2011年大学生科研训练计划项目结题通知

第一篇：2011年大学生科研训练计划项目结题通知

关于2011年产学合作教育《大学生科研训练计划》结题的通知 各课题组：

根据《上海工程技术大学产学合作教育<大学生科研训练计划（USRTP）>管理条例》的相关规定，学校现开展2011年产学合作教育大学生科研训练计划结题工作，请各有关学院及时督促各项目负责人办理结题手续，并将验收材料统一汇总后交产学合作教育指导中心。

一、结题时间：

 最终材料上交时间：2011年12月20日；

 逾期将不再办理，未按时结题的视为项目未完成，这将影响学院结题率和该学院今后的项目申报。

二、结题验收材料（学生部分）：

 结题应上交的材料：

1、《上海工程技术大学大学生科研训练计划项目总结报告》一式三份（打印并签字），以及电子版；

2、《课题研究报告》一式三份以及电子版，打印并装订；

3、其他相关成果（如实物、照片、视频等）；

4、经费卡；

 各课题须请除项目指导教师以外的两位具有高级职称的专家对项目进行评

审，并将评审意见填写在《上海工程技术大学大学生科研训练计划项目总结报告》中。

三、结题验收材料（学院部分）：

 填写《产学合作教育大学生科研训练计划项目完成经费使用》汇总表，并请

学院领导签字审核；

 填写《产学合作教育大学生科研训练计划项目完成情况汇总表》，各学院根据

课题结题情况进行排序后，请学院领导签字审核。

四、相关表格请在学工系统（http：//xgxt.sues.edu.cn/xgxt）产学合作教育板块中下载。

产学合作教育指导中心

2011年12月1日

第二篇：大学生创新创业训练计划项目结题报告

大学生创新创业训练计划项目结题报告

一种集成式自供电纳米化学传感器的设计和制作

项目成员：何旺球（1426410514）王鹏云1426410408 陶俊贤1326410232 黄家仪1326410116 指导教师：祝元坤 摘要：

本项目以石墨烯作为基本功能单元，设计并制备一种新型的集成式化学分子驱动自供电传感器件；超薄二维纳米材料（石墨烯）作为基本功能单元制备新一代的自供电传感器件，使器件能感受到环境中化学分子状态的改变而输出电信号。石墨烯部分被聚合物薄膜所覆盖且另一部分暴露，当器件接触极性分子时，可以产生明显的电信号。因此，本项目的研究具有一定应用前景和重要学术价值。该类自供电传感器件可能应用于生产微型纳米传感器，具有自主创新知识产权。

1引言

近年来，随着纳米材料及纳米科学技术研究的不断深入，各种微纳电子器件不断被研究开发，并在军事、生物医学、环境监测等领域展现出十分诱人的应用前景[1]。微纳电子器件不仅尺寸小，而且具有功耗低、速度快、易于大规模集成、可移动等特点，但微纳电子器件需要有微尺度电源系统来供给电能，来维持正常工作。随着电子产品小型化，亟待开发即能为之提供能量并且小、轻、具有柔性的自供电传感器件。如果微电源器件能够持续收集环境中的能量并转换为电能，将会永久性解决电池耗尽的问题。因此，开发具有能量转换功能的微电源，并与传感器等器件集成构建自供电系统，是非常迫切的。可穿戴、物联网、智慧城市等新兴产业的发展将推动微纳电子器件市场的迅速发展，牵引微电源产品的技术变革和不断创新。

微纳自供电器件是当今的研究热点，目前的研究集中在以下几点：1）不断提高能量转换效率。如何在减小尺寸的同时保持高的能量转换效率，需要新材料和新工艺。2）具有柔韧性。未来可穿戴、可移植等器件的发展需要柔性的器件与之配套。3）易于集成。为满足自供电、自供能驱动等系统的需求，微电源器件应易于和传感器等进行集成。4）可从环境中持续捕获能量。微电源器件不仅要有能量存储功能，还要能持续将环境中的能量转换为电能。自然界不缺能源，大学生创新创业训练计划项目结题报告

关键在于如何将能量有效收集并转换为电能，这需要不断开发新型的自供电传感器件，将环境中潜在的光能、生物能、热能、振动能、电磁能等能量源转换为电能。

微纳自供电传感器件的国内外研发现状：哈佛大学C.M.Lieber教授采用Ge/Si核壳纳米阵列制作了太阳能电池[2]。美国佐治亚理工学院Z.L.Wang教授在2006年提出了纳米发电机的概念，利用ZnO纳米线的压电效应实现机械能到电能的转换，并在之后的研究中发展了压电电子学的概念[3]。最近，他们在单个原子厚度的二硫化钼内观察到了压电效应，并研制出全球最纤薄的发电机兼力学感知设备，其不仅透明轻质且可弯曲和拉伸[4]。复旦大学的彭慧胜教授成功制备出可拉伸的线状超级电容器，为可穿戴智能设备中电能的供应提供了一个解决思路[5]。上海交通大学利用非硅微加工技术制备了基于MEMS的压电发电机并表征了其俘能效果。中国科学院苏州纳米所在新型柔性可穿戴仿生触觉传感器即人造仿生电子皮肤方面做了系列工作[6]。南京航空航天大学郭万林教授首次实现石墨烯表面拖动海水液滴发电, 并揭示了其中的物理机制，为石墨烯在能源领域的应用开辟了新方向[7]。中科院沈阳金属所设计并制备出基于碳纳米管/石墨烯的柔性能量存储与转换器件，并发现其具有循环稳定性好、可快速充放电、可弯折等优异性能[8]。北京大学和大连化物所在石墨烯PN结的调控调制掺杂生长与光电转换器件研究中进行了前沿性探索[9]。

在之前的研究工作中，我们团队提出一种可将环境中的化学能转换为电能的新型器件——分子驱动自供电传感器件，当器件所处环境中化学分子状态发生变化时可触发电信号，从而实现电能的捕获。当极性化学分子接触部分覆盖的ZnO纳米线时，ZnO覆盖端和暴露端由于功函数不同而产生内部电势差[10]。利用这一原理可制成自供电的酒精检测仪，也可检测不同浓度、不同类别的有机化学试剂[11-14]，当人吸气-呼气循环作用于器件时，如图1所示，在无任何外接电源的情况下，器件可产生 2-8 nA 的脉冲电流信号，交换电极可获得相反方向的电流信号，这意味着电流信号非测试系统误差或电阻变化引起的。器件能将人体连续的吸气-呼气转换为电信号，这意味着人呼吸也可以发电，无疑是令人振奋的。以化学分子驱动器件产生电能是继光电、热电、压电效应之后的一种全新的器件设计理念，包含丰富的物理内涵；基于这种理念构建的器件未来在物联网传感器、2

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可穿戴器件、生物医疗器件等领域的自供电检测/自驱动系统构建等方面有巨大的应用前景。

图1 吸气-呼气循环作用于ZnO阵列自供电传感器件所产生的电信号 超薄二维纳米材料，如石墨烯等，因其独特的物理化学特性成为材料界最为活跃的研究主题，在能量转换与存储、柔性透明显示、复合材料、传感器、集成电路等领域表现出十分诱人的应用前景[15]。石墨烯的费米能级可以通过原子分子掺杂和气体分子的吸附进行有效调控。基于这一点，我们提出利用超薄二维纳米材料（石墨烯）作为基本功能单元制备新一代的自供电传感器件，使器件能感受到环境中化学分子状态的改变而输出电信号。前期的研究发现，石墨烯部分被聚合物薄膜所覆盖，部分暴露，当器件的暴露部分接触乙醇分子时，可以产生35 nA左右的电信号[16-18]。初步的研究结果表明石墨烯作为基本功能单元制备自供电化学传感器件是可行的。本申请项目提出以石墨烯作为功能单元制备自供电化学传感器件，有望获得高转换效率、超小尺寸、稳定的微电源器件，为自供电式微纳器件设计及性能优化打下基础。理论和实验结果表明，石墨烯的功函数可以通过原子分子掺杂和气体分子的吸附进行有效调控前期研究工作从实验上证明了利用半导体功函数调控实现能量捕获的可行性，但是，器件要取得实际应用，必须要有高的能量转换效率，且能实现持续电能转换，这就需要对器件性能影响因素及器件工作机制进行深入研究[19]。除此之外，ZnO材料化学稳定性差也是器件实用化的重要瓶颈。因此，有必要寻找新的替代材料实现类似能量转换功能。在本项目中，我们将在之前研究的基础上，进一步深化器件工作机制的研究，推进分子驱动自供电传感器件的实用化。石墨烯作为器件功能单元的可行性与优

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势：近十年来，石墨烯因其独特的物理化学特性成为材料界最为活跃的研究主题，在能量转换与存储、柔性透明显示、复合材料、传感器、集成电路等领域表现出十分诱人的应用前景[20-23]。理论和实验结果表明，石墨烯的功函数可以通过原子分子掺杂和气体分子的吸附进行有效调控[24]。基于这一点，在本项目中，我们提出利用石墨烯作为基本功能单元制备新一代的分子驱动能量转换及自供电传感器件，使器件能感受到环境中化学分子状态的改变而输出电信号。在前期的研究中，我们利用石墨烯制备成器件，石墨烯部分被聚合物薄膜所覆盖，部分暴露。当工作端接触乙醇分子时，工作端工作函数发生变化，而密封端工作函数仍保持不变；由于同一种材料费米能级必须处于同一水平，由于载流子的迁移，器件两端产生接触电势差[25]。实验结果表明，乙醇液滴可使器件可产生35 nA 左右的电信号，这表明石墨烯作为基本功能单元制备分子驱动自供电传感器件是可行的。以石墨烯制备器件具有以下优势：首先，二维石墨烯具有大的比表面积，对化学分子有更高的敏感性，更容易进行表面电势的调节；其次，石墨烯具有良好的机械性质，可以做成柔性器件；再次，石墨烯的电子输运性质和功函数可在很大范围内调控，表面改性、应力、化学环境等都可以使石墨烯功函数发生变化。综合这些优势和前期研究结果，我们认为，以石墨烯作为功能单元制备分子驱动自供电传感器件，有望获得高转换效率、超小尺寸、柔性、稳定的微电源器件，满足实际需求[26-27]。实验部分

2.1 实验药品及气体

固体材料：超薄二维纳米材料（石墨烯）

所用极性有机液体：无水乙醇、异丙醇、丙酮、二氯甲烷、吡啶、二甲基甲酰胺主要测试光照：黑暗、日光灯、紫外灯（365nm）

2.2 实验设备及仪器

本实验所用到的设备仪器： 2.2.1半导体参数分析仪

半导体参数分析仪是一个模块化、可定制、高度一体化的参数分析仪，可同时进行电流-电压(I-V)、电容-电压(C-V)和超快脉冲 I-V 电学测试。使用其可

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选的 多通道开关模块，可轻松地在 I-V 和 C-V 测量之间切换，而无需重新布线或抬起探针。半导体参数分析仪是最高性能的分析仪，可加快用于材料研究、半导体器件设计、工艺开发或生产的复杂器件的测试。使用时，先将器件连接在参数分析仪上，打开电源和电脑上的系统。设置程序，测试器件的伏安特性曲线、转移特性曲线，探究器件的迁移率、载流子浓度等基本的电学性能和半导体材料的电流电压随时间的变化曲线。

图2（a）半导体探针台和（b）半导体参数分析仪

2.2.2X射线衍射仪(XRD)X射线衍射仪(X-ray diffraction,XRD)，其工作原理是根据布拉格方程2dsinθ＝nλ，图3所示，实验仪器根据接收的θ角度变化信息及其强度分布信息可以得到晶体的点阵平面间距和原子排布信息，分析晶体的点阵平面间距和原子排布信息便能获得材料成分和内部原子(分子)结构等信息。

图3 布拉格衍射示意图

本论文中采用的XRD型号为D8-ADVANCE，由德国Bruker-AXS公司生产，如图4所示。衍射实验使用的测量电压和电流分别为40kV、30 mA，实验中的衍射X射线为Cu-Kα射线，射线波长为0.1541 nm。

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图4 D8-ADVANCE型转靶X射线衍射仪

2.2.3扫描电子显微镜(SEM)

扫描电子显微镜可以方便的得到所制备材料的形貌特征及结构特征，是材料研究的关键。在使用过程中，其利用多种信号转换，得到经电子束激发相应材料表面产生次级电子信号，利用这种电子信号来完成对材料的形貌的表征形成我们所看到的图像特征。对导电性较差的样品，为避免观测样品表面时，因积累电荷从而影响观测，通常需要喷涂一层重金属薄膜。

本论文采用美国FEI公司生产的QuantaFEG450型场发射扫描电子显微镜(Field-Emission Scanning Electron Microscopy, FE-SEM)对样品进行表面形貌和结构的表征，主要测试参数为：电子枪和样品的距离10 mm，加速电压为30 kV，电流为10μA。

2.2.4石墨烯等二维超薄结构纳米功能材料的制备

近十年来，石墨烯因其独特的物理化学特性成为材料界最为活跃的研究主题，在能量转换与存储、柔性透明显示、复合材料、传感器、集成电路等领域表现出十分诱人的应用前景。理论和实验结果表明，石墨烯的功函数可以通过原子分子掺杂和气体分子的吸附进行有效调控。基于这一点，在本项目中，我们提出利用石墨烯作为基本功能单元制备新一代的分子驱动能量转换及自供电传感器件，使器件能感受到环境中化学分子状态的改变而输出电信号。

采用化学气相沉积方法以及Langmuir-Blodget方法制备了大面积（氧化）石墨烯材料。化学气相沉积法是制备石墨烯常用的方法，该方法的优点在于易实现石墨烯的大面积合成，常以铜、镍、铂等金属为衬底，通过渗碳冷却、表面催化等工艺制备得到大面积连续的石墨烯薄膜。实验中，以C2H4为碳源，H2为载气，以Ni和Cu为催化剂，生长温度控制在800-1000℃，通过调控对开式管式炉中的碳源、压强、温度以及生长时间，控制石墨烯的生长厚度。利用化学气相沉积

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方法，获得了表面连续的大面积石墨烯材料。

为了进一步探索并优化化学气相沉积实验过程，我们采用化学气相沉积方法制备了大面积二维超薄半导体纳米材料，并以此二维超薄结构的半导体纳米材料制备类似的化学分子驱动自供电传感器件，借此与高质量石墨烯材料的制备方法和器件制作工艺类比，优化化学分子驱动能量转换及自供电传感器件性能，并深入探究器件工作机理。采用化学气相沉积方法，制备了具有二维超薄结构的氧化锌以及二硫化钼半导体纳米材料。探索了具有较大比表面积的二维超薄结构的半导体纳米材料最优化生长工艺；研究了不同升温速度、生长温度、生长时间、掺杂元素、反应气体及载气比例以及流量等条件，制备的大面积二维超薄结构半导体纳米材料的成分、结构、形貌以及光、电、机械等性能；实现了在不同表面状态的硅、二氧化硅以及不同晶体取向的蓝宝石衬底上生长高质量大面积二维超薄结构半导体纳米材料。

在实验研究上，以化学气相沉积法生长的大片石墨烯和化学剥离的氧化石墨烯（或还原氧化石墨烯）为实验对象，综合利用带环境气氛的Kelvin探针显微镜（KPFM）、聚焦离子束刻蚀（FIB）等材料领域先进样品表征、加工手段开展研究；归纳分析化学分子接触时石墨烯功函数变化的微观机制与器件的宏观行为，为基于功函数调控的微纳能量转换器件的材料、器件设计及性能优化打下基础。通过研究生长条件及复合工艺，对石墨烯材料以及二维超薄结构半导体纳米材料结构、成分以及形貌、光学和电学等性能，获得了控制大面积二维超薄结构纳米材料的最优化生长工艺。

2.2.5基于二维超薄结构纳米材料的化学分子驱动自供电传感器件制作

以化学气相沉积制备的大面积石墨烯材料和Langmuir-Blodget方法制备的大面积氧化石墨烯薄膜为功能单元，制作化学分子驱动的自供电传感器件。

基本器件制备工艺流程如图5所示：1）选择CVD生长的大片单晶石墨烯，转移到Si/SiO2衬底上。综合拉曼、透射电镜、X射线衍射仪、半导体参数分析仪等手段表征所制备的石墨烯的微观结构及物理性质；2）用铝箔做掩膜遮住中间部分石墨烯，用电子束蒸发法在石墨烯两端镀电极，用导线将电极引出以备测试； 3）用铝箔做掩模，遮挡一半石墨烯，通过低压气相沉积法在器件表面旋涂一层派瑞林(Parylene C)覆盖另一半石墨烯。

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图5石墨烯化学传感器件制作的工艺路线图(a)在铜上生长的石墨烯；(b)将石墨烯转移到Si/SiO2衬底上；(c)用铝箔做掩膜覆盖石墨烯中间部分；(d)用铝箔做掩膜蒸镀两端电极；(e)引出两侧电极，用铝箔做掩膜，沉积parylene C；(f)去掉

掩膜得到所需器件。

经外引导线，获得了以大面积石墨烯为功能单元的聚合物半遮盖式化学分子驱动自供电传感器件。此外，选取了具有较高表面积的氧化锌和二硫化钼等二维超薄结构半导体纳米片材料，制作大面积二维超薄结构纳米材料的化学分子驱动自供电传感器件。通过设计掩膜版的位置和大小，镀制电极，涂覆半遮盖式聚合物薄膜等步骤，制备了化学分子驱动自供电传感器件。

图6自供电传感器的结构图 结果与讨论

3.1超薄二维半导体纳米材料（石墨烯）基本电学性能研究

化学分子驱动自供电传感器件的性能评价主要涉及对其基本电学性能以及在化学有机溶液作用下输出电学性能的测试。基于此，我们首先测试了大面积石 8

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墨烯基化学分子驱动自供电传感器件的基本电学性能：包括石墨烯化学分子驱动自供电传感器件的漏电流行为，以此评价器件封装完好性以及相关介质层的绝缘性能等；在此基础之上，通过测试石墨烯化学分子驱动自供电传感器件的伏安特性曲线，获得了石墨烯化学分子驱动自供电传感器件的工作特性以及电极接触类型等关键器件参数，如图7（a）是超薄二维半导体纳米材料（石墨烯）的伏安特性曲线；最后，在P型硅/二氧化硅介质层衬底的作用，通过调控背底栅极电压，测试了石墨烯化学分子驱动自供电传感器件的转移特性曲线，测试了器件的半导体类型和栅极电压的调控作用等器件参数，图7（b）是栅压对石墨烯伏安特性曲线的调控作用。作为对比，对基于大面积二维结构超薄纳米材料的化学分子驱动自供电传感器件进行了类似的基本电学性能测试。

（a）

（b）

图7氧化石墨烯自供电传感器件的电学性能；（a）伏安特性曲线；（b）背底栅

极电压对其伏安特性曲线的调控作用

3.2 化学分子驱动能量转换器件性能测试

在获得化学分子驱动自供电传感器件基本电学性能的基础之上，测试了不同化学有机溶液作用下，大面积石墨烯和二维结构超薄纳米材料的化学分子驱动自供电传感器件的输出电学性能。首先测试了无外加电压激励作用下，化学分子驱动自供电传感器件的漂移电流以及电压随时间的变化规律，获得了能量转化器件的背景噪音以及稳定性等关键器件指标，图8（a）所示为传感器件的背景信号；随后，通过控制滴加化学有机溶液，测试了大面积二维结构超薄纳米材料化学分子驱动自供电传感器件的电流以及电压随时间变化规律，图8（b）所示，分析

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了化学分子蒸发速度与器件电流电压信号的变化规律，建立了有机化学分子的极性、表面张力、润湿性等参数，与器件输出电学性能之间的内在联系机制，探究了化学分子在二维超薄半导体纳米片表面的吸附-脱附行为及器件能量传递机制。化学分子吸附在二维超薄半导体纳米片表面时，器件产生电信号，伴随载流子的转移，二维超薄半导体纳米片密封端和暴露端的费米能级达到平衡，电信号消失；要使器件持续工作，必须使化学分子处于不断吸附-脱附的动态循环中。

（a）

（b）

（c）

（d）

图8（a）GO传感器件的背景噪音信号；（b）滴加6微升二氯甲烷后的电流以及电压随时间变化曲线；（c）不同量丙酮的电流随时间的变化曲线；（d）源极和漏极反向连接后，滴加6微升二氯甲烷的电流以及电压随时间变化曲线 随后，研究了不同滴加量作用下，大面积二维结构超薄纳米材料的化学分子驱动自供电传感器件的电流以及电压随时间变化规律；图8（c）为在分别滴加 10

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10微升和5微升丙酮溶液时的比较，滴加量多时电信号持续的时间明显加长。测试了暴露面积以及遮盖不同位置下，大面积二维结构超薄纳米材料的化学分子驱动自供电传感器件的电流以及电压随时间变化规律，获得了最优化的聚合物遮盖层材料种类以及遮盖位置和暴露面积等器件关键设计。在此基础之上，获得基于二维超薄结构纳米材料的化学分子驱动自供电传感器件的最优化制作工艺。

此外，通过正负极（源极漏极）倒转连接等方式，重复测试了大面积二维结构超薄纳米材料化学分子驱动自供电传感器件的电流以及电压随时间变化规律，获得了预期的形状相似但方向相反的电流电压信号，如图8（d）所示为氧化石墨烯器件正负极（源极漏极）倒转后滴加二氯甲烷的电流电压随时间的变化曲线，结合直接采用二氧化硅介质层作为功能单元制作的器件测试结果，证明了在滴加极性有机液体后产生的电流电压信号非偶然发生，而是由于化学有机溶液分子驱动作用下，石墨烯以及二维超薄纳米材料等功能层产生的必然规律性信号。结论

本项目采用化学气相沉积法制备了超薄二维半导体纳米材料（石墨烯），并研究了超薄二维半导体纳米材料的成分、微观结构、形貌和光电性能。我们选择了生长质量良好的超薄二维半导体纳米片，经过一系列的工艺，制备了化学分子驱动的超薄二维半导体纳米材料自供电传感器件，测试了其基本电学性能。在获得化学分子驱动传感器基本电学性能的基础之上，测试了不同化学有机溶液作用下，大面积石墨烯和二维结构超薄纳米材料的化学分子驱动自供电传感器件的输出电学性能。展望

本课题对化学分子驱动自供电传感器件性能进行了初步研究，证实二维超薄材料纳米传感器件在极性分子作用下能够产生稳定持续的电能，为解决微纳电子器件的微电源的维护和替换难题提供了新的思路。因此，希望有越来越多的人来研究制备自供电传感器件，也希望能对自供电传感器件的其他性能进行探究。相信随着纳米科技的发展，自供电传感器件作为一种优秀的纳米功能器件，具有非常广阔的前景。

大学生创新创业训练计划项目结题报告 参考文献

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第三篇：关于开展2012大学生基础科研训练计划结题的通知

关于2012大学生基础科研训练计划结题及报账工作的通知

各学院（课部）团委、各学生组织并全体同学：

2012我校资助大学生基础科研训练计划项目共计102项，（详见http://www.xiexiebang.com；纸质材料以学院为单位上交至大学生活动中心101；

4、结题材料提交时间：12月5日-7日；报账时间：12月10日-15日；

5、联系人：朱丹老师；联系电话：027-67883433。

附件1：2012年大学生基础科研训练计划文件

附件2：中国地质大学（武汉)大学生基础科研训练计划结题鉴定表 附件3：2012年大学生基础科研训练计划评审结果汇总表

中国地质大学学生科技工作领导小组办公室（校团委）

二零一二年十一月

第四篇：大学生科研创新实验项目结题报告

大学生科研创新实验项目结题报告

科研一般是指利用科研手段和装备，为了认识客观事物的内在本质和运动规律而进行的调查研究、实验、试制等一系列的活动。下面是小编为你带来的大学生科研创新实验项目结题报告范文，欢迎阅读。

项目成员：

赵** 计算机学院**级 计算机科学与技术

毛** 计算机学院**级 计算机科学与技术

李** 计算机学院**级 计算机科学与技术

指导教师：

宋** 讲师博士

在计算机图形学领域，植物的建模表示、绘制与动态模拟一直是研究的热点和难点，提出了许多针对植物这一特殊对象的方法，也取得了较好的结果。研究此次项目能够帮助我们提高专业知识水平，拓宽视野，锻炼动手实践能力，加强团队协作能力，敢于创新，大胆实践。

科研初步收获和体会：

首先进行了了解及熟悉使用vue5软件，我们学习掌握了导师推荐的计算机图形学专业教材，对计算机图形学的一些基本概念数学基础，理论是科研的基础，通过理论的学习，我们规范了图形学的科研思路，在对计算机图形学、生物学相关知识及开发环境——VUE5学习之后，我们阅读了相关论文，开始了自己的自然场景建模与绘制的科研。

在计算机图形学领域，植物的建模表示、绘制与动态模拟一直是研究的热点和难点，提出了许多针对植物这一特殊对象的方法，也取得了较好的结果。植物的建模可进一步细分为模型表示与建模方法两个部分，模型表示、建模方法与绘制三者之间是相互依赖和密切相关的，一般结合在一起实现。对于自然景观的真实感建模与绘制，国外有很多相关软件，国内虽然支持过类似方面的研究项目，但专业软件的报道极少。

同样对于我们来说，对于该项目有极大的兴趣，现阶段包括未来前景表明，计算机中的动态建模将有很大发展，现在就了解和学习一些相关知识，将来也可以倾向这一方面进行更多的学习和研究。对该项目所需的专业知识之前只有大概了解，并没有深入的学习、分析，但是兴趣是最大的动力，研究此次项目能够帮助我们提高专业知识水平，拓宽视野，锻炼动手实践能力，加强团队协作能力，敢于创新，大胆实践。

总的来说，该小组里，赵旭升和李雪梅同学总体来说善于接受新的知识，比较擅长软件的学习和应用，动手能力强，思考深入，能够很好的将新学习到的知识加以思考达到融会贯通。

而作为组长，赵旭升同学能够有一个总体的规划和布局；李雪梅心思细腻，擅长处理复杂精细的部分。出于此考虑，由赵旭升主要对软件进行全方位的学习和应用，李雪梅则重点攻克建模中最复杂的几个点，如渲染等。

而另一位组员毛玉婷则更擅长理论知识的学习，对于图形学的算法有浓厚的兴趣，鉴于此，毛玉婷主要学习和研究对于建模的基础——图形学。

协调配合：

总体的知识是每个组员都要学习和研究的，但由于时间精力有限，安排不同的组员重点研究不同的部分，然后及时讨论，向其他组员讲解，其他组员提出问题，共同探讨学习。导师指导情况：指导老师宋成芳老师对建模方面有所研究，带领我们探讨此科研的命题方向、创新点等问题，并向我们提供软件，推荐参考书目。除此之外，宋成芳老师还指导我们制定不同阶段的研究学习任务，对于不懂的问题及时引导及讲解。总之，导师的引导在此科研项目中起到不可或缺的作用。

本次科研项目综合应用计算机图形学和生物学理论，重点研究新的快速高效的大规模动态植物建模和实时绘制方法。我们以视觉效果和实时效率为主要目的，着力保证形态真实感和运动真实感，而不是严格忠实于动力学与生物学理论。采用几何与图像混合式表达方法来对植被等对象进行建模，并采用较为特别的方法对场景进行绘制。

建模对于现代来讲虽然已经不再是一个难题，但是真实场景的植被建模涉及到户外的天气、光照以及植物的阴影等，特别是怎样在短时间内对大规模的植被进行真实感建模仍然是个有待研究的问题。本项目着重于此，进行一系列的学习和研究。

科学意义：

对于自然景观的真实感建模与绘制，国外有很多相关软件，国内虽然支持过类似方面的研究项目，但专业软件的报道极少。直接从国外购买这些软件成本并不低(大型造型软件的插件价格大约100美元，提供源代码开发的SpeedTree软件的每个单机license价格为8500美元)。探索新的高效建模和可视化技术，开发自主版权的植被建模与绘制平台，对于我国在军事仿真，园林设计，森林防护和数字娱乐的发展非常重要。

同样对于我们来说，研究次项目能够帮助我们提高专业知识水平，拓宽视野，锻炼动手实践能力，加强团队协作能力，敢于创新，大胆实践。

该项目自20**年9月科研立项以来，在宋成芳导师的指导下，在我们项目组三个人的点点滴滴的学习钻研下，历经一年的时间，结题在即，对该项目的实施进展情况作一小结。

09年暑假和**年9月，项目组三个同学进行了大学生科研立项的前期资料信息了解和选题工作，经过仔细了解，结合专业背景及个人兴趣组合，我们三个人选择了计算机图形学方向，并有幸得到了宋成芳导师的指导。宋成芳老师根据我们的计算机基础情况及自己的研究方向，给我们选取了“自然场景的真实感建模与绘制”这一科研课题。在宋成芳导师的悉心指导和我们自己的认真准备下，9月下旬，我们成功的申请了校级科研立项。

第一阶段：了解及熟悉使用vue5软件。针对我们的情况，导师要求我们先掌握好计算机图形学支撑专业绘图软件VUE5，在此，我们感谢导师给我们提供了VUE5软件和学习指导书目。10月11月份，我们在专业学习的同时，抽出时间学习掌握VUE5软件，在我们面前打开的是一个专业丰富的三维建模画图软件，通过该软件，我们进一步感受到计算机图形学的应用。

第二阶段：我们学习掌握了导师推荐的计算机图形学专业教材，对计算机图形学的一些基本概念数学基础，理论是科研的基础，通过理论的学习，我们规范了图形学的科研思路，这一部分也是比较富有挑战性的。在学习图形学的同时，根据老师的建议，我们阅读了相关生物学图书，对自然场景中的生物生长规律有了一个大致的了解，从而可以明确植物生长规律，遵循自然现象，最大限度的接近现实。

第三阶段：在对计算机图形学、生物学相关知识及开发环境——VUE5学习之后，我们阅读了相关论文，开始了自己的自然场景建模与绘制的科研。在该阶段，我们深切体会到科研的艰巨与科研取得进展的喜悦，增强了对计算机的热爱和各位老师的敬爱。

回首这一年的科研时间，我们深切的体会的科学研究的博大精深和自己在科学面前的浅薄无知。“自然场景的真实感建模与绘制” 充分利用几何模型在可控变形，图像在外观细节表达等方面的长处，实现融合几何和图像的混合式树的多分辨率表示。

植物的模型表示应当具有三维几何，便于动态模拟，能够提供不同距离和视角下的逼真效果，以保证模型在形态上的真实感；为了高效地获得真实感，以纹理图像来表达细节和外观。

本次科研项目基于导师的科研成果，综合应用计算机图形学和生物学理论，重点研究新的快速高效的大规模动态植物建模和实时绘制方法。我们以视觉效果和实时效率为主要目的，着力保证形态真实感和运动真实感，而不是严格忠实于动力学与生物学理论。采用几何与图像混合式表达方法来对植被等对象进行建模，并采用较为特别的方法对场景进行绘制。

一年的科研立项“自然场景的真实感建模与绘制”即将结束，回顾这一年的时间，我们又困惑，有喜悦，但无论如何我们收获了青春大学时代的一次美好的记忆。

友情，在这一年的时间里，我们遇到了很多困难。之所以我们最终还是走了过来，是在我们遇到困难的时候，我们彼此信任，互相体谅，共同思考解决的思路，团队的力量是巨大的，在老师的知道下，在我们自己的努力下，我们一步一步，迈着稚嫩的脚步，一步步歪歪斜斜的走了过来。几年以后我们工作后大家可能就不在是同学，不再是师生了，但是闲暇的时候，我们还是会偶尔记起在一起共同努力项目的开心，会记起在这个项目中我们的掌握的知识和技能。

在这个项目中，我们学习到了一些计算机图形学的知识，了解到计算机图形学的一些前沿信息，学习掌握了计算机三维绘图软件VUE5 VUE5中物体的创建与编辑；对物体的编辑有：选择，移动，旋转，扭曲，缩放，改变材质颜色，分散，复制，导出等。图像的渲染；取景；材质等内容。学习了解了植物的建模可细分为模型表示与建模方法两个部分。植被场景的绘制方式大致可分为两类：其一，基于纯几何和传统光照明模型的真实感绘制；其二，基于预采样的光亮度重用方法。三维模型建模方法是计算机图形学的重要基础，是生成精美的三维场景和逼真动态效果的前提等等专业知识。这次科研给了我们一个机会学到一些平时在书本上学不到的知识和技术。对于我们而言，研究次项目能够帮助我们提高专业知识水平，拓宽视野，锻炼动手实践能力，加强团队协作能力，敢于创新，大胆实践。

这次科研也让我们再次感受到了一些珍贵的品质。坚持，“黄沙百战穿金甲，不破楼兰终不还”是坚持，“千淘万漉虽心苦，吹尽狂沙始到金。”是一种坚持，当我们面对困难，一连好多天找不到思路和方法的时候也是一种坚持，因为坚持，所以我们不折不挠，因为坚持，我们一如既往，因为坚持，我们走到了今天，因为坚持，我们还会一如既往的走下去。感谢这次科研中的许许多多的小纠结，感谢生活中我们遇到的各种各样的小挫折，在这些纠结和挫折面前我们坚持了，我们经历了，我们走过来了，我们觉得内心是强大的。“我始终不愿抛弃我的奋斗生活，我极端重视由奋斗得来的经验，尤其是战胜困难后所得的愉快；一个人要先经过困难，然后踏进顺境，才觉得受用、舒服。”

勤奋。来到大学之后，偶尔也会怀念高中高考时候的辛苦的充实着。因为勤奋，所以充实，所以有收获。在这个科研最初开始的时候，因为我们对计算机图形学近乎没有过专业的接触，所以遇到了好多困难。包括后期学习使用软件绘图和自己动手绘图的时候，我们遇到了好多困难，这些时候，我们能做的，只有勤奋。花更多的时间去阅读相关资料，尝试更多的方法和思路。戴尔卡耐基说：“一个懒惰心理的危险，比懒惰的手足，不知道要超过多少倍。而且医治懒惰的心理，比医治懒惰的手足还要难。因为我们做一件不愿意不高兴的工作，身体的各部分，都感到不安和无聊。反过来说，如果对于这种工作有兴趣、愉快，工作效率不但高，身心也感觉到十分舒适。因不适宜的劳动，使身心忧郁而患成的病症，医生称为懒惰病。”经过这次科研，我们更加认同。

很感触在大学时代可以有一次属于自己的科研经历，经历这次科研，我们知道了自己的稚嫩和诸多不足。我们将以此为契机，学习好专业知识，拓展专业视野，阅读相关专业学术论文，更好的去锻炼历练自己，作为一个工科学生，更加注重实践所学专业知识，我们会注重多和同学交流学习讨论，多和老师交流学习，我们会更加努力勤奋的度过余下的大学时光，收获更多的专业知识和能力。

在此，再次感谢我们的导师宋成芳老师，在学习和生活中，他给予了我们诸多帮助，我们铭记在心。

第五篇：大学生创新科研结题报告

大学生创新创业训练项目科研总结

电离层斜向返回电离图合成技术研究

院（系）名 称：电子信息学院 专 业 名 称：电子信息科学类 学 生 姓 名：

指 导 教 师：***副教授

摘要

我们科研小组五位成员全部来自于电子信息学院2011级的电子信息科学类专业，队长是**，队员有*******；我们的指导老师电子信息学院空间物理系的**副教授，主要的研究方向就是空间物理。我们科研小组的课题是“电离层斜向返回电离图合成技术研究”。地球大气层在约80公里以上的热成层大气已经非常稀薄，在这里阳光中的紫外线和X射线可以使得空气分子电离，自由的电子在与正电荷的离子合并前可以短暂地自由活动，这样在这个高度造成一个等离子体，在这里自由电子的数量足以影响电波的传播。电离层斜向返回探测方法是一种在地面向上斜投射电磁波信号，并在同一地点接收回波的探测方法。它主要记录后向散射回波的幅度、时延、频率与时间的相互关系和散射回波的多普勒频谱，可用于监视远距离电离层的宏观状态，研究电离层传播信道特性。斜向返回散射电离图包含了大量的电离层信息，对研究电离层特性具有重要参考价值。通过项目的实施，我们认识到了电离层的物理特性是千变万化的，从而导致由电离层探测获得的电离图具有多变性，目前还不能完全利用这些信息。返回散射电离图的模拟能解读电离层结构和电离图特性之间的关系，为斜向返回散射电离图的反演提供了重要的参考依据。

一、项目选题的背景；

20世纪30年代，我国开始研究电离层。自20世纪40年代起，武汉大学就开始了电离层研究。1960年，龙咸宁在黄陂主持创立了我国首个电离层斜向返回探测站，并在1962年成功研制出我国第一部手动的电离层斜返探测仪。之后，由龙咸宁、侯杰昌等教授主持，先后成功研制出简易手动斜返探测仪（1968）、电离层自动同步斜测仪（1978）和 FXZ（1980）实时选频系统。斜向返回散射探测利用电离层对信号的折射与反射,能探测到大范围的地物和运动目标，能够获得由频率和群路径决定的返回散射回波能量,形成斜向返回散射能量图。该探测机理能为短波通信预报资料，管理雷达频率，监测远距离的运动目标。高空电离层的等离子密度受到高度以及日变化，月变化，季变化，年变化，太阳周期变化的影响，从而影响到了电波的传播以及各种卫星通讯。电子系统工程日新月异，提出了各种各样的电波传播的问题，电波传播的质量直接影响到通讯、国防以及各种电子系统工程的运行效果，因此研究电波传播对无线电通信系统起着奠基的作用。借用斜向返回探测技术，我们可以对电离层中的电波传播问题有了更深入的理解和认识。

二、项目成员内部分工；

**：专业知识掌握牢固。有深厚的数学知识储备，精通 C，C++,Fortran,Matlab等编程语言。作为本次科研任务的负责人，刘祎需要从总体上把握、协调本团队的各项事宜，包括重大决策，人员调度，任务分配，资金管理等诸多方面，以提高整个团队的执行力、凝聚力，使本团队能够高效地完成各项任务。在具体的科研任务中，刘祎主要负责射线路径方程及编程，并获取有关的数据。

**主要负责相关电离层斜向返回探测技术以及对射线路径方程的求解进行编程，能通过设备实时得到电离层的数据，并收集相关电离层与电波传播的各方面资料。

**负责对射线路径数据的模拟与合成，以及图像处理。通过相关软件处理数据进而得到相关电离层电子浓度进而与实测数据进行比对。

**老师主要是为我们提供相关专业知识点拨和电离层斜向返回探测技术实测数据，以及射线路径求解方程等。

三、项目的创新点与特色；

我们项目主要是利用武汉电离层斜向返回探测系统研究电波传播问题。首先我们利用电离层的IRI模型，获得电离层的电子浓度分布规律，基于费马原理编写并修改射线跟踪程序，数值生成电波在电离层中的传播图像，并进一步研究电波在电离层中的传播规律。利用电离

层斜向返回探测系统进行观测，将真实的射线路径与模拟的图像进行对比，验证斜向返回探测方法的可行性。我们项目的创新点是电离层斜向返回探测技术能有效并准确的测量出电离层中的各种参数。利用程序建模的方法模拟出电离层中均匀体的电子浓度分布以及射线在其中传播的不同特性。实验设计研究和数值模拟相结合的研究。

四、项目实施的进展情况与创新成果；

首先我们通过一段时间的学习，已经初步了解和掌握了一些有关电离层及电波传播的基本知识，并通过对IRI模型的学习和利用，数值模拟出了一些不同模型的电子浓度分布图，从而了解了一些电离层的分布结构。其次通过不断地熟知射线追踪程序，我们已经在原有的程序上进行了修改和完善，讨论了在电离层背景坏境下的射线的一些参数，如射线传播过程中的高度、初始仰角、到达地面的距离、射线的群速度及射线的频率之间的关系和在不同的电离层背景坏境下的变化，并且获得了一些射线路经图和斜返电离图。

我们利用电离层的IRI模型计算得到电离层电子浓度分布图；利用射线追踪技术在特定的电离层传播环境下合成了射线路径图, 讨论在电离层背景环境下的射线的一些参数（如峰高、射线传播过程中的高度、初始仰角、到达地面的距离等）与射线传播距离的变化规律，进而探讨射线在均匀体中传播所受到的各种影响；利用电离层斜向返回探测系统对理论结果进行验证，在这里，我们利用了武汉大学电离层实验室研制了一种新型电离层斜向返回探测系统—WIOBSS，由于WIOBSS系统在非常小的发射功率下也能够实现远距离的电离层探测，在探测模式上，该雷达采用等间隔收发探测模式，不但能够实现无距离盲区的探测，而且还能够取得所用伪随机序列的最大增益性能这样使得我们的实验数据能够更加准确！

我们模拟了在一个固定的时间点固定的经度上，电离层中的电子浓度在纬度上的变化；在不考虑地磁场的影响下，在电离层电子浓度背景下射线在纬度上传播过程中距离和高度的关系；在不考虑地磁场的影响下，在电离层电子浓度背景下射线在经度上传播过程中距离和高度的关系；射线到达地面的距离与初始仰角和峰高的关系；射线在经度和纬度上传播过程中群路径与频率关系。

通过讨论我们已经获得了一定的结论和成果。我们获知在短波波段，由于频率较高（电波波频大于电离层高度上磁旋频率），故在考虑波的折、反射时，可以不考虑磁场的影响，电离层可视为各向同性介质。另外碰撞只造成能量的吸收，故计算波的折、反射也无须考虑碰撞效应。因此我们首先在忽略磁场和碰撞的条件下，给出了射线追踪方程，并基于

Runge-Kutta方法，对方程进行了求解。预测了不同电离层扰动模型下的返回散射电离图，得到的数据与实测数据进行对比，二者吻合很好。具体的成果将在结题报告中展示。

在结题后我们会将课题继续进行下去，以便取得更深层次的认识和理解，取得更好的成就。已经正式发表论文在《电波科学学报》增刊，并被第十二届全国电波传播学术讨论年会录用。

五、项目实施过程中的收获与体会；

其实，在项目刚开始时，很茫然，但我们在准备这个项目的时候就是希望了解并熟知我们的专业知识有哪些用途。因为对整个项目的了解程度有限，只是在周晨老师的指导下了解了一些皮毛而已。再着就是对做科研的过程很是陌生，所以在起步阶段大家都是手忙脚乱的，我们也是在这一阶段，对自己有一个充电的过程。我们阅读了很多有关的书籍和论文，比如说刘选谋老先生的《电波传播》、J.A.拉特克里夫的《电离层于磁层理论》和清华大学俎栋林教授的《电动力学》等等，感觉受益匪浅，了解了很多关于电离层和电波传播的有关知识，这其中有很多不理解的地方，但是在周晨老师的详解之下就明白了；在整个项目过程中，我们需要使用很多计算机辅助软件（Matlab、Mathmatic等）和熟悉众多计算机语言（Fortran、C++、C等），不论是以后做研究还是工作都非常有好处。

由于该项目数据量比较大，所以在处理数据时很考验组员们的耐心。我们在使用Matlab画图时，有时需要导入几兆的数据，才能画出电离层电子浓度分布图，这不仅提高了我们对Matlab的使用技术，还让我们知道了正确处理数据是多么重要，细心和耐心对于科研工作者来说，是必不可少的！

在为射线路径求解编程时，我们遇到了很大的阻力，不仅是因为专业知识的匮乏，更是编程能力的薄弱，不仅程序算不出结果，甚至经常出现各种不过bug无法解决，也意识到了计算机技术对于科研工作者的重要性。在刚开始写程序时，我们需要对我们的整体项目有个宏观认识，程序的主体框架和结构非常重要，我们是通过时间以及经纬度来计算出该点实时的电离层电子浓度分布，了解我们的需求以及所要达到的目的才能写出好的程序，才会对整个科研项目带来帮助。对于射线路径求解编程的主体程序是由周晨老师提供的，因为这样就帮助我们把整体框架弄好了，我们所要完成的就是实现具体功能，并使用该程序来计算出我们需要的结果。将我们的实测数据导入Matlab画图时，要进行进行仔细的检查，核实，并且调试，错误重新带入数据，核实，调试，如此反复。因为如果其中一个数据出现了错误，最终的结果会很不一样，这样对科研很有坏处！

通过项目的完成，我们知道了随着科学技术的发展，电波传播正在进一步扩展研究和应用领域。例如，电磁波的生物效应、地震过程中的电磁现象的研究等，都有可能获取进展。

根据我们的科研成果，意识到了建立更加完善和更加精确的电波监测系统的重要性，这样才能获取更加完整的媒质和传播特性数据，总结出更加接近实际的数学模型，利用电子计算机，迅速提供环境数据和电波预测数据。同时，随着专业知识的加深，在做科研的同时需要更加密切地同地球物理、空间物理、天体物理、大气物理等的研究相结合，这样更能发挥电波传播在这些物理研究中的作用，只有这样，才能最大化的体现电离层与电波传播对于整个世界的意义。

尽管在途中遇到的一系列的困难，有时候想放弃，有时候彷徨有时候浮躁，有时候迷茫，太多的难题摆在我们的面前甚至有时候让我们不知所措，比如Fortran大家不熟悉，Matlab画图没学过，电离层知识知之甚少，斜向返回探测技术更是么怎么听说过，还好通过周老师的指导帮助，同学们的支持下，朋友们的鼓励下，最重要的是大家不懈努力之下大多数难题（不管在技术上得还是在心里上）大家都克服了。

经过一年周期的学习，实践提高了我们独立解决问题的能力，培养了团队合作精神，并了解电离层对于整个地球的重要性，增加了对电波传播的了解，使我们对自己的专业有更深的了解并激发我们了的学习热情，更好的为创新增添想法，并加强对理论知识的进一步理解，同时还培养团结合作能力。