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基于永磁体和线圈复合结构的MPI零磁场研究

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电工技术学报 2024年

作者：杨丹刘素羽张昊李天兆徐彬东北大学信息科学与工程学院智能工业数据解析与优化教育部重点实验室(东北大学) 东北大学计算机科学与工程学院

磁性粒子成像（magnetic particle imaging， MPI）中的磁场拓扑结构及其产生的零磁场能够直接对成像结果的质量造成影响。针对MPI系统的零磁场设计，本文提出了一种永磁体与线圈复合的磁场结构。该结构综合永磁体能够直接产生大梯度静... 详细信息

磁性粒子成像（magnetic particle imaging， MPI）中的磁场拓扑结构及其产生的零磁场能够直接对成像结果的质量造成影响。针对MPI系统的零磁场设计，本文提出了一种永磁体与线圈复合的磁场结构。该结构综合永磁体能够直接产生大梯度静磁场的优势及电磁线圈通过控制激励方式精准调控磁场的优势来构造线型零磁场（field-free line，FFL）。对所设计的磁场拓扑结构进行以下评价与分析：首先进行了基于圆形线圈、矩形线圈和矩形永磁体所产生静磁场的比较；接着从磁场空间分布、磁场梯度和磁场均匀性等方面对FFL进行分析；最后通过有限元仿真确定了线型零磁场的平移扫描区域范围，并进行了MPI分辨率及血管成像研究。结果表明，本文所提拓扑结构产生的FFL磁场梯度达到3.075T/m，磁场梯度均匀性达到98.7%，在扫描区域为30mm×70mm×70mm的空间内的成像分辨率能够达到1mm。证明了本文所提拓扑结构应用于磁性粒子成像系统的可行性。

关键词：磁性粒子成像永磁体与线圈复合线型零磁场磁场梯度磁场均匀性

基于充电导体模型的水力压裂电磁响应特征分析

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石油地球物理勘探 2024年第1期59卷 151-159页

作者：李帝铨李富张乔勋黄亚别勇杰胡艳芳中南大学有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室湖南长沙410083 有色资源与地质灾害探测湖南省重点实验室湖南长沙410083 中南大学地球科学与信息物理学院湖南长沙410083 湖南继善高科技有限公司湖南长沙410208

随着中国非常规、超低渗油气资源的大力开发,压裂监测技术迎来重大发展机遇。电磁法在地球物理探测方面具有成本低、时效性强、探测深度大等优点,但面对大深度压裂环境,电磁压裂监测技术的可行性亟须论证。基于充电导体和电偶极源扩散... 详细信息

随着中国非常规、超低渗油气资源的大力开发,压裂监测技术迎来重大发展机遇。电磁法在地球物理探测方面具有成本低、时效性强、探测深度大等优点,但面对大深度压裂环境,电磁压裂监测技术的可行性亟须论证。基于充电导体和电偶极源扩散电磁场理论,首先构建了不同深度和不同长度下的裂缝压裂模型,分析了各模型的地面总场及异常场的电磁响应特征。分析结果表明:利用井地电磁法进行压裂监测时,观测总场对裂缝长度增加引起的电磁响应不敏感,异常场存在低值带;深度为4000 m时,电磁异常小于1%,深度越大异常场衰减越严重,且相邻测点间异常场的绝对值与深度呈负相关,电磁法压裂监测技术难以兼顾探测精度与探测深度。然后,通过建立压裂监测物理模型,分析实测数据电磁异常曲线特征,验证了理论计算的正确性。最后,结合前人理论成果和实践经验,提出了一种井中激发—地面接收的测网式电磁法压裂监测观测系统,对测区范围与测点间距进行合理约束,系统具有野外施工简捷、监测深度大等优势,为电磁法压裂监测提供了新的发展方向。

关键词：充电导体电磁监测探测深度低值带水力压裂

深地工程多维信息感知与智能建造的发展与展望

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煤炭学报 2024年第3期49卷 1259-1290页

作者：张茹吕游张泽天任利谢晶张安林严志伟米欧四川大学水利水电学院四川成都610065 四川大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室四川成都610065 四川大学深地科学与工程教育部重点实验室四川成都610065 四川大学山区河流保护与治理全国重点实验室四川成都610065

随着大数据、云计算、人工智能等数字技术的加速演进,各领域智能化、信息化、数字化已成为未来的大势所趋。深地工程作为国家重大战略科技问题,必然面临智能化升级。然而,深部岩体“三高一扰动”的复杂特征给深地工程智能化转型带来严... 详细信息

随着大数据、云计算、人工智能等数字技术的加速演进,各领域智能化、信息化、数字化已成为未来的大势所趋。深地工程作为国家重大战略科技问题,必然面临智能化升级。然而,深部岩体“三高一扰动”的复杂特征给深地工程智能化转型带来严峻的挑战。为实现深地工程与数字技术的高效融合,研究基于“感知-传送-解译-分析-决策”的智能化实践路径,系统回顾了地下工程中智能感知、实时传输、信息解译、数据分析、智能决策等领域的代表性研究进展,并针对性提出了“多感知、快响应、大数据、优方法、精模型、强平台、易推广”的深地工程智能建造发展方向。研究表明:①前沿的深地工程感知技术包括:光纤传感器、MEMS传感器、计算机视觉、自动化机器人等,待数据采集完毕后,通过兼具配置简单、容错能力强、可移动性好等优点的无线通信协议完成数据的实时响应,以实现深地工程监测数据的精准感知与实时传输;②深地工程原位监测技术获取的数据类型主要包括图像、波、点云等,对原始数据解译及分析的模型众多,采用新一代的人工智能技术,如:人工神经网络和深度学习技术,可显著提高解译与分析的效率;③智能决策系统具备高效的学习能力,能够适应复杂环境下的不确定性,通过循环自主学习,以进行决策问题的智能解答。当前,我国深地工程智能建造的政策与产业体系已基本建立,大量智能建造系统已应用于实践。基于此,从智能感知与信息解译、围岩评价及安全评估、围岩控制与动态修复、平台开发及应用推广等4个方面展望了数智化深地工程的发展方向,进而构建了基于多源信息的深地工程围岩稳定性综合评价与分析系统构想。

关键词：深地工程人工智能实时响应信息解译数据分析智能决策

人工智能在太赫兹超材料设计与优化领域的研究进展

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激光与光电子学进展 2024年

作者：葛宏义补雨薇蒋玉英季晓迪贾柯柯吴旭阳张元张玉洁孙庆成王顺河南工业大学信息科学与工程学院河南工业大学粮食信息处理与控制教育部重点实验室河南工业大学人工智能与大数据学院河南省粮食光电检测与控制重点实验室

近年来，基于人工智能技术的超材料器件设计方法成为当前研究的焦点。人工智能技术的加入显著降低了超材料器件传统设计方法对设计人员电磁学理论及仿真经验的依赖，并有效缩减研究者的设计周期。然而，尽管该领域取得了一定进展，太赫... 详细信息

近年来，基于人工智能技术的超材料器件设计方法成为当前研究的焦点。人工智能技术的加入显著降低了超材料器件传统设计方法对设计人员电磁学理论及仿真经验的依赖，并有效缩减研究者的设计周期。然而，尽管该领域取得了一定进展，太赫兹波段的器件设计仍然是一个相对欠发展的领域。本文首先从器件功能的角度出发，对太赫兹超材料器件传统设计方法进行了细致梳理，同时关注可调谐多功能超材料器件的研究现状。此外，文章详细阐述了人工智能技术（机器学习、进化算法、深度学习等）如何为超材料器件基于结构参数的正向优化与基于电磁响应的逆向设计过程提供支持。最后对该领域的未来发展和挑战进行了探讨，旨在为从事相关研究的科研人员提供有益参考。

关键词：太赫兹超材料器件优化人工智能

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淮南深地地磁总场连续观测与时变特征

地球物理学报 2024年第2期67卷 820-828页

作者：郭良辉王博宋晓林王赟金承奕姚硕史钰峰陆内火山与地震教育部重点实验室(中国地质大学北京)北京100083 中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院北京100083 地质过程与矿产资源国家重点实验室(中国地质大学) 北京100083 山东航天电子技术研究所山东烟台264000

深地实验室具有电磁干扰小的"超净"地磁观测优势,已成为地磁观测的新平台和研究热点.为了评估淮南深地实验室地磁环境、认识地磁总场时变特征及地下与地面耦合性,我们于2022年在地下巷道(-848 m)和地表(+22 m)同步实施了地磁总场长期连... 详细信息

深地实验室具有电磁干扰小的"超净"地磁观测优势,已成为地磁观测的新平台和研究热点.为了评估淮南深地实验室地磁环境、认识地磁总场时变特征及地下与地面耦合性,我们于2022年在地下巷道(-848 m)和地表(+22 m)同步实施了地磁总场长期连续观测,对观测数据进行了功率谱、小波谱、地磁总场变化特征的分析及与附近的蒙城地磁台比对.研究结果表明:(1)地下无(或弱)磁干扰点位的地磁环境较优越,与蒙城地磁台相媲美,适用于地磁场变化的高精度、长期连续观测;(2)地下地磁观测可有效过滤地表上由工业与人类活动等的电磁干扰,其记录的地磁总场变化与蒙城地磁台具有较好的耦合性;(3)地下磁测可清晰记录地磁总场的平静变化、不同周期磁暴、地磁脉冲等丰富的时变信息,可为地球系统科学研究提供地磁学依据.

关键词：深地实验室地磁总场时间变化观测地磁环境

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基于差分进化算法的瞬变电磁一维反演

石油地球物理勘探 2024年第2期59卷 343-351页

作者：王少杰周磊谢兴兵毛玉蓉程见中严良俊长江大学地球物理与石油资源学院湖北武汉430100 长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室湖北武汉430100

实际采集的瞬变电磁数据包含电磁感应和激发极化效应,如何准确提取电阻率和极化率信息是电性源瞬变电磁数据处理的关键。首先,基于Cole⁃Cole复电阻率模型实现有限长电性源瞬变电磁法一维正演,在此基础上提出一种基于差分进化算法的电性... 详细信息

实际采集的瞬变电磁数据包含电磁感应和激发极化效应,如何准确提取电阻率和极化率信息是电性源瞬变电磁数据处理的关键。首先,基于Cole⁃Cole复电阻率模型实现有限长电性源瞬变电磁法一维正演,在此基础上提出一种基于差分进化算法的电性源瞬变电磁一维反演方法。然后,在传统差分进化算法的基础上引入反向学习策略及控制参数自适应调节,加快反演的收敛速度,同时在目标函数中引入约束条件,构成最小构造反演,降低反演的多解性。最后,基于典型的三层地电模型和复杂多层模型进行理论模型测试,反演结果可有效恢复模型的电阻率和极化率。利用实测资料进行反演,反演得到的电阻率与OCCAM反演电阻率基本一致。在此电阻率约束的基础上,进一步反演得到极化率信息。反演结果准确地提取了实测数据中的电阻率信息,得到了地下介质的极化率分布,证明了算法的准确性和适用性。

关键词：一维反演自适应差分进化算法反向学习策略电阻率极化率瞬变电磁

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相控电磁法观测系统初探

地球物理学进展 2024年第3期 1193-1205页

作者：李帝铨有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室(中南大学) 有色资源与地质灾害探测湖南省重点实验室中南大学地球科学与信息物理学院

电磁波具有动力学(振幅)和运动学(相位)性质，传统可控源电磁法场源研究中，主要利用了动力学性质，存在3个局限：(1)单源激发存在场的弱区甚至零值带；(2)采用双源或多源激发时，改变源与源之间的夹角，只利用电磁波的动力学性质，实... 详细信息

电磁波具有动力学(振幅)和运动学(相位)性质，传统可控源电磁法场源研究中，主要利用了动力学性质，存在3个局限：(1)单源激发存在场的弱区甚至零值带；(2)采用双源或多源激发时，改变源与源之间的夹角，只利用电磁波的动力学性质，实现某些方向的信号增强，但低值带仍然存在；(3)双源或多源同相位激发时的电磁场简单叠加不能实现宽方位测量.在实际工作中，无论是单源还是多源系统，可测量角度范围并无变化，无法扩展测量方位角.本文基于均匀半空间模型，讨论理想情况下综合利用电磁波的动力学和运动学性质，尝试采用双源实现可控源电磁法的宽方位测量：(1)改变源与源之间的夹角和发射电流相位差，消除信号弱区，实现电磁波分布在更宽广的区域上，或实现电磁波在某个特定方向上同相叠加，提高信噪比；(2)综合主射方向、主叶宽度、振幅变化特征等场的方向图特征信息，建立双源系统的宽方位测量区，实现360°全方位测量.相控电磁法可实现大面积测量，提高勘探效率，降低勘探成本，也可以提高某方向上的电磁场场强和信噪比，为城市等强干扰区的电磁探测开辟新路.

关键词：可控源电磁法相位控制场源方向图全方位测量

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高次谐波辐射与X射线量子光学(特邀)

光子学报 2024年第6期53卷 39-47页

作者：付逸飞赵迪李蓬勃李福利西安交通大学物理学院教育部物质非平衡合成与调控重点实验室陕西省量子信息与光电量子器件重点实验室西安710049

高次谐波产生过程是一种广泛、成熟、可行的制备相干量子光源的方案,在新兴的X射线量子光学领域有望得到应用。目前,量子光学已经在微波和可见光波段研发了诸如压缩态制备、诱导透明、高次谐波产生、多波混频等应用。X射线因其高精度、... 详细信息

高次谐波产生过程是一种广泛、成熟、可行的制备相干量子光源的方案,在新兴的X射线量子光学领域有望得到应用。目前,量子光学已经在微波和可见光波段研发了诸如压缩态制备、诱导透明、高次谐波产生、多波混频等应用。X射线因其高精度、高衍射极限、鲁棒性、穿透性和聚焦能力在理论上优于目前广泛采用的微波和可见光波段,在X射线波段下研发量子光学模型、量子信息单元和量子光学元件,有助于推动其向精密化,小型化发展。最近的研究将量子光学推广至X射线波段,产生了诸如X能标下的量子系统、单光子、脉冲、高次谐波产生相干X射线脉冲等创新性研究成果,发展了阿秒级的相干X射线量子光源。X射线光学与量子光学的交叉正在引来越来越多的关注,成为一个具有显著突破意义和应用前景的研究领域。

关键词：量子光学谐波产生非线性光学超快激光 X射线光学

社区尺度斜入射波场下场地-建筑群耦合作用模拟方法

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振动与冲击 2024年第4期43卷 1-11,37页

作者：巴振宁付继赛王方博梁建文牛嘉琪天津大学建筑工程学院天津300354 天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室天津300350 天津大学中国地震局地震工程综合模拟与城乡抗震韧性重点实验室天津300350

场地-城市相互作用(site-city interaction,SCI)效应会显著改变场地地震波场分布及建筑反应,基于SCI效应理论计算研究方法的发展现状,发挥谱元(spectral element,SE)法可快速高效求解三维地震波场传播和多自由度(multi-degree of freedo... 详细信息

场地-城市相互作用(site-city interaction,SCI)效应会显著改变场地地震波场分布及建筑反应,基于SCI效应理论计算研究方法的发展现状,发挥谱元(spectral element,SE)法可快速高效求解三维地震波场传播和多自由度(multi-degree of freedom,MDOF)模型计算量小且可同时模拟大量建筑的优势,同时,结合频率波数域(frequency wave number analysis,FK)方法,以等效地震荷载的方式施加地震波场,建立了FK-SE-MDOF耦合方法,实现了SE-MDOF耦合模型中多种波型(P波、SV波和SH波)的斜入射输入,解决了当前三维SCI效应研究方法中未能同时考虑建筑非线性、频谱特性、地震波波型及入射角度影响的问题。首先对方法原理进行了介绍;然后,通过与振动台试验的对比,验证了方法的正确性;进而,采用该方法建立理想场地-城市建筑群相互作用耦合模型,主要探讨了入射角度和地震波波型对SCI效应的影响,得到了一些有益结论。该方法较为真实地反映SCI效应影响的同时,可反映建筑基础轮廓对地震波场的影响,适用于需考虑建筑轮廓信息的社区尺度SCI效应研究,可为城市规划、抗震设计、风险评估以及震后救援等工作提供定量指导。

关键词：场地-城市相互作用(SCI) 频率波数域-谱元-多自由度模型(FK-SE-MDOF)方法斜入射建筑群社区尺度