快前沿纳秒高压脉冲源的开发及实验研究

针对国际电工委员会1996年制定的IEC61000 2 9和美国国防部1999年修定的MIL STD 461E标准提出的高空核爆电磁脉冲波形,研制了一台新型纳秒高压脉冲源。其产生的双指数波脉冲前沿小于3ns,脉宽58ns,幅度可达4kV,此外还可产生前沿小于2ns、幅度最高为4kV的脉冲方波;两种脉冲均可实现单次和间歇可调输出。介绍了脉冲源的电路设计和调试结果,通过实验对比了MIL STD 461E与MIL STD 461D两种双指数波形条件下某测控系统模块的干扰耦合效应。

脉冲电流探头的时域标定研究

介绍了一种Rogowski线圈脉冲电流探头时域标定和标定数据处理的方法,将脉冲法时域标定的结果和频域标定结果进行了比较。针对电流探头的低频失真,采用系统辨识方法建立了测量系统的动态模型,并对探头输出信号的失真进行校正。实测数据验证了所建模型的有效性,设计出的数字补偿滤波器可将测量系统校正为一理想的比例环节。

高强度聚焦超声换能器的宽带阻抗匹配

高强度聚焦超声(HIFU)治疗系统为实现从功率源到超声换能器的最大电功率传输,需在功率源与超声换能器之间设计阻抗匹配网络。无源器件匹配可实现超声换能器电阻抗的精确匹配,但其宽带匹配的解析设计理论较复杂。本文利用简化实频法对HIFU换能器进行了宽带匹配网络设计,采用Levenberg-Marquardt法对传输功率增益进行了优化,优化后的功率传输增益在200k Hz的通带内为0.9左右,且较为平滑;针对HIFU换能器进行的宽带阻抗匹配和声功率测试表明,采用传输功率增益优化设计出的宽带匹配网络能有效拓宽换能器的工作频带。

电磁脉冲对方舱簧片屏蔽门耦合效应的数值分析

利用时域有限差分法研究了高空核电磁脉冲对方舱簧片屏蔽门的耦合效应,采用阶梯型结构等效了屏蔽门的弧形金属弹簧片,分析了电磁脉冲不同极化方向、入射角度以及簧片间距、刀片深度和门框填充材料对耦合效应的影响,研究表明:簧片屏蔽门对电磁脉冲具有较高的屏蔽效能,通过减小簧片间距,加大刀片插入深度和填充门框导电材料等方法可进一步提高簧片屏蔽门的屏蔽效能。计算结果为方舱屏蔽设计和电磁防护加固提供了理论参考。

基于Marx和LTD拓扑的全固态复合模式脉冲源的研制

针对不同应用领域中负载阻抗的多样性,研制一种基于Marx和直线型变压器驱动源(LTD)拓扑的复合模式脉冲源。该脉冲源包含4个LTD模块,且每个LTD模块由1个3级Marx电路组成。其主要优点是可以降低对隔离电源模块、触发同步性的要求,负载适应能力强,并且可使脉冲装置小型化。首先对该脉冲源拓扑结构和参数进行设计和理论计算,并采用PSpice软件验证其可行性,最后研制复合模式脉冲源的样机并测试其性能。该脉冲源采用MOSFET作为主开关,二极管作为隔离元件,用含锁相环功能的现场可编程门阵列(FPGA)产生控制信号。该脉冲源的输出脉冲参数:幅值为0~8 kV,脉宽为60~160 ns,脉宽步进可达1 ns,重复频率为1 kHz,上升沿约10 ns。通过FPGA产生相移控制信号对该脉冲源的每级进行单独控制,可实现对输出脉冲上升沿和下降沿的灵活调节。脉冲源采用模块化设计,可以通过增加模块数量方便地提高最大输出电压。

基于脉冲响应的高强度聚焦超声换能器电阻抗测量方法

高强度聚焦超声(HIFU)换能器是HIFU治疗系统的关键部件,其电阻抗特性是决定各系统参数和换能器工作特性的重要参数。目前采用的阻抗分析仪和频域测量方法成本较高,且难以实现在线测量。为此,对基于脉冲响应的超声换能器电阻抗时域测量方法进行了研究,对测量原理进行了理论分析和仿真验证,并组建了脉冲响应测量实验平台,通过实际测量,比较了脉冲响应法和阻抗分析仪的测量结果,分析了影响测量结果的因素。研究结果表明:在通过电流取样电阻校正和小波去噪后,基于脉冲响应的电阻抗测量方法能取得较高的测量准确度,且测量成本低,可集成于设备实现超声换能器电阻抗的在线测量,为进一步研究高强度聚焦超声换能器的电阻抗特性提供了有力的手段。

电磁脉冲对方舱门缝耦合效应的数值分析

利用时域有限差分法研究了高空核爆电磁脉冲对方舱门缝的耦合效应,分析了电磁脉冲不同极化方向、入射角度和门缝填充材料对耦合效应的影响,研究表明:电磁脉冲对方舱门缝的耦合效应较强,方舱的谐振效应对耦合场有明显的增强作用。入射电磁脉冲的极化方向与方舱门缝长边垂直时的耦合场最强,电磁脉冲垂直入射时的耦合场强最高,随着入射角度的降低,耦合场强逐渐降低。门缝填充材料可明显提高方舱的电磁脉冲屏蔽效能,屏蔽效能与填充材料的电导率成正比。

基于虚拟仪器技术的聚焦超声换能器电声转换效率自动测试系统

聚焦超声换能器是超声治疗设备的核心部件,电声转换效率是衡量其性能重要指标之一,实际工作中常以电声转换特性来确定治疗系统的工作频率和驱动参数,这对其测试系统的准确性、效率和便捷性提出很高的要求。为此,构建一套自动测试系统,采用基于定向耦合器的电功率计来测量换能器的输入电功率;运用辐射力天平测量换能器输出声功率;基于虚拟仪器技术开发上位机自动测试软件,实时采集和处理测量数据。基于所开发的自动测试系统,测试换能器在不同频率和驱动功率下的电声转换效率,采用变异系数对系统的稳定性进行分析,并与人工测试方法作对照。结果表明,测试系统具有较好的准确性,且单次测试时间可缩短5倍以上,在驱动功率分别为10、20和30 W情况下,自动测试系统(变异系数分别为4.06%、4.31%、4.65%)比人工测试(变异系数分别为4.14%、4.69%、5.83%)更稳定,满足测试系统应用需求。

金属舱近场孔缝耦合特性数值分析

为分析和解决车载天线对舱内电子设备电磁干扰的问题,建立了全尺寸金属舱模型,运用基于时域有限积分法的商业软件CST,重点分析了孔口形状、开孔与辐射源的间距及相对位置对孔缝近场耦合特性的影响,并对比了典型孔缝结构所造成的近场电磁泄漏,系统建立了孔口形状、开孔与辐射源的间距、相对位置以及孔缝结构类型等4个因素与孔缝近场耦合强度之间的数值关系。所得结论有利于指导车载天线及舱内设备的布局。

电磁脉冲对微控制器干扰特性的实验研究

实验研究了双指数电磁脉冲场对数字式微控制器形成干扰的特点,通过比较两种不同波形参数的电磁脉冲在形成临界干扰时的异同,分析了不同波形参数对干扰阈值的影响,进一步明确了电磁脉冲对微控制设备干扰的形成并不只是由干扰场的幅度指标决定,并通过多次实验确定了脉冲上升沿的陡度对干扰阈值的决定作用。

HIFU治疗中基于呼吸和脉搏信号的B超图像配准

目的:超声引导的HIFU治疗系统在临床治疗中,在同一治疗层面上,医生需要移动B超探头对比不同位置的图像定位靶区,本研究提出了一种基于呼吸和脉搏信号的动态B超图像配准方法。方法:根据呼吸和脉搏信号周期出现的特点,探头先运动到理想位置连续采集大概10 s的B超图像作为参考图像,同时记录每帧参考图像采集时刻的呼吸和脉搏信号作为参考信号。探头再返回到治疗位置通过DTW算法配准实时的呼吸和脉搏信号,找到配准信号对应的参考图像再补偿B超探头移动导致的图像位移,最终实现实时图像与参考图像的配准。结果:在实验中,通过调节B超探头与人体皮肤的距离,找到理想位置采集B超图像和呼吸脉搏信号作为参考数据,再回到治疗位置开始B超图像的配准,配准结果发现该技术具有很高的准确性和稳定性。结论:该技术能有效实现动态B超图像配准,也解决了模糊图像无法配准的难题。

基于统计分析的多协议单片机数据通信系统EFT抗扰度研究

电快速瞬变脉冲群(EFT)易通过电源线与通信线间的耦合干扰电子系统或设备正常运行,通信协议直接影响数据通信的EFT抗扰度.本文设计了包含I2C、USART、SPI和RS232四种数据通信协议的单片机数据通信系统,采用线缆耦合方式对其进行EFT抗扰度试验,基于数理统计方法分析了不同通信协议下系统EFT抗扰度.根据试验中获取的阈值电压数据,运用最大似然法估计假设模型参数,再通过卡方拟合优度检验以及汉南-奎因信息准则选取最优拟合分布模型Gamma模型,以研究不同通信协议下的EFT干扰阈值电压分布规律.对单片机通信协议而言,在一定波特率下,EFT抗扰度由低到高依次为I2C、USART、SPI、RS232.

电磁脉冲焊接电缆接头的装置的研制及测试

为了研究电磁脉冲焊接技术在电力电缆接头焊接领域的应用,设计了一套能够用于不同型号电缆接头焊接的电磁脉冲焊接装置,该装置包括大电流脉冲发生器、焊接线圈及系统控制模块。大电流脉冲发生器由6个并联的脉冲发生模块组成,每个模块包括4个并联电容器与1个触发真空开关,可根据不同的焊接需求调整模块工作电压与数量从而输出不同参数的电流脉冲。此外,为减小回路杂散参数对脉冲电流峰值的影响,提高焊接效果,设计了低阻抗同轴电缆与具有集磁器功能的焊接线圈。结合焊接装置结构和理论与仿真计算参数,最终研制出了电磁脉冲焊接装置样机,该装置工作电压可达15kV,峰值电流为600kA,能够成功完成电缆接头的焊接。

E类功率放大器负载变化对工作特性的影响分析

E类功率放大器在实际工作情况下,终端负载可能偏离理论设计值,使功放工作特性发生改变,严重时甚至损坏开关管。本文从理论上对E类功放的电路参量进行了理论分析和推导,得到输出功率、工作效率和漏极电压等参数与负载之间的解析关系,并通过Saber电路仿真和实际电路测试进行了验证。分析结果表明,负载偏离最优负载时,输出功率下降,工作效率降低;当负载变低时,开关管漏极电压和电流峰值升高,使开关管电压和电流应力增加。本文得出的理论结果可确定E类功率放大器的负载容许变化范围,也为变负载条件下的E类功率放大电路设计和分析提供重要参考。

基于换能器驱动信号特征的高强度聚焦超声焦域损伤实时监测

高强度聚焦超声(high intensity focused ultrasound,HIFU)焦域的实时监测是聚焦超声临床治疗面临的关键问题,目前临床常采用B超图像强回声的变化实现焦域组织损伤的监测,而B超图像出现的强回声大多与焦域处的空化及沸腾气泡相关,无法准确、实时地监测治疗状态.HIFU治疗中焦域组织会伴随温度升高、空化、沸腾和组织特性等变化,换能器表面的声学负载也在不断变化,针对该问题,本文构建了换能器电压电流实时检测平台,通过测量换能器电学参数来感知焦域组织的状态变化.以离体牛肝组织作为HIFU辐照对象,并将相位差变化的结果与离体牛肝组织损伤的结果进行了对照,实验结果表明,在HIFU辐照过程中,换能器电压与电流的相位会出现由相对平稳到大幅波动的过程,此时停止辐照可见焦域出现明显损伤,而此时B超图像灰度无明显变化;此外,当焦域出现空化时,其波动幅度与范围将较之更大.此方法可为HIFU焦域组织损伤监测提供一种新的研究方案和手段.

呼吸门控对呼吸运动引起组织位移造成靶区精度复位差的作用

背景:在常规高强度聚焦超声治疗中,如何避免呼吸运动引起的脏器组织位移从而影响辐照靶区定位精度及治疗的安全性是目前急需解决的问题。目的:探讨在高强度聚焦超声治疗过程中,利用呼吸门控技术提高高强度聚焦超声治疗靶点定位精度的可行性。方法:在相同声强、辐照时间情况下,利用压阻式微型呼吸传感器,基于呼吸门控技术控制高强度聚焦超声治疗设备对活体兔肝脏组织进行定点辐照,与用常规高强度聚焦超声治疗方法的定点辐照对比,并检测凝固性坏死的情况。结果与结论:辐照后将动物解剖,取出其肝脏,找到辐照靶区,测得利用呼吸门控技术定点辐照的最大剖面焦区大小为4.5mm×2.0mm,用常规的高强度聚焦超声治疗方法定点辐照的最大剖面焦区大小为9.0mm×2.5mm。提示呼吸门控技术能够有效消除呼吸运动引起组织移位造成的靶区定位精度的影响。

高强度聚焦超声间歇式治疗中焦域温度分布的仿真研究

探究不同治疗深度、组织类型和治疗模式对高强度聚焦超声焦域温度场的影响。采用有限元法建立高强度聚焦超声辐照组织的二维轴对称仿真模型,通过Westervelt方程和Pennes生物热传导方程计算高强度聚焦超声焦域的声场和温度场分布。仿真结果表明:随着治疗深度的增加,焦域内温度逐渐降低,有效温升面积减小;不同组织类型在相同条件下的焦域温度不同,但焦域形状差别不大;单次治疗时间长、治疗时间间隔短的模式焦域温升速率快,有效温升面积区域大。焦域温度是高强度聚焦超声肿瘤治疗中判断治疗有效性和安全性的重要因素之一,该文通过数值仿真法,实现了预测高强度聚焦超声间歇式治疗模式下焦域组织温度场分布,有望为制定安全、有效的高强度聚焦超声术前治疗方案提供理论参考。

超声换能器阻抗角的在线检测

超声治疗设备中超声换能器的阻抗特性在工作时发生变化而导致静态匹配失效,采用固定频率下的动态匹配可解决此问题,实时、在线对超声换能器阻抗角进行测量是实现该方法的关键。在过零计数法的基础上,提出了一种多周期同步计数法,并采用单片机及外部分频电路等实现了超声换能器阻抗角的在线检测。该方法具有硬件电路简单、测量精度高、频带宽等优点,当测量频率为500 kHz时,误差小于0.1°。

高强度聚焦超声治疗的实时被动空化检测系统及其实验研究

高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)所致空化效应在临床应用中扮演着重要角色,对HIFU临床治疗过程中的空化活动进行实时监测,结合数据分析与治疗过程中实时反馈,可进一步提高HIFU治疗的安全性和有效性。在现有HIFU临床治疗系统的基础上,将两个被动空化检测探头与HIFU换能器集成。在Matlab环境下开发了独立的上位机控制系统,基于以太网通信和虚拟仪器技术,实现了上位机的自动测试,融合被动空化检测系统与HIFU临床治疗系统,对空化所致声发射信号进行实时监测。通过HIFU辐照离体组织实验对该系统进行了测试验证,各种声功率条件下的超声辐照离体组织监测过程中,次谐波幅值与宽带噪声的均方根被实时可视化,用于监测空化的发生;次谐波与宽带噪声均方根的积分曲线斜率用于表征组织焦域处的相对空化强度。实验结果表明,该系统可满足临床治疗过程中对空化活动进行实时监测和数据分析处理的需求,为深入研究实际临床治疗中空化效应和实时反馈提供了一种有力的研究手段。

高强度聚焦超声功率源的优化设计

高强度聚焦超声(HIFU)功率源直接影响HIFU治疗的有效性和安全性。受功率MOSFET极间电容和导通电阻等寄生参数的影响,基于E类功率放大电路的HIFU功率源实际工作特性常偏离理想条件下的理论设计值。在理论设计的基础上,结合功率MOSFET等效电路模型,采用Saber软件对HIFU功率源的E类放大电路进行仿真,得到了放大器最佳工作状态时的谐振回路参数。实验测试表明,优化后的功率源工作效率和特性有显著的提高。