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介质微球超分辨光学成像:原理、技术与应用

北京工业大学学报 2025年第1期51卷 100-120页

作者：李红梅闫胤洲蒋毅坚北京工业大学机械与能源工程学院北京100124 北京工业大学物理与光电工程学院北京100124

光学显微技术在生物学、医学、材料学、精密测量学等领域扮演着至关重要的角色,为微纳尺度的探索提供了强大的工具。然而,传统光学显微系统受到衍射极限的制约,最大分辨率极限约为光波长的一半(λ/2)。近年来,突破衍射极限、实现更高成... 详细信息

光学显微技术在生物学、医学、材料学、精密测量学等领域扮演着至关重要的角色,为微纳尺度的探索提供了强大的工具。然而,传统光学显微系统受到衍射极限的制约,最大分辨率极限约为光波长的一半(λ/2)。近年来,突破衍射极限、实现更高成像分辨率成为显微成像领域的研究热点。介质微球透镜通过调控光场,能够将入射光束聚焦于微球底部的极窄区域形成光子纳米射流,打破了阿贝(Abbe)衍射极限,使出射光束半峰全宽小于λ/2。与其他超分辨成像技术相比,微球超分辨成像具有简单直接、无须荧光染料标记、实时成像、可与现有显微系统相兼容等优势,为学术研究和实际应用开辟了新的机遇。该综述首先介绍了介质微球超分辨光学成像原理;随后,详细分析了影响微球超分辨光学成像能力的关键因素,包括微球光学性质、适用环境以及可控性等;最后,探讨了微球超分辨光学成像技术在生物医学、半导体器件、纳米材料科学领域中的应用。此外,还展望了微球超分辨光学成像技术未来发展面临的主要挑战。

关键词：介质微球透镜超分辨成像光学纳米成像远场纳米显微镜光子纳米射流非荧光纳米显微镜

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基于BP-ANN雨水中总磷在人工渗滤系统去除过程优化

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中国环境科学 2025年

作者：刘元坤曹塬琪于艾鑫李星郭晓天北京工业大学建筑工程学院

人工快速渗滤系统（CRI）因其工艺简单、成本低、能耗低的特点，在水处理领域应用广泛，但由于试验时间和成本较大，很难获得所有试验条件下的去除率。本文提出利用BBD响应面法（BBD-RSM）和反向传播人工神经网络（BP-ANN）算法对活性... 详细信息

人工快速渗滤系统（CRI）因其工艺简单、成本低、能耗低的特点，在水处理领域应用广泛，但由于试验时间和成本较大，很难获得所有试验条件下的去除率。本文提出利用BBD响应面法（BBD-RSM）和反向传播人工神经网络（BP-ANN）算法对活性炭吸附总磷（TP）的过程参数（接触时间、初始浓度、温度、pH值）进行了建模和预测，并结合遗传算法（GA）对BP-ANN模型中的反应条件进行优化。在BBD-RSM模型中，p值小于0.0001，模型可较好的对TP的去除过程进行预测，接触时间为TP去除率最显著的参数，TP吸附过程中各因素的相对影响顺序为：接触时间>pH值>温度>初始浓度。采用BP-ANN模型进行优化，最佳网络结构为4-8-1。通过敏感性分析表明，影响TP去除率的因素依次为接触时间（34.05%）>pH值（28.67%）>温度（19.56%）>初始浓度（17.72%）。基于BP-ANN模型，采用GA优化人工渗滤系统运行条件，对TP去除过程的优化结果为：接触时间为720.53 min、初始浓度为2.75 mg/L、温度为30.62 ℃、pH值为5，达到最佳去除率（99.63%）。通过试验验证分析，BP-ANN-GA较BBD-RSM的预测值与实验值相比拥有较高的R2（0.9939）和较低的RSME（1.2851），说明该模型具有更好的预测能力，可更好的描述人工快速渗滤系统对TP的去除过程。

关键词： BBD响应面法反向传播人工神经网络遗传算法总磷人工快速渗滤系统

对数动态骨架本构模型的多维实现及其在ABAQUS中的应用

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岩土工程学报 2025年第1期47卷 192-199页

作者：董青陈苏李小军董云陈亚东周正华朱俊淮阴工学院建筑工程学院江苏淮安223003 北京工业大学城建学部北京100124 南京工业大学交通运输工程学院江苏南京210009

对数动态骨架本构以对数函数作为骨架曲线,引入“修正动骨架曲线”和“阻尼比退化系数”的概念,考虑试验阻尼对滞回曲线的影响,实现试验阻尼和滞回阻尼在数学上自洽的非线性动力本构。该本构只适用于一维土层场地时域非线性地震反应分... 详细信息

对数动态骨架本构以对数函数作为骨架曲线,引入“修正动骨架曲线”和“阻尼比退化系数”的概念,考虑试验阻尼对滞回曲线的影响,实现试验阻尼和滞回阻尼在数学上自洽的非线性动力本构。该本构只适用于一维土层场地时域非线性地震反应分析。基于对数动态骨架本构函数关系式,给出对数动态骨架参数的求解方法,并推导出加卸载曲线的时变切线剪切模量。通过ABAQUS软件的操作平台和等效剪应变算法,开发了基于对数动态骨架本构模型的显式子程序模块,该模型适用于二维和三维土层场地非线性地震反应分析。选取含软弱淤泥质土层场地作为计算模型,将从基岩输入不同加速度峰值的EI centro地震动的数值模拟结果进行对比,验证可考虑土体阻尼效应的对数动态骨架本构以及开发子程序的合理性和可用性。

关键词：对数动骨架本构阻尼比场地地震反应时变切线剪切模量

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自动引线系统中旋转偏心检测与补偿方法

北京工业大学学报 2025年第1期51卷 1-12页

作者：王跃宗曲道多王盛逸北京工业大学机械与能源工程学院北京100124

在空心杯转子线圈的自动引线微操作系统中,线圈的几何中心很难与旋转台的回转中心重合,因此在旋转过程中产生偏心现象,进而导致线圈引线失败。为此,提出了一种检测和补偿线圈偏差的方法。从分析线圈偏心源出发,建立偏心数学模型,设计了... 详细信息

在空心杯转子线圈的自动引线微操作系统中,线圈的几何中心很难与旋转台的回转中心重合,因此在旋转过程中产生偏心现象,进而导致线圈引线失败。为此,提出了一种检测和补偿线圈偏差的方法。从分析线圈偏心源出发,建立偏心数学模型,设计了一种偏心模型与图像特征提取算法结合的偏差测量方法,并提出基于自动控制与补偿模型的校正方法。通过实验验证了模型的精确性以及偏心补偿的有效性,基于均方根误差的评价,模型对于偏差预测以及特征提取算法均具有较高的精度,补偿后的最大残余误差小于4μm,平均补偿幅度约为98.6%,引线实验展示了所提方法的优良性能。提出的偏心检测补偿方法具有精度高、复杂度低、效率高、实时性,以及嵌入式等优点,且在微操作以及微装配领域具有更合适、更广泛的应用。

关键词：空心杯转子线圈旋转偏心模型特征提取微操作微装配

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电石渣捕集水泥窑烟气中的CO2及吸收效率改性研究进展

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硅酸盐学报 2025年

作者：王亚丽陈泽升崔素萍杨金龙裴天蕊北京工业大学材料科学与工程学院

目前，水泥窑烟气中CO2的捕集依旧是个难题。本文以钙基吸收法为机理，针对C-电石渣作为替代钙源多次钙循环后的易烧结、吸收效率下降等问题，综述了目前提高电石渣吸收效率和改善烧结性的不同方法，以及水泥窑烟气中其它组分对CO2捕集... 详细信息

目前，水泥窑烟气中CO2的捕集依旧是个难题。本文以钙基吸收法为机理，针对C-电石渣作为替代钙源多次钙循环后的易烧结、吸收效率下降等问题，综述了目前提高电石渣吸收效率和改善烧结性的不同方法，以及水泥窑烟气中其它组分对CO2捕集的影响。已有研究表明有机酸改性可以分解有机酸钙从而获得更好的表面结构，掺杂改性可以减缓颗粒的团聚，水合作用可以降低分压，减缓烧结。水泥窑烟气中的SO2会因为较强的酸性优先与电石渣反应，抑制CO2的吸收，烟气中的NOx会因还原性物质的存在产生高温还原作用。未来，制备CO2吸收效率高，环境适应性强的改性电石渣是主要研究方向。

关键词：电石渣钙基吸收剂二氧化碳

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面向海洋气象预报的低时延智能物联网构建

电子学报 2025年

作者：李竟博马礼李阳傅颖勋马东超北京工业大学计算机学院北方工业大学信息学院

人工智能技术广泛应用于海洋气象预报，且越来越依靠物联网获取海洋环境中多种模态的海量感知数据.针对数据的获取数量和传输速度不足以支撑模型精准预报的问题，提出了面向海洋气象预报的低时延智能物联网构建方案.首先，设计了智能物... 详细信息

人工智能技术广泛应用于海洋气象预报，且越来越依靠物联网获取海洋环境中多种模态的海量感知数据.针对数据的获取数量和传输速度不足以支撑模型精准预报的问题，提出了面向海洋气象预报的低时延智能物联网构建方案.首先，设计了智能物联网海洋气象预报融合架构，该架构不仅充分适配了人工智能技术和物联网技术，更实现了对海洋气象数据的高效采集、处理与分析，为海洋气象预报提供了有效灵活的底层结构.其次，优化了异构海洋感知设备协同组网方法，通过优化多层耦合网络拓扑，实现了异构海洋感知设备的高效互联，保证了数据收集的全面性和准确性.最后，提出了海洋感知网络低时延路由算法，该算法通过智能路径选择和数据传输优化，减少了信息从感知设备到数据中心的传输延迟，确保预报数据的快速更新.经实验验证，该方案充分利用智能物联网的优势，解决了海洋气象预报中数据获取难和处理延迟长的问题，所提方案的时延均值降低37%，时延中值降低38%，为海洋气象实时和准确的预报提供有力支持.

关键词：人工智能物联网海洋气象预报组网优化路由策略

功能可恢复SFCB-ECC-混凝土桥墩抗震性能

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哈尔滨工业大学学报 2025年第1期57卷 13-23页

作者：白玉磊靳晓杰张玉峰韩世文城市与工程安全减灾教育部重点实验室(北京工业大学) 北京100124 哈尔滨工业大学(深圳)土木与环境工程学院广东深圳518055

为实现高耐久功能可恢复结构,设计了钢-FRP复合筋(steel-FRP composite bar,SFCB)替代钢筋,塑性铰区使用高延性水泥基复合材料(engineered cementitious composites,ECC)替代混凝土的新型组合柱。在0.13轴压比下,对SFCB-ECC-混凝土组合... 详细信息

为实现高耐久功能可恢复结构,设计了钢-FRP复合筋(steel-FRP composite bar,SFCB)替代钢筋,塑性铰区使用高延性水泥基复合材料(engineered cementitious composites,ECC)替代混凝土的新型组合柱。在0.13轴压比下,对SFCB-ECC-混凝土组合柱进行低周往复荷载试验研究。评估了SFCB中FRP体积分数(0%,43.6%,100%)和塑性铰区基体类型(ECC,混凝土)对组合柱抗震性能和可恢复性的影响。之后通过OpenSees进行了轴压比、SFCB配筋率和ECC强度的参数分析。结果表明:SFCB可使试件获得稳定的二次刚度,在2%位移角前,试件无需修复即可快速恢复原有功能;组合柱残余变形随SFCB中FRP体积分数增加而减少,但其初始刚度和峰值承载力也相应降低;在塑性铰区使用ECC可进一步减少残余位移,同时显著提高峰值承载力和延性;参数分析显示增大轴压比将提高SFCB-ECC-混凝土组合柱承载力,但会降低延性;随SFCB配筋率和ECC强度提高,组合柱承载力也相应增大;在实际工程中可合理设计SFCB和ECC材料特性以满足特定结构刚度、强度和可修复性的要求。

关键词：桥梁工程组合柱抗震性能 OpenSees 钢-FRP复合筋高延性水泥基复合材料可恢复

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基于多维度视觉约束的床椅机器人SLAM

机器人 2025年

作者：李秀智邓向军韩红桂杜博文北京工业大学信息科学技术学院数字社区教育部工程研究中心

为了应对楼宇环境中的低纹理和动态场景给机器人定位带来的巨大挑战，提出了一种面向楼宇结构化场景的多源数据融合定位方法。通过合理引入多基元视觉特征、曼哈顿世界假设约束以及惯性测量单元（IMU）预积分约束，本文定位系统能有效... 详细信息

为了应对楼宇环境中的低纹理和动态场景给机器人定位带来的巨大挑战，提出了一种面向楼宇结构化场景的多源数据融合定位方法。通过合理引入多基元视觉特征、曼哈顿世界假设约束以及惯性测量单元（IMU）预积分约束，本文定位系统能有效克服智能床椅机器人在工作时遇到的特征稀疏、动态人员干扰等问题。本文总体采用高频前端位姿估计和低频后端优化的并行策略来提高系统实时性。前端里程计在短时间内提供相对准确的位姿估计，而后端优化则利用曼哈顿假设对位姿估计进行进一步优化。同时针对曼哈顿世界假设在位姿估计应用中的局限性，创新性地提出使用多相机联合定位的策略。利用两个不同朝向的相机，分别捕捉地面丰富的纹理特征以及满足曼哈顿世界假设的上层空间中的平面，有效排除了非曼哈顿世界假设物体对定位的影响。实验结果表明，与现有方法相比，本方法在保证实时性的同时，显著提高了定位准确性和鲁棒性，为智能移动床椅机器人在楼宇环境中的应用提供了有力的支持。

关键词：智能床椅机器人同步定位与地图创建曼哈顿世界多特征基元多源数据融合

基于能量转换原理的小天体多节点柔性着陆器控制方案

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中国科学:物理学力学天文学 2025年

作者：柴敬轩梅杰龚有敏郭许发马广富吴伟仁哈尔滨工业大学(深圳)空天科技学院哈尔滨工业大学(深圳)机电工程与自动化学院

由于小天体引力场不规则且微弱,常规着陆器在着陆时往往会面临弹跳问题,近期学界提出一种多节点柔性着陆器,有望解决着陆弹跳问题.但是新设计也带来了新的挑战,多节点柔性着陆器的多节点在柔性材料包覆下的控制问题就是其中之一.为解决... 详细信息

由于小天体引力场不规则且微弱,常规着陆器在着陆时往往会面临弹跳问题,近期学界提出一种多节点柔性着陆器,有望解决着陆弹跳问题.但是新设计也带来了新的挑战,多节点柔性着陆器的多节点在柔性材料包覆下的控制问题就是其中之一.为解决该问题,首先基于port-Hamilton (pH)系统建立了多节点柔性着陆器的动力学模型.考虑到节点在柔性体内的运动实际上是一种动能与弹性势能的转换,因此从能量平衡的角度出发提出了节点构型控制器.为使每个节点的下降轨迹符合着陆约束,提出了节点跟踪虚拟中心的控制框架,并以ZEM/ZEV的最优反馈制导律为例构建虚拟中心轨迹,进一步设计各节点对虚拟中心的跟踪控制器,然后根据Lyapunov理论证明了所提出控制器的稳定性.最后,以多节点柔性着陆器从悬停点到着陆目标点为场景构建仿真实验,仿真结果表明所提出的控制器具有良好的跟踪能力和构型控制能力,进一步通过蒙特卡罗实验验证了所提控制器的鲁棒性与适用性.

关键词：小天体附着多节点柔性着陆器 port-Hamilton系统跟踪控制构型控制