随机相控高强度聚焦超声换能器的栅瓣抑制

采用3种随机排列策略形成相控阵元线性排列结构抑制高强度聚焦超声(HIFU)相控阵栅瓣。第1种和第2种策略中阵元基于规则排列随机移动,而第3种策略中阵元则直接进行随机移动,阵元可移动范围依次为:第1种<第2种<第3种。采用瑞利积分和非线性Westervelt方程分别计算了3种策略对应随机相控阵产生的线性和非线性声场,并通过归一化栅瓣最大声压、归一化栅瓣平均声强和归一化旁瓣平均声强3个参量,对栅瓣抑制效果进行评价。结果表明:线性声场中,阵元可移动范围的增加有利于栅瓣抑制,3种随机策略的归一化栅瓣最大声压相比规则排列分别降低30.7%,53.8%和55.8%;非线性声场中对于同一种随机排列策略,随机度的增加可以改善栅瓣抑制效果。例如,第3种随机策略在随机度为0.9时正负压的归一化栅瓣最大声压相比规则排列分别降低55.6%和54.8%。进一步讨论了焦点偏移时随机相控阵的非线性声场,以-8 dB作为栅瓣的安全标准,第2种和第3种随机策略可以满足要求,横向偏移分别为6 mm和10 mm。本文的工作为抑制栅瓣提供了新思路,有利于随机HIFU相控阵的设计优化。      

基于遗传算法的不等间距阵优化方法

阵元数一定情况下,针对不等间距拖线阵高频信号处理存在的空间增益和无栅瓣兼容问题,提出一种基于遗传算法的不等间距拖线阵阵型优化方法。该方法以频带交互下最大旁瓣级最小作为约束因子,通过模拟生物自然进化过程搜索全局最优解,得到优化后的阵元位置。优化后阵型在保证低频信号处理空间增益不变情况下,实现对高频信号高空间增益、无栅瓣处理。计算机仿真结果表明：相比未优化阵型,在高频信号处理方面,优化后阵型在无栅瓣情况下,空间增益提升值近似理论值提升值;在低频信号处理方面,优化后阵型具有相同的空间增益。为实际不等间距拖线阵阵型优化和应用提供了一种思路。     

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。     

固体中线性相控阵列的瞬态聚焦特性

针对线性相控阵列在固体介质中的声场聚焦特性及参数优化问题,该文给出了一个线性阵列的纵波瞬态聚焦声场模型.数值结果表明,当阵元被短时脉冲信号激励时,瞬态聚焦声场中不会形成栅瓣,突破了传统稳态理论模型中对阵元间距的限制;同时由于横纵波在聚焦区域内可完全分离,声束旁瓣的幅值也得到了抑制.其次,增大阵元间距能够显著提高聚焦性能...     

微纳相控线阵超声换能器参数的理论分析*

微纳相控线阵超声换能器参数(阵元数目、阵元宽度及阵元间距)直接影响其横向声场分布,而其横向声场分布是能否实现高成像分辨率、大探测深度的决定性因素,也是制备换能器的主要依据。该文利用数值模拟研究微纳相控线阵超声换能器阵元参数对其横向声场中主瓣强度、-3 dB主瓣宽度、第一级旁瓣及栅瓣的影响。结果表明,主瓣强度随着阵元数目增加而增大,随阵元间距减小而增大,随着阵元宽度的增大呈现先增大后减小的趋势;-3 dB主瓣宽度随着阵元数目和阵元间距的增大而减小,随着阵元宽度的减小而减小;此外,减小阵元数目、减小阵元间距或增大阵元宽度均可以抑制旁瓣;栅瓣在阵元间距满足一定条件时可以完全消除。通过这些研究为微纳相控线阵超声换能器的优化设计与制备提供理论参考。     

相控阵高强度聚焦超声高阵元驱动效率相位独立控制方法

针对如何简化上百阵元高强度聚焦超声相控阵控制模块的问题,本文提出高阵元驱动效率的相位独立控制方法。利用该方法计算了一种256阵元中心开孔球面相控阵的聚焦声场,并与传统的幅度相位综合控制方法进行了分析和比较。计算和实验结果表明该方法在简化相控阵驱动控制模块、提高阵元驱动效率的同时,可以有效实现相控阵的空间三维单焦点聚焦。由于阵元驱动控制的简化而引起的焦域能量偏差,可以通过适当调整相控阵输入总声功率进行有效的补偿。      

基于爬坡算法的片上低栅瓣二维光学相控阵

通过两级定向耦合器结构实现了光学相控阵天线阵列的二维排布,并设计了特殊C形弯曲波导进行热调作为阵元的相位控制器.提出一种针对阵元数量不高的稀布片上光学相控阵远场高阶干涉栅瓣的压缩方法.将均匀的阵元间距通过爬坡算法优化成非均匀间距,以破坏栅瓣产生所需的干涉相长条件,实现对栅瓣的压缩作用.在1 310nm波长,通过时域有限差分法对基于微型光栅耦合器天线的稀布阵列进行计算分析,结果表明优化的阵元间距能实现-6~-7dB的栅瓣抑制比.     

基于FPGA的高强度聚焦超声相位控制系统设计*

多阵元相控阵换能器具有焦距可调和可实现经颅聚焦等优势,近来受到众多研究者的关注,其相位控制系统是决定多阵元相控换能器能否应用于临床的关键技术之一。在输出信号稳定的同时提高高强度聚焦超声相位控制系统精度是设计过程中的重点与难点。本文基于现场可编程门阵列设计了一种高强度聚焦超声相位控制系统。实测结果表明,多通道延时分辨率为1 ns,延时误差小于1 ns,可满足多阵元高强度聚焦超声治疗相控聚焦换能器延时精度的需要。     

阵元随机均匀分布球面阵列联合噪声源定位方法

基于球面传声器阵列的噪声源定位方法,设计加工了阵元随机均匀分布64元球面传声器阵列,研究了球面近场声全息和球谐函数模态展开聚焦波束形成联合噪声源定位识别方法,对算法的性能进行了仿真分析,并利用球面传声器阵列进行了噪声源的定位识别试验.研究表明,阵元随机均匀分布球面阵列具有全空间稳定的目标定位性能,球面近场声全息对低频近距离声源具有较高的定位精度,球谐函数模态展开聚焦波束形成对高频远距离声源具有较高的定位精度,将两种方法联合进行声源的定位识别,可以在较小孔径的球面阵列和较少阵元的条件下,在宽频带范围内获得对目标声源良好的定位性能.     

基于相控聚焦原理的悬浮微粒操控研究

设计了凹球面双发射极超声阵列结构,并结合相控聚焦原理,通过FPGA硬件系统实时控制换能器输入信号的相位参量,形成悬浮能力较强的驻波聚焦声场.根据预设的悬浮微粒移动轨迹,有规律地调节阵元信号的相位差,实现超声波束的动态聚焦,在声场移动的同时,带动波节附近悬浮微粒的移动.分别在竖直面与水平面操控微粒移动,研究微粒移动的准确...     

非均匀钹式换能器平面阵指向性特性研究

针对钹式基阵工作频率低、布阵紧凑导致阵元之间互干扰严重、指向性能退化的现象,本文在均匀平面基阵的基础上提出强度可调节的非均匀平面基阵,建立了基阵指向性能的数学模型,通过数值计算的方法分析阵元间距和中心阵元声强度变化对基阵指向性能的影响。研究给出了主瓣宽度、旁瓣个数、栅瓣个数随阵元间距的变化规律,总结了在各种工作频率下,基阵可用的最大阵元间距。研究结果表明:中心阵元强度增大时,基阵的总体指向性稍有降低。所以当通过调整阵元间距和强度来优化基阵指向性能时,应综合考虑它们对基阵其它性能的影响,以获得最佳的总体性能。     

热疗用聚焦超声换能器的研究

本文通过数值计算及实际测量,研究了凹球面声透镜聚焦换能器及凹球面自聚焦换能器产生的声场,证实此两种聚焦方式均可获得理想的聚焦效果,但自聚焦方式更适合高强度聚焦超声(HIFU)加热治疗。     

吡啶B_1(nπ~* )态(2 3)偏振共振多光子电离谱中6a_0~1带型模拟及转动常量确定

通过模拟吡啶Ｂ１（ｎπ）态（２＋３）偏振共振多光子电离谱中转动结构可部分分辨的６ａ１０带型,获得了该态上吡啶分子的转动常量,分别为Ａ′＝０２１６７０ｃｍ－１,Ｂ′＝０１６７５８ｃｍ－１,Ｃ′＝００９４５０ｃｍ－１．表明氮原子上的一个孤对电子跃迁进入π轨道后氮原子自身电负性减弱,吡啶分子构架总体上张开．此外,比较６ａ１０实测谱带与理论曲线,发现了湮没于６ａ１０谱带高强度之下尚未见报道的１７ａ１０６ａ１０１２１０和１１ｂ１０两个谱带     

无源声呐稀疏阵无栅瓣性能分析

计算机模拟、实际声呐信号和理论分析证明了在无源声呐中只要信号带宽足够宽(带宽大于1个倍频程),无源声呐中用稀疏阵,即基元间距大于信号波长的基阵,波束图中不会出现栅瓣特性。白化目标信号可满足尽量宽的信号带宽,有利于无栅瓣波束的设计。结论是只要保证足够宽的信号带宽,无源声呐工作频段中最高频率的波长可小于基阵中阵元间隔而可使阵波束特性不出现栅瓣。     

密集阵高功率微波空间功率合成

对基于矩形阵列的高功率微波二维密集阵阵列合成进行了研究。仿真分析了均匀矩形栅格阵列的远场方向图,结果表明采用密集阵可以实现高效的、具有确定主波束的空间功率合成。并分析了阵元间距及阵元初相位对阵列空间功率合成的影响,结果表明:阵元间距越小,栅瓣越少,主波束宽度越宽,具有确定主波束的临界距离越小;当目标高度超过阵临界距离时,阵元初相位相差越小合成效率越高,阵列初相位分布范围超过/2时,阵列得不到确定的主波束,进行阵列设计时应充分考虑阵元间距及初相位对阵列合成的影响。     

（Bi,Pb）2Sr2（R,Ce）2Cu2O10＋δ超导体碘嵌入后结构和Tc变化研究

超导体系（Ｐｂ１．８Ｐｂ０．２）Ｓｒ２（Ｒ１．７Ｃｅ０．３）Ｃｕ２Ｏ１０＋δ（Ｒ＝Ｎｄ，Ｓｍ，Ｃｄ，Ｙ）经碘嵌入后形成一个ｃ轴拉长的新结构。每个式子可含一个碘原子。碘使每个（ＢｉＯ）双层膨胀３．４至３．６Ａ，体系氧含量减少从而导致Ｔｃ下降。与其它超导体系相比，碘嵌入的样品的（ＣｕＯ２）面间距很大，但Ｒ＝Ｓｍ，Ｎｄ的样品仍然超导，这意味着（ＣｕＯ２）面间偶合对超导性产生并不重要。     

Dy^3＋掺杂的氟锆酸盐玻璃的光谱性质

测量了氟锆酸盐玻璃中Ｄｙ＾３＋离子的吸收光谱和荧光光谱。根据Ｄｙ＾３＋离子的吸收光谱,得到氟锆酸盐玻璃中Ｄｙ＾３＋离子的Ｊ－Ｏ参量Ω,Ω３．２９×＾２０ｃｍ＾２,Ω４＝１．５６×１０＾２０ｃｍ＾２,Ω６＝２．４８±１０＾２０ｃｍ＾２,经计算了氟锆酸盐玻璃中ｙ＾３＋离子的发射特性,计算了Ｄｙ＾３＋离子１．３μｍ发射的＾６Ｆ１１／２（６Ｈ９／２）→６Ｈ１５／２跃迁的发射截面σ＝０．６２×１０＾－２０ｃ     

水下声成像中旁瓣抑制方法及其实验研究

提出了一种近场条件下采用不等间隔阵并进行孔径变迹处理的水下声成像旁瓣抑制方法,并进行了理论和实验研究。考虑以球面波传播理论为基础的聚焦波束形成,首先通过阵元位置微调,设计了可实现低旁瓣的不等间隔阵,从单程波束响应上降低旁瓣;然后,将孔径变迹处理方法应用于水下声成像中,全部阵元用于接收,部分阵元用于发射,从双程波束响应上进一步降低旁瓣。通过水池实验对所提出的方法进行了验证。结果表明:采用不等间隔阵并进行孔径变迹处理可以更为有效地降低旁瓣,而主瓣仅有小量展宽,且该方法工程应用简便易行,在改善成像质量的同时降低了系统复杂度。      

激光驱动的光阴极研究

论述激光驱动的光阴极实验研究。包括直流高压真空试验系统，测试装置和实验结果及其分析讨论。ＬａＢ６、纯金属铜（Ｃｕ）和钐（Ｓｍ）以及半导体碲化铯（Ｃｓ２Ｔｅ）三类有代表性光阴极的量子效率分别是６×１０－４、３．８×１０－４、１１．６×１０－４和（２～６）×１０－２。利用ＫｒＦ激光，１８ｋＶ极间电压下饱和电流密度分别为７０Ａ／ｃｍ２、５０Ａ／ｃｍ２、１０２Ａ／ｃｍ２和５７Ａ／ｃｍ２。用多孔板法测得的归一化发射度约１０πｍｍ·ｍｒａｄ。     

前视声呐圆弧接收阵列结构优化设计

针对前视声呐线阵波束形成各向同性较差及半圆阵有效孔径受限的问题,提出了一种优化的圆弧接收阵列结构设计方法。根据不同的成像开角,设计圆弧接收阵圆心角使全部阵元参与所有来波方向的波束形成。建立圆弧接收阵的远近场聚焦模型,并推导圆弧接收阵的指向性函数,根据边界波束栅瓣阈值条件计算具有最佳波束性能的圆弧接收阵半径。对圆弧阵、线阵及半圆阵在不同扇区开角下的波束性能及扫查开角120°、纵深100 m的仿真图像对比表明,在成像开角为90°到130°时,圆弧接收阵主瓣性能提升了8%,边界波束栅瓣级优化了4%,交叉向分辨深度相对线阵与半圆阵分别增加了20 m和45 m,同时参数存储量仅为线阵的2.7%。该阵列兼具有效孔径大、波束各向同性的优点,能有效提高前视声呐系统探测性能,并降低算法实现难度。