提升，分类F1值分别达到了0.932和0.852。特别地，在样本数量最少的10个类别上，微平均和宏平均的F1值分别提高了9.64%和15.94%。为自然水体浮游植物群落结构自动化检测提供了更有效的深度学习模型训练方法。

关键词：浮游植物显微深度学习类别不平衡图像分类

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基于自研光谱仪的痕量气体光解速率测量研究

光谱学与光谱分析 2025年第1期45卷 15-23页

作者：李浩然曾议朱磊窦科刘志宏常振江宇司福祺中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所环境科学与技术重点实验室安徽合肥230031 中国科学技术大学科学岛分院安徽合肥230026 合肥大学生物食品与环境学院安徽合肥230601

光解速率及其测量技术最早由德国科学家提出,21世纪初Metcon公司开发了光解速率测量仪,该技术在国内得到关注,部分高校和公司对光解速率测量系统开展了研究和开发。国外产品一般体积较大,价格昂贵。国内产品中光谱仪、接收器等核心器件... 详细信息

光解速率及其测量技术最早由德国科学家提出,21世纪初Metcon公司开发了光解速率测量仪,该技术在国内得到关注,部分高校和公司对光解速率测量系统开展了研究和开发。国外产品一般体积较大,价格昂贵。国内产品中光谱仪、接收器等核心器件仍依赖于国外进口,易受国外技术封锁影响。在我国“十四五”国家重点研发计划中“大气与土壤、地下水污染综合治理”重点专项对化学气候综合站检测技术与装备需求引导下,研制了测量大气物质光解速率的光谱仪系统,并满足其核心部件国产化的要求。系统采用自主设计的小型光谱仪作为核心部件,配合各向均匀响应的光学接收器,经实验室光学定标后测得各种物质的光解速率。该系统工作波段为285~430 nm,时间分辨率可达0.1 s,可测物质包括NO_(2)、HONO、HCHO、H_(2)O_(2)等,与国外进口测量仪器对比,各气体物质光解速率的测量误差小于5%,相关性均超过0.93。采用该系统在合肥市董铺岛对大气中气体光解速率开展了长时间的连续监测。对NO_(2)光解速率变化趋势以及NO_(2)光解速率与浓度间的相关性进行分析,发现光解反应与驱动光化反应的能量密切相关,晴天的光解速率数值明显高于阴天与雨天。发现NO_(2)光解速率与浓度的积分曲线间存在一种经验公式,相关性大于0.9,可通过测量NO_(2)光解速率对NO_(2)浓度的累积量进行估计。该系统实现了核心部件的国产化,整体结构简单、便携,方便外场试验安装的同时,降低成本,提高经济性。研究为大气污染综合监测治理提供数据支撑,对各地区的环境监测及污染预防具有参考意义。

关键词：光解速率光谱仪辐亮度光学接收器

基于MOPA结构的1950 nm低重频大能量Figure-9皮秒锁模光纤激光器系统

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中国激光 2025年

作者：潘勇剑路桥潘浩张东马挺中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所光子器件与材料安徽省重点实验室中国科学技术大学南京信息工程大学自动化学院上海科乃特激光科技有限公司

本文首次报道了一种基于MOPA结构的Figure-9低重频大能量掺铥锁模皮秒光纤激光器系统。激光振荡器直接输出脉冲宽度为46 ps,重复频率为20 MHz,平均输出功率为24.6 mW，对应单脉冲能量为1.23 nJ。通过腔外声光调制器（AOM）对输出脉冲序... 详细信息

本文首次报道了一种基于MOPA结构的Figure-9低重频大能量掺铥锁模皮秒光纤激光器系统。激光振荡器直接输出脉冲宽度为46 ps,重复频率为20 MHz,平均输出功率为24.6 mW，对应单脉冲能量为1.23 nJ。通过腔外声光调制器（AOM）对输出脉冲序列进行脉冲拾取，将重复频率由20 MHz降低至20 kHz，并且基于自行设计的全光纤主振荡功率放大（MOPA）结构将重复频率20 kHz下的输出单脉冲能量提升至50μJ。据我们所知，这也是目前基于MOPA结构的全光纤Figure-9掺铥锁模皮秒激光器系统中所能实现的最大单脉冲能量输出。

关键词：锁模光纤激光器低重频大能量皮秒 MOPA

基于PNN和改进D-S证据理论的夏季蛋鸡舍环境评价方法

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齐齐哈尔大学学报(自然科学版) 2025年 36-42页

作者：谢苗苗李华龙詹凯合肥理工学院中国科学院合肥物质科学研究院智能机械研究所安徽省农业科学院畜牧兽医研究所

为实现多因子耦合复杂蛋鸡舍环境质量的评价，提出基于概率神经网络（PNN）和改进D-S证据理论的评价方法。先对蛋鸡舍环境因子数据进行预处理，构建多环境因子PNN评价模型，将模型求和层的结果归一化，作为改进D-S证据理论的基本概率分... 详细信息

为实现多因子耦合复杂蛋鸡舍环境质量的评价，提出基于概率神经网络（PNN）和改进D-S证据理论的评价方法。先对蛋鸡舍环境因子数据进行预处理，构建多环境因子PNN评价模型，将模型求和层的结果归一化，作为改进D-S证据理论的基本概率分配（BPA）输入，根据各BPA的贴近度相似矩阵，得到证据支持度和可信度矩阵，再对证据加权修正，利用D-S理论合成规则迭代融合，获得蛋鸡舍环境质量的评价结果。利用夏季层叠式笼养蛋鸡舍实测数据对所建模型验证。试验表明，当PNN评价模型的结果冲突时，改进D-S证据理论对蛋鸡舍环境质量评价结果的支持率为0.808 3，比传统D-S算法提高5.2%；当PNN评价模型的结果不冲突时，改进D-S证据理论对蛋鸡舍环境状态的支持率为0.998 6，与传统D-S算法计算结果相同。

关键词： PNN 改进D-S证据理论蛋鸡舍环境质量综合评价

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恶臭气体监测技术研究进展

自然杂志 2025年

作者：高松焦正吴克食任勇杜天君刘文清中华环保联合会恶臭异味污染防治专业委员会上海大学环境与化学工程学院中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所上海市环境科学研究院合肥综合性国家科学中心环境研究院

恶臭气体污染已成为城市化进程中突出的环境问题，影响区域和谐和公共健康，因此有效识别和监测恶臭气体成为迫切需求。本文总结了恶臭气体监测技术的现状，明确了无机和有机类恶臭气体的来源、理化性质以及致臭机理，介绍了传感器、电... 详细信息

恶臭气体污染已成为城市化进程中突出的环境问题，影响区域和谐和公共健康，因此有效识别和监测恶臭气体成为迫切需求。本文总结了恶臭气体监测技术的现状，明确了无机和有机类恶臭气体的来源、理化性质以及致臭机理，介绍了传感器、电子鼻、质谱和环境光学等多种监测技术，分析了各种技术的优劣势和适用场景，探讨了当前技术在监测精度与灵敏度、传感器选择与配置、环境干扰、成本与可行性及数据处理实时性等方面面临的挑战。随着材料科学、人工智能和系统集成技术的不断进步，恶臭气体监测技术将变得更加高效、精准和智能化，为环境保护和公共健康提供坚实的技术支持。

关键词：恶臭气体监测技术传感器电子鼻智能化环境光学

基于SCIATRAN的临近空间氧气光谱敏感性分析

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光谱学与光谱分析 2025年第1期45卷 170-178页

作者：叶松胡双寒熊伟李树王新强王方原汪杰君桂林电子科技大学光电工程学院广西桂林541004 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室安徽合肥230031 广西光电信息处理重点实验室广西桂林541004

临近空间大气温度场的研究具有重要的科学意义,根据全时相大气温度示踪物辐射机制与分布特征研究表明,氧气作为大气的主要成分之一,广泛分布于临近空间且辐射强度明显,所以氧气探测是研究临近空间温度变化的重要基础。临近空间氧气探测... 详细信息

临近空间大气温度场的研究具有重要的科学意义,根据全时相大气温度示踪物辐射机制与分布特征研究表明,氧气作为大气的主要成分之一,广泛分布于临近空间且辐射强度明显,所以氧气探测是研究临近空间温度变化的重要基础。临近空间氧气探测主要是依据太阳辐射的短波红外部分被大气层氧气分子吸收得到的吸收谱线,该谱线携带着氧气含量等重要信息。利用探测器得到的氧气光谱进行高精度反演可以得到温度等信息。探测过程中的太阳天顶角、方位角、临边切高及气溶胶参数等因素对氧气影响不同,基于SCIATRAN模型分析氧气对不同参数的敏感性。通过对探测方式和环境因素引起的辐射亮度变化来分析计算氧气对其敏感性。结果表明:氧气的辐射亮度在天顶角为60°以下是随天顶角增大而增大的,但在超过60°后变化随之相反,一天内的太阳天顶角对于氧气的辐射亮度影响不超过0.01 W/m^(2)/nm/sr,且差值不超过7%;氧气辐亮度随方位角增大而减小;氧气辐射亮度随切线高增加而减小,且减小幅度逐渐下降;气溶胶类型对氧气辐射亮度的影响差值比例在10%以内;气溶胶季节对氧气辐射亮度影响是春夏季节要大于秋冬季节;不同气溶胶类型下的气溶胶光学厚度倍数对氧气辐射亮度影响的差值比例均在30%以内,且农村与海洋型气溶胶下光学厚度倍数与辐射亮度成正比,城市型气溶胶下与之相反。仿真数据的结果与实测数据结果对比分析验证了SCIATRAN模型仿真数据的有效性和可行性。该研究为临近空间的氧气探测提供了科学依据,为临近空间的反演等相关研究领域提供参考。

关键词：临近空间氧气辐射传输敏感性

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激光外差光谱仪模拟风场探测

物理学报 2022年第7期71卷 147-153页

作者：李竣薛正跃刘笑海王晶晶王贵师刘锟高晓明谈图中国科学技术大学环境科学与光电技术学院合肥230031 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所基础科学研究中心合肥230031

中高层大气风场是表征中高层大气环境的重要参量,对中高层大气风场的探测在民用和军用领域有着重要意义.激光外差光谱技术是近年来迅速发展的一种高光谱分辨率和灵敏度的被动式遥感探测技术,以激光外差光谱技术为核心研制的激光外差光... 详细信息

中高层大气风场是表征中高层大气环境的重要参量,对中高层大气风场的探测在民用和军用领域有着重要意义.激光外差光谱技术是近年来迅速发展的一种高光谱分辨率和灵敏度的被动式遥感探测技术,以激光外差光谱技术为核心研制的激光外差光谱仪因具有体积小、重量轻、结构稳定等特点,在星载测量中高层风场领域有巨大的潜力和应用前景.激光外差光谱仪的地面风场探测性能验证是其应用到卫星上的关键环节,本文利用实验室环境下建立的风场模拟装置实现0—25 m/s的风速变化,并基于光谱分辨率为0.003 cm^(-1)激光外差光谱仪分别测量了无风速变化和不同风速下的CH_(4)吸收谱,测量风速的分辨率为3 m/s.使用光纤F-P干涉仪、波长计和参考池对激光器输出光频率进行实时的相对定标和绝对定标.通过计算吸收光谱中心频率的偏移量,反演得到风场风速,并与风场模拟器风速对比,相对误差为1.49 m/s.该实验对激光外差光谱仪测风性能进行有效验证,证明了使用激光外差光谱仪进行中高层大气风场测量的可能性.

关键词：激光外差高分辨光谱模拟实验风速测量

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基于Lasso方法的污染气体自适应探测算法

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光学学报 2019年第5期39卷 398-406页

作者：崔方晓李大成吴军王安静李扬裕中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所

在开放光路条件下,污染气体与大气成分的光谱特征相互混叠,难以直接对污染气体进行识别。提出了一种自适应特征提取算法,预先生成各种大气条件下的光谱特征,利用Lasso算法进行快速特征优选,选择最优目标/背景组合重构背景光谱,提取目标... 详细信息

在开放光路条件下,污染气体与大气成分的光谱特征相互混叠,难以直接对污染气体进行识别。提出了一种自适应特征提取算法,预先生成各种大气条件下的光谱特征,利用Lasso算法进行快速特征优选,选择最优目标/背景组合重构背景光谱,提取目标特征。为了验证所提算法的有效性,开展了不同背景下的甲烷遥测实验、不同相对湿度条件下的氨气遥测实验,以及室内近距离乙烯探测实验。将所提算法与Harig算法进行对比,结果表明:所提算法能更好地扣除背景,具有较强的实用性。

关键词：遥感自适应 Lasso算法亮温光谱

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成像光谱仪的发展与应用(特邀)

红外与激光工程 2022年第1期51卷 290-300页

作者：于磊中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所安徽合肥230031

成像光谱仪是一种有效的定量探测工具,得益于其可通过高空间分辨率和高光谱分辨率同时获取探测目标的三维立方体数据的能力,使得成像光谱仪在测绘遥感、目标识别、环境监测与评估、临床影像诊断、过程监控等领域应用极为广泛。文中根据... 详细信息

成像光谱仪是一种有效的定量探测工具,得益于其可通过高空间分辨率和高光谱分辨率同时获取探测目标的三维立方体数据的能力,使得成像光谱仪在测绘遥感、目标识别、环境监测与评估、临床影像诊断、过程监控等领域应用极为广泛。文中根据分光原理和分光元件的不同,将成像光谱仪分为四类:滤光型、色散型、干涉型和快照型,在分类的基础上对各种成像光谱仪的主要代表形式和应用进行了回顾和介绍,并对成像光谱仪未来可能存在的发展和应用方向进行了展望。

关键词：成像光谱仪滤光型色散型干涉型快照型