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2013年 第49卷 第3期 刊出日期：2013-05-20

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狭义相对论与运动速度上限

戴又善

2013, 49(3):  356-364. 

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论证了对于具有静止参考系特性的粒子, 以绝对时空观为基础的伽利略变换是唯一允许粒子运动速度为任意大的线性时空变换, 因而对于任何非伽利略型的线性时空变换, 必然要求粒子运动速度存在上限。通过引进运动速度上限vm, 针对静质量不为零的粒子, 给出一种无需利用光速不变假设和具体的时空变换关系, 而完全在动力学范围内得到相对论质速关系和质能关系的新推导, 并进一步确定了相应线性时空变换的广义洛伦兹变换公式。质速关系和质能关系以及广义洛伦兹变换的新形式已不再直接与光速相关, 而是由更一般的普适速度上限vm替代了光速c。 对于经典伽利略变换则可作为广义洛伦兹变换在vm→∞时的一种极限特例, 而速度上限vm的具体取值可由实验测量来确定。

重离子辐照下石墨烯力学性能的分子动力学研究

梁力,赵仕俊,王宇钢,薛建明

2013, 49(3):  365-370. 

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利用分子动力学方法研究了不同剂量的碳离子辐照石墨烯产生损伤后对其拉伸力学性能的影响, 包括应力?应变曲线、杨氏模量以及拉伸强度等。入射离子能量为1 keV, 入射剂量分别为2.00×10¹³, 6.01×10¹³, 1.00×10¹⁴ and 2.00×10¹⁴cm^-2。结果表明, 离子辐照后产生了单空位缺陷、双空位缺陷及复杂缺陷等, 这些缺陷对石墨烯的力学性能产生了显著影响, 如剂量为2.00×10¹³cm^-2时, 石墨烯中只存在两个单空位缺陷, 但与完美石墨烯相比, 杨氏模量却从780.19 GPa减小到128.77 GPa, 拉伸强度也从161.81 GPa变为30.85 GPa, 并且缺陷个数越多, 力学性能越差。另外, 对辐照导致样品变形以及断裂的物理机制也进行了讨论。

纯钨及氧化物弥散强化钨合金对瞬态热负载的响应

贺书凯,颜莎,朱一舟,张博尧,薛建明,王宇钢

2013, 49(3):  349-355. 

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用强脉冲离子束(IPIB)实验装置, 研究了纯钨以及两种氧化物弥散强化的钨合金WL10和WYT对脉冲热负载的响应。通过扫描电子显微镜(SEM)和X射线能量色散谱(EDX)观测了IPIB辐照带来的表面形貌和成分分布的变化及其与辐照脉冲次数的关系。通过比较发现, 在ELM瞬态热冲击下纯钨表现的性能最好。从热负荷的耐受性角度看, 不推荐WL10和WYT作为面向等离子体材料。

立方相Lu₂O₃:Eu³⁺纳米晶的可控合成和发光性质

李艳平,余斌,代宇

2013, 49(3):  371-376. 

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采用水热方法, 通过调节前驱体的pH值, 得到不同形貌的立方相Lu₂O₃:Eu³⁺纳米棒、纳米片和纳米颗粒。利用粉末X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、傅里叶变换红外(FTIR)光谱、光致发光(PL)谱和荧光寿命(FL)等技术对所制备的纳米晶进行了系列表征。随着纳米晶尺寸的减少, 样品的荧光强度明显减弱, 这是由于吸附在纳米晶表面的OH^-含量逐渐增加, 加速了非辐射弛豫从而降低了发光效率。此外, 也观测到源于纳米晶表面Eu³⁺离子的逐渐加强的624 nm发射以及在长波侧不断延伸的电荷迁移带长激发尾。

硅烷的GW准粒子能带修正和BSE光吸收谱的计算

费瑞翔,罗光富,高政祥,吕劲

2013, 49(3):  377-382. 

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利用基于GW近似和Bethe-Salpeter方程(BSE)的第一性原理多体微扰方法, 计算了二维间接带隙半导体材料椅形硅烷(chairlike silicane)能带的准粒子修正以及光吸收谱。椅形硅烷的电子间强的相互作用显著影响着电子结构, 其间接带隙从2.08 eV修正到3.53 eV, 直接带隙从2.44 eV修正到3.85 eV。通过比较GW和BSE的光学吸收谱, 发现椅形硅烷的束缚激子的束缚能可以达到0.40 eV, 远大于硅体材料的15 meV激子束缚能。椅形硅烷的显著激子效应对于硅烯纳米材料的光电子器件应用有重要意义。

一种基于电磁带隙谐振结构的K波段压控振荡器

徐峰,王新安,陈勖

2013, 49(3):  383-388. 

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报道一种工作在K 波段的压控振荡器的设计和性能。该压控振荡器采用基于pHEMT 工艺的有源器件, 用紧凑的边缘通孔电磁带隙谐振结构替代传统的谐振电路, 实现压控振荡器的小型化。测试结果表明, 该电路工作频段为 22.9~25.6 GHz, 在 23.6 GHz的最大输出功率为 10.4 dBm, 且在24~25.6 GHz 频段的输出功率平坦度小于 1 dB。在偏离载频 1 MHz处测得的压控振荡器相位噪声约为?95 dBc/Hz。整体电路面积为 17 mm×7.5 mm。

基于相似性模块度最大约束标记传播的网络社团发现算法

黄健斌,钟翔,孙鹤立,茆婉婷

2013, 49(3):  389-396. 

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提出一种基于相似性模块度最大约束标记传播的快速网络社团发现算法(MLPA)。该方法采用结构相似度计算, 通过最大约束标记传播模型更新节点标记, 使社团的划分结果更加符合社团内部结构相对紧密、 社团之间结构相对稀疏的特点, 提高社团划分的精确度。结合标记传播5次循环迭代可以完成95%或者更多节点标记过程的实验结果, 判定标记更新过程趋于稳定, 从而在稳定时停止更新, 降低了运行时间。MLPA避免了传统的邻接矩阵计算方法, 适合大规模网络的社团发现。

冷却塔对大气扩散影响的数值模拟

蔡旭晖,刘晓,康凌,刘新建

2013, 49(3):  409-416. 

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利用计算流体力学模型Fluent, 模拟多个冷却塔对大气流动和湍流场的作用, 用拉格朗日随机粒子模式进一步模拟其大气扩散影响。针对一个内陆核电厂的设计方案进行模拟, 共有4个冷却塔和4个常规烟囱排放口。取当地典型风速1.5 m/s和中性边界层条件模拟ESE, SSE和SW这3个方向来流的塔体扰动情况。对应各风向各取2个排放位置进行扩散模拟并计算扩散参数。结果显示, 在扰动最小的风向条件下, 冷却塔几乎对扩散没有影响, 扰动严重时水平和垂直扩散参数可分别增大2个和1个稳定度级别, 这种影响在1 km之内最为明显。

平流层NAM异常对东北冷涡活动影响的研究

万晓敏,付遵涛,胡永云

2013, 49(3):  417-425. 

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为了研究平流层环流异常对东北冷涡的影响, 使用NCEP/NCAR(1958?2010年)再分析资料(日平均、月平均位势高度场及温度场), 对平流层NAM (northern hemisphere annular mode, 北半球环状模)异常期间东北冷涡的活动特征和三维空间结果进行了统计和合成分析。结果发现, 与平流层NAM正异常相比, 在平流层NAM负位相异常期间, 东北冷涡发生的频次更多和持续天数更长, 强度也更强。对平流层NAM不同位相异常期间的合成分析表明, 在平流层NAM负位相异常期间, 东北冷涡强度更强, 与平流层环流异常联系更紧密。同时平流层NAM负位相异常期间, 有强的行星波活动, 行星波的活动促进和加强了东北冷涡的发展。研究结果对使用平流层NAM异常预测冬季东北冷涡有重要意义。

北京地区大气气溶胶的激光雷达观测及反演算法研究

林常青,杨东伟,李成才,李倩,石光明,王烨芳,周寅亮,刘梦娟

2013, 49(3):  426-434. 

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利用微脉冲激光雷达在北京地区的观测, 研究两种避开利用高空信号的反演算法。算法一，根据Fernald的反演算法把边界取在混合层中间某处, 并结合太阳光度计的观测进行反演。通过激光雷达与同一地点自动气象站的地面观测比较验证了反演结果, 表明该方案用于激光雷达的气溶胶消光系数反演是可行的。算法二，由于激光雷达近端处的信号和地面气溶胶消光系数线性相关, 从而利用地面气溶胶观测数据反演雷达常数和观测期间气溶胶平均后向散射比, 结果与第一种方案一致, 表明利用该方法反演是可行的。最后利用这次激光雷达的观测, 分析北京地区冬季一次西伯利亚高压过境时的气溶胶演变过程, 将激光雷达观测与南郊观测站地面观测进行比较, 并验证了激光雷达的反演结果和算法的可靠性。

扰动近地层湍流互谱特征研究

姜海梅,刘树华,刘和平

2013, 49(3):  435-442. 

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运用国际能量平衡实验(EBEX-2000)的湍流、净辐射和温度梯度资料, 对近地层8.7 m和2.7 m两个高度的湍流互谱结构、温度廓线和湍流通量的特征进行了分析, 重点研究了逐块灌溉所致的扰动近地层内大涡与局地湍流的相互作用以及大涡对地表通量的影响。研究结果显示, 低频湍流互谱的峰值频率在两个高度趋于一致, 基本遵循外层标度律(OLS)模型; 高频湍流符合局地各向同性湍流理论。由于大涡的影响, 湍流互谱低频能量显著增强, 且该增强作用在8.7 m高度比2.7 m高度更为突出。湍流谱的低频部分出现多峰值, 峰值频率对应的涡旋尺度与热力非均匀性的尺度有较好的对应关系, 主要的3个涡旋尺度分别为800, 400和200 m。大尺度涡旋扰动对局地湍流的影响: 上层大于下层, 不稳定时大于稳定时。

EBEX-2000湍流热通量订正和地表能量平衡闭合问题研究

姜海梅,刘树华,张磊,刘和平

2013, 49(3):  443-451. 

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运用EBEX-2000实验资料, 分析超声虚温订正和Webb订正对湍流热通量计算的影响及这两种订正的主要控制因子, 并在对湍流热通量进行修正的基础上简单讨论了能量平衡闭合率(EBR)的影响因子, 结合实际的天气、地形条件给出了比较合理的解释。研究结果表明: 超声虚温订正值为?40~2 W/m², 有明显日变化, 均值为?8 W/m², 主要受大气稳定度和水汽垂直梯度影响; Webb订正值范围为?5~14 W/m², 订正量均值较小, 约1.8 W/m², 白天为正值, 夜间为负值, 主要受波文比和空气比湿的影响, 出现较大修订值的几率很小; 30 min平均的能量平衡闭合比率(EBR)约为0.63, 其日变化幅度剧烈, 日变化幅度及夜间离散度很大, 并且随土壤含水量的突然上升而急剧下降。

CALPUFF在复杂地形条件下的近场大气扩散模拟研究

朱好,张宏升,蔡旭晖,李凤菊,刘新建

2013, 49(3):  452-462. 

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利用在湖南省丘陵河谷地区开展的高时空分辨率大气扩散综合实验资料, 研究美国国家环保局(USEPA)推荐的导则模式CALPUFF (California Puff Model)在复杂地形条件下近场应用的适用性。采用不同时间分辨率的诊断风场和不同扩散参数计算方案, 模拟不同气象条件下的近场地面浓度分布。通过与示踪实验实测采样浓度对比分析, 得到: 采用实测湍流廓线资料计算扩散参数能够较好地模拟近场浓度分布; 将实测湍流速度标准差与稳定度参数的拟合关系替代CALPUFF默认的湍流参数化方案, 能够改进默认相似性理论方案的模拟结果; 风速较大、风向稳定时, 模拟结果对风场的时间分辨率和扩散参数计算方案的敏感性较弱; 风速较小、风向多变时, 需采用逐10 min风场模拟地面浓度场分布, 且实测湍流方案模拟结果相较于相似性理论方案模拟值偏大, 并更接近实测值。总之, 采用逐时风场和实测湍流方案, 或逐10 min风场和修正后的相似性理论方案的CALPUFF模式能较好地模拟研究区域复杂地形的近场峰值浓度。

2007年4月23日广东飑线的移动和地面中尺度结构特征分析

吴多常,孟智勇

2013, 49(3):  463-470. 

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基于观测和分析, 研究了2007年4月23日发生在广东的一次飑线的移动预报因子和地面中尺度结构特征。结果表明, 该飑线的移动与1000~500 hPa等厚度线的走向以及飑线前部的低空垂直风切变方向基本一致。同时该飑线的移动方向还可通过Corfidi矢量法, 由低空急流的反向矢量和850~300 hPa层间的平均风速矢量合成得到。该飑线具有显著的地面中尺度结构特征, 其中包括地面风场的辐合辐散线以及飑前中尺度低压、雷暴高压和尾流低压等。飑线前部有很强的辐合, 对应强降水区有很强的辐散, 后部也有明显的辐合, 雷暴高压处在辐散中心附近, 尾流低压则处于飑线后部辐合线之后。另外, 还将该飑线的移动和地面中尺度特征与美国的飑线做了对比分析。

云南省东部罗平地区晚三叠世卡尼期菊石生物地层

李岩,孙作玉,孙元林,江大勇,郝维城

2013, 49(3):  471-479. 

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描述了产于云南省东部罗平地区牛补歹剖面上三叠统“法郎组”瓦窑段菊石带Trachyceras multitube- rculatum带之上地层中的菊石4属8种(含1比较种和3未定种), 其中Trachyceras aonoides, Simonyceras simonyi系国内首次报道。 依据各物种组合特征及其地层分布情况, 自下而上识别出菊石Trachyceras aonoides带和Austrotrachyceras triadicum带, 时代上大致对应晚三叠世早卡尼期的中晚期。

面向大数据量地学模型的三角网格简化算法实现

刘义勤,潘懋,杨绪坤

2013, 49(3):  480-484. 

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为满足大数据量地学模型可视化的功能需求, 实现一种基于拓扑规则和地学规则双重约束的三角网格简化和还原算法, 以支持层次细节模型(level of detail, LOD)功能。介绍了实现算法所需的多分辨率数据结构。利用三维地学模型内含的拓扑关系, 结合地学规则, 约束三角网格中边的可折叠性。通过对可折叠的边进行折叠和展开来实现网格的简化与还原。测试结果表明, 算法对三角网格的处理效果良好, 运行效率较高, 能够支持LOD功能。

基于点群分割的空间方向计算模型

文学,田原,邬阳,万家欢,王星光

2013, 49(3):  485-490. 

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提出一种基于点群分割的空间方向计算模型。该模型把目标图形离散成点群, 利用平均分割点群的方法对空间目标之间的空间方向进行定量计算。实例研究说明此模型易于实现, 具有较高的计算效率, 适合地理信息系统在空间关系方面的计算要求, 可以为空间数据检索和匹配查询提供有力支持。

延迟满足特质与职业延迟满足关系的多层分析:交易型领导风格的调节作用

刘晓燕,黄韫慧

2013, 49(3):  491-496. 

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探讨了交易型领导风格在人们的延迟满足特质与他们在职业生活中表现出来的延迟满足行为间的调节作用。采用问卷法收集数据, 运用HLM进行多层分析, 以227名银行企业员工和他们分属的22个银行网点的直接主管为被试, 探讨上层领导的交易型领导风格如何调节下属的延迟满足特质与职业延迟满足行为之间的关系。结果显示: 员工自身的延迟满足特质和上层领导的交易型领导风格会共同影响员工的职业延迟满足。在低交易型领导风格下, 高延迟满足的个体比低延迟满足的个体报告了更多的职业延迟满足; 而在高交易型领导风格下, 具有高、低延迟满足能力的员工都报告有更多的职业延迟满足。

应用文献计量学方法分析1991-2010年焚烧炉相关研究的发展趋势

袁丽,刘阳生

2013, 49(3):  530-536. 

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使用文献计量学的方法分析科学引文索引(Science Citation Index, SCI)数据库中1991-2010年焚烧炉相关的文献, 以评估焚烧炉的研究趋势。分析的参数包括文献类型、语言及数量, 发表期刊及分布, 作者所属的国家和科研机构及分布, 以及关键词。研究发现, 1991-2010年焚烧炉相关文献的发表数量随时间的变化符合指数函数, 英语是该研究领域使用最广泛的语言。焚烧相关论文主要收录的学科类别是环境科学, 而发表相关论文最多的学术期刊为《Chemosphere》(344篇)。美国是发表相关论文最多的国家, 而中国是发表论文随时间增长最快的国家。通过分析关键词发现, 与焚烧炉相关的科学问题研究中, 飞灰、重金属和二?英研究是未来热点, 通过改进焚烧炉可有效控制二次污染物的产生。未来我国将普遍采用炉排型焚烧炉和流化床焚烧炉等大型焚烧设备。

2010年世博会期间上海大气中PAN和PPN的监测分析

韩丽,张剑波,王凤

2013, 49(3):  497-503. 

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采用在线仪器监测分析2010年上海世博会期间浦东新区监测站大气中的PAN和PPN, 最高浓度分别为5500×10^-12和709×10^-12L/L, 其中PANs在5, 6月份的浓度高于7, 8月份。PAN和PPN日变化显著, 6点出现浓度最低值, 12点出现最高值。PAN与PPN的比值在7, 8, 10月3个月份比值高于其他月份, 表明大气中VOCs人为源的比重有所减少。PAN与O₃日最高浓度比值平均为0.034, 93.4%的PAN与O₃ 的比值在0.07以下, 与典型城市污染地区相比该比值偏小。

升流式生物活性炭系统中生物量、活性及净水效果研究

?智翔,廖晓斌,张晓健,陈超,谢曙光

2013, 49(3):  504-508. 

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采用脂磷法、平板菌落计数法(HPC)和比耗氧摄取速率(SOUR)研究中试规模升流式生物活性炭(BAC)滤池中的生物量和生物活性的空间分布, 同时结合出水水质评价BAC的净水效果。研究结果表明, BAC滤池可有效去除污染物, BAC滤池对COD_Mn, UV₂₅₄和氨氮的平均去除率分别高达43.3%, 45.7%和92.9%。大部分污染物在炭柱的前400 mm滤料层中被去除, 这与生物量分布规律一致。生物量沿水流方向而减少, 磷脂量从7.49 nmol/cm³降为4.86 nmol/cm³; 菌落数由2.26×10⁷ CFU/cm³减少至 1.12×10⁷ CFU/cm³; 单位体积炭的SOUR在10^-2 mg/(cm³?h)的数量级, 具有与生物量不同的变化规律。此外, BAC滤池出水具有生物安全性。

强、弱外部性农村环境问题及其管理方式研究

胡璇,李丽丽,栾胜基,沈忱

2013, 49(3):  509-513. 

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依据外部性波及范围的差异, 提出将农村环境问题分为弱外部性环境问题和强外部性环境问题两种类型。理论证明这两类环境问题应通过不同的管理方式解决。通过成本比较发现, 以小群体内部合作为特征的协议方式适宜于解决弱外部性农村环境问题, 而以外界对小群体实施奖惩为特征的监管方式适宜于解决强外部性农村环境问题。

胞外聚合物对Pb²⁺和Cd²⁺吸附行为研究

张江水,刘文,孙卫玲,许楠,倪晋仁

2013, 49(3):  514-522. 

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利用改良离心法从好氧颗粒污泥中提取胞外聚合物(EPS), 并研究其对重金属废水中Pb²⁺和Cd²⁺的吸附行为。结果表明, EPS对Pb²⁺和Cd²⁺具有很强的吸附能力, 吸附行为符合Langmuir等温式, 拟合得到的最大吸附量分别可达534.76 和478.47 mg/g。Pb²⁺和Cd²⁺在EPS上存在竞争吸附, EPS对Pb²⁺的吸附选择性更强。Cd²⁺对EPS吸附Pb²⁺有一定的抑制作用, 但Pb²⁺的存在对EPS吸附Cd²⁺具有显著的抑制作用。傅立叶红外光谱(FT-IR)和三维荧光光谱(EEM)测定表明, 实验提取的EPS含有大量疏水和亲水性基团, 因此可通过络合作用、离子交换、螯合等多种作用与重金属发生强结合。对重金属起主要吸附作用的是存在于EPS蛋白质组分中的?COOH, ?NH2, ?CH2?, ?OH及?C=O官能团。研究表明, EPS吸附Pb²⁺的主要机理为离子交换和络合作用, 而对Cd²⁺的吸附则主要通过络合作用完成。

基于CLUE-S模型的土地利用空间布局多情景模拟研究??以甘肃省榆中县为例

许月卿,罗鼎,郭洪峰,周东

2013, 49(3):  523-529. 

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利用CLUE-S模型, 以甘肃省榆中县为案例区, 基于1996年土地利用现状, 对2008年土地利用进行模拟, 在200 m×200 m模拟尺度下, Kappa指数为0.82。在此基础上, 设置耕地保护、建设发展和生态保护3种土地利用空间布局情景, 模拟2020年不同情景下榆中县土地利用空间布局。结果表明: 耕地保护情景下, 耕地稳定性较高, 分布集中连片, 主要集中在榆中盆地, 耕地转出主要集中在北部地区, 主要转变为草地和林地; 建设发展情景下, 建设用地围绕榆中县城关镇扩展, 主要由耕地和草地转入, 耕地的稳定性较差; 生态保护情景下, 林地和草地得到较好保护, 呈现集中连片特征, 地势较高处的耕地转变为林地和草地。生态保护情景下, 土地利用空间格局的聚集性最高, 连通性最好。 CLUE-S模型是模拟榆中县土地利用空间布局的有力工具, 模拟结果可为该区土地利用规划修编和未来城市规划布局提供科学依据。

农田辐射传输光学遥感成像模拟研究综述

杨贵军,柳钦火,杜永明,石月婵,冯海宽,王纪华

2013, 49(3):  537-544. 

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首先对光电物理仿真、图像合成法、计算机图形学法及遥感物理模型法等光学遥感成像模拟方法的技术方法和研究进展进行了分析, 其中由于遥感物理模型法较为详细地刻画了真实辐射传输过程, 成为国内遥感成像模拟的主要发展趋势。然后对作物关键参数时空变化分析、农田辐射传输建模及遥感成像模拟系统等方面进行了分析讨论, 表明结合作物全生育期结构、光谱变化特征, 进而建立叶片?土壤?冠层?大气?遥感器成像模拟耦合模型是主要途径, 能够实现农田多维遥感数据模拟, 为农业定量遥感研究与应用提供模拟数据支持。

混合密码SCB算法的密钥恢复攻击

张凯,关杰,张中亚,罗磊

2013, 49(3):  397-403. 

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针对SCB (senior cross breed)算法序列部分设计的安全问题, 在已知序列部分生成的密钥流的情况下,用 O(2⁴⁴)的计算复杂度恢复算法的种子密钥。为得到序列部分攻击所需要的密钥流, 基于单比特随机故障模型, 对SCB算法分组部分进行了差分故障攻击, 当引入640次故障时, 攻击算法成功率可以达到99.4%。恢复算法256 bit种子密钥需要的计算复杂度为O(2⁴⁴)。

基于多粒度感知SVM的复杂场景人车分类方法

吴金勇,赵勇,王一科,袁誉乐,张兴

2013, 49(3):  404-408. 

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针对复杂场景中的人车分类问题, 提出一种基于多粒度感知SVM (support vector machine)的复杂场景人车分类方法。该方法首先对视频场景进行运动区域分析, 结合角点检测方法提取运动区域视觉感知信息, 在时空域中采用Kalman滤波将感知信息进行关联推理, 去除噪声干扰。 再以运动区域质心点为中心, 构造目标的多粒度感知特征, 最后构造2级SVM分类器, 将目标多粒度感知特征向量集输入SVM分类器进行训练及分类, 得到人车分类结果输出。实验结果表明, 该方法取得了良好的分类效果, 人、车全天候平均分类正确率分别达到93.6%以上, 能有效避免光照、色彩、目标大小等变化导致的误分类问题, 适用于智能交通视频的人车分类应用。