DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 1. 引言 硝酸盐与亚硝酸盐作为环境污染物而广泛地存在于自然界中，硝酸盐氮的来源主要有农业中氮肥的施用；生活污水、工业废水的排放；煤、石油、天然气等燃料燃烧排放的二氧化氮 [ 1 ] 。硝酸盐、亚硝酸盐的过量存在会导致水体富营养化，使藻类过度繁殖而消耗大量的溶解氧。硝酸盐在人体内也可被还原为亚硝酸盐，大量亚硝酸盐可使人缺氧中毒，并且长期积累会有致癌致畸的健康危害 [ 2 ] [ 3 ] 。目前去除硝酸盐的的物理方法主要有：吸附法、离子交换法、反渗透法；化学方法主要有生物还原法、催化还原法、化学还原法等。 水体中硝酸盐氮的去除已经受到世界各国的高度重视，国内外的学者及企业在这方面开展了大量的研究。王惠颖等 [ 4 ] 研究了用氯离子交换法减少饮用水中硝酸盐氮的含量。程建华 [ 5 ] 等采用纳米Pd-Cu/SnO 2 复合催化还原硝酸盐氮技术，硝酸盐氮的去除率可达100%。于英翠 [ 6 ] 等研究了在缺氧条件下利用序批式生物膜反应器快速启动厌氧氨氧化过程，并考察了该过程中反应器的脱氮效率、厌氧氨氧化现象、生物膜性质及微生物群落的变化，总氮去除率可达到87.3%。刘国 [ 7 ] 等将Fe 0 用于模拟地下水中 的去除，考察了投加量、温度、pH值和共存阴离子对去除效果的影响。结果表明，好氧条件下，Fe 0 的投加量越大，硝酸盐的去除速率越高，效果越好；酸性条件(pH = 2)更利于硝酸盐的去除，反应4h后去除效果达97.77%。何珊 [ 8 ] 等通过静态试验考察零价铁法去除地下水硝酸盐的影响因素。结果表明，酸洗预处理可有效提高铁屑对 -N的去除效果； -N初始质量浓度增加， -N去除率下降，平均去除速率升高。李洪毅 [ 9 ] 等利用铁粉、碳源以及去氮微生物联合作用，通过分组实验得出联合脱氮最佳的试剂组合，当铁粉、液体碳源、微生物联合作用时，反应72 h去除率分别为98.40%和84.36%。Choe [ 10 ] 等采用纳米铁粉(1~100 nm)将硝酸盐氮还原为氮气，在室温条件下反应，脱硝完全，且无需调节pH，反应后几乎无其他的中间产物。Yun Z [ 11 ] 等对层柱粘土负载型纳米零价铁去除硝酸盐氮的效果进行研究，结果发现，硝酸盐在120 min内可以被完全去除。目前的研究虽然取得了一定的成果，但存在的问题是催化剂制备复杂、成本高，生化处理占地面积大，或者是重金属产生二次污染，因此开发廉价、清洁的硝酸盐氮处理技术是当前需要解决的重要课题。 本文针对某地区地下水硝酸盐氮含量高、制得的自来水中硝酸盐氮超标这一问题，采用化学还原法对水中硝酸盐氮的去除工艺进行研究，拟通过探讨铁粉添加量、酸的滴加方式、pH、搅拌转速、反应时间等因素对硝酸盐氮去除的影响，获得最佳的硝酸盐氮的去除工艺。
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user: 2. 实验原理与方法 2.1. 实验药品与仪器 硝酸钾，AR国药； 铁粉，AR，天津市恒兴化学试剂制造有限公司； 氢氧化钠，AR，烟台三和化学试剂有限公司； 硫酸，AR，国药； 丙酮，AR，国药； HJJ-1电动搅拌器，上海双捷实验设备有限公司； PHS-3C型pH计，上海盛磁仪器有限公司； 真空抽滤机，河南省予华仪器有限公司； 离子色谱，戴安ICS-5000； 四口圆底烧瓶，250 mL。 2.2. 实验原理 硝酸盐中氮元素的价态为+5价，在酸性环境中具有很强的氧化性，可以被还原成氨氮、氮气等低价态化合物。零价铁作为还原剂可以与水中的硝酸盐氮发生氧化还原反应，根据产物不同可以有多种反应情况，其主要反应方程式如下： (1) (2) (3) 由反应方程式可知，反应过程除了会消耗一部分酸，生成的氢氧根也需要酸来中和。因此，无论按哪个路径进行反应，整个过程都会耗酸，因此持续补酸严格控制pH值很有必要。 2.3. 实验方法 2.3.1. 溶液的配制与铁粉的预处理 配制浓度为50 mg/L的硝酸盐氮标准溶液、0.1 mol/L的硫酸溶液、5%的氢氧化钠溶液；先后用5%的氢氧化钠、0.05 mol/L的硫酸以及丙酮去除铁粉表面的油污和氧化膜，然后用去离子水冲洗干净备用。将干净的砂芯漏斗烘干、称重。 2.3.2. 实验步骤 1) 取100 mL硝酸盐氮溶液置于250 mL四口圆底烧瓶中，通氮气10 min，用以去除溶解氧，且实验过程中持续通氮气保护，使反应体系处于无氧状态。 2) 用0.1 mol/L的硫酸调节pH至指定值，且实验过程中一直用pH计实时监测pH值。 3) 加入还原铁粉，开始搅拌。 4) 按要求设定反应时间，对于持续补酸维持初始pH的实验，前30 min持续补酸，后15 min不加酸使pH自然升高。 5) 反应结束后取适量溶液滴加氢氧化钠溶液进行沉淀，同时用干燥的砂芯漏斗过滤，再过0.22微米的针头滤膜，最后用离子色谱检测各物质浓度。 6) 将砂芯漏斗烘干、称重，得出称重前后质量差，进而求得实际耗铁量。
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user: 3. 结果与讨论 3.1. 酸的滴加方式对脱氮的影响 在硝酸盐氮初始浓度50 mg/L、反应液体积为100 mL、温度25℃、铁粉添加量为5 g、搅拌转速为300 r/min、反应时间为60 min (其中前30 min持续加酸维持pH，后30 min不加酸)的条件下，考察酸的滴加方式对脱氮的影响，结果见图1，耗酸量见表1。(带*均表示实验过程中持续补酸一直维持初始pH值，其他为只在初始调pH值，后续不加酸。) 从图1和表1可以看出，对于初始调pH后续不加酸的情况，pH越低耗酸量越大且硝酸根去除效果越好。初始调pH为2时，45 min内硝酸根含量降低到16.5 mg/L。在持续补酸维持pH为4时，30 min内硝酸根含量即降低到2.5 mg/L，而后不再加酸，在45 min时硝酸根含量可以继续降到1.05 mg/L，符合国家低于10 mg/L的标准。随着时间的延长，硝酸根含量下降趋于平缓，故选择反应时间为45 min。以上数据说明，还原铁粉脱氮为酸驱反应，维持酸性有利于硝酸根显现氧化性进而被铁粉还原。 3.2. 铁粉添加量对脱氮的影响 在硝酸盐氮初始浓度50 mg/L、反应液体积为100 mL、温度25℃、pH = 4*、搅拌转速为300 r/min、反应时间为45 min (其中前30 min持续加酸维持pH，后15 min不加酸）的条件下，考察铁粉添加量对脱氮的影响，结果见图2。 从图2可知，随着铁粉添加量的增大，硝酸根的去除效果越好，但当铁粉添加量超过5 g时，硝酸根的去除效果变化不明显，故选择加入5 g铁粉较合适。随着铁粉添加量的增加，耗酸、耗铁量相应增加(如表2)，且脱氮效果越好，这是因为氧化还原反应在铁粉表面进行，增大铁粉添加量即增大了接触面积，接触面积越大，反应速率会越快。 3.3. 不同初始pH对脱氮的影响 在硝酸盐氮初始浓度50 mg/L、反应液体积100 mL、温度25℃、铁粉添加量5 g、搅拌转速为300 r/min、 图1. 酸的滴加方式对脱氮的影响 Table 1 The acid consumption under different condition pH 2 3 4 4* 耗酸量g/L 0.98 0.098 0.0098 1.3 表1. 不同条件下耗酸量 Table 2 The consumption of acid and iron powder under different additive amount of iron powde 铁粉用量/g 1 3 5 10 耗酸量/mg 34.6 71.8 132 146 耗铁量/mg 17 34.3 60.8 72.5 表2. 不同铁粉添加量下的耗酸、耗铁量 图2. 铁粉添加量对脱氮的影响 反应时间为45 min (其中前30 min持续加酸维持pH，后15 min不加酸)的条件下，考察不同初始pH对脱氮的影响，结果见图3。 从图3可以看出，初始pH越低，硝酸盐氮去除效果越好。当pH ≤ 4时，硝酸盐含量均可以降到1.05 mg/L以下，符合国家低于10 mg/L的标准。但考虑到pH越低，耗酸、耗铁量以及设备耗损费都相应增加，所以选择维持初始pH为4。 3.4. 转速对脱氮的影响 在硝酸盐氮初始浓度50 mg/L、反应液体积100 mL、温度25℃、pH = 4*、铁粉添加量5 g、反应时间为45 min (其中前30 min持续加酸维持pH，后15 min不加酸)的条件下，考察转速对脱氮的影响，结果见图4。 从图4可以看出，提高搅拌强度有利于脱氮反应的进行，其原因是低搅拌强度下铁粉在烧瓶底部呈堆积状态，有效接触表面积较小，随着搅拌强度的增大，铁粉在溶液中的分散效果增强，有效接触面积增大，有利于反应的进行；另一方面，提高搅拌强度能够强化传质，促进还原脱氮反应。但当搅拌转速大于300 r/min时，去除率增加的趋于平缓，综合考虑选择转速300 r/min。 图3. 不同初始pH对脱氮的影响 图4. 转速对脱氮的影响
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user: 4. 结论 本文采用化学还原法去除自来水或地下水中的硝酸盐氮，探讨了pH值、酸的滴加方式、铁粉添加量、反应时间和搅拌速度等因素对硝酸盐氮去除效果的影响，结果表明：低pH值、增大铁粉用量、提高反应时间、增大搅拌强度均有利于硝酸盐氮的去除。综合考虑，当硝酸盐氮初始浓度50 mg/L、反应液体积100 mL、温度为25℃时，脱除硝酸盐氮的最佳工艺条件为：pH = 4*、铁粉添加量5 g、搅拌转速300 r/min、反应时间为45 min (其中前30 min持续加酸维持pH，后15 min不加酸)，此时硝酸盐氮含量可以降到1.05 mg/L，符合国家低于10 mg/L的标准。
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user: 摘 要 高校实验室管理体制经历了从三级管理模式到二级管理模式的转换，并正在努力整合实验室，向一级管理模式发展。各高校针对目前实验室体系中存在的弊端，从转变观念，加强高校实验技术队伍建设；加大经费投入等5个角度着手，改革和创新实验室管理体制。曲师大教师教育实训中心根据自身情况，建立了中心隶属于实验与设备管理处，挂靠在教师教育学院，主任责任制，并面向全校师生的管理模式，取得了良好的效果和声誉。 关键词 :实验室，管理体制，改革，发展
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user: 1. 引言 实验室管理体制是指高校各级实验室的领导体制、隶属关系及管理方法 [ 1 ] ，是实验室开展教学、科研工作的制度保障 [ 2 ] 。高校实验室的管理水平直接关系到高校的教学水平和科研水平，关系到学生创新能力的培养。 我国高校的实验室管理体制经历了从分散管理到集中管理的转换，主要有三级、二级和一级三种实验室管理体制基本模式，各体制都有其优势和不足。
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user: 2. 实验室管理体制的历史发展过程 最初，我国高校实验室是参照苏联教育模式以课程为主建立的 [ 3 ] ，逐渐形成了以校管实验室为主导、院管实验室为主体、系或教研室管理为辅助的三级管理体制 [ 1 ] 。三级管理体制的优势是教研室使用方便，易于管理。缺陷是实验室覆盖范围窄，与其它实验室合作少，资源浪费严重等问题。随着我国高等教育的改革，学科的交叉融合，新兴边缘学科不断涌现 [ 3 ] ，这种管理模式也逐渐被淘汰。 目前，大多数高校实验室打破了“三级管理，以室为主”的封闭式管理体制，建立起按学科群设置综合实验室(或实验中心)、实行校、院二级管理体制 [ 4 ] 。二级管理体制的资源共享程度较高，设备利用率较高。不足之处是实验室功能受局限，难以形成特色；影响教学的连贯性与一致性；并且对科研和师资建设不利。 一级实验室管理体制是指实验室由实验室管理中心统一管理。目前，按功能建设实验室，以功能相同、学科相关的特点组建实验室这一管理模式已基本达成共识 [ 5 ] 。其优势是资源共享性好，师生流量大，便于统一维护和调配。但是很可能存在职能部门力不从心的情况；不能调动二级院系的积极性；也不利于青年教师的成长。
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user: 3. 实验室建设指导思想与管理体制存在的问题 很多高校都在探索研究实验室管理体制的改革和发展，取得了一定的成绩。但长期以来，实验室依附于理论教学，仅作为理论教学的验证，在实验室的建设中，也缺乏总体规划和统筹安排。受这种惯性的影响，目前在高校实验室中仍存在不少问题。 3.1. 盲目重复建设，仍然存在实验室规模小而分散的现象 [ 1 ] 分散实验室各成体系，互不沟通，盲目建设，人力、物力浪费严重。各高校已意识到这一问题，并在努力整合实验室，向综合、特色实验室发展，以满足社会和市场的需求。 3.2. 实验室专业技术队伍建设严重不足 实验室专业技术队伍建设时实验室建设的核心。但目前我国高校实验室的专业技术队伍，无论是在数量还是质量上都严重不足。一方面是由于历史原因，实验技术人员很多都不是专业出身，没有经过系统和专业地训练。 另一方面是由于长期以来对实验室技术队伍建设的不重视。很多高校实验室专业技术队伍建设的评聘存在不合理、不规范等情况，使得实验室队伍无法引进人才，也留不住人才。 无论是实验技术人员队伍长的结构，还是人员总体素质已均不适应当前高校发展的需要，严重制约了高校的建设和发展经成为影响高校发展的瓶颈 [ 6 ] 。 3.3. 实验室经费投入少 实验室经费投入不足，仪器设备和人才的引进落后于科技和社会的发展。近几年来，这一情况有所好转，但是由于底子薄，仪器设备还是很落后。学校对实验室的投入在所有投入中占得比例也比较小。 3.4. 实验室对外开放和交流少 由于受实验室人员和经费限制，实验室无法做到全天候开放，以及实验室的对外开放。学生无法随时使用实验室，不利于学生动手和创新能力的培养。实验室服务单一，很少有实验室做到接纳高水平学着前来进行学术交流、合作研究 [ 1 ] 。 3.5. 对实验室的重要性认识不足 由于历史原因，很多领导和教师对实验室的重要性认识不足，认为实验室工作可有可无、无关大局，影响了学校教学。科研工作的高慧平开展，影响了投资效益的充分发挥 [ 7 ] 。显然这种观念已经不适应当今高校的快速发展，和教学、科研对实验室仪器设备迫切需求的现实。
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user: 4. 实验室管理体制的改革与创新 根据实验室存在的问题，各高校根据自身情况创立的管理体制：如山西财经大学综合了一级管理模式和二级管理模式的长处，建立了“以学校直接管理为主，校级直接管理和委托学院相结合”的实验室管理体制 [ 8 ] 。中山大学改革实验室技术队伍建设中的人事管理制度 [ 6 ] 。深圳大学重组资源。实行集约化管理，将教学和科研相结合，促进产学研一体化 [ 7 ] 。 实验室管理体制改革与创新的目的是提高实验室效益，实现仪器设备共享，为科研和教学提供良好的物质条件和技术保障，以适应素质教育和培养具有创新能力的高层次人才的需要 [ 2 ] 。无论是如何突破和创新实验室管理体制，各高校在根据自身情况改革管理体制时都有侧重地注意了以下几点。 4.1. 转变观念，加强高校实验技术人员队伍建设 转变观念，确立实验技术人员队伍是高校人才队伍中重要的方面军的思想。调整和优化人才结构，解决好人才缺乏和人才浪费并存的现象。创新人才建设机制，促进高校实验技术人员队伍建设 [ 6 ] 。 4.2. 加大经费投入 尽管近年来国家加强了对高校的经费投入，但仍跟不上高等教育的快速发展，各高校具体投入到实验室建设的经费就更少了。学校实验室的环境较差，仪器设备缺乏、陈旧。并且，现在很多学科对于仪器设备的要求非常高，高校的经费预算应根据情况向实验中心倾斜，引大力进先进设备和优秀人才。 4.3. 重组资源，优化配置，实现集约化、精细化管理。 打破实验室资源分散、规模小、功能单一，重复购置、利用率低，资源浪费、各自为政的旧体制 [ 7 ] 。对人员、设备、用房等资源进行重组，提高实验室的技术力量和整体实力，形成规模效应，拓展实验室的发展空间，提升实验室的竞争力。在集约化管理的同时，实现以人为本、以财务预算为核心、以知识管理为核心的精细化实验室管理 [ 1 ] 。 4.4. 利用实验室资源，积极开展对外服务 [ 7 ] 实验室除了承担一定的教学和科研活动，还面向学生开展实验室开放日活动、实验室技能培训、实验技能大赛等活动，使学生充分了解实验室，提高学生的动手能力。并且实验室还用于对外培训服务上，如2015年平度市同和小学骨干教师培训、曲师大寒假专题研修班、宁波骨干教师培训等。 4.5. 建立健全以激励为核心的成长发展体系 [ 9 ] 建立完善实验技术队伍人才选拔、培养、考评和奖励的激励机制，充分调动其积极性和主动性，促进实验技术人员创新素质的全面提升，营造促进实验技术队伍成长的良好环境。 根据学校的编制数量，合理设置实验系列的编制数量，并根据具体情况，向教学实验中心和公共平台倾斜。在实验技术队伍的晋升中，应使评审条件尽可能反映实验岗位实际，突出实验室工作内容和业绩，减少对于论文、学历等的要求。并且，可以启动实验技术成果奖评选、实验室创新研究项目等激励机制。
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user: 5. 曲师大教师教育实训中心管理体制——培养合格教师 教师教育实训中心突出体现新课程三大理念之一的“实践取向”，主要培养师范生的教师职业技能、专业发展能力、学科探究能力、创新与实践能力、科研与服务能力 [ 10 ] ；中心是增强师范生专业素养、提高就业核心竞争力，解决就业问题的重要手段 [ 11 ] ；也为教师教育专业化和职业化人才培养模式的创新提供了保障 [ 10 ] 。 曲师大教育实训中心是我校教师教育创新平台的重要组成部分。近几年以来，顺应社会的进步和教育发展的需求，中心根据自身具体情况，调动各方面的积极性，建立了统一协调的实验室管理体制。 中心隶属于学校实验室与设备管理处，挂靠在教师教育学院。设有中心主任和实验员，负责中心的日常管理。打破了学院之间、学科之间、专业之间的界线，中心实验室面向全校师生开放 [ 12 ] 。 教师教育实训中心面向全校的教育专业硕士、课程与教学论专业研究生，以及十几个师范专业的本科生。中心实行预约制，需要使用微格教室、教育技术综合教室等实验室的全校师生只需提交申请表进行预约，即可使用实验室。 这种管理办法避免了各个学院分别建立实训实验室，减少了人力和物力的浪费，提高了实验室的使用效率和工作效率。2014年以来，每年我校各学院师范类本科生约有2600人、专硕约300人，按照师范生和专硕培训计划要求录制教学视频，这部分是实验室的使用主体。此外，全校的教师也会用来录制优课和教学视频等。我校师生在省级、国家级等授课比赛中取得了优异的成绩和良好的社会声誉。2014年第一届山东省师范类高校学生从业技能大赛中，我校学生获得14个一等奖，9个三等奖，3个三等奖。2015年，在省从业技能大赛中获得13个一等奖，4个二等奖，10个三等奖。在每届全国师范院校师范生教学技能大赛中约获得4~5个奖项。
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user: 摘 要 本文从电偶极振子模型出发，运用塞尔迈耶公式，计算出从紫外至近红外波段熔融石英材料的二阶与三阶色散值。受激发射占主导作用使激光晶体在其增益峰的长波侧表现为正的二阶色散值。采用棱镜对来获得二阶负色散是色散补偿的简单易行的方法。研究了二阶色散完全补偿时熔融石英棱镜对的设计，得到了棱镜的顶角及两棱镜顶之间距离的表达式。 关键词 :熔融石英，材料色散，棱镜对，色散补偿
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user: 1. 引言 熔融石英是通信光纤、光学元器件生产制造中广泛使用的优质光学材料。它具有良好的物理稳定性，对于紫外、可见光及红外波段都有良好的透过特性及相对优良的色散特性。对其色散特性的研究是光纤及其它相关的光学元器件的设计与制造的重要基础。影响激光超短脉冲宽度的一个重要因素是其腔内色散。为了获得超短光脉冲，必须分析色散产生机制，并设法对激光腔内进行色散补偿。
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user: 2. 熔融石英材料的色散特性 介质中的分子或原子的束缚电子(简化为电偶极子模型)对外加电场的响应导致了材料的色散。由于构成介质电偶极子的分子或原子的能级间的共振跃迁不同，因而对不同频率的电场的响应是不同的。 依据经典电偶极振子模型 [ 1 ] - [ 3 ] ，可以先求出介质的电极化强度，再按照如下过程： (1) 便可得到折射率表达式中的反映色散的实部和反映吸收的虚部的亥姆霍兹(H.L.F. Helmholtz)公式，见式(2)： (2) (2)式中， 为振子的经典辐射阻尼系数，ω j 为原子中子存在的多种振子下的固有频率，单位体积内的粒子(分子或原子)数以N表示， 则为振子类型的总数目， m为粒子质量，e为电子电量。 在不考虑共振吸收，即在忽略γ j 的情况下，从亥姆霍兹公式(2)出发，可以得出在吸收带附近和在远离吸收带处的全部色散情况下的塞尔迈耶(Sellmeier)公式： (3) 其中 ， 。 对于块体状的熔融石英，可在(3)式中取前面三项(m ≤ 3)就可，其有关的参数列出如下所示 [ 4 ] ： (4) 对(3)式求导，可得： (5) (6) (7) 由(3)~(7)式，通过编程可计算出折射率及一阶、二阶与三阶导数按波长的分布。结果见图1~4所示。 以τ表示光信号在介质中传播单位距离所需的时间，即为时延： (8) 上式中的n g 称为群折射率 (9) 群折射率的分布也见图1所示。 在光的传播过程中，由于时延τ是波长的函数，因而将导致光脉冲波形的畸变与展宽。用时延差Δτ表示光脉冲展宽的程度，可得： (10) 在实际工程应用中，材料的色散通常以群速度色散（GVD）系数D来表示： (11) 图5所示的则为D随波长的分布。 相关的专业文献中，常将模传输常数，即纵向相移系数 按角频率ω展开 [ 5 ] : (12) 其中 图1. (a) 近红外至紫外波段熔融石英的折射率分布；(b) 光纤通信波段熔融石英的折射率分布 图2. (a) 紫外至近红外波段熔融石英折射率一阶导数；(b) 光纤通信波段熔融石英折射率一阶导数 图3. (a) 紫外至近红外波段熔融石英折射率二阶导数；(b) 光纤通信波段熔融石英折射率二阶导数 图4. (a) 紫外至近红外波段熔融石英折射率三阶导数；(b) 光纤通信波段熔融石英折射率三阶导数 (13) (14) (15) (16) (14)~(16)式中的β 1 为光信号通过单位距离引起的时延；β 2 为群速度色散(GVD)参量，也常叫群时延色散(GDD)参量；β 3 则为三阶色散(TOD)参量。 对于熔融石英，其β 2 随波长的变化可见图5所示。由图5可得其零色散波长λ D = 1.2728 μm。当λ > λ D 时，β 2 < 0 (D > 0)，即光纤通信中通常所说的负色散。图6所示的则是β 3 随波长的变化。对于几个重要的工作波长，熔融石英的有关色散参数列于表1，以便于实际应用。
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user: 3. 激光晶体的色散 由(2)式可看出，一般物质处于共振跃迁带时，通常会存在着相当强烈的色散。对于激光晶体，当光场通过其中时，由于发生共振跃迁的两能级的上能级粒子布居数总是大于下能级的粒子布居数，因而将产生受激发射，这时主要表现为增益。不失一般性，将在其中沿Z方向传播的单色平面波的电场强度表示为 (17) 从(17)式可以得出光强的增益系数的表达式(18)。增益系数是波长和光强的函数，即可写为 (18) Table 1 The dispersion parameters of the fused quartz for those typical laser wavelengt 波长 参数 1.0640 μm 1.2728 μm 1.3100 μm 1.5000 μm 1.5200 μm 1.5500 μm n 1.4496 1.4472 1.4468 1.4446 1.4444 1.4440 n g 1.4624 1.4616 1.4616 1.4623 1.4624 1.4626 dn/dλ (μm −1 ) −0.0120 −0.0113 −0.0113 −0.0118 −0.0119 −0.0120 d 2 n/dλ 2 (μm −2 ) 0.0077 −1.085 × 10 −6 −8.197 × 10 −4 −0.0037 −0.0039 −0.0042 d 3 n/dλ 3 (μm −3 ) −0.0564 −0.0235 −0.0206 −0.0112 −0.0106 −0.0098 β 1 (´10 6 fs/m) 4.8780 4.8754 4.8755 4.8777 4.8781 4.8787 β 2 (´10 4 fs 2 /m) 1.6476 −0.0003961 −0.32632 −2.2198 −2.4454 −2.7947 D (ps∙km −1 ∙nm −1 ) −27.4145 0.0046 3.5818 18.5837 19.9375 21.9118 β 3 (´10 5 fs 3 /m) −0.44378 −0.73943 −0.81364 −1.3309 −1.4012 −1.5134 表1. 常用激光工作波段下的熔融石英的色散参数 图5. (a) 紫外至近红外波段熔融石英的二阶色散；(b) 光纤通信波段熔融石英的二阶色散 图6. 紫外至近红外波段熔融石英的三阶色散 由(1)、(2)、(18)式，当在跃迁带内时，即ω ≈ ω 0 ，可得出 (19) 其中 (20) 上式中的Δν H 为谱线宽度，而τ = 1/γ为辐射衰减时间，n 0 则是表现在该共振带内的常数。 当在晶体的共振跃迁带内时，由(19)式可得出 (21) 激光晶体的增益线型通常表现为均匀加宽类型。按照(15)、(21)式及依据其谱线函数，能够得出在增益峰的短波侧，即λ < λ 0 时，二阶色散值β 2 < 0；而在增益峰的长波侧，即λ > λ 0 时， 二阶色散值β 2 > 0。 常见固体激光工作物质通常具有很宽的谱线范围，激光器的工作波长总是处于谱线范围中的某一特定位置。对于Cr 4+ :YAG晶体，其荧光发射谱范围约为1.1~1.7 μm，初始峰值发射波长大致为1.30 μm [ 6 ] 。对于长度为2 cm的Cr 4+ :YAG晶体，图7显示的是激光在晶体内的往返二阶色散 [ 6 ] [ 7 ] ，该结果与上述分析是比较相符的。实际光场经过激光晶体时，不但存在着受激发射，也同时存在着受激吸收。现考虑受激吸收，从(2)式可以得出，在峰值的长波侧，即λ > λ 0 时， 二阶色散值β 2 < 0；在峰值的短波侧，即λ < λ 0 图7. Cr 4+ :YAG晶体长度为2 cm时在腔内往返的二阶色散值 时，其二阶色散值β 2 > 0，其引起的色散作用与受激发射相反。起主导作用的受激发射与受激吸收共同作用构成总的色散。对于重要的激光通信波段λ = 1500 nm附近时，Cr 4+ :YAG晶体总的往返二阶色散值为β 2 = 22.5 fs 2 /mm，三阶色散值为β 3 = 300 fs 3 /mm。
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user: 4. 棱镜对的色散补偿设计 考虑到激光器腔内色散会严重影响到输出激光脉冲的宽度，因此对于为了获得超短光脉冲的锁模激光器来说，必须通过色散元件来进行色散补偿。色散补偿的总原则是要保证谐振腔内所有光学元件的二阶总色散量为零，其它高阶色散必须做到尽可能小。但对于孤子锁模的情况，腔内总色散反而要维持一个合适的值 [ 8 ] - [ 10 ] 。可采用的色散补偿元件通常有光栅、双啁啾镜(DCM)、棱镜对及在腔内放置具有负色散值的块状材料等 [ 7 ] 。采用双啁啾镜，可使谐振腔结构简化，但其制造复杂而导致价格高昂，并且色散值也很难于改变，实际使用时，必须预先进行好严格设计。采用腔内放置光栅的方法的最大的问题是会引入比较大的损耗，考虑光栅本身的损伤阈值也是比较低的，因而必须对腔内光功率密度提出限制。在腔内放置具有负色散值的、采用布儒斯特角切割的块状材料，方法最为简单，不足的地方是色散值不能改变。 采用棱镜对设计 [ 11 ] ，可以获得负色散。色散值的改变通过调节两棱镜顶之间的距离l来实现。这样就能方便地补偿激光谐振腔内激光晶体的正色散值，从而可以获得脉宽很小的输出光脉冲。 采用熔融石英材料做成的棱镜对如图8所示。材料本身表现为正常色散，但波长较大的光通过棱镜中的距离也较长，因而两棱镜结合起来可以获得负色散，起到色散补偿的作用。 依据(15)与(16)式，若通过棱镜对的单程光程为P，则产生的二阶与三阶色散量可表示为： (22) (23) 其中的相移φ为通过光程P而引起，可表示为 (24) 为了保证插入损耗最小，通常采用布儒斯特角入射。为了使光路的调节相对简单，可以使入射角为 图8. 棱镜对色散补偿设计的原理图 其最小偏向角。考虑到上面两个因素，则当光脉冲单程通过棱镜对，(22)与(23)式中的二阶与三阶项可分别表示为 [ 11 ] ： (25) (26) 在(25)与(26)式中，l为两棱镜顶之间的距离，θ则为光束通过第一个棱镜的张角。在计算中做出适当简化，近似考虑lsinθ = 2 mm，cosθ ≈ 1。从(22)、(23)结合(25)、(26)式可看出，要求出二阶与三阶色散量B 2 与B 3 ，必须先求出制造棱镜对的熔融石英材料在某一波长下对应的一阶、二阶与三阶导数。 依据表1提供的参数，当λ的单位取μm、P与l的单位取mm时，对应于波长λ = 1.5200 μm，可由(25)及(26)式得出 (27) 当腔内往返的二阶色散总值为B 2 时，依据(22)式，λ的单位取μm、P与l的单位取mm，则达到二阶色散完全补偿时，有 (28) 进而依据(26)、(27)式，可求出两棱镜顶之间的距离为 (29) 从以上的论述可看出，激光晶体的二阶正色散的补偿可通过改变棱镜对的两棱镜顶之间的距离l来方便地实现；当波长增大时，l必须减小；晶体的三阶正色散只能部分地得到补偿，剩余的三阶色散还是会比较大，这就会制约输出激光脉宽的减小程度。实际应用中，可一边测量输出激光脉宽，一边微调两棱镜顶之间的距离l，找出输出激光脉宽最小时对应的l值。 综合考虑到光以布儒斯特角入射时可以减小损耗；光以最小偏向角入射时，可以使光路结构的布局简单、调节方便，因而可将每一棱镜设计成等腰棱镜，同时保证两棱镜的斜边平行。基于以上考虑，可以计算出熔融石英棱镜对的顶角应满足 (30)
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user: 5. 结语 熔融石英从紫外至近红外波段的二阶色散与三阶色散值已经通过计算给出，这可为相关光学元件设计时提供参考。激光晶体的色散是受激发射与受激吸收共同作用所表现的结果，其中受激发射占主导，在增益峰的长波侧，表现为正的二阶色散。进行腔内色散补偿是获得超短光脉冲必须要考虑的重要因素。采用棱镜对获得负的二阶色散是色散补偿的简便易行的方法。达到二阶色散完全补偿时，棱镜的顶角和两棱镜顶之间的距离的表达式已被给出。
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user: 摘 要 经典二元机翼颤振方程的建立基于结构正弦运动假设以及各种气动力理论。提出结构正弦运动假设是对真实运动的一种近似处理方法，事实上，颤振发生时结构运动形式完全可能更为复杂，结构的正弦运动假设的提出仅仅出于应用过程中的简单和容易。基于这样的假设，传统的谐波平衡法未必合适。常见的谐波平衡法由于忽略超过预估的高频项，可能会引发较大的误差。本文提出一种建立二元机翼颤振方程的新途径：切比雪夫多项式展式法。该方法适用于定量问题的分析和研究，精度优于标准的谐波平衡法，而且该方法也适用于处理非线性问题，更方便于对系统做定性分析。最后，通过一个算例说明如何利用切比雪夫多项式展式方法建立二元翼段的颤振方程，并结合V-g法获得了翼型的颤振速度。 关键词 :切比雪夫展式，颤振，非定常气动力
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user: 1. 引言 众所周知，飞行器弹性结构体在均匀气流中受到空气动力、弹性力和惯性力的耦合作用容易诱发等幅或发散振动形态，这种现象被称之为“颤振”，它是气动弹性力学中最重要的问题之一。 最近几年，随着计算机软硬件技术的发展，基于计算流体力学(CFD)和结构动力学(CSD)的颤振耦合计算的研究开始盛行，却存在着存储空间过多耗费、冗长的数据难以处理分析以及高昂的计算时间成本等缺憾 [ 1 ] 。因此，为方便于飞行器颤振机理的研究，使用经典的气动力理论代替CFD方法进行颤振分析还是非常必要的。 基于二元翼段的颤振计算和研究，在机理上与研究三维机翼颤振问题颇为相似，可分为定性和定量两大类，前者的研究对象是系统的稳定性，后者则着眼于颤振的振幅、频率和相位等要素 [ 2 ] 。经典教课书中，常以二元机翼做正弦运动为例，引入西奥道生非定常气动力理论用于颤振分析，颤振计算的结果可以用于早期的工程实践中 [ 3 ] 。 机翼结构运动规律采用正弦假设，可以看作是真实运动的一种简化(一阶近似解)，其缺点是：定量计算的精度不可能很高 [ 4 ] 。对于定量分析而言，预测颤振发生时的振幅就属于系统辨识问题，例如常见的谐波平衡法。标准的谐波平衡法忽略超过预估的高频，容易引发较大的误差 [ 5 ] 。 对于飞行器气动弹性耦合问题的研究，为了提高颤振预测的精确性，各种气动力理论和计算方法的研究仍处于发展和研究中 [ 6 ] - [ 11 ] 。对于气动弹性稳定性分析而言，采用西奥道生非定常气动力理论建立的颤振方程，气动力和结构运动之间存在相互耦合的关系，因此，结构运动假设的不合理将会直接导致颤振计算结果的精度不足。 本文提出一种建立二元机翼颤振方程的新途径：切比雪夫多项式展式方法。该方法对结构运动形式没有限制，易于推广到非线性气动弹性耦合系统分析。在定量分析中，该方法在精度上高于标准谐波平衡方法 [ 5 ] 。作为一个例子，本文仍以正弦形式的结构运动作为颤振发生时的条件，提出一种坐标变换的新方法，即通过引入切比雪夫正交基函数族的方法，建立颤振方程并通过V-g法获得颤振速度解。
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user: 2. 第一类切比雪夫多项式性质 切比雪夫多项式自诞生之日起，就在各个学术领域生根发芽，例如从事系统分析、参数辨识、最优控制和模型降阶等工作 [ 12 ] - [ 15 ] 。在航空航天领域，例如模型辨识问题上，选择切比雪夫正交基函数的良好性质，能够有效提升辨识的精度和效率 [ 16 ] [ 17 ] 。 第一类切比雪夫多项式 在作用域 上关于权函数 满足正交关系： (1) (2) 这里， 是非负整数。 切比雪夫多项式函数簇的全体在闭区间[0，1]上构成了一簇完整的正交基，因此，时域内的连续函数都可以通过切比雪夫多项式进行任意逼近： (3) 这里，系数 由下式决定 (4)
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user: 3. 二元机翼运动方程的建立 假设二元机翼做等副正弦运动时恰好发生了机翼颤振现象，此时借助于西奥道生非定常气动力理论参与运动方程的建模是合理的 [ 3 ] 。作为一种近似，颤振发生时二元机翼结构运动(沉浮 和俯仰 )规律如下给出， (5) 这里，振幅 允许是复数形式(表示颤振发生时，两种结构运动形式之间允许存在相位差)， 是结构运动振动频率。 西奥道生非定常气动力的计算公式由下式决定 [ 12 ] ， (6) 这里， 是自由来流速度， 是半弦长， 代表弦长中点到弹性轴的距离， 是减缩频率(量纲为1， )， 被称作西奥道生函数，它的近似公式是 (7) 或 (8) 二元机翼模型(图1)通常具有俯仰和沉浮两个自由度。借助于拉格朗日方程或虚功原理，模型系统运动方程的表达形式如下所示： (9) 或写成矩阵形式， (10) 这里， 代表二元平板在不可压流中做频率 的简谐运动； 是西奥道生非定常气动力和力矩； 单位展长机翼对弹性轴的质量静矩； 单位展长机翼对转轴的质量惯量； 针对弹性轴的回转半径，量纲是1。
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user: 4. 基于切比雪夫展式的颤振分析方法 不妨假设系统的阻尼系数为零， ，并将(9)式改写成 (11) 令 ，(11)式又可写成： (12) 图1. 二元机翼模型示意图 令 ，则对应于(12)式的状态空间方程为 (13) 或 (14) 注意到 ，基于第一类切比雪夫基函数簇进行逼近，有 (15) 这里， 分别是余弦和正弦三角函数在切比雪夫展式中的待定系数； 是切比雪夫展式的截断阶数； 是结构运动的最小正周期， 是颤振发生时的待求频率。 将(5)式及其一、二阶导数形式表达式中 项，通过(15)式进行代换，得到(14)式的另一种表达形式 (16) 其中，气动力和气动力矩 见(6)式。 下面，将非定常气动力和力矩进行化简，具体过程如下 (17) (18) 这里，使用了减缩频率的定义 ，消去了自由来流速度项 。 上述表达式中的 ，可进一步改写成 (19) 从(14)~(19)式，可以看出引入切比雪夫多项式的过程，实际上是向系统引入了更多的待辨识参数变量 的过程。运动方程中变量表达式 原来由两项傅里叶级数构成，被转化成切比雪夫正交基多项式之后项数显著增加了。从系统辨识的角度观察，这种基函数簇的变换，并不导致结构运动方程形式上的复杂，却能够显著提升结构运动周期解的精度，即提高周期运动中振幅预测的精准度 [ 5 ] 。因此，无论是从定性或定量研究的角度看，切比雪夫正交基函数簇(变换)方法都是适定的。
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user: 5. 算例：颤振方程的建立及求解 5.1. 颤振方程的建立 建立机翼颤振方程之前，通常需要无量纲处理。此时，需做如下规定 (20) 这里， 被称作二元翼段单纯弯曲(上下平移)振动和单纯扭转振动的固有频率。 再注意到(6)式的等价形式 (21) 这里，引入了新的参数变量 ，它们既是减缩频率的函数，同时也是来流马赫数的函数，具体形式如下给出 (22) 于是，二元机翼的颤振方程式的最终形式如下所示 (23) 5.2. 颤振方程的求解 为了计算(23)式所决定的颤振方程式中 的数值，有很多方法可以选择。本文采用引入结构阻尼的V-g 法。结构阻尼的定义形式是： 或 ，其颤振问题(也称之为复特征值问题)的一般形式如下所示 (24) 就本算例而言，(23)式将变成 (25) 注意到 ， ，整理(25)式之后，得到 (26) 以及颤振方程式 (27) 当 时，根据 的假设，求得特征值 (28) 当 时，求得特征值 (29) 本算例在使用V-g法求解颤振方程式(27)的过程中，需借助于表1~3中的数据 [ 3 ] ，采用直线插值的方法，获得颤振发生时频率的近似值，并由此获得颤振速度的近似解。 Table 1 Structural parameters of the airfoil in this cas 名称 表达式 数值 频率比 0.5 回转半径 0.5 质量比 5 系数1 −0.01 系数2 0.25 表1. 算例中的翼型结构参数 Table 2 Parameters of unsteady dynamics， k = 0. 名称 表达式 数值 升力1 升力2 力矩1 0.5 力矩2 表2. 非定常气动力参数，k = 0.8 Table 3 Parameters of unsteady dynamics， k = 0. 名称 表达式 数值 升力1 升力2 力矩1 0.5 力矩2 表3. 非定常气动力参数，k = 0.6 (30) (31) 解得 ， 。注意到 ，最终的颤振折算速度为 (32)
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user: 6. 结论 1) 本文认为颤振发生时二元机翼结构做正弦运动的假设并非合理，近似程度有待提高。鉴于已有文献证明了切比雪夫多项式(变换)方法能够改善常见的谐波平衡法精度上的不足，因此，本文引入第一类切比雪夫多项式(变换)方法应用于气动弹性领域。即，将简单的傅立叶级数形式的周期运动解转化成高阶切比雪夫正交基的表达形式，将有助于提升颤振发生时刻结构运动幅值的预测精度。 2) 从定性分析的角度看，切比雪夫正交基变换方法能够处理更加一般性的结构运动所引发的颤振分析问题。该方法的优点，体现在将多自由度微分方程组问题处理成简单的代数矩阵问题，具有良好的使用性和通用性。 3) 考虑到西奥道生气动力理论应用的局限性，因此，本文并未涉及非线性颤振问题。
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user: 摘 要 针对传统的SIFT (Scale-Invariant Feature Transform)匹配算法数据量大，耗时长的问题，采用主成分不变特征变换PCA-SIFT (Principal Component Analysis， PCA)匹配算法。PCA-SIFT匹配算法将传统SIFT算法中的直方图法换做主元分析法，降低了传统SIFT特征描述符的维数，减少了数据量，提高了匹配效率。首先提取出两幅待匹配图像中的所有特征描述子，其次将提取出的特征描述子采用距离比阈值筛选出匹配点对，再采用RANSAC (Random Sample Consensus)法消除错配，最后得到精确的匹配结果。实验结果表明，PCA-SIFT + RANSAC算法较稳定、精确、快速。 关键词 :立体匹配，SIFT，PCA-SIFT，RANSAC
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user: 1. 引言 双目立体视觉技术目前广泛应用于视频监视，人机交互，军事领域，医学等方面，随着科技的发展，双目立体视觉技术将会占有举足轻重的地位。双目立体视觉技术主要集中在相机标定和立体匹配部分，其中立体匹配是立体视觉最为关键的部分。基于其立体匹配的应用要求，一种同时具备准确性和高效性的图像匹配技术成为重要需求。在目前的立体匹配算法中，由于SIFT算法在特征点尺度，旋转和光照不变性方面明显优于其他特征描述子，因此得到广泛应用。但SIFT描述子的维度较高从而计算过于复杂，为了降低计算复杂度，提高匹配精度，有很多研究人员提出了各种基于SIFT的改进算法。Bay等人提出的快速鲁棒特征(Speeded Up Robust Features， SURF)算法 [ 1 ] 类似于SIFT算法，特征点检测都是基于尺度空间，该算法采用Harr小波变换增加鲁棒性和Hessian矩阵来提高时间效率，同时以大大减少的特征点数目为代价；GLOH的方法 [ 2 ] 采用环形扇区代替矩形区域构建梯度位置直方图描述算子，再使用PCA将272维描述符降为128维，该描述算子的独特性比SIFT要好，但是计算更复杂；Kc和Sukthankar [ 3 ] 将主成分分析(PCA)方法运用至SIFT图像匹配中，采用主成分分析的方法对SIFT算子进行降维操作，其算法中特征点描述算子的维度可以降低到20维但是在执行快速匹配时的精度也不如SIFT [ 4 ] 。 本文考虑到PCA-SIFT算法在速度上的优势和精度不高的缺点，结合由Fischler和Bones于1981年提出的RANSAC算法思想 [ 5 ] ，综合利用二者的优势，提出了一种PCA-SIFT算法和RANSAC算法相结合的立体匹配方法。首先，采用PCA-SIFT算法提取图像中特征点，并对提取出的特征点进行预匹配，然后再利用RANSAC算法消除误差较大的误匹配。实验结果表明基于RANSAC的PCA-SIFT具有良好的匹配效果且速度和效果都优于SIFT算法。
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user: 2. PCA-SIFT算法 PCA-SIFT算法是SIFT算法的改进算法，将传统SIFT算法中的直方图法换做主元分析法 [ 6 ] ，降低了传统SIFT特征描述符的维数，减少了数据量，提高了匹配效率。PCA-SIFT算法需要如下几个步骤：1) 多尺度检测极值点；2) 计算关键点特征方向；3) 生成特征描述子。 2.1. 多尺度极值点检测 根据文献 [ 7 ] ，尺度变换中把高斯卷积核当作唯一的变换核，并且也是作为唯一的线性核，一幅二维图像在不同尺度空间下的尺度可表示为： (1) (2) 其中， 定义为原始图像 与一个可变尺度的2维高斯函数 卷积运算。 是尺度可变的高斯函数， 是空间坐标。 特征点的检测要在尺度空间和平面空间中同时进行，这样才可以确保得到稳健性强的特征点。因此就引入了DoG算子，它是两个不同尺度高斯核的差分值 [ 8 ] ，DoG算子的构成为： (3) 构建一个大小为O组，并且每组有S层的高斯金字塔，在组内相邻的高斯图像差分得到高斯差分图像。在高斯差分图像中检测极值点，在每一幅高斯差分图像中的每一个像素点，和它所在图像的八领域像素比较，而且要和它所在图像的上一层和下一层的各九个邻近的像素点比较。为了获得稳定的特征点，将不稳定的点除去，不稳定的点包括低低对比度的点和边缘上的点。可以利用 去除低对比度的点。 (4) 其中 绝对值小于0.03的极值点都将被丢弃。利用如下公式 (5) (6) 其中 是Hessian矩阵，除去边缘上的点。通过上述过程就得到稳定的特征点。 2.2. 计算特征点方向 为了使关键特征具有旋转不变性，采用相对的概念为关键点赋一个方向，定义的关键点描述子是相对这个方向的。对于L上的每一个点 ，计算梯度和方向： (7) (8) 以关键点为中心，划定一个区域，利用所在区域内的点的梯度形成一个直方图。直方图的横坐标是梯度方向，纵坐标是梯度大小，对于归到横坐标上的点，将其梯度大小相加，其和作为纵坐标。将直方图中纵坐标最大的一项的方向作为关键点的主方向，如果存在其他方向，纵坐标的大小大于主方向纵坐标大小的80%，将其作为关键点的副方向。 2.3. 生成特征描述子 至此已经为关键点赋予了图像位置，方向以及尺度，这一步根据关键点周围的局部特征计算一个描述子。如图，以特征点为中心，选取一个 的区域，再将其平均分成4个 的小区域，计算每个小区域的梯度直方图，直方图包涵8个bin方向，这样就获得了一个 维的向量，也就生成了特征描述符向量(如图1 SIFT描述子的生成)。 图1. SIFT描述子的生成 用主元分析法对128维SIFT描述子降维的过程如下：首先将两幅待匹配图像中所有n个特征点描述子 作为样本，构成一个 矩阵C。然后计算矩阵C的均值向量 和 的协方差矩 阵 的 个特征值 和特征向量 。并将特征值按从大到小顺序排列，则有 和对应的特征向量 。选选出对应最大K个特征值的特征向量作为主成分方向。本文选取K = 36，最后构造一个 的矩阵 。将原始128维描述子按照公式投影到这个K维子空间，得到描述子的主成分表示 (9)
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user: 3. RANSAC算法 RANSAC算法 [ 9 ] 的基本假设是样本中包含正确数据也包含异常数据。而PCA-SIFT算法中的异常数据则是进行预匹配所产生的错误匹配或者误差较大的匹配。利用RANSAC算法消除误匹配，采用如下思想： 1) 考虑一个最小抽样集视为n的模型(n为初始化模型参数所需的最小样本数)和一个样本集 ，集合 的样本数 ，从 中随机抽取n个样本，构成 的子集 ，用来初始化模型M。 2) 余集 中与模型M的误差小于某一设定阈值 的样本集合和集合 构成集合 。 是内集，它们构成 的一致集。 3) 若 ，认为得到正确的模型参数，并利用集 (内点)，采用最小二乘等方法重新计算新的模型 。重新随机抽取新的 ，重复以上过程。 4) 在完成一定的抽样次数后，若未找到一致集，则算法失败，否则选取抽样后得到的最大一致集判断内外点，算法结束。
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user: 4. PCA-SIFT的优化算法 本文PCA-SIFT算法提出了一种改进的图像立体匹配算法，具体步骤如下： Step1构建高斯差分金字塔并检测极值点，经过稳定性筛选出关键点； Step2利用关键点邻域像素的梯度方向分布特性为每个关键点指定方向参数，将坐标轴旋转为关键点的主方向； Step3利用主元分析法生成32维特征描述子； Step4按照最近邻比率算法对图像进行匹配，得到N对匹配点并以最近邻比率的大小进行排序； Step5利用RANSAC算法进行变换矩阵参数的拟合，最后用得到的矩阵模型剔除错误匹配点。
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user: 5. 实验结果 实验环境为CPU 2.20 GHz，内存8.00 GB，显存2.19 GHz，操作系统为Windows 10，仿真平台为Visual Studios 2010+Opencv2.4.10，所用的图像采集设备为Bumblebee双目视觉相机。使用了多幅图像进行实验，为了验证算法的有效性，将不同算法做实验比较，并对结果进行分析。在实验中对SIFT、PCA-SIFT、PCA-SIFT+RANSAC的性能进行了对比分析。实验结果图如图2~4所示。 根据表1，表2可以得知，PCA-SIFT在匹配时间上要优于SIFT算法，在图片中存在大量的匹配点，这个优点尤为突出；但是PCA-SIFT的误匹配要高于SIFT算法，采用RANSAC应用在PCA-SIFT算法上后，误匹配率降低，且低于SIFT算法，时间上还优于SIFT。综上诉述，PCA-SIFT + RANSAC算法在时间上和匹配效果上优于SIFT算法。 图2. SIFT匹配结果 图3. PCA-SIFT匹配结果图 图4. PCA-SIFT + RANSAC匹配结果图 Table 1 Experimental dat 算法 匹配点(对) 误匹配率(%) 时间(s) SIFT 67 5/67 = 7.4626 10.2785 PCA-SIFT 73 4/73 = 5.4794 6.9829 PCA-SIFT + RANSAC 68 2/68 = 2.9411 8.0190 表1. 实验图数据 Table 2 Multiple sets of experimental dat 实验 SIFT PCA-SIFT PCA-SIFT + RANSAC 1 匹配点(对) 30 17 13 误匹配率(%) 3/30 = 10.0000 2/17 = 11.7647 1/13 = 7.6923 时间(s) 2.6192 1.3431 2.0307 2 匹配点(对) 19 11 8 误匹配率(%) 2/19 = 10.5263 1/11 = 9.0909 0/8 = 0 时间(s) 11.0054 7.6972 8.5505 3 匹配点(对) 31 32 28 误匹配率(%) 3/31 = 9.677 3/32 = 9.3750 1/28 = 3.5714 时间(s) 11.2439 6.2501 7.5552 表2. 多组实验数据
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user: 6. 结语 从上述理论分析和实验结果可以看出，基于RANSAC和PCA-SIFT算法的方法能够满足较高精度，同时使匹配的复杂度大大降低，算法在实时性和准确性方面得到了显著的提高。由上述算法的分析可以知：SIFT算法和PCA-SIFT算法具有相同的特征点坐标，方向，梯度，不同之处在于周围描述子不同，SIFT算法采用128维，而PCA-SIFT算法利用PCA降维达到32维，在后期匹配上，PCA-SIFT算法将会节省大量时间。利用RANSAC消除误匹配，又使PCA-SIFT算法在匹配效果上得到优化。采用基于RANSAC的PCA-SIFT的特征匹配，在保证匹配结果有效性和准确性的同时，极大提高了匹配效率和运算速度。
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user: 摘 要 在研究固定翼无人机的轨迹跟踪控制问题时，为提高跟踪系统鲁棒性，设计了一款滑模控制器。在建立固定翼无人机数学模型后，对固定翼轨迹跟踪控制的模型进行分析. 并将滑模变结构控制应用到固定翼无人机的轨迹跟踪控制中，通过Lyapunov理论证明系统的稳定性，最后在MATLAB环境中，通过建模仿真数值试验验证方法可行性。 关键词 :固定翼无人机，滑模控制，轨迹跟踪，建模仿真
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user: 1. 引言 无人机的发展引起了当今世界各个领域的极大兴趣，无论是在军事还是在民事领域，无人机对其的发展都起到了极大的推动作用。尤其固定翼无人机，凭借其能够快速起飞，快速飞行，自主起飞和着陆等飞行优点使其在森林防火，地质勘察各方面都有广泛的应用。但是受到其自身复杂动力学特性和外界扰动的影响，使其具有高度的非线性，强耦合性以及模型参数不确定性等特点。所以，实现对固定翼UAV的准确控制，提高控制器的鲁棒性成为了一个关键而且具有挑战性的问题。 随着无人机发展的热潮，人们不断的将各种控制方法运用到无人机领域，文献 [ 1 ] - [ 3 ] 将自适应控制逆方法运用到四旋翼飞行控制中，为系统提供自适应动态矢量，并在线估计补偿四旋翼机器人的模型逆误差，从而提高轨迹跟踪的精度。文献 [ 4 ] 将自适应反步法技术应用到F-16轨迹控制技术上，基于李雅普方程的四个反馈回路的反步法方法来确保系统控制的稳定性。文献 [ 5 ] 介绍设计了两种状态观测器SMO (sliding-mode observer)和NESO (nonlinear extended state observer)在固定翼飞行器平台上将PD控制器用于观测器的状态反馈信号输出，来分析固定翼机的俯仰，偏航，翻滚三个运动状态。文献 [ 6 ] 设计了一款反步法滑模控制器，提高控制器的鲁棒性，在通过两阶滑模控制来消除标准一阶滑模带来的自然抖振。文献 [ 7 ] - [ 9 ] 针对四旋翼飞行器设计了自适应滑模控制器，利用自适应动态变量来抵消系统的扰动误差，实现系统的稳定性。 本文针对固定翼无人机的轨迹跟踪问题，设计了一款滑模控制器来减小系统的跟踪误差，提高系统的鲁棒性。在固定翼数学模型建立的基础上，分析固定翼无人机的轨迹跟踪模型，利用滑模控制来使系统达到稳定跟踪的目的。并通过Lyapunov来证明系统的稳定性，最后在MATLAB下进行固定翼轨迹跟踪控制的仿真模拟。
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user: 2. 固定翼动力学模型 假设在惯性空间里，地球表面是水平并且静止的，并假设固定翼无人机是均匀的刚体，质量和其分布不会发生变化，为无人机的建模选择合适的地面坐标系和体坐标系，坐标系建立如图1。 以固定翼无人机坐标系为基础，建立固定翼无人机的数学模型，首先由牛顿-欧拉的刚体动力学方程可以得到机体沿x，y，z轴的线速度状态方程 (1) (2) 图1. 坐标系建立 (3) 和沿x，y，z方向的力矩方程 (4) (5) (6) 其中u，v，w是机体线速度，p，q，r是机体的角速度， ， ， 是姿态角， (Pa)是动态压强， ， ， 是动力强度因数， 是螺旋桨转动角速度， ， ， ， 和 是飞机和动力系统惯性力矩因数， ， ， 是无量纲力矩因数 [ 10 ] 。 ， ， 动力强度因数关系如下： (7) (8) (9) ， 是飞机的攻角和侧滑角， ， ， 是无量纲力矩因数关系表示如下： (10) (11) (12) ， ， ， 副翼，升降，油门，尾翼的控制输入。 将固定翼机器人进行坐标转换，可得到地面坐标系下的角速度和速度方程如下： (13) (14) 其中 代表机体在地面坐标系下的滚转角、俯仰角和偏航角， 代表机体在地面坐标系下的位置。
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user: 3. 飞行器轨迹跟踪模型 UAV轨迹跟踪控制的目的就是控制固定翼机在反馈控制下来跟踪一个参考的轨迹，若 代表现在的位置， 为现在时刻航向角， 为航向转速率，V代表飞行的速度，让 代表参考轨迹点， 代表参考速度， 代表参考航向转速率，飞机的轨迹参考模型如图2。 飞机的动态模型也可以表示为 (15) (16) 同时飞机参考轨迹满足如下的动力学方程 (17) (18) 由此给出固定翼的轨迹跟踪结构图如图3： 图2. 飞机轨迹参考模型 图3. 固定翼轨迹跟踪结构图 其中图中的 是一个规划的参考轨迹控制率，在每一个控制过程中将实时采集的实际位置和角度信息与参考的轨迹进行补偿计算出正确的速度命令和偏航命令控制飞机按照参考的轨迹进行飞行。 设代表横向位置误差， 代表纵向位置误差， 代表偏航角误差，然后我们可以将其关系表示成如下方程： (19) 对上述误差进行微分求导可得如下误差导数： (20) 在控制系统中我们假设 ， 是控制器输入，但是实际上的输入是 ， ，通过级联控制策略我们可以采用如下控制率： (21) (22) 其中 ， [ 11 ] 。 轨迹跟踪控制的目标是通过找到可行的控制输入 ， 使得当t趋近于零时， ，使轨迹误差和偏航误差趋近于零或者趋近于某个较小的值。