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2025年  第45卷  第1期

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发展战略
基于月球科研站的科研活动战略分析及其作业平台总体方案研究
裴照宇, 王琼, 徐琳, 张晨轩, 张锋, 张贤国, 王汇娟, 贾瑛卓, 刘洋, 薛长斌, 张金海, 张天馨, 彭兢, 王赤, 邹永廖
2025, 45(1): 1-14. doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0188
摘要(456) HTML全文 (105) PDF 8867KB(130)
摘要:
月球是地球的唯一天然卫星, 因其独特的空间位置、空间环境和物质资源, 一直是国际深空科学探测活动的主要目标天体和推动航天高新技术发展的理想试验场所. 构建月球科研站(基地)将是未来月球探测活动的主要趋势, 可为开展月球地质演化、宇宙早期历史与不同层级天体形成和演化、日地月系统耦合机制、物理与生物学效应、材料特性等多学科交叉的前沿科学研究提供独特的机遇. 同时, 探测活动也将由单一任务向多任务联合探测方式发展, 其科研作业形态也必将向多任务多目标智能化联合作业转变. 本文在梳理月球探测活动发展态势和中国倡导的国际月球科研站大科学工程科学目标需求分析基础上, 开展了基于月球科研站的科研作业平台概念性研究, 提出月球科研站科研作业平台的总体架构, 初步设计了6类科研作业平台的总体方案.
NASA月球到火星战略架构的解析
夏一峰, 高玉月, 周诚
2025, 45(1): 15-28. doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0003
摘要(1092) HTML全文 (347) PDF 6906KB(87)
摘要:
基于月球、火星探测任务具有总体规模庞大、任务开展周期长、任务执行难度高等特点. 美国国家航空航天局下属多个机构联合发布了美国“月球到火星战略架构”定义文件, 以此指导其月球探测与火星探测任务的开展. 根据美国国家航空航天局建立的“月球到火星战略架构”, 即M2M战略目标体系, 对其战略架构系统实施阶段典型任务以及架构评估准则进行了分析. 针对M2M战略架构定义文件中战略目标的定义与分类、任务实施阶段的系统功能需求以及战略架构评估准则进行了深入分析, 进而归纳论述了基于解析“月球到火星战略架构”获得的发展思考, 研究成果可为中国未来空间探测任务的顶层战略路径规划与月球及火星探测总体计划的制定提供参考.
综述
微重力环境下超冷原子物理研究
李琳, 汪斌, 周小计, 陈徐宗, 李唐, 刘亮
2025, 45(1): 29-55. doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0174
摘要(375) HTML全文 (112) PDF 14935KB(55)
摘要:
中国空间站的发展和建成为微重力环境下超冷原子物理的研究及其应用提供了必要的实验条件. 2022年10月31日, 中国科学院上海光学精密机械研究所联合北京大学研制的中国空间站超冷原子物理实验柜 (简称超冷柜) 搭载梦天实验舱进入中国空间站. 超冷柜的主要目标是在中国空间站建成以87Rb 玻色–爱因斯坦凝聚(Bose-Einstein Condensate, BEC)为工作物质的超冷原子物理实验平台, 基于微重力环境优势利用两级交叉光束冷却 (Two-Stage Crossed Beams Cooling, TSCBC) 的实验方案获得皮–开尔文 (picoKelvin, pK) 量级的超冷原子, 在微重力环境下通过调控以及观察极低温超冷原子以发现新奇的物理现象. 本文介绍了BEC的实现和深度冷却实验方案, 以及微重力环境下超冷原子物理研究与应用领域所取得的一系列进展; 详细介绍了超冷柜的设计方案以及地面验证实验. 到目前为止, 超冷柜按照预期持续开展微重力环境下的超冷原子物理研究, 在轨连续运行时间超过2年, 取得了初步的实验结果, 实现了超冷柜作为微重力环境下超冷原子物理实验平台的主要目标.
空间物理
波模并合激发谐频脉泽辐射的泵波模拟
刘功林, 宁昊, 倪素兰, 李传洋, 张子龙, 李耀坤, 陈耀
2025, 45(1): 56-65. doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-yg29
摘要(185) HTML全文 (99) PDF 4371KB(21)
摘要:
损失锥电子驱动的电子回旋脉泽辐射是解释太阳射电尖峰暴的主要机制, 然而在强磁化条件下, 其主要激发的基频辐射在日冕中存在逃逸困难的问题, 谐频辐射的激发可有效解决该问题. 最近有研究提出一种新型谐频辐射机制, 即损失锥电子激发的基频X模(X1)和Z模通过波模并合产生谐频辐射. 然而其相应非线性波模并合过程仍需进一步研究和论证. 研究针对Z+Z和Z+X1并合产生谐频的新型辐射机制开展了并合条件分析, 发现该过程的并合条件很容易满足, 并可在很宽的传播角范围内激发谐频X2辐射. 基于此开展泵波粒子模拟可验证非线性波模并合过程的发生, 模拟得到谐频辐射的有效激发, 且并合过程能量转换率在2%～8%.
基于一维残差卷积神经网络的Pi2脉动识别模型
张怡悦, 邹自明, 方少峰
2025, 45(1): 66-81. doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0018
摘要(351) HTML全文 (88) PDF 4260KB(38)
摘要:
Pi2脉动是一种不规则的超低频波(Ultra-Low Frequency, ULF), 是磁层与电离层耦合的重要瞬态响应, 其发生与亚暴爆发有密切的关系. Pi2脉动作为地球磁层中的一种扰动现象, 其发生信号隐藏在地磁场分量观测数据中. 面对持续增长的观测数据量, 如何有效地判断某段地磁场分量观测数据中是否有Pi2脉动发生, 是构建Pi2脉动识别模型的关键. 利用子午工程磁通门磁力仪观测的地磁场分量数据, 基于一维残差卷积神经网络(One-Dimensional Residual Convolutional Neural Network, 1D-ResCNN), 构建了一个端到端的Pi2脉动识别模型, 用于判别某段地磁场分量观测数据中是否有Pi2脉动发生. 实验结果表明, 该模型与现有公开发表的Pi2脉动机器学习识别模型相比, 具有更高的识别准确率和更低的虚报率、漏报率.
全日面机器学习耀斑业务预报
李铭, 崔延美, 罗冰显
2025, 45(1): 82-90. doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0021
摘要(235) HTML全文 (98) PDF 3306KB(38)
摘要:
太阳耀斑预报是空间环境预报中的一项重要内容. 目前所构建的深度学习耀斑预报模型大都是基于活动区磁图构建的. 受到投影效应的影响, 这类模型仅能对太阳中心区域的活动区进行预报, 难以满足全日面耀斑业务预报的需求. 基于太阳活动传统参量, 研究统计了活动区磁类型、面积, 耀斑爆发历史以及F10.7与耀斑发生的关系, 利用全连接神经网络构建了适用于全日面活动区的太阳耀斑业务预报模型, 该模型可以预报未来48 h内活动区≥M级耀斑的爆发情况. 该模型与已往搭建的深度学习预报模型进行比较, 结果表明本文建立的业务预报模型预报性能略优. 同时, 结果表明投影效应对本研究搭建的耀斑预报模型影响不大. 该模型为耀斑业务预报提供了有效工具.
利用深度学习实现Dst指数短期业务预报
牛犇, 黄智
2025, 45(1): 91-101. doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0034
摘要(339) HTML全文 (109) PDF 4986KB(46)
摘要:
由太阳活动引发的磁暴事件会导致地球磁场产生剧烈变化, 进而影响通信、导航、电力等工程应用系统的服务性能. 在空间物理领域通常利用Dst指数表征磁暴强度的变化, 本文提出一种基于卷积神经网络(CNN)、门控循环单元(GRU)和长短时记忆网络(LSTM)的磁暴预测模型(C-G-LSTM), 能够提前1～6 h预测Dst指数. 进一步利用美国航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)提供的2010－2019年Dst指数评估混合深度学习预测模型的性能. 结果显示最大均方根误差不超过7.29 nT; 最大平均绝对误差不超过5.03 nT, 磁暴期间误差有所增大. 与已有研究结果相比, 本文所提出的模型具有较高精度, 且无须提供太阳风温度、太阳风动压以及行星际磁场分量等输入参数, 适用于业务预报.
激光雷达观测研究低纬度地区钠层季节变化特征
何诗敏, 张铁民, 柴薇薇, 张一民, 羊大立, 彭鸿雁, 王继红
2025, 45(1): 102-112. doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0035
摘要(304) HTML全文 (106) PDF 5024KB(47)
摘要:
使用钠荧光激光雷达观测2018－2019年低纬度地区海口(20.0°N, 110.3°E)上空钠层变化规律, 统计分析了钠层密度分布与其季节变化特征以及特殊事件的季节变化特征, 发现海口钠层变化与季节之间有较大关联. 钠层平均密度呈现基本对称的高斯分布特点, 柱密度和峰值秋冬季大, 峰值位置夏高秋低, 质心高度变化稳定, 半高全宽与均方根宽度秋季小冬季大. 突发钠层事件 (Sporadic Sodium Layer, SSL)随季节变化明显, 持续时间夏长春短, 峰值秋季大、春季小, 秋冬季峰值位置较高, 夏季突发强度最大, 除秋季外其他季节突发峰值多在后半夜. 结合海南儋州(19.5°N, 109.1°E)测高仪数据, 结果显示海口地区发生在97 km以上的SSL与突发E层(Es)有较大相关性. 低纬度地区冬季发生SSL的概率较高, 双钠层(Double Sodium Layer, DSL)多出现在春、夏季.
基于风云三号E星探测的黄昏时热层大气成分比值季节转换研究
石正, 付利平, 江芳, 毛田
2025, 45(1): 113-124. doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0023
摘要(255) HTML全文 (90) PDF 7528KB(21)
摘要:
中国的多颗风云三号卫星配备了电离层光度计, 能探测到OI 135.6 nm和N2 LBH带的气辉辐射积分通量, 并计算出135.6/LBH比值. 风云三号E星作为第二代近极地太阳同步轨道卫星, 特别适合晨昏轨道的气辉观测. 该比值与热层大气成分中[O]/[N2]比值成正比, 反映了影响电离层电子密度变化的重要参数. 利用风云三号E星近两年的数据, 分析了中低纬地区135.6/LBH比值及相应参量的季节转换规律. 结果显示, OI 135.6 nm和N2 LBH带辐射强度的季节变化以冬季和夏季为主, 在春秋两季快速转变, 且这种变化随纬度而异. 135.6/LBH比值在春秋季也出现快速转换, 但其峰值和谷值时期与前述两种辐射强度不同. 中纬度地区表现为冬季高、夏季低的季节特征, 而赤道附近则相反, 呈现半年变化周期. 研究还发现, 135.6/LBH比值的季节转换存在不对称性, 受纬度和半球的影响显著. 这些结果证明, 风云卫星电离层光度计对热层大气成分比的季节、纬度和半球变化可以进行有效探测, 为电离层热层的研究、建模以及空间天气预报提供了重要依据.
基于艇载太赫兹辐射计的大气温度廊线反演
朱家玮, 周晨, 赵正予, 刘祎
2025, 45(1): 125-134. doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0069
摘要(278) HTML全文 (87) PDF 4441KB(34)
摘要:
基于武汉大学研制的艇载式太赫兹探测仪ATMI (Airborne THz Measure Instrument), 分析ATMI在地基与空基探测模式下对大气温度廊线的反演能力. 针对ATMI样机的硬件参数, 在空基和地基测量模式下, 建立不同纬度下大气辐射传输模型, 讨论在不同纬度下ATMI使用BP神经网络算法对于大气温度廊线的反演能力. 样机出厂后在中纬度地区进行了一个月的地基实测, 通过实测数据验证ATMI样机对于大气温度廊线反演的能力. 实测结果表明, 所研发的ATMI样机在地基反演中在0～36 km高度范围内精度优于1 K, 在一定高度范围内最高精度可优于0.3 K, 证明了所研制的艇载式太赫兹探测仪对大气温度廊线反演的有效性与准确性, 稳定度与精度达到设计指标, 显示其在太赫兹科学和临近空间环境监测中的广泛应用潜力.
近红外波段大气偏振态研究及实验验证
陈智兴, 勾万祥, 佟帅, 张梦瑶, 李崇辉
2025, 45(1): 135-148. doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0063
摘要(298) HTML全文 (114) PDF 6444KB(25)
摘要:
大气偏振态研究是开展偏振探测、偏振遥感、偏振成像等应用的前提和基础. 相较于可见光波段, 近红外波段大气偏振态研究相对滞后. 已有研究多以理论分析为主, 缺乏实验验证. 为此, 本文采用短波红外图像传感器、红外镜头、红外偏振片、红外滤光片等搭建了近红外波段大气偏振测量系统, 在晴朗天气条件下对全天空900～1700 nm近红外波段大气偏振态进行了测量. 结果表明, 在近红外波段大气呈现稳定偏振模式, 其中大气偏振角分布稳定性明显优于大气偏振度分布; 大气偏振模式与瑞利散射表征模型符合较好, 全天区83%的点位模型偏振角误差小于10°, 79%点位模型偏振度误差小于0.1, 依托瑞利散射表征模型可有效预测各方位大气偏振态. 此外, 全天区大气整体偏振度不高, 均值为0.13, 正午时段仅为0.1, 与以往文献理论推导和假设存在差异, 偏振滤光技术是否适用于白昼目标探测应结合具体应用深入研究.
微重力与空间生命科学
旋转作用下水平圆管内蒸汽冷凝特性
张雷刚, 茹梦, 李豪, 岳利文, 陈振乾, 马艳阳
2025, 45(1): 149-161. doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0004
摘要(357) HTML全文 (182) PDF 3346KB(28)
摘要:
冷凝是传热设备工作中一种重要的物理过程. 与传统的单相流回路相比, 冷凝相变释放的潜热相当大. 随着航天事业的不断发展, 高效的热控技术变得越来越重要. 目前, 营造微重力环境主要采用自由落塔和抛物飞行等方法, 但是其获得的微重力时间比较短且实验成本较高. 本研究采用离心力方法来模拟不同的重力条件, 结果表明由于重力的影响, 液体会在底部聚集, 导致管壁下部温度较低. 通过可视化分析也可以看到管内存在波状和螺旋状流态. 在重力条件改变时, 测得的温度普遍低于常重力条件下的温度. 传热恶化现象取决于工作条件. 蒸汽流速的增加会改善传热恶化, 但是改善程度有限, 测试段整体温度略微升高. 在低流量时, 测试段温度变化对重力条件更为敏感, 而在高流量时, 测试段温度变化对重力条件不敏感. 上述结论将有助于设计和优化传热设备.
辐射与模拟失重对大鼠脑电信号的影响规律及损伤机制
丰俊东, 田刘欣, 李骞, 赵锡达, 杨颖清, 王维泰
2025, 45(1): 162-178. doi: 10.11728/cjss2025.01.2023-0149
摘要(261) HTML全文 (62) PDF 16504KB(19)
摘要:
通过生物电信号评估辐射与失重对脑的影响, 并揭示其影响规律与损伤机制, 为空间环境风险评估与防护技术研究提供参考. 以SD大鼠为对象, 设立不同实验组. 采集并分析大鼠脑电信号频谱变化, 利用神经网络模型识别脑电信号异常. 同时检测大鼠脑部特定区域的蛋白质表达量变化, 以探讨损伤机制. 辐射组与失重辐射复合组大鼠脑电信号出现慢波化, 复合作用影响显著, 神经网络模型能有效识别异常信号. 辐射与失重导致大鼠脑部髓鞘受损, 相关蛋白表达量出现变化, 提示胶质细胞激活. 辐射与失重对大鼠脑电信号有明显影响, 复合作用效果更为显著, 这可能与髓鞘受损及胶质细胞激活有关. 本研究为空间环境下的风险评估与防护技术提供了重要参考.
空间探测技术
激光频率波动对空间引力波探测激光干涉测量的影响分析
刘宇, 张玉珠, 彭晓东, 赵梦园, 杨震, 唐文林, 强丽娥
2025, 45(1): 179-188. doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0020
摘要(357) HTML全文 (86) PDF 3601KB(27)
摘要:
空间引力波探测激光干涉测量系统噪声是决定探测任务成败的关键因素. 激光频率噪声是最重要的噪声之一, 有必要分析激光频率波动对测量结果的影响和各参数的变化对测量结果影响的百分比 (重要程度). 由于在地面难以模拟空间环境, 仿真分析是理想的实验手段. 基于空间引力波探测激光干涉测量仿真系统, 分析了自由运行激光器激光频率波动对其中的科学干涉仪、参考干涉仪和TM干涉仪模型造成的测量误差, 并运用直接求导法和Sobol法两种灵敏度分析方法对三种干涉仪模型输出的影响和重要程度进行灵敏度分析. 结果表明自由运行激光器激光频率波动造成的干涉仪测量结果变化远大于皮米量级. 在本文实验条件下, 测量光频率波动对三种干涉仪输出的重要程度分别为100%, 56%, 54%, 参考光频率波动对三种干涉仪输出的重要程度分别为0%, 44%, 46%.
面向空间引力波探测检验质量捕获的弹性管模型预测控制
贺雄峰, 卢苇, 许诺, 王鹏程, 张永合, 崔冰, 夏元清
2025, 45(1): 189-200. doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0009
摘要(293) HTML全文 (149) PDF 4951KB(31)
摘要:
在空间引力波探测任务中, 检验质量稳定捕获是航天器进入超稳飞行状态的关键步骤. 该过程存在初始误差大、系统不确定性大、执行约束强等特点. 提出了一种基于弹性管模型预测控制的检验质量捕获控制方法, 基于滚动优化和弹性管道技术的控制结构, 提高捕获成功率, 并且充分补偿卫星对检验质量的耦合干扰; 利用小容差有效集法, 提高在线计算的求解精度, 确保检验质量的高控制精度; 同时基于特征工程方法的最小鲁棒正不变集离线修正方法, 减少基于Minkowski求和得到的最小鲁棒正不变集顶点数, 降低了在线计算复杂度. 利用该方法在航天器–双检验质量全自由度仿真平台上进行仿真验证, 结果表明控制效果满足检验质量捕获精度要求, 控制器具有鲁棒性且有效提高了收敛速度, 抑制了平台运动干扰和量测噪声的影响.
一种磁异常梯度测量的地磁/惯性融合导航方法
梁宇潇, 高东
2025, 45(1): 201-214. doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0027
摘要(424) HTML全文 (83) PDF 5002KB(28)
摘要:
地磁导航是一种基于地球天然磁场的导航方法, 其自主性强, 抗干扰性能好, 可以在多种环境下正常工作, 但低空/水下地磁匹配导航需要基于大量测量数据构建地磁图且对于平台计算能力要求较高, 给地磁导航的应用带来不便. 惯性导航在短时间内精度较高, 但随着时间推移会出现较大的累积误差. 本文将从地磁总场中提取的磁异常场前后两次测量间的差分信息作为观测量, 依据磁异常场的偶极子特征, 基于磁偶极子模型理论推导了应用于导航系统滤波器的磁异常梯度测量矩阵, 提出利用磁异常梯度信息修正惯性导航系统的误差的地磁/惯性融合导航方法, 降低了地磁导航对先验地磁图的要求, 同时修正了惯导导航误差. 对比纯惯性导航, 相同条件下该方法的导航位置精度有显著提升, 为运动平台自主导航探索了一种新方法.
方向显著性特征分布的加权散度红外弱小目标增强检测
王怡雯, 郑伟, 邢成龙
2025, 45(1): 215-225. doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0025
摘要(308) HTML全文 (87) PDF 5270KB(33)
摘要:
红外弱小目标检测广泛应用于暗弱天体检测等领域, 是空间环境安全预警的重要手段. 基于熵的理论并结合目标扩散的方向性, 提出了一种方向显著性特征分布的加权散度红外弱小目标增强检测方法(DSWD). 在多层嵌套窗口中评估图像局部显著性, 基于点目标在红外图像中由中心向八个方向扩展的特征对图像进行多向空间滤波, 在复杂背景中增强目标. 鉴于显著性特征各向分布与平均背景分布之间的差异, 使用散度将目标区域与背景之间概率分布量化, 推断区域内感兴趣的部分. 为解决复杂背景中存在的高亮背景等混淆元素会对目标提取造成干扰的问题, 进一步采用改进的绝对均方差方法增强目标, 确保从复杂背景中准确分离出目标, 进而采用自适应阈值处理方法提取目标. 实验结果表明, 针对多变空间环境, 所提出的方法能够在空间环境中准确检测出弱小目标, 降低虚警率, 为未来空间环境安全预警系统提供参考.
航天器碰撞概率简化计算方法的比较与应用
王宁, 郭建新, 周敬博
2025, 45(1): 226-234. doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0031
摘要(627) HTML全文 (124) PDF 3515KB(77)
摘要:
针对空间飞行器碰撞概率问题, 基于碰撞概率的假设条件与计算原理, 对现有常见方法进行分析, 归纳每种方法在线性与非线性、空间目标是否规则等方面的适用性及特点, 通过数值计算验证了上述方法, 并从计算速度与计算精度两个维度对每种方法进行评估. 评估结果表明, 中心概率密度法的计算速度最快,曲线积分法的相对误差最小, 基于辛普森公式的二维积分方法具有较均衡的效果, 三维体积积分适用于非线性场景,蒙特卡洛法最为精准但是运算速度最慢. 综合考虑计算精度、计算速度、相对速度、相对位置关系等因素, 根据每种方法的特点提出了多种场景下较为适用的碰撞概率简化计算方法, 研究结果可以为在轨碰撞概率的计算与分析提供参考.
偏远林区单北斗/多模GNSS实时单点定位性能比较
叶少春, 徐文兵, 尹潇
2025, 45(1): 235-242. doi: 10.11728/cjss2025.01.2023-0120
摘要(250) HTML全文 (92) PDF 6341KB(8)
摘要:
在偏远林区, 参考站比较稀疏且较难进行网络通信, 多路径效应大, 观测时卫星周跳数大, 难以利用双差方式进行高精度实时(Real-Time Kinematic, RTK)定位. 为此, 在考虑广播星历钟差引入码硬件延迟的基础上, 推导了单北斗(BDS)/多模全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)单频和消电离层组合的伪距单点定位(Single Point Positioning, SPP)模型, 根据系统钟差基准不同引起的伪距硬件延迟的改正方法, 并采用林区实测的车载动态观测数据进行精度评估, 得出目前卫星导航基于单频SPP和IF SPP在偏远林区可以达到的定位精度. 结果表明, 在林区无参考站改正数的情况下, 单北斗以及GPS/Galileo/ BDS组合的SPP定位平面精度可以达到2 m. 相比单频SPP, 单北斗、GPS/Galileo/BDS消电离层组合SPP的平面精度分别提高约0.5 m和0.4 m, 基于消电离层组合的SPP具有更优的定位性能.
智慧发射场指挥监控系统设计
刘梓琰, 徐文晓, 范浩鑫, 王冠, 刘巧珍
2025, 45(1): 243-251. doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0012
摘要(438) HTML全文 (108) PDF 3517KB(37)
摘要:
中国航天事业的快速发展, 空间科学、空间技术、空间应用的全面突破, 航天发射频率的不断提高, 对航天发射场的服务能力提出了更高的要求. 随着云计算和大数据等技术的飞速发展, 中国航天发射场陆续开展了信息化和数字化转型, 以打造智慧发射场为目标进行升级改造. 在这一背景下, 本文提出智慧发射场指挥监控系统的总体设计思路与技术选型策略, 从系统的可靠性、拓展性与智慧性三个维度进行补充分析并提出后续建设思路, 从发射场信息系统优化设计角度提升发射服务能力, 丰富航天任务、空间科学探测任务的发射资源. 研究成果可为后续发射场建设与升级改造提供参考, 为中国未来的航天任务和空间探测任务提供有力的发射服务保障.

期刊介绍

ISSN 0254-6124       CN 11-1783/V

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