發(fā)布時間：2017-10-01 03:20

  本文關(guān)鍵詞：準(zhǔn)靜態(tài)場至S波段電磁波與人體耦合典型場景的FDTD研究

  更多相關(guān)文章： 時域有限差分法 準(zhǔn)靜態(tài)場 寬頻 衰落 不確定度分析

【摘要】：時域有限差分算法是一種對時空域進(jìn)行離散的迭代方法,已成為電磁場劑量學(xué)評估的重要工具。然而,受穩(wěn)定條件的限制,該算法在處理準(zhǔn)靜態(tài)場、寬頻電磁場和多反射非均勻電磁環(huán)境建模問題上具有一定局限性。如何在保證算法準(zhǔn)確性基礎(chǔ)上提高算法效率成為利用該方法研究生物組織與電磁場交互作用的熱點問題之一。 為解決上述問題,本研究提出并驗證了準(zhǔn)靜態(tài)電磁場的近似算法,寬頻電磁場吸收劑量的時域和頻域算法,基于惠更斯盒的多反射電磁環(huán)境的重建算法以及基于多項式混沌展開的電磁場數(shù)值計算不確定度求解算法等。論文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點如下： (1)針對時域有限差分法求解準(zhǔn)靜態(tài)場時間開銷過大的問題,本論文提出了以自由空間和電介質(zhì)中的準(zhǔn)靜態(tài)場近似條件為前提,將麥克斯韋方程轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)靜態(tài)場求解方程的近似算法。驗證算例表明：該近似方法相比于普通時域有限差分方法,在保證求得電場強度差異小于5%的情況下,計算效率大大提高。我們將該方法用于研究暴露于超低頻均勻磁場中嬰兒模型因姿態(tài)變化、身體接觸等因素對體內(nèi)感生電場的影響問題,結(jié)果表明嬰兒模型的姿態(tài)變化對體內(nèi)感生電場的改變小于5%,而身體接觸會造成峰值電場強度顯著上升。該結(jié)果已被IEEE TC95SC6標(biāo)準(zhǔn)工作組選定為優(yōu)先研究對象。 (2)針對在寬頻下色散生物組織的電磁場能量吸收求解復(fù)雜的問題,本論文提出時域和頻域的求解算法,并將該方法用于評估暴露于電磁脈沖環(huán)境中大鼠的吸收劑量。結(jié)果表明：時域和頻域方法得到的結(jié)果差異小于0.5%,但相比于頻域方法,時域方法因避免了對信號進(jìn)行傅立葉變換而節(jié)省了大量計算時間。在研究中對算法的多種技術(shù)細(xì)節(jié)和參數(shù)選擇進(jìn)行了探討,這有助于形成規(guī)范化的計算協(xié)議。 (3)設(shè)計了具有寬覆蓋頻段(800MHz-3GHz),大工作區(qū)域(0.125m3),多種衰落(Rayleigh和Rician)場景,用于嚙齒類動物照射的混響室。研究利用測量方法獲取混響室內(nèi)電場分布并驗證其符合的衰落類型,同時基于等效源原理,利用惠更斯盒數(shù)值重建了混響室內(nèi)的電磁環(huán)境。然后將該混響室用于大鼠的活體照射確定其體內(nèi)劑量,并通過吸收截面法驗證了數(shù)值計算結(jié)果的正確性。結(jié)果表明數(shù)值模擬和實驗實測得到的比吸收率差異小于30%。本部分工作首次為生物電磁學(xué)中動物實驗研究提供了可選擇衰落因素的工具,拓展了以前一直以場強和頻率為研究目標(biāo)的量-效關(guān)系領(lǐng)域,開發(fā)的設(shè)備被多所高水平研究機構(gòu)采用。 (4)生物體多種參數(shù)具有多變性,有限次的數(shù)值模擬難以全面反映實際情況。為有效評估數(shù)值計算不確定度和生物體參數(shù)敏感度,本研究將多項式混沌擴(kuò)展法引入數(shù)值計算,并以具有不確定幾何尺寸和電特性的圓柱體暴露于平面電磁場環(huán)境為例,研究輸入?yún)?shù)的變化對圓柱體電磁波比吸收率的影響。不確定度分析結(jié)果表明圓柱體參數(shù)對比吸收率的不確定度影響隨頻率變化。敏感度分析結(jié)果表明圓柱體的電特性參數(shù)對比吸收率的影響比幾何參數(shù)對比吸收率的影響大4倍多。該部分研究首次將模型幾何參數(shù)納入劑量學(xué)的不確定度研究的范圍,對研究不同體態(tài)人體電磁劑量學(xué)的不確定度具有重要指導(dǎo)意義。
【關(guān)鍵詞】：時域有限差分法 準(zhǔn)靜態(tài)場 寬頻 衰落 不確定度分析
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O441
【目錄】：

• 致謝4-6
• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 插圖清單13-15
• 附表清單15-16
• ~.寫和符號清單16-17
• 1 引言17-25
• 1.1 現(xiàn)狀分析18-20
• 1.1.1 時域有限差分法的研究現(xiàn)狀18-19
• 1.1.2 電磁場數(shù)值計算不確定度的研究現(xiàn)狀19-20
• 1.2 課題來源20
• 1.3 選題意義20-21
• 1.4 主要創(chuàng)新點21-22
• 1.5 論文的組織結(jié)構(gòu)22-25
• 2 時域有限差分法25-31
• 2.1 麥克斯韋方程25-26
• 2.2 麥克斯韋方程的FDTD形式26-28
• 2.3 FDTD的吸收邊界條件28-29
• 2.4 FDTD的穩(wěn)定條件29-31
• 3 準(zhǔn)靜態(tài)場的FDTD法研究及驗證31-51
• 3.1 準(zhǔn)靜態(tài)場中電場與磁場關(guān)系31-33
• 3.2 似穩(wěn)條件33-35
• 3.2.1 自由空間中的似穩(wěn)條件34-35
• 3.2.2 電介質(zhì)中的似穩(wěn)條件35
• 3.3 準(zhǔn)靜態(tài)場求解方程35-37
• 3.4 準(zhǔn)靜態(tài)場近似算法誤差分析37-39
• 3.4.1 驗證場景37
• 3.4.2 似穩(wěn)條件判斷37-38
• 3.4.3 計算結(jié)果比較38-39
• 3.5 典型場景應(yīng)用分析39-49
• 3.5.1 簡介39-41
• 3.5.2 材料和方法41-44
• 3.5.3 結(jié)果與討論44-49
• 3.5.4 結(jié)果的應(yīng)用及其局限性49
• 3.6 本章小結(jié)49-51
• 4 寬頻電磁場的FDTD法研究及驗證51-68
• 4.1 介質(zhì)色散模型52-54
• 4.1.1 Debye模型52-53
• 4.1.2 Lorentz模型53
• 4.1.3 Lorentz模型參數(shù)擬合53-54
• 4.2 寬頻信號的FDTD法54
• 4.3 生物組織能量吸收的計算方法54-57
• 4.3.1 頻域方法55
• 4.3.2 時域方法55-57
• 4.4 典型場景應(yīng)用分析57-66
• 4.4.1 簡介57
• 4.4.2 材料和方法57-60
• 4.4.3 結(jié)果和討論60-66
• 4.5 本章小結(jié)66-68
• 5 混響室的FDTD法數(shù)值模擬研究及驗證68-82
• 5.1 混響室基本原理68-70
• 5.1.1 最低可用頻率68-69
• 5.1.2 場的均勻性和各項同性69
• 5.1.3 混響室的多徑模型69-70
• 5.1.4 最大電場強度70
• 5.2 混響室設(shè)計及其數(shù)值模擬70-79
• 5.2.1 混響室設(shè)計70-71
• 5.2.2 混響室性能測試71-72
• 5.2.3 數(shù)值模擬72-73
• 5.2.4 實驗驗證73-74
• 5.2.5 結(jié)果與討論74-79
• 5.3 本章小結(jié)79-82
• 6 FDTD法的不確定度研究及驗證82-99
• 6.1 簡介82-83
• 6.2 電磁場數(shù)值計算不確定度分析步驟83
• 6.3 數(shù)值計算的不確定度分析常用方法83-86
• 6.3.1 蒙特卡羅法83-84
• 6.3.2 多項式混沌展開法84-86
• 6.4 基于多項式混沌展開的FDTD法86-88
• 6.5 模型參數(shù)的采樣方法88-90
• 6.6 敏感度分析90-92
• 6.6.1 敏感度分析步驟及其意義90-91
• 6.6.2 基于方差的敏感度分析方法91-92
• 6.7 典型場景分析92-95
• 6.7.1 材料和方法92-93
• 6.7.2 結(jié)果與討論93-95
• 6.8 本章小結(jié)95-99
• 7 總結(jié)與展望99-101
• 參考文獻(xiàn)101-113
• 作者簡歷及在學(xué)研究成果113-117
• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集117

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：952034