四元结构

四元结构（精选7篇）

四元结构 篇1

我国的“粮+经+饲”三元种植结构已经历时二十余载。2010年, 青绿饲草在农作物的播种面积中只有1.2%, 当前, 畜产品的质量安全问题已经成为城乡居民普遍关注的重要议题, 畜牧业的生产效率和综合效益与发达国家相比仍然不高, 畜牧业急待转型和升级, 而优质饲草料的短缺成为畜牧业转型和升级的重要障碍。受“三聚氰胺”等一系列食物安全事件的严重冲击, 近年来国内市场对优质牧草的需求强劲, 使得对国外苜蓿等优质干草的进口量剧增。如何因应市场对优质牧草的强劲需求, 在不影响国内粮食安全的前提下, 推进优质牧草产业的快速发展是摆在决策者目前的紧迫任务, 种植业向“粮+经+饲+草”四元结构调整非常必要。

改革开放以前, “以粮为纲”的种植结构基本上一统天下。在长期计划经济政策的束缚下, 农村发展经济作物等的“多种经营”一直被不同程度地限制着。在十一届三中全会以后的农村改革进程中, 经济作物的发展逐步受到重视, “粮+经”二元结构发展迅速。进入20世纪90年代后, 国内农产品的供给由长期短缺转向总量基本平衡、丰年有余的格局;农业发展的目标由解决温饱转向实现小康;人们在关注农产品产量提高的同时, 对花色品种和质量安全有了新的要求, 农业结构调整发展到新的历史阶段。改革开放三十多年来, 我国农作物播种面积总体呈波动性增长态势, 但2006年以来, 农作物播种面积呈现稳定上升态势, 播种面积从15214.9万公顷上升到2010年的16067.5万公顷, 增加了5.6%。

但是, 三元种植结构存在一些问题, 如结构调整中重眼前轻长远、跟风追市的现象经常发生;过度的区域化和专业化, 导致土地生产能力下降;当前的三元结构难以适应畜牧业的转型和升级;国内牧草种植面积较大, 但品质较低等等。因此, 三元结构向四元结构调整迫在眉睫。

经过自“九五”时期以来的结构调整, 我国以玉米为主导的饲料作物种植面积快速扩大, 2010年玉米种植面积已达3250万公顷, 比1995年增加了42.7%, 玉米占农作物播种面积的20.2%;而同期的水稻和小麦种植面积分别下降了2.8%和16.0%。代表牧草的紫花苜蓿和青饲、青贮玉米面积2009年只有508.78万公顷, 只占农作物播种面积的3.2%, 在农作物中的地位微不足道。这与牧草在畜牧业发展中的极端重要性格格不入。必须将牧草种植从饲料种植中独立出来, 单独考察其在农业结构调整中的变化趋势, 即尽快将三元结构转化为四元结构, 这样才对指导农业生产和畜牧业发展具有重要意义。

一、三元结构向四元结构调整的必要性

㈠实施四元结构是畜牧业转型和升级的基础条件牧草是草食性畜禽的主食, 而精料其实只是其日粮的补充, 所以业界将精料也称为精料补充料。我国长期对草食性畜禽实施粗放式养殖, 大多采取“秸秆+精料”的饲喂模式, 导致草食性畜牧业长期生产效率低下, 畜禽生长发育较差, 发病率较高, 畜产品质量和安全性不高, 在国际市场的竞争力较弱。近年来国外大量奶粉的进口、大量高档牛肉的走私进口都很大程度上与国内相关产品的质量和安全性不高有关, 而这些又与优质牧草的饲喂紧密相连。最典型的是奶牛, 单产5吨以上原奶的奶牛日粮中添加3公斤干苜蓿, 可减少1.5公斤的精料, 日增产鲜奶1.5公斤, 原奶质量提高一个等级, 奶牛发病率大幅下降, 1头奶牛的综合效益可提高2000元以上。牧草也是食粮性畜禽提高生产效率、提升产品质量与安全性的重要条件。相关饲料配方对比试验表明, 在母猪日粮中添加一定苜蓿草粉, 对母猪繁殖性能和饲粮消化率产生重要影响, 当能繁母猪日粮中配备20%的苜蓿草粉时, 产活仔数提高了22.2% (p<0.05) ;断奶仔猪的成活率也以配备20%的苜蓿草粉为最高。在当前我国生猪生产受制于产仔数少和仔猪成活率不高的大背景下, 牧草生产无疑对生猪生产水平的提高具有重要作用。

㈡实施四元结构是农业生态系统良性循环的重要条件研究表明, 套种牧草能提高土壤有机质、碱解氮和速效磷的含量。而紫花苜蓿等豆科牧草更具有根瘤固氮作用, 据测算, 连续生长三年紫花苜蓿的土壤, 每公顷产根系9吨左右, 根瘤菌固氮135公斤/公顷~225公斤/公顷, 且一半分布在0厘米~30厘米的耕作层, 使有机质提高0.1%~0.3%。同时, 还可以增加团粒结构, 改良土壤, 提高后茬产量。肥沃土壤栽培紫花苜蓿, 其后茬作物可增产30%~50%, 贫瘠的土壤可增产2倍~3倍。当前我国的中低产田约占2/3左右, 大多土壤板结、贫瘠, 再加上规模化、专业化种植和区域化布局的全面推进以及耕地总量的限制, 导致作物轮作倒茬困难, 使土壤生态环境严重恶化。适度发展粮草轮作将对土壤改良和农业生态系统良性循环起到极大促进作用。

㈢牧草是草原地区牧民增收依靠的唯一资源我国广大牧区, 草食性畜牧业仍然是牧民收入的主要来源, 在部分地区更是唯一来源。当前, 我国的天然草地已有90%出现不同程度的退化、沙化, 且每年仍以200万公顷的速度扩张。随着国家实施草原生态保护和草畜平衡措施的全面推进, 天然草场已经难以承载不断扩大的畜产品需求, 必须因地制宜发展人工种草, 依靠大面积高产量的人工种草来弥补牧区饲草的不足。这不仅关系到牧区牧民的增收, 更关系到牧民基本肉食消费的保障。

㈣农业结构的适度再调整可为发展草业提供适量耕地当前, 我国种植业三元结构早已实现, 饲料产量已占全国粮食产量近一半左右。将种植小麦、玉米等粮食作物 (精料) 的耕地一部分用于种植苜蓿等优质牧草, 既影响不了粮食安全, 又能提高养殖效益。据测算, 单位面积紫花苜蓿与小麦相比, 前者蛋白质约为后者的7倍, 干物质约为4.7倍;苜蓿蛋白中含有20种以上的氨基酸, 比玉米高4倍~5倍。且用“秸秆+苜蓿+适量精料”比“秸秆+精料”饲喂模式对草食家畜的消化效率更高, 代谢类疾病等的发病率更低, 所以相应畜产品的产出效率也更高, 效益更好。对于奶牛业来讲, 在奶牛日粮中添加3公斤干苜蓿可以节省1.5公斤精饲料, 则0.07公顷苜蓿干草代替的精饲料量完全可抵0.07公顷粮食作物的产量, 可适当替代一部分饲料玉米的种植。此外, 种植牧草是最不易改变耕地用途的农业生产方式, 当粮食供给充足时, 通过粮草轮作, 可以培肥土壤, 还可以生产出优质牧草;粮食供给不足时, 可以改作粮田, 随时转化为粮食的现实生产能力。

二、构建“粮+经+饲+草”四元结构的思路与方向

实施四元结构种植, 首先必须充分利用现有牧草地, 通过不断提升牧草生产的技术水平和装备基础, 从提升单产和改善草质上下工夫, 不断提高牧草的有效产量。其次适度调整现有种植业结构, 根据不同地区的实际情况, 从饲料作物 (玉米) 的面积中“占”一点, 从经济作物面积中“让”一点, 或从粮食作物面积中“挤”一点, 充分利用一定数量的耕地, 大力发展高产优质牧草基地, 保障市场对优质牧草的快速需求, 减轻对国际市场的过分依赖。

㈠从饲料作物面积中“占”一点根据本研究的调整, 饲料作物中玉米占绝大多数。按照我国奶牛日粮的现状, 以及在其日粮中添加3公斤苜蓿, 相应减少精料的方案, 每种植0.07公顷苜蓿基本可节省种植0.07公顷玉米。这样, 保障750万头产奶牛日粮中3公斤干苜蓿, 基本需要占用耕地50万公顷, 大致可以节省50万公顷玉米 (饲料) 地。既然奶牛饲喂一定量苜蓿可减少精料 (玉米) 的饲用量并产生更大的效益, 就应从饲料 (玉米) 地中占用一部分用于种植苜蓿。

㈡从经济作物面积中“让”一点在新疆、内蒙古等少数民族地区, 根据当地对草食性畜产品消费量大的特点, 以及保障当地居民对肉食和奶食基本消费的极端重要性, 可考虑对这些地区的经济作物 (如瓜果等) 面积适度调减, 既保障了这些地区经济作物的稳定收益, 又增加了牧草的种植进而保障了肉食和奶食的供应。既然保障肉食和奶食供应在这些地区的极端重要性, 就应将一部分经济作物用地让出来用于种植牧草。

㈢从粮食作物面积中“挤”一点针对部分地区用小麦作饲料的现实情况, 可在北方的小麦产区, 适当挤出一部分种植面积用于种植苜蓿, 在这些地区, 同等条件下种植1亩苜蓿的饲用价值可相当于种植0.13公顷~0.27公顷小麦的饲用价值, 所以将用于饲喂畜禽的小麦所占土地用于种植苜蓿, 产生的经济价值和节粮效果将非常明显。既然一些地区存在用小麦或稻谷 (粮食) 饲喂牲畜 (特别是草食家畜) 并产生不经济的情况, 就应将一部分种植这些粮食作物的耕地挤出一部分用于种植牧草。

㈣充分利用边际土地种植牧草我国牧草种植传统的固有阵地—大量的边际土地一定不能放弃。我国在南方有大量的冬闲田, 在北方有大量的荒地, 在西北地区有大量的退耕还林 (草) 地, 在几大流域有大量的盐碱地、滩涂等, 这些都是我国传统的牧草种植固有阵地, 这些地区种植的牧草大多是一家一户种草养畜、即割即喂、草畜一体化的最紧密模式, 尽管形成的商品草较少, 但是保障国内牧草供应的主要地区之一, 继续充分利用这些地区生产牧草。

㈤提升原有饲草地的生产水平要向大力提升单产要产量、要效益。我国的牧草种植, 从面积保有量看已经占有很大的比例, 但产量不高, 形成的商品量更低, 只有几十万吨。今后一定要培育和扩繁适应不同地区气候特点的优良品种、加强田间管理、提升技术水平和改善生产装备上下工夫, 不断提高生产水平。

㈥合理进行区域布局新增苜蓿播种面积应主要布局在北方地区, 占用一部分原来的玉米种植面积和春小麦面积, 如黑龙江西南部、吉林西部、辽宁西部、内蒙古中西部、甘肃、宁夏、新疆、陕西部分地区以及河北、山东和山西的部分地区;新增青贮玉米、高丹草等的面积也应与奶牛养殖区域相协调, 主要布局在北方和中原地区;充分利用南方冬闲田大力发展以黑麦草为主导的南方牧草, 以满足一家一户种草养畜的需求;在内蒙古、新疆等少数民族地区, 适当调减一部分经济作物占地, 充分利用农牧交错带的资源发展人工种草, 以满足养牛和养羊的需求。

三、构建“粮+经+饲+草”四元结构的建议

㈠转变观念是构建四元结构的前提条件

1.应转变种草即挤占农田从而影响粮食安全的观念。实践已经多次证明, 草食性畜禽必须以优质牧草为主食 (补充适量精料) , 才能提高消化效率, 提高产出和产品质量, 降低发病率, 从而直接或间接显著地减少粮食消耗, 提升综合效益;食粮性畜禽日粮中如添加适量优质牧草 (粉或颗粒) , 同样可以减少对精料的依赖, 提高产出和产品质量, 降低发病率, 提升综合效益。种植业结构的适度再调整, 不仅不会影响粮食安全, 反而会进一步促进粮食安全, 并显著提升畜牧业的生产能力和综合效益。

2.应转变种草效益好即农民就会自动种植的观念。当前在我国苜蓿种植效益很好, 但一家一户的农民也很难种植并得到效益。因为牧草产业比其他种植业的发展难度更大, 在一个区域内必须形成一定的“气候”或“氛围”才能比较顺利发展。一家一户的粮食种植, 完全的人工种、收、贮都可以比较容易地获得收成;而种植牧草就不行, 牧草到了收获季节必须及时收获, 并适时晾晒和打捆, 同时还要占用很大的仓储空间贮存, 并等待收草企业收购后才能最终获得效益, 期间的任何一个环节脱节就易导致牧草种植一无所获。所以, 即使市场上苜蓿效益很好, 也不会引致大量农户及时种植苜蓿, 也不一定就会保证这些农户顺利获得应有效益。必须要将“草”看做作物, 必须像种植粮食那样种植牧草。种植牧草必须有一定的技术基础, 必须有一定的种植规模, 必须有为牧草生产提供的“耕、种、收”等全程的机械化服务, 必须有收购牧草的企业或营销组织, 即必须形成一定的氛围。

㈡给予草业发展宽松的政策环境我国的牧草种植尽管也有多年历史, 但作为牧草产业发展则刚刚起步, 主管部门将牧草作为一个产业对待也只是近年来的事。任何一个产业在发展的初期, 必须要有相应的优惠政策来扶持和保驾护航, 才能促进该产业尽快成长壮大。牧草产业更是如此。尽管牧草产业效益较高, 但产业发展的基础薄弱, 各环节都很不配套, 特别是龙头企业实力很弱, 技术水平落后, 设施设备严重缺乏, 这样很难保障产业整体效益的充分发挥。今后在制定相关政策时必须考虑以下几个方面。

1.要对牧草产业重新定位。在制定相关农业规划或法规等宏观政策时, 必须突出优质牧草在缓减粮食安全问题, 提高肉、蛋、奶品质, 改善国民生活水准中的重要性, 并将草原生态保护与牧草产业发展、畜牧产业发展、设施农业发展和粮食产业发展等统筹安排。要在整个农业生产和农村牧区经济发展中将牧草产业放在显著位置突出出来。

2.尽早出台种草与种粮享受同样的优惠政策。尽管从2012年起, 国家启动实施了“振兴奶业苜蓿发展行动”, 中央财政每年安排5.25亿元, 在奶牛主产省和苜蓿主产省, 开展奶牛优质苜蓿标准化高产创建。但是扶植力度非常有限, 建议尽快出台全部牧草良种补贴政策、种植牧草直补政策和牧草种植、收储、加工机械补贴政策等, 尽快实现种植牧草与种植粮食作物享受同样的优惠政策。

3.急需出台扶持牧草专业合作组织发展的政策。由于牧草种植从播种、管理、刈割等全过程的技术水平、机械化程度要求都很高, 且需要大面积的连片土地, 急需财政扶持牧草专业合作组织, 通过政策引导农民加入牧草专业合作社, 通过土地入股或签订土地租赁合同, 由合作社开展优质牧草高产示范片区种植。农民在得到土地租赁费的同时还可以选择留在本地工作, 或者外出打工。合作社则可推广优质牧草良种, 同时对牧草播种、田间管理、收割、贮存等全过程进行技术培训与服务, 实现牧草的规模化、机械化生产。

四元结构 篇2

半金属铁磁材料最近10年成为了大家研究的热点,因为它的费米面在最小自旋带带隙之中,而最大自旋带跨过费米面,带来了费米面处100%的自旋极化,被广泛认为在隧道结、自旋阀、磁传感器等方面具有较好的应用前景。自从De Groot等[1]首次预测half-Heusler合金NiMnSb为半金属铁磁材料以来,许多half-heusler和Heusler合金都被预测为半金属铁磁材料[2],其中Co基Heusler合金由于具有较高的居里温度和较大的磁矩倍受关注。L21结构的Co2MnSi和Co2FeSi居里温度分别超过了900K和1100K,而且磁矩分别达到了5μB和6μB[3,4,5],具有较大的研究价值。但是,在以Co2MnSi和Co2FeSi为电极的隧道结研究中发现,其遂穿磁电阻(TMR)对温度有着较强的依赖关系[6,7]。例如在低温下,Sakuraba等[3]发现Co2MnSi隧道结的TMR值可达到600%以上,而在室温下却仅有67%。许多理论研究表明随着温度的升高,非准粒子态的出现、无序效应、晶格缺陷等将会破坏铁磁材料的半金属性[8,9,10],从而大大降低其自旋极化率。此外,Co2MnSi和Co2FeSi等许多Heusler合金的费米面比较靠近最小自旋带隙的顶部或底部,也是造成这些Heusler合金半金属性易随着温度升高而丧失的原因。

研究发现,在Heusler合金中掺入合适比例的杂质元素可以进一步调节其电子结构和费米面的位置,得到半金属稳定性较好的合金材料。对于具有化学表达式X2YZ(其中X位为前过渡金属元素,Y位为后过渡金属和稀土元素,Z位为主族元素)的Heusler合金来说,X位掺杂的[Co1-xMnx]2-MnAl、[Co1-xCrx]2CrAl系列[11],Y位掺杂的Co2Mn1-x-FexSi、Co2Mn1-xCrxSi、Co2Mn1-xFexAl、Co2Cr1-xFexAl和Co2Mn1-xTixSi系列[12,13,14,15],以及Z位掺杂的Co2Y(Y=Fe,Mn)Al1-xSix系列[16,17]等,业已成为当前研究的热点。特别在Co2Y(Y=Fe, Mn)Al1-xSix系列研究中,在Co2[Fe,Mn]-Al的Al位掺入一定比例的Si可以通过调节sp电子的数量来实现半金属性的稳定。Tezuka等[18]报道用Co2FeAl0.5-Si0.5制成的赝自旋阀式隧道结,能获得室温386%、低温832%的TMR值,使自旋极化率得到进一步提升。

考虑到Co2[Mn,Fe]Ge和Co2[Mn, Fe]Ga都是预测的半金属合金,而且Co2[Mn,Fe]Ge和Co2[Mn,Fe]Ga类似于Co2[Mn,Fe]Si和Co2[Mn,Fe]Al的性质,Co2[Fe,Mn]Ga的费米面比较靠近最小自旋带隙的底部,而Co2[Fe,Mn]Ge居于上部,因而合适的sp电子掺杂,将可能改变d电子元素的交换劈裂,调节费米能级的位置,找到稳定的合金半金属性。因此,基于密度泛函理论的第一性原理,本实验研究了四元Heusler合金Co2[Mn,Fe]Ge1-xGax的晶体结构、半金属性和磁性,期望为实验和应用研究提供帮助。

1 计算方法

一般有序L21结构的Heusler合金如图1所示,在Wyckoff 坐标下,X(Co)位处于(0,0,0)和(0.5,0.5,0.5)的位置,Y(Mn或Fe)和Z(Ge或Ga)分别在(0.25,0.25,0.25)和(0.75,0.75,0.75)的位置上,分别由4个面心立方晶格套嵌而成。

在整个计算中,具体采用了基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理从头计算(ab initio),选择了广义梯度近似(GGA)和Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)[19,20]交换关联函数。对于核电子的处理,选择了超软赝势[21]进行描述,具体考虑了Co:3d74s2,Mn:3d54s2,Ga:3d104s24p1和Ge:4s24p2价电子组态。计算过程中首先假定结构为铁磁性,并选择了自旋极化进行结构优化和单点能计算。计算中采用1×10-6eV的全局自洽场(SCF)收敛标准,每个原子上的作用力要求不超过0.02eV/Å,并使用4×4×4的k点网格精度和布里渊区积分。结构优化时,分别将晶格常数的实验值5.738Å(Co2MnGe)[22]、5.716Å(Co2MnGa)[22]、5.736Å(Co2Fe-Ge)[23]和5.727Å(Co2FeGa)[24]作为Co2[Mn,Fe]Ge和Co2-[Mn,Fe]Ga结构优化的初始值,而掺杂Co2[Mn,Fe]Ga1-x-Gex合金采用了Co2[Mn,Fe]Ge和Co2[Mn,Fe]Ga优化后的晶格常数作为初始值。

2 结果与讨论

2.1 晶体结构

随着在Ge位掺入Ga比例的增加,Co2MnGe1-xGax和Co2FeGe1-xGax的晶格常数会逐渐减小, 如图2所示。对于Co2MnGe1-xGax系列,除了x=0(Co2MnGe)计算的晶格常数略微偏小外,其它随x线性增大;对于Co2FeGe1-xGax系列,除了x=1(Co2FeGa)晶格常数偏大外,其余也基本呈线性变化。考虑到Ga和Ge原子半径比较接近,计算出来的Co2[Mn, Fe]Ge与Co2[Mn, Fe]Ga合金体系之间的晶格常数差异非常小(约分别为0.005Å和0.007Å),Co2MnGe和Co2FeGa的计算晶格常数的偏移程度也非常小,在计算精度范围内,认为Co2[Mn,Fe]Ge1-xGax合金随Ga的增大而线性减小,很好地满足Vigard定理。此外,将计算晶格常数值5.70776Å(Co2MnGe)、 5.69384Å(Co2MnGa)、5.73876Å(Co2FeGe)和5.73273Å(Co2FeGa)与对应实验晶格常数比较,计算的合金的晶格常数差异(计算值-实验值)/实验值在0.5%之内,非常符合实验值。

2.2 磁性和半金属稳定性

在表1中记录了合金的各原子磁矩和原胞总磁矩,并在图3中画出了原胞总磁矩随x的变化曲线,实验值主要参考文献[22,23,24]。

计算结果表明,随着Ga掺入比例x的增加,原胞总磁矩线性减小。其中对于Co2MnGe1-xGax系列,很好地符合实验测量值和SP(Slater-Pauling)规律[23](原胞磁矩=价电子总数-24);但是对于Co2FeGe1-xGax系列,计算值都基本上略高于实验测量值(0.13μB～0.18μB范围内),并随x的减小而逐渐偏离SP值。另外,随着x的增加,Co和Mn/Fe的原子磁矩逐渐减小,Ge与Ga原子保持较小的负磁矩基本没有变化。

图4和图5分别为Co2MnGe1-xGax态密度(DOS)和费米能级附近局部扩大态密度随掺入Ga比例x的变化曲线,其中“↑”和“↓”分别表示自旋向上和向下,E是体系总能,Ef是费米能,可以看出,整个系列合金自旋向上带明显穿过费米面,在费米面附近存在一个自旋向下带带隙,且x=0到0.75时的合金费米能级居于自旋向下带带隙之间(或边缘),若定义自旋极化率:

${\rm P}=\frac{{\rm N}{}_{\uparrow }(E{}_{\text{f}})-{\rm N}{}_{\downarrow }(E{}_{\text{f}})}{{\rm N}{}_{\uparrow }(E{}_{\text{f}})+{\rm N}{}_{\downarrow }(E{}_{\text{f}})}$×100%

式中:N↑(Ef)和N↓(Ef)分别为费米能级处自旋向上和向下的态密度。这将有100%的自旋极化率,此时合金具有显著的半金属性。x=0(Co2MnGe)与x=1(Co2MnGa)时,Co2MnGe的费米能级基本上居于自旋向下带带隙的上部,Co2MnGa却居于底部以下且丧失了半金属性,与Galankis等[25]的计算结果一致。从图5可以看出,随着掺入Ga比例的增加,费米能级逐渐从自旋向下带带隙的上部向底部移动,带隙宽度略有减小。当x=0.75时,费米能级已经到达自旋向下带的底部,x继续增大合金将丧失半金属性。尤为值得关注的是x=0.25时的四元合金Co2MnGe0.75Ga0.25,其费米能级居于自旋向下带带隙的中间,略微靠下,具有大约0.45eV带隙宽度。由此判断该合金针对外界的影响,例如温度效应、小比例的原子无序、晶格扭曲、杂质、点缺陷等具有更好的半金属稳定性,预期能在隧道结、自旋阀等方面具有好的应用。

图6和图7分别为Co2FeGe1-xGax态密度(DOS)和费米能级附近局部扩大态密度,可以看出,合金自旋向上态密度也大致跨过费米面,自旋向下带在费米面附近也接近0,存在一个高自旋极化率的能量区间;从Co2FeGe与Co2FeGa的态密度看出,费米面分别居于这个高自旋极化区的上部和底部以下,并随x的增大,费米能级也是逐渐向底部移动,在x=0.5和0.75时恰好分别居于这个区域的中间略微靠上和靠下。这两种情况下的能带结构表明:x=0.75自旋向下带没有跨过费米面,有100%的自旋极化率,呈半金属性;而x=0.5自旋向下带有少量跨过费米面,仅有约95%的自旋极化率,呈金属性,这一点也可以从图7中观察到。但是,比较Co2FeGe1-xGax系列,虽然在费米面附近存在一个的高自旋极化区域,但是却没有出现最小自旋带带隙,因而除了Co2FeGe0.25Ga0.75,其他合金是金属性的。

2.3 讨论

过渡金属Co、Mn的3d电子杂化以及Z位主族元素sp电子RKKY间接交换作用[26,27]之间的相互竞争,将是合理解释Co2[Mn, Fe]Ge1-xGax合金磁性和半金属性的关键。Galanakis等[25]的研究指出,三元Heusler合金,以Co2MnGe为例,4个sp带可以填充8个电子,但是主族元素Ge仅有4个价电子,因此有4个d电子填充到sp带上去,因而对四元合金中sp电子的改变就可以达到调整d电子排布的目的,从而调节总磁矩。另外,近邻过渡金属的d电子被杂化:首先最近邻的Co原子杂化,形成两个2重简并和3重简并的成键态和反键态,然后与近邻Mn原子相同对称性和简并度的能带杂化,最后形成15个d电子轨道,其中有8个低于费米面的能带被完全填满。这样体系总共具有1个s、3个p和8个d带,因而原胞磁矩最大可能是M=价电子总数-24,即为Slater-Pauling(SP)规律。对于Co2MnGe,外层电子数为29,因而其SP磁矩应该为5μB。显然,Co2MnGe1-xGax系列合金很好地遵守了这个规律。此外,分波态密度研究表明,自旋向下带带隙的宽度主要来源于Co-Co的交换劈裂,从图4和图6可以看出,随着sp电子的减少(x增大),成键态与反键态的峰值逐渐靠近费米能级,交换劈裂减小,带隙略微变窄,原因在于sp电子的数目不仅通过杂化机制有效调节合金的磁性,而且在RKKY交换机制中为d电子的交换作用提供媒介,从而调节最小带隙的宽度。同时sp电子的变化,也引起价电子的重新分布,费米能级位置将发生移动。

但是,Co2FeGe1-xGax系列合金的磁性并没有完全遵守SP规律,而且自旋向下带在费米能级附近也不存在明显的带隙。比较Co2FeSi[11,28]表明,Co2FeSi中d电子有非常强的强关联作用,内层d电子将会影响价电子的分布。在研究的Co2FeGe1-xGax体系中,GGA+U的计算方法显示U值很小(低于1),与Co2MnGe1-xGax相比d电子的强关联作用可能是引起上述差异的原因。

3 结论

利用第一性原理从头算法,本实验研究了四元Heusler合金Co2[Mn,Fe]Ge1-xGax的晶体结构、半金属稳定性和磁性。在计算精度的范围内,发现随着掺入Ga比例的增加,合金体系的晶格常数很好地遵循着Vigard原理。对于Co2MnGa1-xGex系列的合金,其原胞磁矩很好地符合SP规律和实验值,随着x的增大而线性减小;其态密度显示,Co2MnGe1-xGax系列合金在x=0～0.75的掺杂比例内都有0.4～0.6eV的自旋向下带带隙宽度,而且四元合金Co2MnGe0.75Ga0.25的费米面居于最小自旋带隙的中部略微靠下,这将具有较好的半金属稳定性;该合金磁性和半金属性,是d电子杂化和sp影响价电子排布和过渡金属原子RKKY交换机制相互竞争的结果。而对于Co2MnGe1-xGax系列合金,其原胞磁矩虽然很好地符合实验值,却随x的减小而逐渐偏离SP值;其态密度调查显示,Co2FeGe1-xGax虽然在费米面附近也存在较高的自旋极化,但几乎不存在显著的带隙,其中d电子的强关联作用可能是造成上述现象的原因。这些结论将为进一步实验研究提供理论帮助。

新型农民工培训渠道的四元模型 篇3

一、新型农民工的特点

新型农民工与父辈相比, 他们所处的时代背景明显不同, 他们的性格、价值观念、思维方式、生活方式等等明显区别于他们的父辈, 深深打上了鲜明的时代烙印。归纳起来, 他们独有的特点主要有以下几个方面:

(一) 年龄。

新型农民工主要出生在1980年以后, 外出打工时年龄普遍偏小, 大致处在25岁以下, 正处于青年时期。

(二) 教育。

受惠于九年制义务教育的普及, 在教育水平上, 新型农民工的受教育程度较高, 具有高中文凭、中专文凭、技校文凭的人很多, 拥有较高的技能水平。

(三) 身份认同。

大部分新型农民工的初高中教育都在城镇完成, 对城镇生活模式比较熟悉, 因此, 尽管出生在农村, 但不太认同自己的农民身份, 往往憧憬城市的生活, 期望在城市工作和生活。

(四) 精神状态。

与他们的父辈相比, 新型农民工渴望出人投地的愿望更加强烈。但受计划生育政策和家庭经济状况好转的影响, 他们较少参加体力劳动, 同时, 由于长期在校园学习和生活, 他们缺乏社会阅历、没有经历太多的磨难, 因此, 在吃苦耐劳等方面明显逊色于他们的父辈。另外, 由于他们外出打工时的年龄较小, 自身的价值观、世界观还没有正式形成, 容易受到外界的干扰, 精神状态还不稳定, 因此有时他们会做出一些叛逆的行为, 甚至会出现某些犯罪行为。

(五) 外出动因。

对于新型农民工而言, 他们外出的目的不仅仅是为了赚钱, 他们更倾向于进入城市去闯一番自己的“事业”, 期望在城市中能够找到实现自己梦想的机会和途径, 在城市中能够站稳脚步, 他们希望将城市作为自己的永恒归宿, 在外出务工时往往追求一种长期稳定的工作, 并且对工作条件、工作环境、个人尊严等较为敏感。同时, 他们认为在家务农是一种没本事的表现, 所以他们宁愿呆在城市, 也不愿意返乡。

二、新型农民工的培训需求分析

2013年7月, 笔者采用问卷调查的方式, 对浙江省纺织行业的新型农民工进行了调查, 共发放问卷220份, 实际收回218份, 有效问卷200份, 其中, 男性140人 (63.6%) , 女性80人 (36.4%) , 以青壮年为主, 年龄在27岁左右, 调查对象93%以上的文化水平在初中以上, 其中, 小学及以下的仅有9人, 初中的有85人, 高中 (含中专、职技校) 的有108人, 大专及以上的有18人。

(一) 培训意愿。

调查结果显示, 90.1%以上的新型农民工对培训有着强烈的需求, 在培训项目的选择上, 主要以英语、计算机、会计基础、岗前培训为主, 他们培训的主要目的是为了提高自身的素质, 增加收入 (50.3%) 。由此可见, 新型农民工认为培训是必要的, 他们期望通过培训来提高他们的综合素质和就业能力, 以增强他们在城市中的生存能力和发展能力。

(二) 时间选择。

在培训时间的选择上, 大部人 (65.3%) 希望安排在周末, 33.2%的人想要在工作日的晚上进行培训, 剩下的人则希望在周一至周五的白天进行培训。另外, 调查发现新型农民工愿意参加6个月之内的短期培训, 对于6个月以上的培训, 他们愿意参加的人只有25个左右。

(三) 渠道。

目前, 中国的培训渠道主要有:政府组织的培训、用人单位组织的培训、专业培训机构的培训和技校的培训。在本次调查中发现, 选择在用人单位内部培训的占65.2%, 专业培训机构的占18.9%, 职业技能培训学校的占7.6%, 政府组织的培训占8.3%。可见大多数新型农民工不愿意参加政府公共机构的培训, 这可能是由于政府部门的培训覆盖面积比较狭隘, 提供的培训内容与新型农民工的需求之间存在一定差距的原因。

(四) 经费。

调查显示, 82.7%的新型农民工希望免费培训, 9.5%的希望费用在100元以内, 6.8%的希望在200元以内, 1.0%的认为300元以内可接受。由此可见他们愿意支付的培训费用水平不高, 这与新型农民工的低收入水平有关。

综上所述, 新型农民工的培训需求具有以下特点:培训的主要参加者以年轻劳动力为主, 对技能的培训要求较高;新型农民工的培训意识强烈;以短期培训为主, 培训时间不足;培训渠道以用人单位为主;培训资金和费用短缺等。

三、新型农民工培训模式的框架

本文从新型农民工的特点以及培训需求出发, 构建了新型农民工培训模式的框架 (见图1) 。该模式框架以用人单位、政府部门、新型农民工、培训机构和学校为主体, 根据新型农民工的特点和培训需求, 通过对新型农民工的文化素质、职业技能和精神状态的培训, 促使他们掌握基本的生活和工作技能, 从而为其在城市生存和发展奠定基础。

(一) 培训层次

新型农民工的培训涉及岗位培训、技能等级培训、管理技能培训、任职资格培训、特种作业培训、职业道德培训和心理健康培训等。

(二) 培训主体

在新型农民工培训的过程当中, 用人单位、政府部门、专业培训机构、学校和新型农民工自身要相互配合, 合理分工, 杜绝“各自为政”, 要形成一个相互联系的整体。

1、用人单位。

用人单位应该积极鼓励新型农民工参加培训, 为此, 他们可以从以下几个方面努力:一是与培训机构签订合同, 通过给予培训机构相应培训费用的方式与其合作, 来对新型农民工进行培训;二是用人单位与学校建立战略合作伙伴关系, 由用人单位出资帮助学校进行有关新型农民工培训的科研项目和培训课程, 学校按照用人单位的要求为其培训人才;三是积极参加培训市场的建设, 为新型农民工创造一个良好的培训平台, 促进新型农民工培训工作的展开。

2、政府部门。

政府部门应该高度重视新型农民工的培训, 积极鼓励和帮助他们参加培训, 为他们的培训提供资金支持和政策优惠;在鼓励培训市场的发展同时, 加强监督和管理, 使培训市场的运作朝着良性化的轨道进行;根据新型农民工的培训要求, 投资组建相应的培训课程, 免费对他们进行培训, 减轻新型农民工的培训成本;出资建立农业大学, 设置大学本科教育、职业教育、心理健康教育等专业。

3、培训机构。

目前, 培训机构在新型农民工的培训中占有重要的地位。作为培训机构, 首先要针对新型农民工的特点、从事工作的需要开发相应的培训课程体系, 以岗位技能培训为主, 以文化知识素养和精神状态培训为主, 增强培训的针对性, 从而提高培训效果。其次, 加强与用人单位的合作, 通过协议的方式, 用人单位为培训机构提供新型农民工的需求信息、培训资金和相应的培训设备等, 而培训机构利用这些资源, 为用人单位培训农民工。

4、农民工自身。

新型农民工可以选择传统的拜师学艺制, 即跟着有经验、有技术的师傅在工作现场一边学习一边动手操作, 面对面地沟通交流;在资金允许的情况下, 可以自己出资参加相应的培训课程;与用人单位签订协议, 由用人单位提供培训资金, 自己学成后在用人单位工作;向政府部门寻求帮助, 在政府部门的安排下, 参加一些有针对性的培训;参加由用人单位、政府和个人共同出资组建的培训机构和开发的培训课程。

5、学校。

新型农民工的培训离不开学校的教育, 应形成以教育系统为主体, 农业大学教育、农业指导教育、大学本科教育和农业高等学校教育这四大不同层次的培训体系, 其中, 农业大学教育注重培养大中专学生;农业指导教育在于提供短期的技术知识培训;通过大学本科教育培养高级技术人才, 而农业高等学校教育主要培养应用型人才。另外, 学校还应该积极与用人单位合作, 建立战略合作伙伴关系, 结合用人单位的实际情况, 展开有针对性的培训。

(三) 注意事项

1、时间选择。

在该框架中, 新型农民工的培训要注意培训时间的灵活性, 尽量安排在农闲和课余时间开展, 同时, 要适应不同类型、不同层次的农民工需要, 结合新型农民工的需要, 灵活安排培训时间, 尽可能实行随到随学制。

2、培训考核。

为了保证培训质量, 应该对新型农民工的培训进行考核与评估。首先, 政府部门可以设立相应的资格考试, 对于通过资格考试的新型农民工颁发证书, 以证明参加培训的农民工具备相应的从业能力。其次, 用人单位要定期对新型农民工的职业技能进行鉴定, 对于符合条件的, 颁发相应的等级证书。最后, 对培训机构的课程设计、培训内容、培训合格率等也要进行考核和评估, 以保障培训机构的培训质量, 从而为提高新型农民工的综合素质提供条件。

总而言之, 我国新型农民工的培训应结合新型农民工的特点和培训需求, 因地制宜, 积极推进政府部门、用人单位、学校、培训机构、新型农民工自身等各个力量的广泛参与, 形成“政府为指导, 用人单位和培训机构积极参与, 新型农民工为主体, 学校合作”的多元化培训模式, 让新型农民工在实践中提升自己, 提高自己的物质生活和精神生活水平, 从而提升幸福感。

参考文献

[1]杨梅.基于价值观的新型农民工就业培训探讨[J].湖北:农村经济与科技, 2010 (9)

四元结构 篇4

1 材料与方法

1.1 供试蚕品种

供试蚕品种:Z83·月丰84B×Z84·五四A、E苏·Z83×Z84·五四A、Z83·9903B×Z84·9902B、Z83·月丰84B×Z84·812B、Z 83·月丰84B×皓月A·J27532、丰一·Z83×Z84·五四A、797·Z83×Z84·9902B、E苏·Z83×Z84·9902B、Z83·月丰84B×Z84·9902B、Z83·801A×Z84·812B等。以湖北主推夏秋用蚕品种黄鹤×朝霞和全国家蚕品种试验夏秋用指定对照种9·芙×7·湘作为双对照种。各品种均为春制秋用冷藏浸酸种。

1.2 实验内容

在相同的饲育条件下, 对供试家蚕新组合和对照品种进行虫质、茧质、丝质的实验室饲养鉴定。收蚁、饲养、用桑以及环境控制、收烘等与同期开展的全国蚕品种试验湖北点的要求保持一致。

1.3 试验方法

收蚁时, 各品种正反交各收蚁1.5g, 分别饲养至4龄饷食一足天后数蚕分区, 每400头为一区, 正反交各饲育4区。小蚕精心饲养、大蚕良桑饱食, 上蔟注意通风换气, 终熟后第5日采茧, 第6日开始调查茧质成绩。茧质成绩调查结束后, 将同品种正反交鲜茧合并后, 采用二次烘干法烘干, 送四川省蚕业研究所茧丝检验室进行丝质检验。

1.4 调查项目

在饲育过程中, 仔细观察各品种收蚁情况, 各龄发育、眠起情况, 上蔟情况;调查各品种的五龄经过、全龄经过、死笼率、结茧率、虫蛹率、全茧量、茧层量、茧层率、万头产茧量、万头产茧层量、一茧丝长、解舒丝长、解舒率、鲜茧出丝率、净度等。

2 结果与分析

2.1 试验结果

10对四元新组合的养蚕成绩和丝质成绩分别见表1和表2。

2.2 结果分析

2.2.1 龄期经过

从表1可以看出, 四元杂交新组合全龄经过都在23d以上, 与对照种黄鹤×朝霞相仿, 比对照种9·芙×7·湘长1d以上, 其中Z83·月丰84B×Z84·9902B最长达23d18h, 比对照种长1d12h。

2.2.2 强健性

新组合幼虫生命率都在96.20%以上, 与两对照相仿, 其中Z83·801A×Z84·812B最高, 达到了98.09%。新组合死笼率在1.38%-3.99%之间, 低于黄鹤×朝霞的6.23%和9·芙×7·湘的4.09%。虫蛹统一生命率以Z83·801A×Z84·812B最高为96.37%, 比对照种黄鹤×朝霞和9·芙×7·湘分别高5.11个百分点和2.75个百分点;Z83·月丰84B×Z84·五四A次之, 为96.12%, 比对照种黄鹤×朝霞和9·芙×7·湘分别高4.86个百分点和2.5个百分点;除Z83·月丰84B×Z84·9902B以外, 所有新组合的虫蛹统一生命率都超过了两对照。

2.2.3 茧质成绩

新组合全茧量除797·Z83×Z84·9902B为1.58g, 略低于对照种黄鹤×朝霞, 比对照种9·芙×7·湘高0.24g外, 其余9对组合均超过对照种黄鹤×朝霞和9·芙×7·湘。其中Z83·月丰84B×Z84·五四A最高, 为1.74g, 比对照种黄鹤×朝霞和9·芙×7·湘分别高0.14g、0.40g;E苏·Z83×Z84·五四A和Z83·月丰84B×Z84·812B次之, 为1.69g;797·Z83×Z84·9902B最低, 为1.58g。茧层率以Z83·801A×Z84·812B最高, 为23.80%, 分别比对照种黄鹤×朝霞和9·芙×7·湘高1.02个百分点、2.70个百分点;Z83·月丰84B×Z84·9902B次之, 为23.74%, 分别比对照种黄鹤×朝霞和9·芙×7·湘高0.96个百分点和2.64个百分点;Z83·月丰84B×皓月A·J27532和丰一·Z83×Z84·五四A茧层率最低, 为22.68%。万头收茧量以Z83·月丰84B×Z84·五四A最高, 为16.65kg, 分别比对照种黄鹤×朝霞和9·芙×7·湘高1.05kg、3.54kg;Z83·月丰84B×Z84·812B次之, 为16.37kg;除797·Z83×Z84·9902B以外, 其余组合全部超过两对照。万头茧层量以Z83·月丰84B×Z84·五四A最高, 为3.870kg, 分别比对照种黄鹤×朝霞和9·芙×7·湘高0.316kg、1.103kg;797·Z83×Z84·9902B最低, 为3.433kg。

2.2.4 丝质成绩

一茧丝长全部超过两对照, 其中E苏·Z83×Z84·五四A最长, 为1101m, 分别比对照种黄鹤×朝霞和9·芙×7·湘长142m、242m;Z83·801A×Z84·812B次之, 为1092m;E苏·Z83×Z84·9902B最短, 为1024m。解舒丝长全部在800m以上, 超过两对照, 其中Z83·801A×Z84·812B最长, 为874m, 比对照种黄鹤×朝霞和9·芙×7·湘分别长124m和226m;Z83·月丰84B×Z84·五四A、Z83·月丰84B×Z84·9902B次之, 均为867m;797·Z83×Z84·9902B最短, 为815m。解舒率均达到了75%以上, 其中Z83·月丰84B×皓月A·J27532最高, 为81.3%;E苏·Z83×Z84·9902B次之, 为80.6%;Z83·9903B×Z84·9902B最低, 为77.2%。鲜茧出丝率以Z83·月丰84B×Z84·9902B最高, 为20.92%, 分别比对照种黄鹤×朝霞和9·芙×7·湘高3.07个百分点和3.39个百分点;Z83·月丰84B×Z84·812B次之, 为19.57%, Z83·月丰84B×Z84·五四A和丰一·Z83×Z84·五四A最低, 均为17.97%。净度以丰一·Z83×Z84·五四A和Z83·801A×Z84·812B最高, 为98.75分;Z83·月丰84B×Z84·9902B次之, 为97.50分, Z83·月丰84B×Z84·812B最低, 也达到了92.50分。各品种纤度相仿, 在2.429～2.719D之间。

2.3 综合评估

从本次实验室饲养鉴定结果可以看出:10对多元杂交新组合抗性好, 绝大部分组合虫蛹统一生命率高于湖北夏秋主推品种黄鹤×朝霞和全国蚕品种试验对照种9·芙×7·湘;茧丝性状优良, 新组合解舒丝长均达到815m以上, 解舒率均超过75%, 鲜毛茧出丝率在18%左右, 个别品种达到20%以上, 净度都在92.5分以上, 个别品种达到98.75分。新组合茧丝质综合成绩以Z83?801A×Z84?812B最优, 其虫蛹统一生命率98.09%, 茧层率23.80%, 万头收茧量16.22kg, 解舒丝长874m, 净度98.75分, 全面超过了两对照成绩;另外, Z83·月丰84B×Z84·9902B在丝质成绩上表现较好, 而Z83·月丰84B×Z84·五四A的抗性、茧质成绩更为突出。

3 讨论

蚕品种是蚕丝业的物质基础, 蚕品种优劣直接影响到原料茧的质量, 乃至整个茧丝绸行业的经济效益。进入“十二五”, 随着国家“东桑西移”工程的稳步实施, 中西部蚕桑产业的快速发展, 对抗逆性强、茧丝质优良的家蚕品种的需求更为迫切。本试验中10对新组合表现出较好的抗逆性和较优的茧丝质性状, 有望通过继续筛选, 育成1-2个综合性状优良的新品种。

四元结构 篇5

在图像处理中, 常常需要对图像进行滤波分解处理, 使感兴趣的目标信息与其他信息分离, 以突出目标信息, 获取特征。传统的彩色图像依据灰度图像理论, 将图像分成3个分量, 分别进行滤波。然而, 彩色图像的3分量原本是有机的统一整体, 相互之间具有较强的相关性, 因此, 如果人为地将其分开处理, 将会对图像整体结构信息造成影响。

1996年, Pei第一次提出了彩色图像的四元数模型。即:

q (x, y) =r (x, y) i+g (x, y) j+b (x, y) k

其中r (x, y) 、g (x, y) 和b (x, y) 分别表示图像中在 (x, y) 点处的红、绿、蓝色的灰度值 (或者是H、I、S的灰度值) 。基于此模型, 近年来有大量的研究将四元数及四元数矩阵作为一种重要的彩色图像处理的工具, 在图像的压缩、去噪和增强等领域得到广泛应用。

1 四元数矩阵分解

定理1 (SVDQ) 对于任一个秩为r的四元数矩阵A∈QN×M, 必有两个四元数酉矩阵U, V使得

其中, H表示共轭转秩:

Σ=diag (σ1, σ2, ..., σr, 0, ..., 0) , 为四元数矩阵A的奇异值且σ1≥σ2≥...≥σr>σr+1=...=0

U= (u1, u2, ..., uN) ∈QN×N, 为四元数矩阵A的左奇异特征向量

V= (v1, v2, ..., vM) ∈QM×M, 为四元数矩阵A的右奇异特征向量

Ψi=uiviH, 所有的Ψi构成A的正交完备基, σrΨi称为A的第i级特征子图像

根据矩阵的相关知识, 一个矩阵A的能量E可以由它的Frobenius范数表示:即

同时, Σ是实对角矩阵故有, 即EA=Σσi

可见, 图像大部分能量集中在前面较大特征值所对应的特征图像当中。

2 基于四元数奇异值分解的彩色图像重构

通过四元数奇异值分解, 可以得到一幅彩色图像的一系列奇异值。在重构过程中, 拥有较大数量级的奇异值表征的是图像的轮廓, 而较小的奇异值所表征的则是图像的细节信息。式 (1) 意味着, 如果选择全部奇异值和特征图像, 则图像可以完整重建;如果选择部分奇异值和特征图像, 则图像部分重建。基于四元数奇异值分解的彩色图像重构可由下式表明:

其中, Σk是保留Σ的前k个奇异值而将后面n-k奇异值置为0所得到的对角矩阵。但是, 怎样选取奇异值及其特征图像, 往往凭经验而定。还有利用相邻特征图像之间的差异性, 通过某一度量指标进行度量确定k值, 但对于拥有大量特征图像的高维图像, 这样做处理量大、速度慢。由于前k个子图重建的图像能量为:

同时σi与Ek之间具有分形规律, 即是有:

式 (4) 在双对数图上表现为lnα, 如果图像包含多个分形规律, 则双对数图上有相应条数β的直线, 如图 (c) 。为求得不同直线的拐点, 将 (logσk, log Ek) 有序分组, 用最小均方误差 (LS) 拟合多段直线, 使总误差平方和最小 (即总残差平方和最小) , 从而求得重建图像的k值。

3 研究实验

我们在MATLAB R2008a的平台下, 以Lena (140×140) 为例, 采用矩阵算法分解四元数矩阵进行处理。

说明:图 (a) 是加入均值为0, 方差为15的高斯噪声后的图像;图 (b) 是奇异值累计百分比图;图 (c) 是奇异值与能量的双对数图, I段是细节信息即高频信息, II段是概略信息即低频信息;图 (d) 是能量累计70%的重建图, 此时K=20;图 (e) 是能量累计80%的重建图, 此时K=37;图 (f) 是根据双对数图似合直线求得拐点的重建图像, 此时拐占K=24。

传统上对于k值的选择, 都是凭借个人经验及感观, 反复尝试选择某一个k值, 很难说清楚k值选择的合理性;运用本文的方法, 可以较好解释k值的选择:图 (d) 和图 (f) 比较, 尽管两者k值相近, 但图 (f) 更清晰些;图 (e) 和图 (f) 比较, 两者相差不大, 但图 (e) 的k值远比图 (f) 大了很多。文献[3]也从能量的角度确定k值, 但需要对每个子图再次进行分块求奇异值, 得到相邻子图的奇异值之间的全局误差序列图, 从而选出拐点确定k值, 这样多次进行分解效率很低, 在图像很大时特明显, 本文一次分解后, 迅速用双对数图圈出拐点确定k值, 效率更高些。

4 结束语

将四元数奇异值分解理论应用数字图像处理领域, 能较好保持彩色图像的信息结构完整性;尽管传统方法及其它确定k值的方法有其特有优点, 但实验表明, 本文能较快确定拐点, 拐点位置也有较明确的物理含义, 对于确定k值有很大的借鉴意义。

摘要：基于四元数矩阵彩色图像奇异值分解, 得到表征彩色图像的不同分量的奇异值, 运用分形快速确定图像的拐点。该方法具有快速和简单可行的优点。以受噪声污染图像为例, 该方法针对彩色图像去噪具有较好的效果。

关键词：彩色图像,四元数奇异值分解,分形

参考文献

[1]PEI S-C, CHENG C-M.A novel block truncation coding of color images by using quaternion moment preserving principle.IEEE In-ternational Symposium on Circuit s and Systems, Atlanta, 1996.

[2]ZHANG F.Quaternion and matrices of quaternion.Linear algebra and its applications, 1997, 251 (1) :21-570.

[3]雷印杰, 余艳梅, 周激流, 等.四元数奇异值分解与彩色图像去噪[J].四川大学学报 (自然科学版) , 2007 (6) .

[4]黄锐.基于矩阵分解的遥感图像处理方法[D].武汉:中国地质大学, 硕士学位论文, 2008.

[5]李庆谋, 成秋明.分形奇异 (特征) 值分解方法与地球物理和地球化学异常重建[J].地球科学, 2004 (1) .

矩形波导宽边四元斜缝天线的设计 篇6

波导缝隙天线自上世纪中叶以来有了很大的发展,广泛用于地面、舰载、机载、导航等各个领域。由于缝隙阵列天线对天线口径面内的幅度分布容易控制,口径面利用率高,体积小,易于实现低或极低副瓣等特点,因而使其获得广泛使用。在波导缝隙天线的研究方面,许多学者对缝隙天线理论和实验进行了大量基础性的研究工作,因而波导缝隙天线的理论越来越成熟。本文所设计的就是基于车载雷达系统应用的一种小型波导缝隙天线。该天线要求在水平面内具有宽波束的特点,能够覆盖比较宽的范围,从而更有效地提高车辆的战场生存能力。天线需要满足的性能指标如下:a.增益:大于11d B;b.3d B波束宽度:E面为20°,H面为110°;c.副瓣电平:小于-13d B;d.驻波比:小于2。

为简化设计起见,本设计采用波导宽壁斜缝谐振阵的方式,切割的缝隙数为4个,达到了指标要求的效果。

1 理论分析

1.1 串联缝隙阵的模型

由波导内的场分布情况可知:当波导宽边中心开斜缝时,窄缝在纵向不切割电流线;在缝的横向由于对电场的扰动,使得总电场在缝的两侧发生跳变,即电压跳变,故相当于在传输线上串联了一个阻抗。对中心馈电的谐振线阵模型来说,假设波导壁上开有N个斜缝,缝与缝中心间距,为取得同相激励,相邻缝交叉倾斜放置,波导末端短路板距终端缝隙,以使缝隙中心处于电压或电流最大值位置,线阵模型如图1所示。

其等效电路如图2所示。图中所示均为归一化的等效电阻。

1.2 缝隙特性参数的分析

在天线工作频率的选取上,本雷达系统的工作频率为10.5GHz,故该天线的工作频率为10.5GHz。对于阵列中各单元以等间距位于直线上的线阵,其阵列因子可表示为:

其中An为激励的幅度,θ为观察方向与直线的夹角,d为阵元间距。由于谐振阵各单元是同相的,即ɸn=0,则上式可简化为:

当时,S取最大值,且m=0时为主瓣。为了实现低副瓣并使主瓣展宽,采用中心馈电从阵中到边缘幅度递减,按泰勒线源分布加权各缝隙,两边呈对称分布,其方向图零点位置由下式决定:

σ为展宽因子:

其中R=10-SLL/20,副瓣电平SLL按指标要求选择;其零点位置在谢坤诺夫单位圆上的对应根为,令Z=eju,则阵因子可写为[3]:

将后一项按多项式展开,Z的各次幂系数即为相对应的激励幅度。

由图2,当波导采用中心馈电并处于谐振的时候(其阻抗虚部为零),对泰勒分布而言,则有:

K为归一化常数,由以上两式可得到每个串联缝隙的归一化电阻:

将之前得到的每个缝隙的激励幅度代入即可求得相应的归一化电阻值,在本设计中N取4。

A.F.Stevenson利用洛伦兹互易定理及波导中功率的平衡方程[1],得到了串联缝隙的归一化等效电阻表示式为[2]:

其中β表示缝隙中心线与波导宽边中心线之间的夹角,a为宽壁的长度,b为窄壁的长度。将之前求得的rn代入并求解方程可得到对应的缝隙偏角。

1.3 影响天线性能的因素

应用以上所计算出来的结果来进行天线的设计,还必须考虑缝隙间的互耦问题[4,5];若不考虑互耦,将使天线口径面的幅度分布和相位分布变坏,同时也将恶化天线的输入端匹配。近年来随着计算机辅助技术的飞速发展,在设计比较小的缝隙阵列时,通过仿真得到近场数据的近场诊断法越来越受到重视。在缝隙数为4的情况下,根据上面得出的参数,结合CST软件中参数扫描的功能,能够快速地找到准确的电参数,大大提高了设计的效率。

串联缝隙与纵向缝隙相比,由于其角度偏转的原因,其交叉极化辐射要比纵向缝隙高,这会带来副瓣电平的升高和增益的降低,仿真结果也证实了这一点,而这是我们在设计中所不希望看到的,需要采取措施抑制交叉极化辐射。在本设计中,采用在每个缝隙上方加一个小波导口的办法,小波导的传播方向垂直于缝隙所在的平面。在不增加其传播方向长度的情况下,通过控制小波导的宽边尺寸,使其截止波长小于缝隙在交叉极化方向上传播模的截止波长,来抑制交叉极化电平。为进一步降低交叉极化电平,同时也对主瓣波形进行调整,参照仿真结果,可在小波导口中间插入金属片来进一步减小其宽边尺寸,仿真结果表明,该方法能有效地降低交叉极化所带来的影响。

2 建模与仿真

本文在设计波导缝隙天线的过程中,设计中的数值仿真都是在CST时域求解器的环境中完成的。

2.1 天线模型的建立

辐射波导选用的尺寸是22.86×10.16mm,缝一侧的波导壁厚1mm,缝宽为2mm,波导两端为理想短路面;截止波导16×8mm。建立模型,其框架图如图3所示:

其中黑色标记处为同轴线中心馈电点;辐射口上方的方形材料为天线罩;从左到右缝隙的编号依次为1~4。

2.2 仿真结果分析

仿真中将缝长l和倾角β设置成变量,l的初始值取λ/2,利用CST的参数扫描功能,对缝隙长度和倾角进行扫描。通过设置合理的步长,能够加快扫描进度,减少计算时间。由于本设计采用的是同轴线中心馈电,需要考虑阻抗匹配的问题,否则会在与波导的连接处产生反射,影响天线的性能。根据λ/4阻抗变换的原理,在仿真中通过改变同轴线内导体探针的长度来进行匹配,观察端口模式当同轴线输入阻抗为50Ω时即认为达到了所需的效果,经过仿真得到同轴线内导体探针长度为8.5mm。并在此基础上仿真得到缝隙的参数如下:

最终仿真结果如下:

从仿真结果中可以很明显看出,中心频率处驻波比达到了非常理想的效果,在驻波比为2以下的带宽大约为400MHz,其结果符合设计要求;其H面方向图(即天线架装后的水平方向图)波束宽度达到了宽角度探测的要求;E面方向图也达到了指标要求,不足之处在于其副瓣电平还不是非常理想,这主要是由于为了满足波束宽度的需要而采用缝隙数较少的缘故,但其损失在可接受的范围内。总体来说,各项指标达到了设计之初的目标。

3 结束语

本文从应用目标的实际情况出发,利用波导宽边中心斜缝的形式设计了一款小型四元线阵天线,通过仿真分析,其各项性能参数都达到了规定的指标要求。并且由于体积小、稳定性好、能够满足实际应用的需要,在实际制作由于加工工艺等方面的原因会造成一定的误差,需要严格控制加工误差。

参考文献

[1]刘克成,宋学成.天线原理[M].长沙:国防科技大学出版社.1989.5:137-147.

[2]林昌禄.天线工程手册[M].北京:电子工业出版社.2002.6:271-302.

[3]隋立山,柴舜连,毛钧杰.矩形波导窄边倾斜缝隙天线阵的设计[J].现代电子技术,2008.31(3):14-16,20.

[4]Elliott R S,Kurtz L A.The design of small slot arrays[J].IEEE Trans.Antennas Propaga.1978,AP-26(2):214-219.

四元结构 篇7

世界上每年因战争、 自然灾害、 交通事故等原因引起的残疾人数多达千万人以上,其中大部分为肢体残疾,而目前市场上的大部分假肢都是作为装饰性用品,真正实现功能代偿的假肢数量较少。 为满足残疾人日常生活的需求, 本系统对前臂假肢做了姿态规划, 即控制前臂旋转和手腕俯仰两个电机,使得假肢末端手爪的虎口平面与大地水平面始终保持平行,如图1 所示。 这样假肢在抓取和移动目标物体的过程中,可以保证运动平稳,对移动水杯等类似操作尤其重要。 在前臂假肢的平衡控制过程中,姿态传感器将检测到的前臂假肢的姿态信号送入STM32,经算法运算得到控制量驱动舵机来控制前臂的扭转和手部的俯仰,从而使前臂假肢的手部恢复到平衡状态。 可以看出,获取实时的前臂假肢的姿态是保持手部平衡的前提。 因此,实现一种实时可靠的前臂假肢姿态估计算法尤为重要,它直接影响其手部自平衡性能。

姿态解算的算法有多种,常用的算法有欧拉角法、方向余弦法与四元数法, 由于欧拉角法求解时, 方程中存在奇点, 方向余弦法计算量大, 因此现在常用的方法为四元数法,其计算量小,无奇点[1,2]。 姿态估计算法必须考虑到传感器容易受温度及噪声的影响而产生不同程度的漂移,它会影响姿态估计的准确性。 针对这一问题,本文采用卡尔曼滤波的方法来融合陀螺仪和加速度计输出的数据,修正了陀螺仪输出量中的随机漂移分量[3]。

1 系统硬件设计

随着安卓智能手机的发展与普及, 为了让前臂假肢的控制更加方便和标准化, 提出了以安卓手机离线识别语音及应用蓝牙通信技术实现安卓手机无线控制假肢运动的方案。 本文介绍的前臂假肢可实现手部平衡, 除此之外, 在不需要手部保持平衡的环境下, 安卓手机通过语音识别可控制前臂假肢关闭手部自平衡功能和实现手部上抬、 下落、 内转、 外转和张合等动作。 该系统由安卓手机、 蓝牙模块、MPU6050 、STM32 微控制器、MX -28 高性能舵机组成, 系统的控制流程如图2所示。

其中,选用MPU6050 做为前臂假肢的姿态检测系统,MPU6050 在单个产品封装内集成了3 轴陀螺仪和3 轴加速度计。 由于前臂假肢不需获知偏航角,所以本文采用了MPU6050 来获取前臂假肢的俯仰角和横滚角。 整个控制过程由MPU6050 测量姿态变化, 并通过前臂扭转以及手腕俯仰来根据姿态变化实时进行调整,使其达到自平衡状态。

MPU6050 安装在假肢的腕部, 其安装位置如图3 所示。 将MPU6050 安装在控制前臂旋转关节的上部并固定在连杆上, 左右位置可以变化, 但要确保其所在的平面与手爪虎口所在平面平行。 安装完成后, 前臂绕MPU6050 的X轴旋转, 手腕绕MPU6050 的Y轴俯仰。

2四元数姿态解算算法

四元数的数学概念是1843 年由哈密顿首先提出的。 它是由一个实部单位和3 个虚部单位i、j、k组成,其形式为:q=q0+ q1i + q2j + q3k 。 四元数可以表示旋转, 其标量部分表示旋转角度的大小,矢量部分表示转轴的方向[4,5],应用四元数时必须进行归一化,也就是令其模值为1。

前臂假肢的定位由固定的内部的三维坐标确定, 一个坐标系到另一个坐标系的变换,可以通过绕不同坐标轴的3 次连续转动来实现。 顺时针绕横滚轴,即绕载体坐标系的X轴旋转,得到横滚角Φ;顺时针绕俯仰轴,即绕载体坐标系的Y轴旋转, 得到俯仰角 θ; 顺时针绕偏航轴,即绕载体坐标系的 Ζ 轴旋转,得到偏航角 γ[6]。

四个参数的初始值是由欧拉角的初始值经过以下计算得到的[6,7,8,9]:

四元数微分方程为[10,11,12]:

写成矩阵形式:

利用四元数微分方程可以实现四元数的更新, 其中,ω 是陀螺仪测量的角速度。

应用四阶龙格 — 库塔算法解微分方程, 得到4 个参数的更新值。 具体过程如下[12,13,14]:

设:

则:

其中,T为更新周期,q(t)为初始四元数,q(t+T)为更新后的四元数,K1是时间段T开始时的斜率,K2是时间段中点的斜率,K3也是中点的斜率,K4是时间段终点的斜率。

计算得到这4 个参数之后, 可由姿态矩阵T更新欧拉角[15]:

从姿态矩阵中可以得出姿态角[15]:

得到姿态角,即可得到前臂假肢的姿态估计。

前臂假肢在平衡的情况下, 欧拉角的理想输出值应该是0°,但由于陀螺仪有随机漂移误差, 欧拉角会一直积累[16]。 实验结果图4 所示。

针对这一问题,提出了应用卡尔曼滤波的数据融合算法来解决。 卡尔曼滤波可以将陀螺仪的输出数据和加速度计的输出数据融合起来。 陀螺仪用于测量角速度,动态跟踪性能好, 但陀螺仪受温度、 不稳定力矩等因素的影响, 会产生随机漂移误差; 加速度计可用于测量加速度,通过测得的加速度值与重力加速度的比值得到倾角值,加速度计静态性能好,但是动态跟踪性能差。 可以看出, 陀螺仪和加速度计优缺点互补, 结合起来会有好的效果[17,18]。

3 实验结果分析

3 . 1 四元数法和卡尔曼滤波实验结果分析

将MPU6050 静止平放在桌上,采集其经四元数姿态解算和卡尔曼滤波后输出的数据,通过MATLAB工具对实测数据进行仿真分析, 如图5 所示, 俯仰角和横滚角都在附近, 对比图4 发现卡尔曼滤波有效解决了陀螺仪的随机漂移误差,可以准确地获取静态时前臂假肢的姿态。

将MPU6050 安装到前臂假肢上, 令前臂假肢绕MPU6050 的X轴从平衡位置顺时针逐步旋转到- 40 ° , 一段时间后, 回到平衡位置, 再沿X轴逆时针逐步旋转到40 ° , 采集这一过程MPU6050 经四元数姿态解算和卡尔曼滤波后输出的数据,通过MATLAB工具对实测数据进行仿真分析, 横滚角发生相应的变化, 俯仰角基本保持不变,如图6(a)所示。 令前臂假肢绕MPU6050 的Y轴重复以上实验, 根据图6(b) 可以看出, 俯仰角发生相应的变化,横滚角基本保持不变。 由于实验过程中手动旋转前臂假肢,操作者偶有抖动和难做到匀速转动,因此,图6 中的波形中偶有小的波动。 实验表明, 本文采用的姿态估计可以实现前臂假肢动作时姿态的正确估计,经过STM32 运算处理后, 实现前臂假肢在运动过程中保持手部平衡。

3 . 2 前臂假肢手部自平衡实验结果分析

对前臂假肢系统组装并调试, 通过安卓手机软件向假肢发出保持手部平衡的命令。 具体测试步骤: 连接好线路,打开电源,观察指示灯正常亮起,触击控制界面的蓝牙连接按钮, 观察指示灯, 以确保手机蓝牙和蓝牙模块的配对连接成功;否则,检查系统的连接是否正确。 蓝牙配对成功后, 向安卓手机喊出 “ 平衡” 指令, 手机通过蓝牙将指令传到单片机,从而控制前臂假肢运动。 实验结果如图7、图8 所示。

图7(a)~图7(e)展示了前臂假肢从下往上转动过程中,其手部可以实现自平衡,手部虎口一直保持与大地平行。

图8 中以箭头指向的地点为参考点,可以看出图8(a)~图8(c) 为前臂假肢由内往外转动过程, 同样假肢手部能实现自平衡。

4 结论