准静态场至S波段电磁波与人体耦合典型场景的FDTD研究

发布时间：2017-10-01 03:20

  本文关键词：准静态场至S波段电磁波与人体耦合典型场景的FDTD研究

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【摘要】：时域有限差分算法是一种对时空域进行离散的迭代方法,已成为电磁场剂量学评估的重要工具。然而,受稳定条件的限制,该算法在处理准静态场、宽频电磁场和多反射非均匀电磁环境建模问题上具有一定局限性。如何在保证算法准确性基础上提高算法效率成为利用该方法研究生物组织与电磁场交互作用的热点问题之一。 为解决上述问题,本研究提出并验证了准静态电磁场的近似算法,宽频电磁场吸收剂量的时域和频域算法,基于惠更斯盒的多反射电磁环境的重建算法以及基于多项式混沌展开的电磁场数值计算不确定度求解算法等。论文的主要研究内容和创新点如下： (1)针对时域有限差分法求解准静态场时间开销过大的问题,本论文提出了以自由空间和电介质中的准静态场近似条件为前提,将麦克斯韦方程转化为准静态场求解方程的近似算法。验证算例表明：该近似方法相比于普通时域有限差分方法,在保证求得电场强度差异小于5%的情况下,计算效率大大提高。我们将该方法用于研究暴露于超低频均匀磁场中婴儿模型因姿态变化、身体接触等因素对体内感生电场的影响问题,结果表明婴儿模型的姿态变化对体内感生电场的改变小于5%,而身体接触会造成峰值电场强度显著上升。该结果已被IEEE TC95SC6标准工作组选定为优先研究对象。 (2)针对在宽频下色散生物组织的电磁场能量吸收求解复杂的问题,本论文提出时域和频域的求解算法,并将该方法用于评估暴露于电磁脉冲环境中大鼠的吸收剂量。结果表明：时域和频域方法得到的结果差异小于0.5%,但相比于频域方法,时域方法因避免了对信号进行傅立叶变换而节省了大量计算时间。在研究中对算法的多种技术细节和参数选择进行了探讨,这有助于形成规范化的计算协议。 (3)设计了具有宽覆盖频段(800MHz-3GHz),大工作区域(0.125m3),多种衰落(Rayleigh和Rician)场景,用于啮齿类动物照射的混响室。研究利用测量方法获取混响室内电场分布并验证其符合的衰落类型,同时基于等效源原理,利用惠更斯盒数值重建了混响室内的电磁环境。然后将该混响室用于大鼠的活体照射确定其体内剂量,并通过吸收截面法验证了数值计算结果的正确性。结果表明数值模拟和实验实测得到的比吸收率差异小于30%。本部分工作首次为生物电磁学中动物实验研究提供了可选择衰落因素的工具,拓展了以前一直以场强和频率为研究目标的量-效关系领域,开发的设备被多所高水平研究机构采用。 (4)生物体多种参数具有多变性,有限次的数值模拟难以全面反映实际情况。为有效评估数值计算不确定度和生物体参数敏感度,本研究将多项式混沌扩展法引入数值计算,并以具有不确定几何尺寸和电特性的圆柱体暴露于平面电磁场环境为例,研究输入参数的变化对圆柱体电磁波比吸收率的影响。不确定度分析结果表明圆柱体参数对比吸收率的不确定度影响随频率变化。敏感度分析结果表明圆柱体的电特性参数对比吸收率的影响比几何参数对比吸收率的影响大4倍多。该部分研究首次将模型几何参数纳入剂量学的不确定度研究的范围,对研究不同体态人体电磁剂量学的不确定度具有重要指导意义。
【关键词】：时域有限差分法 准静态场 宽频 衰落 不确定度分析
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O441
【目录】：

• 致谢4-6
• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 插图清单13-15
• 附表清单15-16
• ~.写和符号清单16-17
• 1 引言17-25
• 1.1 现状分析18-20
• 1.1.1 时域有限差分法的研究现状18-19
• 1.1.2 电磁场数值计算不确定度的研究现状19-20
• 1.2 课题来源20
• 1.3 选题意义20-21
• 1.4 主要创新点21-22
• 1.5 论文的组织结构22-25
• 2 时域有限差分法25-31
• 2.1 麦克斯韦方程25-26
• 2.2 麦克斯韦方程的FDTD形式26-28
• 2.3 FDTD的吸收边界条件28-29
• 2.4 FDTD的稳定条件29-31
• 3 准静态场的FDTD法研究及验证31-51
• 3.1 准静态场中电场与磁场关系31-33
• 3.2 似稳条件33-35
• 3.2.1 自由空间中的似稳条件34-35
• 3.2.2 电介质中的似稳条件35
• 3.3 准静态场求解方程35-37
• 3.4 准静态场近似算法误差分析37-39
• 3.4.1 验证场景37
• 3.4.2 似稳条件判断37-38
• 3.4.3 计算结果比较38-39
• 3.5 典型场景应用分析39-49
• 3.5.1 简介39-41
• 3.5.2 材料和方法41-44
• 3.5.3 结果与讨论44-49
• 3.5.4 结果的应用及其局限性49
• 3.6 本章小结49-51
• 4 宽频电磁场的FDTD法研究及验证51-68
• 4.1 介质色散模型52-54
• 4.1.1 Debye模型52-53
• 4.1.2 Lorentz模型53
• 4.1.3 Lorentz模型参数拟合53-54
• 4.2 宽频信号的FDTD法54
• 4.3 生物组织能量吸收的计算方法54-57
• 4.3.1 频域方法55
• 4.3.2 时域方法55-57
• 4.4 典型场景应用分析57-66
• 4.4.1 简介57
• 4.4.2 材料和方法57-60
• 4.4.3 结果和讨论60-66
• 4.5 本章小结66-68
• 5 混响室的FDTD法数值模拟研究及验证68-82
• 5.1 混响室基本原理68-70
• 5.1.1 最低可用频率68-69
• 5.1.2 场的均匀性和各项同性69
• 5.1.3 混响室的多径模型69-70
• 5.1.4 最大电场强度70
• 5.2 混响室设计及其数值模拟70-79
• 5.2.1 混响室设计70-71
• 5.2.2 混响室性能测试71-72
• 5.2.3 数值模拟72-73
• 5.2.4 实验验证73-74
• 5.2.5 结果与讨论74-79
• 5.3 本章小结79-82
• 6 FDTD法的不确定度研究及验证82-99
• 6.1 简介82-83
• 6.2 电磁场数值计算不确定度分析步骤83
• 6.3 数值计算的不确定度分析常用方法83-86
• 6.3.1 蒙特卡罗法83-84
• 6.3.2 多项式混沌展开法84-86
• 6.4 基于多项式混沌展开的FDTD法86-88
• 6.5 模型参数的采样方法88-90
• 6.6 敏感度分析90-92
• 6.6.1 敏感度分析步骤及其意义90-91
• 6.6.2 基于方差的敏感度分析方法91-92
• 6.7 典型场景分析92-95
• 6.7.1 材料和方法92-93
• 6.7.2 结果与讨论93-95
• 6.8 本章小结95-99
• 7 总结与展望99-101
• 参考文献101-113
• 作者简历及在学研究成果113-117
• 学位论文数据集117

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

1 王海彬;牛中奇;;人体对电磁脉冲吸收剂量的仿真研究[J];电波科学学报;2006年02期

2 毛从光,郭晓强,周辉,谢彦召;高空核电磁脉冲模拟波形的双指数函数拟合法[J];强激光与粒子束;2004年03期

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4 闫哲;毕晓亮;杨嘉祥;;电磁脉冲模拟器电磁场计算[J];强激光与粒子束;2009年02期

5 ;Effect of Electromagnetic Pulse Exposure on Brain Micro Vascular Permeability in Rats[J];Biomedical and Environmental Sciences;2009年03期

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本文编号：952034