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多点聚焦下腔式吸热器水动力特性的研究

工程热物理学报 2015年第1期36卷 106-110页

作者：郝芸陈开拓王跃社王启志西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室西安710049 西安航天动力研究院西安710100

塔式太阳能热发电系统中,由于镜场辐射投射到吸热器受热面上同一目标点(即单点聚焦),造成受热面局部区域高度集中,呈现出时间和空间分布的不均匀现象,导致系统工质流量分配及水循环安全特性恶化。为此,在前面研究的基础上,研究了多点聚... 详细信息

塔式太阳能热发电系统中,由于镜场辐射投射到吸热器受热面上同一目标点(即单点聚焦),造成受热面局部区域高度集中,呈现出时间和空间分布的不均匀现象,导致系统工质流量分配及水循环安全特性恶化。为此,在前面研究的基础上,研究了多点聚焦方式下,腔式吸热器热负荷分布和受热管组内工质流量分配、热偏差及流动特性,为塔式太阳能腔式吸热器安全运行及其水动力特性优化控制提供参考。

关键词：多点聚焦腔式吸热器热负荷水动力特性

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多点聚焦经颅磁声电刺激仿真与实验研究

多点聚焦经颅磁声电刺激仿真与实验研究

作者：黄明辉河北工业大学

学位级别：硕士

经颅磁声电刺激(transcranial magnetic acoustic electric stimulation,TMAES)是利用超声波与恒定磁场耦合产生的感应电场作用于神经组织,调节神经元放电活动。现有经颅磁声电刺激多采用准直器或声透镜进行聚焦,聚焦方式单一,声场和电... 详细信息

经颅磁声电刺激(transcranial magnetic acoustic electric stimulation,TMAES)是利用超声波与恒定磁场耦合产生的感应电场作用于神经组织,调节神经元放电活动。现有经颅磁声电刺激多采用准直器或声透镜进行聚焦,聚焦方式单一,声场和电场灵活性不足。本文在国家自然科学基金的资助下,采用相控阵列换能器,利用时间反演法进行多点聚焦,以实现聚焦声场和电场的灵活调节,有助于完成脑神经多靶点刺激,具有重要研究意义和临床应用价值。本文研究属于电气工程与生物医学工程交叉研究领域,完成的主要工作包括:1、介绍静磁场和声场耦合的数学物理模型,超声波动方程、折射和反射等传播特性,相控聚焦的实现方法和数学原理。控制32个线阵元的延迟时间实现聚焦,使用科学客观的评价指标和方法对刺激靶点感应电场聚焦效果进行评价。感应电场区域具有毫米级别的高空间分辨率,可控的聚焦深度可以实现灵活刺激,在其他参数不变的情况下,随着阵元宽度、阵元间距、阵元数目的增加,感应电场强度逐渐增强、焦点空间分辨率逐渐增高、实际刺激靶点接近预设焦点。通过改变阵元组合,可以实现不同偏转角度的多点聚焦,对研究多脑区协同作用具有重要的应用价值。2、仿真研究基于真实颅脑结构的磁声电刺激聚焦,通过建立真实的颅脑模型,基于时间反演法模拟了颅内点声源发射脉冲以及超声传播过程,计算各个阵元接收到的时间差,按照后到先发的原则发射脉冲进行聚焦刺激。与传统相控阵聚焦相比,焦点偏移现象基本得到解决,焦域横向分辨率、纵向分辨率、声束聚焦精度和感应电场峰值均有所提高。并且运用时间反演法可以实现不同深度、不同能量和不同焦点数量的灵活精准聚焦刺激。3、设计实验验证经颅磁声电刺激的可行性。在纯水环境中施加静磁场,并将水听器和内置有金属导线的导电凝胶放置于换能器理论焦点处,采集声压信号和电流信号,分别绘制归一化声压图并进行对比,并进行频谱分析,声压信号和电流信号中心频率与相控阵换能器发射的超声频率一致,证明了声场和感应电场分布存在较高的一致性。最后搭建实验平台将相控聚焦和时间反演聚焦测得的声场归一化处理,证明时间反演法能解决焦点偏移现象,能够实现多点精准聚焦。4、搭建实验平台对真人头部分别实施单点、多点聚焦两种模式下的低强度经颅磁声电刺激,同时利用脑电记录仪采集脑电信号,之后进行数据处理分析。先利用EEGLAB进行信号预处理,根据生成的能量谱和功率谱密度图,证明单点聚焦和多点聚焦均可形成有效刺激,利用多点聚焦模式可增加聚焦电场的灵活性,以实现多个脑区同步刺激,具有重要的研究意义和应用前景。综上所述,经颅磁声电刺激可以实现无创、精准、灵活的靶向刺激,相比于单点聚焦,多点聚焦对多脑区引起的脑功能类疾病的治疗具有更广阔的应用前景,有助于推动精准脑神经调控技术的发展。

关键词：经颅磁声电刺激超声换能器多点聚焦感应电场分布时间反演

一种面向非视距环境的涅尔区全息多点聚焦方法

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电讯技术 2020年第1期60卷 8-14页

作者：罗文宇许丽张立健华北水利水电大学物理与电子学院郑州450046 解放军32180部队北京100072

菲涅尔区多点聚焦已成为一种应用广泛的电磁能量聚合方法。然而,多点聚焦的能量传输效率受无线环境特别是非视距(Non-Line of Sight,NLOS)环境的影响较大。针对该问题,首先研究了可编程超表面的功能模型,在此基础上,提出一种基于可编程... 详细信息

菲涅尔区多点聚焦已成为一种应用广泛的电磁能量聚合方法。然而,多点聚焦的能量传输效率受无线环境特别是非视距(Non-Line of Sight,NLOS)环境的影响较大。针对该问题,首先研究了可编程超表面的功能模型,在此基础上,提出一种基于可编程超表面的菲涅尔区全息多点聚焦方法;然后,针对该方法中的超表面结构单元、可编程超表面及其聚焦和准直特性进行了仿真分析。仿真结果表明,在相同的NLOS环境下,不采用可编程超表面的方法传输效率不高于5%;而所提方法允许针对不同无线设备以最适宜的方式进行电磁传播规律的编程定制,最高具有近60%的传播效率。因此,所提方法能够有效突破NLOS环境的限制,大大提高菲涅尔区多点聚焦的传输效率,有望应用在医疗超声、光学成像、无线能量传输、新一代移动通信等多个领域。

关键词：电磁能量聚合多点聚焦可编程超表面非视距传输菲涅尔区

基于时间反演多点聚焦的室内无线输能效率研究

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基于时间反演多点聚焦的室内无线输能效率研究

作者：包金龙电子科技大学

学位级别：硕士

在5G时代,智能工厂、智慧家居等运用传感器可实现对室内环境各类参数的智能控制,从而极大地方便人们的工作和生活。鉴于传感器电池容量小、寿命低等缺点,海量传感器的高效供电成为智能室内场景持续工作的关键。传统的有线供电依赖电线... 详细信息

在5G时代,智能工厂、智慧家居等运用传感器可实现对室内环境各类参数的智能控制,从而极大地方便人们的工作和生活。鉴于传感器电池容量小、寿命低等缺点,海量传感器的高效供电成为智能室内场景持续工作的关键。传统的有线供电依赖电线和接口,这增加了布线难度以及限制了传感器的使用范围。因此,探寻用于室内场景的无线输能技术,对海量传感器进行高效能量传输,是实现智能工厂、智慧家居等迫切需要解决的难题。基于时间反演(Time Reversal,TR)的点聚焦无线输能技术,利用TR的空间聚焦能力,产生电磁聚焦场,从而高效地传输能量,具有输能范围灵活、安全性好、适用于多用户等特点,十分适合室内传感器的供电需求。然而,目前TR点聚焦无线输能技术难以实现对用户功率分配的精准调控。另外,如何在保证多用户的功率分配时,提升输能效率也是一个难点。本文通过完善TR点聚焦输能理论,提出效率提升方案,从而解决以上难题,为室内海量传感器的高效供电系统的实现提供技术支撑。具体内容如下:首先,通过理论推导证明了TR对于聚焦输能的效率优势,并进一步地提出了优化接收相位的多点聚焦方法,实现了对用户功率分配的精准调控。较于基于加权TR基向量的调控方式,提出的方法具有优化变量少、调控精准等优点,能够有效地为室内的传感器分配所需的功率。其次,根据提出的多点聚焦方法,分析了输能效率的影响因素。通过公式推导结合定量分析,明晰了传输信道、接收信号的幅度和相位等参数对输能效率的影响规律,为效率提升奠定了理论基础。接着,基于效率影响因素的分布特征,提出了两种效率提升方法。根据高效传输信道的特征,提出了基于共馈单元的TRM优化设计方法,用以改善信道参数,从而提升系统传输效率;此外,利用接收信号的幅度分布和效率之间的约束关系,提出了扰动幅度分布的效率提升方法。提出的方法可以极大地改善效率影响参数的特征,从而有利于提升室内传感器的供电效率。最后,设计并搭建了一套模拟室内的TR多点聚焦无线输能实验系统。通过实验数据对比,验证了本文提出的效率提升方法的有效性。通过选择性地无线驱动系统中的LED,证明了TR多点聚焦输能对室内海量传感器高效供电的可行性。

关键词：无线输能多点聚焦时间反演输能效率

基于增强型多目标优化波前整形的多点光聚焦研究

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基于增强型多目标优化波前整形的多点光聚焦研究

作者：胡月北京化工大学

学位级别：硕士

光通过散射介质后的多重散射现象会造成光失去原有的传播方向,形成光学散斑。这是由于散射介质内部具有空间非均匀分布的折射率。这种多重散射的现象限制了很多光学技术的发展和应用,尤其是在生物医学领域。波前整形技术是一种通过构造... 详细信息

光通过散射介质后的多重散射现象会造成光失去原有的传播方向,形成光学散斑。这是由于散射介质内部具有空间非均匀分布的折射率。这种多重散射的现象限制了很多光学技术的发展和应用,尤其是在生物医学领域。波前整形技术是一种通过构造特定的入射光波前来克服多重散射现象以将光线聚焦在任何理想位置的方法。目前,波前整形技术已有极大地发展,研究人员提出的多种波前整形方法可以实现光在多重散射后的聚焦。但相对于已被广泛研究的单点聚焦,多点聚焦的研究仍在发展的初级阶段。使用一个掩膜同时生成多个聚焦点对于诸如对脑研究和疾病诊断等生物医学研究更有意义。区别于单点聚焦,多点聚焦需要同时关心两个目标:增强因子和均匀性,因此等同于一个多目标问题。应用最广泛的反馈式波前整形方法以其强大的抗噪性和优异的聚焦效果收到研究人员的青睐。但其最大的缺点是优化时间过长,反馈型优化算法受限于反馈机制和硬件器件帧速,通常需要长达几十分钟的时间来完成。此外,反馈算法的性能也极大地影响着波前整形的聚焦结果。近年来兴起的人工智能方法也被用于波前整形技术,训练后的神经网络可以实现快速聚焦,对于节省波前整形的时间是非常有利的,但其性能很大程度上依赖于训练样本的质量和数量,最终聚焦点的增强因子较低,多个聚焦点的均匀性也无法保证。本文针对上述问题,结合了神经网络与多目标优化算法,利用他们之间的互补性,提出了一个增强型的多目标算法:神经网络增强的非支配排序遗传算法(NN-NSGA2)。在这种混合算法中,使用神经网络预测的掩膜作为NSGA2算法的初始掩膜,算法在此初始掩膜的基础上进行优化。这种方法可以使多目标优化算法在一个比较好的初始解的基础上进行迭代,以此避免算法对初始解敏感造成的优化失败,还可以帮助多目标优化算法节约优化时间,加快优化过程。本论文对NN-NSGA2算法进行了数字模拟以验证算法的可行性。模拟对比了本文提出的NN-NSGA2算法与仅NSGA2算法在不同数量聚焦点时的效果。模拟表明,本文中所提的方法在优化结束后可以实现更高的增强因子值,并且可以帮助减少算法优化时间:两种算法达到相同增强因子值时NN-NAGA2算法使用的迭代次数更少。在实验上进一步证明了此算法的优越性能。实验采用30000组数据成功训练了单层神经网络,并对多个聚焦点的掩膜进行了预测,预测的掩膜具有初步的聚焦效果。使用神经网络预测掩膜的NN-NSGA2算法成功实现了单点、三点和九点聚焦。三种情况下均与NSGA2算法进行了对比,与数据模拟情况相吻合。该算法最终有更高的增强和更少的优化时间,相对于未增强的多目标优化算法提升了约10%的增强因子值,节约了约30%的优化时间,证明了该算法在多点光聚焦中强大的聚焦能力。

关键词：波前整形技术散射介质多目标优化神经网络多点聚焦

基于超像素基神经网络的光透过散射介质聚焦研究

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基于超像素基神经网络的光透过散射介质聚焦研究

作者：向成超北京化工大学

学位级别：硕士

光在透过散射介质时,散射介质内部的折射率的不均匀性会使得入射光在散射介质内发生多重散射,丢失掉光波前原有的信息,在散射介质之后形成随机的散斑。然而对透过散射介质之后的光的控制,实现对散射介质之后的信息的获取,在很多领域都... 详细信息

光在透过散射介质时,散射介质内部的折射率的不均匀性会使得入射光在散射介质内发生多重散射,丢失掉光波前原有的信息,在散射介质之后形成随机的散斑。然而对透过散射介质之后的光的控制,实现对散射介质之后的信息的获取,在很多领域都有着重要的意义。近十多年来发展起来的波前整形技术,通过对光的入射波前进行调制,弥补了散射介质在入射时的相位畸变实现了透过散射介质之后的聚焦。但是常用的传统的波前整形方法存在着获取最优掩膜的时间较长,实验条件苛刻难以实现等问题,新兴的神经网络算法虽然可以快速的进行聚焦但是增强因子较低,这些方法都有着一定的限制。本文针对波前领域目前存在的速度慢,增强因子低的问题,利用深度学习这种基于数据驱动的方法为主,提出了一种基于超像素的利用复数数据源来训练的神经网络的方法,这种方法保持了深度学习应用起来简单,不需要复杂运算的优点,实现了快速的透过散射介质的聚焦,并且相比起仅使用二值型振幅调制的情况增强因子更高。为了探究实验的可行性我们进行了模拟实验,在模拟当中我们利用圆高斯随机分布来描述散射介质的散射,获得到一个传输矩阵,通过矩阵相乘来模拟光透过散射介质的过程。使用输入数据与传输矩阵相乘来获取模拟散斑数据。之后使用单层神经网络(SLNN)算法来对数据进行训练,用于聚焦。模拟中分别对比了实数数据与复数数据的实验效果,结果显示复数条件下的单点聚焦以及多点聚焦的增强因子均高于实数模式。而在实验当中,利用超像素的方法对光场进行复振幅的调制,获得到复数值的数据,将散斑数据缩小以及增强来增加散斑的特征信息,经过增强之后的散斑数据训练效果最好,最高能够达到269的增强因子,这一增强因子相比起实数数据增长了百分之65,并且训练时间较短,只需要44s时间就能够完成训练,而获取最优掩膜的仅需4ms。对比几十分钟量级的传统波前整形方法,本方法不需要复杂的实验条件,能够实现快速高增强因子的聚焦。

关键词：波前整形技术散射介质透过散射介质的聚焦超像素深度学习多点聚焦

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基于光学传输矩阵的迭代聚焦方法

激光与光电子学进展 2020年第21期57卷 312-319页

作者：张也韩伟辛煜王林南京理工大学电子工程与光电技术学院江苏南京210094

在光学传输矩阵的基础上,提出一种基于weighted Gerchberg-Saxton(GSW)算法的迭代聚焦方法。将利用传输矩阵求解调制相位的过程抽象为相位恢复问题,将传输矩阵与均方优化算子作为散射系统变换算子来迭代优化调制相位。通过仿真和实验证... 详细信息

在光学传输矩阵的基础上,提出一种基于weighted Gerchberg-Saxton(GSW)算法的迭代聚焦方法。将利用传输矩阵求解调制相位的过程抽象为相位恢复问题,将传输矩阵与均方优化算子作为散射系统变换算子来迭代优化调制相位。通过仿真和实验证明,相比相位共轭法、均方优化算子,所提方法具有更显著的多点聚焦效果,为光场能量调控领域提供了新的思路。

关键词：散射传输矩阵相位调制多点聚焦

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基于视觉反馈的超声辐射力聚焦手掌研究

基于视觉反馈的超声辐射力聚焦手掌研究

作者：李聪哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

多年以来,人机交互技术一直是科研人员研究和探索的热点,目前成熟的交互技术通常利用着人体的视觉系统,而忽视了触觉这种重要的人体感官。手掌检测定位是目前最流行的人机交互技术之一,但是仅通过视觉的方法来进行交互往往使得人体无法... 详细信息

多年以来,人机交互技术一直是科研人员研究和探索的热点,目前成熟的交互技术通常利用着人体的视觉系统,而忽视了触觉这种重要的人体感官。手掌检测定位是目前最流行的人机交互技术之一,但是仅通过视觉的方法来进行交互往往使得人体无法获得最直接的反馈,带来不好的交互体验,所以本文提出一种基于超声相控阵的触觉反馈方式,可以根据双目视觉检测定位得到的手掌中心点三维坐标来给予运动手掌一个触觉反馈。为了实现超声阵列的声场聚焦,首先根据基础的声学原理推导出单个换能器在空间中不同位置所产生的声压方程,然后在此基础上推导出换能器阵列在空间中所形成的声压模型。通过控制换能器阵列发射相位分布对空间点的声压进行控制,其中单点聚焦利用了换能器与聚焦点之间的距离关系,求解换能器发射声波的相位分布。此外,利用推导的阵列与聚焦点之间的声压模型,建立多个探头与多个聚焦点之间的声压关系式,分别采用伪逆算法、随机叠加算法和GerchbergSaxton算法实现了空间中多点聚焦。为了实现双目视觉定位手掌运动轨迹上点的三维坐标,首先对双目相机进行标定和校正,并且消除相机平面不平行所带来的畸变。然后通过目标检测模型SSD和YOLOv4对校正后的图像进行预处理,得到包含手掌的目标候选框,最后根据三角形相似原理对目标候选框中心点进行三维定位,由此得到手掌运动时手掌候选框中心点的坐标变换过程。为了验证文章中的仿真结果,本课题搭建了由FPGA控制器、驱动电路、超声换能器阵列以及双目相机组成的完整超声触觉反馈平台。有效的实现了单点、多点、轨迹移动等基础聚集实验,并且根据双目相机定位手掌运动轨迹,利用超声相控阵计算得到声场聚焦所需的相位分布,将聚焦声场实时反馈给运动手掌。实验表明,本文使用的超声阵列相位计算方法真实有效,触觉反馈可以实时给予运动手掌。

关键词：超声触觉反馈多点聚焦目标检测双目定位

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高频环阵换能器数字波束聚焦技术

高频环阵换能器数字波束聚焦技术

作者：曾锦晖中国协和医科大学

学位级别：硕士

超声诊断中为了观察更小和更细微的组织结构，通常要求提高超声工作频率和实现超声波束聚焦。在本课题中，我们采用五环10MHz高频超声环阵换能器实现多点数字化聚焦，通过FPGA可编程逻辑芯片EP1C12Q240产生同步触发信号，受触发后的发... 详细信息

超声诊断中为了观察更小和更细微的组织结构，通常要求提高超声工作频率和实现超声波束聚焦。在本课题中，我们采用五环10MHz高频超声环阵换能器实现多点数字化聚焦，通过FPGA可编程逻辑芯片EP1C12Q240产生同步触发信号，受触发后的发射器产生高压电脉冲激励换能器向检测目标(实验中采用尼龙靶线)发射超声脉冲。由目标形成的超声回波脉冲信号经换能器接收后转化成模拟电信号，超声回波模拟电信号经过滤波和可变增益放大芯片AD8332调节放大100倍，模数转换芯片AD9238以40MHz采样率对放大的超声回波模拟电信号进行数字化采样，五路数字回波输入到可编程逻辑芯片EP1C12Q240中，采用EP1C12Q240芯片构造五路FIFO来存储五路数字回波，依次控制五路FIFO中的数字回波延迟输出，输出的同相位数字回波通过加法器相迭加实现环阵换能器超声波束多点聚焦，最终将回波信号通过高频数模转换芯片AD9772A输出进行验证。实验结果表明，采用超声回波数字化相控聚焦技术，实现了声束轴上多点聚焦，减少了声束的3dB波束宽度，提高了声束轴上成像点的分辨率。

关键词：高频超声环阵换能器数字回波多点聚焦