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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

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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ROS的植物工厂番茄采摘机器人控制系统设计

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农机化研究 2025年

作者：谢晓轩孔德义潘斌单建华谢淮北中国科学技术大学中国科学院合肥物质科学研究院安徽工业大学机械工程学院

针对目前植物工厂环境下的番茄采摘自动化、智能化程度较低的问题,研制了一种可应用于植物工厂的番茄采摘机器人及其控制系统。首先,根据采摘任务的功能需求,搭建出机器人的硬件系统架构;其次,基于机器人操作系统(ROS)架构设计了分布式... 详细信息

针对目前植物工厂环境下的番茄采摘自动化、智能化程度较低的问题,研制了一种可应用于植物工厂的番茄采摘机器人及其控制系统。首先,根据采摘任务的功能需求,搭建出机器人的硬件系统架构;其次,基于机器人操作系统(ROS)架构设计了分布式模块化的控制系统,包括人机交互、自主导航、视觉识别和采摘执行等各个功能子系统,利用ROS分布式通信机制,对各个子系统节点进行了功能实现,通过中央决策控制节点获取各个子系统节点的数据信息和反馈信号,下发相应的指令完成采摘任务;最后,在植物工厂中对控制系统进行可行性试实验验证和性能指标测试。结果表明:机器人定位导航位置偏差小于5.5 cm,航向角偏差小于2.7°,单个番茄平均采摘时长为12 s,实验过程中控制系统运行稳定可靠,能够实现植物工厂环境下的高精度导航、目标识别、番茄采摘和语音人机交互等各项功能。

关键词：植物工厂农业机器人番茄采摘 ROS机器人控制系统

基于机器学习评估烟花爆竹燃放对春节期间PM2.5浓度的影响

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环境工程 2025年

作者：李津慧胡启后李启华季祥光薛劲凯林培泽安徽大学物质科学与信息技术研究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中国科学技术大学环境科学与光电技术学院

《大气污染防治行动计划》颁布以来，我国实施了严格的污染防治措施，并取得了显著成果。然而，其中的烟花爆竹禁放政策自执行起就饱受争议。尤其是随着我国大部分城市PM2.5年均浓度达到国家二级标准，亟需量化烟花爆竹禁放在空气质量... 详细信息

《大气污染防治行动计划》颁布以来，我国实施了严格的污染防治措施，并取得了显著成果。然而，其中的烟花爆竹禁放政策自执行起就饱受争议。尤其是随着我国大部分城市PM2.5年均浓度达到国家二级标准，亟需量化烟花爆竹禁放在空气质量改善中所起的作用。本文基于我国环境监测总站空气质量监测网络的观测资料和ERA5气象数据，通过构建随机森林模型，解耦气象因素和人为排放对颗粒物浓度的贡献，评估烟花爆竹禁放与否对春节期间、冬季和全年颗粒物浓度的影响。从年际变化来看，2016～2023年全国各城市的PM2.5浓度呈显著下降趋势，年均下降速率达到了4.2%～7.5%。对比全年、冬季、春节期间三个时间尺度人为减排引起的PM2.5浓度变化速率，以北京、上海为例，全年平均下降9.58%、7.36%，冬季年均下降10.07%、7.94%，春节期间下降9.14%、6.23%，基本呈现冬季>全年>春节期间的规律，即同一城市全年和冬季人为排放引起浓度变化明显，春节期间变化微弱。对比2016～2022年和2019～2023年春节期间人为减排引起的PM2.5浓度变化，同一城市2016～2022年人为减排效果明显，变化速率较快，以北京、广州、合肥PM2.5浓度下降幅度居前列，分别下降9.14%、8.57%、6.71%；2019～2023年减排速率缓慢，特别是广州、成都、长沙三地PM2.5浓度出现了13.69%、11.42%、5.77%的增长。从短期分析烟花爆竹排放变化对空气治理的影响，选取限放-禁放和禁放-限放，即2017与2018、2022与2023两个阶段研究春节期间气象和人为排放对颗粒物浓度变化的贡献，结果来看，2018年全面禁放之后排放贡献的PM2.5浓度下降明显，北京、广州、成都、长沙、合肥分别下降15.69、5.27、26.00、16.07、26.70μg/m3；2023年解禁以后排放贡献显著上升，尤其广州、成都、长沙、郑州、滨州、东营排放贡献大幅上升，分别增加14.56、23.74、18.26、19.94、12.19、5.32μg/m3。烟花爆竹燃放对冬季和年均PM2.5浓度的影响可以忽略，但是对春节期间空气质量的影响仍然显著。

关键词：机器学习随机森林大气污染烟花爆竹燃放

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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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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锥型全吸收式激光辐照能量测量装置设计

光电子·激光 2025年

作者：耿劲谭逢富管雯璐虞天成程乙轮吴德成中国科学技术大学激光与物质相互作用全国重点实验室中国科学院合肥物质科学研究院安徽光机所南京电子设备研究所南湖之光实验室中国人民解放军国防科技大学

为了准确测量激光辐照能量，设计了一种锥型全吸收式激光辐照能量测量装置，该装置具备测量精度高、小型轻量化及模块化设计便于集成等优点。首先通过光学追迹仿真，在满足轻量化的前提下优化了锥体设计参数以实现最佳的理论吸收效率。... 详细信息

为了准确测量激光辐照能量，设计了一种锥型全吸收式激光辐照能量测量装置，该装置具备测量精度高、小型轻量化及模块化设计便于集成等优点。首先通过光学追迹仿真，在满足轻量化的前提下优化了锥体设计参数以实现最佳的理论吸收效率。随后在温度实验中得出测温电阻阻值与温度的线性关系，并通过温度标定实验建立了装置响应值与温度的线性拟合方程。最后搭建光路并进行能量测量装置响应标定实验，获取并分析了响应数据，提出了一种逃逸能量的补偿方法。实验结果显示，经补偿后的测量结果与功率计测量结果偏差为1.968％，表明该装置在激光辐照能量测量方面具有较高准确度，为激光能量测量提供了重要参考，对激光发射系统性能及激光传输特性的评估具有重要意义。

关键词：激光辐照能量能量锥光线追迹仿真测温电阻逃逸能量补偿

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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