高强度聚焦超声二维相控阵列的声场控制模式研究

研究了高强度聚焦超声热疗场的声场模式,并给出了二维相控阵列的声场模式控制算法。单焦点扫描声场模式在治疗中等偏大的肿瘤时容易引起非线性效应;采用基于伪逆矩阵的声场合成算法,直接形成了多焦点的控制模式,为焦域控制提供了新的思路。利用声场快速算法对30×30二维面阵的单焦点扫描声场模式和多焦点直接合成声场模式进行计算机仿真,仿真结果表明多焦点模式大大降低了焦点处的声强;而且基于此模式,采用加权优化算法对激励向量进行优化从而提高了阵列的激励效率,采用改进的特征向量优化算法优化了多焦点热疗模式的声场增益,增加了能量在目标体积的沉积,同时消除不期望的潜在热点,为超声热疗场的模式控制提供了理论依据。     

被控点声压直接加权的相控声场合成模式

为快速高效地对相控阵声场进行优化,对伪逆算法进行了简化.通过对被控点声压进行幅值和相位补偿,得到了一个近似的声压加权公式.应用该公式预设被控点声压值,然后运用改进的伪逆矩阵算法确定相控阵各阵元的振幅和相位,从而得到一个直接的多焦点声场合成模式.基于该合成模式设计了一16×16个正方形阵元构成的平面相控阵,并对多焦点声场的合成进行了数值仿真.结果表明,该方法可提高声能在目标点的沉积能力,具有较高的声场合成效率,为超声热疗中声聚焦控制提供了一条有效的途径.     

超声相控阵在多层媒质中的声场模式优化

针对超声在多层媒质中的传播特性,引入相位补偿因子并结合遗传算法, 提出了一种可对多层媒质进行声聚焦控制的方法.利用该方法对16×16二维超声相控阵在多层生物媒质中的多焦点声场模式进行了仿真,计算了生物媒质不同厚度层和不同吸收系数时的声场. 结果表明:该方法能优化多焦点声场模式,抑制旁瓣,提高声场增益,将声强最大限度地聚焦在目标区域内; 改变生物组织不同层的厚度和不同层的吸收系数,焦点位置不发生变化,但焦域内的声强会有所变化.     

球面矩形阵元相控阵高强度聚焦超声手术的子阵工作模式

提出了超声手术治疗肝肿瘤时非侵入性的球面矩形阵元相控阵的多种子阵工作模式:通过图像扫描来确定仅让不受肋骨遮挡的换能器子阵继续工作,并运用超声传播公式、伪逆矩阵算法和遗传算法进行声场的优化合成。结果表明:球面矩形阵元相控阵换能器的多种不同的子阵划分,不仅能够产生手术中需要的单焦点、多焦点等多种治疗模式,其声场的焦域形状和聚焦声强均达到了治疗的要求,而且能够减少肋骨上的声功率累积,避免了正常组织受损,从而可能解决高强度聚焦超声手术治疗肝肿瘤时超声波束受肋骨遮挡不能形成治疗需求声场模式的困难,拓宽治疗区域。     

海洋声场中分布式无源定位系统的节点配置方法

为了提高海洋声场中分布式无源定位系统的定位精度,提出一种基于自适应遗传算法的节点配置方法。首先,基于到达时间TOA(Time of Arrival)定位算法推导出均匀物理场与海洋声场中定位误差的CRLB(Cramer Rao Lower Bound)。之后,利用BELLHOP模型对海洋声场进行建模,获得任意位置处目标声源与节点接收信号相关的传递函数并对等效声速进行计算.以目标声源在观测区域内服从均匀分布为例,将定位误差的平均CRLB最小为优化准则,采用自适应遗传算法对节点进行优化配置。结果表明,该方法能够有效降低海洋声场中分布式无源定位系统的定位误差,并给出定位误差随节点个数增加呈非线性递减的变化趋势,可为工程应用提供理论指导。      

聚焦超声源对生物媒质加热的理论研究

用差分法求解生物热传导方程,研究了凹球面聚焦超声换能器用于热疗时在人体组织内产生的稳态温度场.引入热焦距及等温线,分析了换能器参数、生物组织特性参数对有效治疗区的影响,并对声场和温度场特征进行了比较 关键词： 聚焦超声 热疗 生物组织 温度场     

多阵元高强度聚焦超声多目标控制方法研究

对多阵元高强度聚焦超声非侵入外科治疗采用多目标控制方法可望取得好的温度控制性能.提出和构造了闭环控制的模糊控制器,从而得到好的温度特性 为得到理想的能量空间分布,专门形成了优化声场的模式控制 另外,重要参量辨识和开关模式控制技术是十分有效的控制方法.考虑非线性效应的仿真结果显示出优越的控制性能.随后的活体实验结果显示出好的温度响应特性,同时证实了多目标控制方法的可行性 关键词： 高强度聚焦超声 多目标 模糊逻辑     

耦合太阳能和地热能的冷热电联供系统优化

天然气和可再生能源互补是一种并行解决环境污染和克服可再生能源不稳定的有效方式,本文提出一种耦合太阳能和地热能的混合冷热电联供(CCHP)系统。基于以电定热(FEL)和以热定电(FTL)运行策略,提出了地源热泵出力比依照逐时电价和季节而变化的运行模式;以一次能源节约率、费用年值节约率以及二氧化碳减排率为目标函数,建立CCHP系统优化模型,运用多目标遗传算法对系统配置及运行策略进行了寻优求解。结果表明:该混合CCHP系统在FEL模式能够实现最优的综合性能.     

基于量子遗传算法的认知无线电决策引擎研究

提出了基于量子遗传算法的认知无线电决策引擎，设计了待优化的多目标函数，利用量子遗传算法调整优化无线电参数，运用多载波系统对算法性能进行了仿真分析.实验结果表明该方法在收敛速度、收敛精度和算法稳定性上都明显优于经典遗传算法，在种群规模较小时仍然能获得很好性能，适合于实际实现.不同权重设置模式下仿真结果表明该方法能够在多个目标函数间进行权衡，参数调整结果与当前对目标函数的偏好一致.     

基于最小二乘法的均匀扩声技术研究

针对目前室外及超大型室内空间的扩声应用中声场分布不均匀的问题,本文提出了一种基于最小二乘法声场重建方法的扩声技术。该技术通过对目标声场的逼近来计算线性扬声器阵列各通道的输入参数,实现扩声区域内声压级的均匀分布,同时约束非扩声区域的声能量以获得较好指向性。本文通过仿真研究算法各参数的改变对控制结果的影响,探讨不同扩声区域和目标所对应参数的选取方法。仿真和实验比较了该算法以及未经控制的声场、相移法波束控制的效果,证明该方法可以获得更好的声场均匀度。     

复杂流场的超声-激光测量原理研究

本文从复杂流场—旋涡场参量的超声—激光测试方法的需要出发,论述了超声波产生的声相位光栅对激光产生的偏转效应.并研制了适用于产生空气超声相位光栅的大功率高频超声换能器、位移灵敏接收器、数字相位差测定仪等设备,采用了超声发射的匹配技术等,从而获得了明显的空气超声-激光偏转效应,并且测定了两光束的偏转时间差.本文的结果为利用超声-激光的空气声光偏转效应测量空气旋涡流场参量提供了实验依据.     

构造共轭场的微扰算法

提出用两个变形镜实现场共轭的微扰算法,并进行了数值模拟,结果表明,运用该算法所得到的衍射场的强度分布与要求场的强度分布两者之间相当吻合,同时对强度的误差大小及变形镜动态范围的要求作了初步的分析与估计。     

双激光束干涉条纹处理方法的研究

在分析了双激光束干涉条纹特点的基础上 ,提出了基于遗传算法的最小二乘非线性曲线拟合法 ,以实现对双激光束干涉条纹的高精度细分定位。该算法以高斯调制余弦平方函数为拟合模型 ,为克服目标函数在参数空间上存在多极 (小 )值现象 ,引入了具有全局优化能力的遗传算法以实现对目标函数寻优。仿真及实验研究表明 :该方法用于双光束干涉条纹处理具有很好的鲁棒性和自适应能力     

STUDY ON THE RADIATION ACOUSTIC FIELD OF RECTANGULAR RADIATORS IN FLEXURAL VIBRATION

In this paper, the radiation acoustic field of a rectangular radiator in flexural vibration is studied. The radiator is a rectangular thin plate in flexural vibration with simply supported boundary conditions. Based on the theory of Rayleigh integral, the acoustic pressure distribution of the radiator in its far field is obtained analytically and the near acoustic field of the radiator is also computed numerically. In the near field, the three-dimensional acoustic pressure distribution is obtained. In the far field, the two- and three-dimensional acoustic pressure distribution patterns are calculated. The dependence of the radiation acoustic pressure of the radiator on the vibrational order of the plate in flexural vibration is analyzed. It is demonstrated that the radiation acoustic pressure along the central axis of the radiator is always zero in the near and far acoustic fields, and the radiation near acoustic field and the far acoustic field are both directional. This is different from the acoustic field generated by an oscillating piston. On the other hand, when the vibrational order is increased, the acoustic pressure distribution of the radiator becomes complex.     

Vector-phase characteristics of acoustic fields: Statistical analysis and measurement algorithms

Statistical characteristics of an acoustic field that are based on the data of simultaneous measurements of pressure and acoustic velocity vector are investigated. Conditions of the formation of vector-phase characteristics of acoustic field are formulated in relation to the dispersion properties of the medium. Crosscorrelation functions of the components of the vector field are presented. Expressions for the characteristic functionals of vector-phase relationships in acoustic fields and, in particular, for the acoustic energy flux are derived with the use of functional methods. Algorithms of space-time processing of the energy flux vector and the optimum measurement algorithm for a Gaussian vector-phase field are considered. The signal-to-noise ratio is determined as the quality index of vector reception algorithms, and its relation to the corresponding parameter of scalar pressure field measurements is revealed. Indices of relative efficiency of vector algorithms are determined depending on the dispersion characteristics of the medium (the flux algorithm) and the dimension of the input vector of observations (the optimum algorithm).     

基于自适应遗传算法的改进PID参数优化

PID控制的控制性能取决于PID参数的设置,针对传统PID参数整定和优化过程中存在的问题进行了PID控制改进,提出了自适应遗传算法整定和优化PID参数的方法。改进PID控制将系统的综合性能控制区分为不同目标的局部性能控制,采用自适应遗传算法针对不同控制目标进行PID参数寻优,选择、交叉和变异概率的自适应改变在保持种群多样性的同时加快算法收敛。改进的PID控制和遗传算法有效提高了PID参数寻优能力,提高了控制系统的响应能力和稳定性。最后通过发动机怠速转速控制应用表明本算法的可行性和有效性。     

Design optimization of broadband extreme ultraviolet polarizer in high-dimensional objective space

With the purpose of designing the extreme ultraviolet polarizer with many objectives, a combined application of multi-objective genetic algorithms is theoretically proposed. Owing to the multi-objective genetic algorithm, the relationships between different designing objectives of extreme ultraviolet polarizer have been obtained by analyzing the distribution of nondominated solutions in the four-dimensional objective space, and the optimized multilayer design can be obtained by guiding the searching in the desired region based on the multi-objective genetic algorithm with reference direction. Compared with the conventional method of multilayer design, our method has a higher probability of achieving the optimal multilayer design. Our work should be the first research in optimizing the optical multilayer designs in the high-dimensional objective space, and our results demonstrate a potential application of our method in the designs of optical thin films.     

GA-based optimization of a MIMO ANC system considering coupling of secondary sources in a telephone kiosk

In this paper a multi-input, multi-output (MIMO) active noise control system with the aim of global reduction of broadband noise in a telephone kiosk is addressed. The model selected for this optimization problem is the acoustic environment of an enclosure taking into account the effect of coupling of secondary sources used for control purpose. This optimization involves finding the best locations for loudspeakers and microphones inside the enclosure as well as optimizing the control signals considering secondary source coupling.Previous results show that in order to be able to reduce acoustic noise globally inside the enclosure, the frequency range of 50-300 Hz must be selected for control purpose. The mean of acoustic potential energy of the enclosure, when excited in this frequency range, is adopted as a performance measure. This performance index is penalized with the power of the signal required to excite secondary loudspeakers, in order to avoid placements that may need high voltage power amplifier for a desired performance. To find the solution of this problem, i.e. the global minimum of the performance index, several genetic algorithms are proposed and compared. In order to attain the best achievable performance in reaching the global minimum, the parameters of these genetic algorithms are tuned, and used for optimization purpose. Numerical simulations of the acoustical potential energy as well as the sound pressure at different heights of the kiosk, when active noise control (ANC) system operates, confirm the optimality of the locations proposed by the genetic algorithm.     

多无人机三维群集算法的适用性研究与改进

针对多无人机群三维空间运动的复杂群集控制问题,提出了基于生物群集行为、依据Reynolds规则描述的三维群集控制算法。已有的研究大多将无人机群集运动简化为二维平面运动,但这不符合实际控制需求。为此,将群集控制算法和人工势场算法推广到三维无人机群集控制中,建立了三维无人机群空间运动模型,通过多种不同条件下的仿真,研究了两种算法在三维群集控制中的有效性。结果显示两种算法用于三维群集控制均具有一定效果,但相对二维所需要的条件更为苛刻。同时,注意到智能算法具有更好的群体聚集效果,而人工势场算法则避碰效果更迅速明显。据此,对人工势场算法和智能算法进行了改进,通过在距离大于平衡点时采用智能算法聚集,在距离小于平衡点时采用人工势场算法避碰,得到能同时获得更好的聚集、避碰效果的新的群集控制算法。