基于K-wave的经颅超声聚焦仿真研究

由于颅骨形状不规则,声速、密度等声学参数分布不均匀,使用传统相控聚焦的方法进行经颅超声精确聚焦时会出现焦点偏移、焦点形状畸变、散焦的现象,时间反转法被认为是能够克服颅骨非均匀特性,实现经颅聚焦的有效手段。而利用传统有限元,有限差分法进行数值仿真时,往往需要划分十分精密的网格进行计算,耗费大量的时间。K空间伪谱法通过在空间域上进行傅里叶变换,时间域上进行有限差分的方法求解声波方程,能够在降低计算网格密度的同时保证计算精度。为了克服颅骨对聚焦超声造成的焦移影响,同时避免声学模型计算量过大的问题,本文使用Matlab K-wave开源工具箱,对食蟹猴颅骨CT数据进行三维声学建模,实现了基于时间反转法的经颅超声聚焦,讨论了时间反转法对于颅骨不规则形状及非均匀声速造成的焦移的补偿。仿真结果表明,K-wave在提高计算速度的同时能够服务于精准经颅超声聚焦,且相较于传统基于声时差法的相控聚焦方法,时间反转法在预设焦点位置,焦点强度更高,焦斑形状更为规则,聚焦效果更好。

基于k-wave超声场时域仿真研究

超声场仿真研究在工业超声探伤领域一直起到举足轻重的作用。本文采用脉冲超声波检测原理,建立仿真平台,利用k-wave工具箱对超声场进行了时域仿真研究,针对声场在圆柱体工件内部的传播情况,并利用声学传感器接收到的回波信号,采用插值重构模型,对工件内部超声场分布做了重构研究和可视化实现,为实际工业生产奠定了理论基础。

k-wave伪谱法在生物医学超声仿真中的研究进展

超声场的仿真在生物医学及工业中有许多应用,包括聚焦超声治疗计划的制定、超声波换能器的设计、诊断超声成像以及无损探伤等。因此研究超声场的仿真一直是生物医学超声和物理声学领域的一个重要话题,文章将从k-wave声学工具箱的发展以及k-wave在超声仿真应用中的研究进行综述,为超声场的仿真研究提供参考。

基于k-Wave的HIFU在组织中焦点偏移仿真研究

该文利用k-Wave对高强度聚焦(HIFU)超声在多层组织中的焦点偏移现象进行了仿真及理论研究,分析了不同变量在非线性情况下对高强度聚焦超声穿过多层组织达到肝脏组织中形成的焦点位置的影响。研究发现,在换能器参数相同条件下,多层组织的存在将导致焦点明显向换能器方向偏移,其聚焦位置相对于水域中焦点位置相差达到2.6 mm;肌肉厚度的增加将导致焦点向靠近换能器方向移动,脂肪厚度的增加将导致焦点向远离换能器方向移动。对于不同F数(F数表示换能器曲率半径与开口直径之比)的换能器,焦点位置的变化相对较小,这说明本研究的焦点偏移现象及结论对于不同的换能器有普适性,可为高强度聚焦超声精准高效治疗提供参考依据。

利用k-Wave计算超声在腹壁组织的声辐射力

随着科学技术的发展,声辐射力在生物医学领域得到了更为广泛的应用,尤其是在弹性成像领域。为了使弹性成像技术更加精准,对声辐射力的预测至关重要。该文基于腹壁组织图像,利用k-Wave对超声波在腹壁组织区域传播时的声场进行数值模拟,获得了其声场分布,进而求得了组织中声辐射力分布情况,同时对面阵换能器的阵元宽度、间距、阵元个数以及工作频率等参量对声辐射力的影响进行了计算与分析。结果表明,腹壁组织的声场分布受其非均匀性的影响,声辐射力的分布情况依赖于换能器参量的选择。该研究为声辐射力在弹性成像技术中的应用奠定了基础,为其技术的改进提供了重要依据。

Bessel-Beam Photoacoustic Microscopical Simulation Platform Based on k-Wave

We developed a Bessel-beam photoacoustic microscopical simulation platform by using the k-Wave: MATLAB toolbox. The simulation platform uses the ring slit method to generate Bessel beam. By controlling the inner and outer radius of the ring slit, the depth-of-field (DoF) of Bessel beam can be controlled. And the large volumetric image is obtained by point scanning. The simulation experiments on blood vessels were carried out to demonstrate the feasibility of the simulation platform. This simulation work can be used as an auxiliary tool for the research of Bessel-beam photoacoustic microscopy.

复合绝缘子内部缺陷超声全聚焦检测仿真及实验研究

针对复合绝缘子高声衰减性导致的内部缺陷超声检测定位定量差的问题,采用全聚焦方法(TTFM)改善检测质量。基于k-Wave工具箱开展复合绝缘子内部缺陷超声全聚焦检测仿真研究,讨论频率、相控阵阵元数、缺陷尺寸等因素对检测结果的影响并开展检测实验。结果表明,采用全聚焦方法检测复合绝缘子内部缺陷的效果良好。频率对检测结果的影响较大,选择较大频率时超声波的穿透力减弱,超声波在复合绝缘子中的衰减系数增加;选择较小频率时探头检测分辨力降低,影响缺陷的定量,所以在检测复合绝缘子时应选用合适的频率,选用的4种不同频率中2.5 MHz频率的成像效果综合最佳。阵元数和缺陷尺寸对检测结果影响较小,在实际检测中应根据实际工程需要选择合适的阵元数。研究结果为超声全聚焦方法检测复合绝缘子内部缺陷提供了理论依据。

基于被动波束成像的高强度聚焦超声焦点定位

针对高强度聚焦超声治疗中实际焦点偏离引导治疗的几何焦点这一问题,基于被动波束成像原理,将治疗探头与影像探头联合,探讨一种新的焦点定位策略。首先,基于k-Wave声学软件创建了具有多层组织结构的超声传播模型,通过理论仿真探究了不同脂肪、肌肉厚度条件下被动波束成像方法定位焦点的准确性;除此之外,还通过仿体在实验环境下对该方法的有效性进行了初步验证。结果表明,在不同脂肪厚度的仿真模型中,被动波束合成所定位的焦点和几何焦点在轴向距离上分别与实际焦点相差(0.54±0.15)mm和(4.76±0.95)mm。在不同肌肉厚度的仿真模型中,由合成算法定位的焦点和几何焦点在轴向距离上分别与实际焦点相差(0.51±0.26)mm、(4.95±0.47)mm。仿体实验也验证了被动波束成像定位的焦点比几何焦点更接近实际损伤位置。该文从理论仿真和实验两个角度验证了被动波束成像方法在高强度聚焦超声焦点定位中的优越性,可为该方法进一步走向临床应用提供支撑,对提升高强度聚焦超声手术治疗的安全性有推动作用。

GPR绕射波与反射波分离的变分模态分解方法研究

针对传统绕射波与反射波分离方法易造成有效信号丢失的问题,本文利用二维变分模态分解(2D-VMD)进行探地雷达(GPR)数据的绕射波与反射波分离。对二维GPR数据进行2D-VMD分解后,可得到包含从低频低波数到高频高波数的各阶模态分量及各阶模态分量的F-K谱。通过分析绕射波与反射波在频率-波数域的差异,分别重构绕射波与反射波对应的模态分量,得到分离后的绕射波与反射波数据。数值模拟与实测数据处理结果表明,相比于传统方法,该方法可以有效分离绕射波与反射波,并且不损失任何有效信号。

Predominant types of regional cold waves in North China and their historical changes

寒潮事件对东亚地区的社会经济,生态系统和人体健康影响巨大.根据1980-2019年间10月至次年3月的每日寒潮记录和K-means聚类,本文识别出了中国两种不同类型的区域性寒潮(T1和T2).T1区域性寒潮主要影响东北地区,T2区域性寒潮则主要影响华北和东部地区.与T1区域性寒潮相比T2区域性寒潮强度更强,持续时间更长,影响范围更广.1980-2019年期间,T1区域性寒潮的频率显著增加,而T2区域性寒潮的频率则没有趋势变化T1和T2区域性寒潮事件均与西伯利亚高压增强有关,然而与它们相关的对流层中层波列明显不同.在T1区域性寒潮事件发生期间,西伯利亚蒙古上空出现负-正模态的500-hPa位势高度异常波列,削弱了东亚大槽,导致西伯利亚冷空气东移.T1区域寒潮频次增加趋势可能与全球变暖弓|起的500-hPa位势高度的线性趋势变化有关与T2区域寒潮事件相关的波列则在乌拉尔山脉,蒙古和华北地区形成了脊_槽脊环流异常,导致冷空气向东南方向入侵.本文得出结论,由于两类区域寒潮影响不同,西伯利亚高压增强和对流层中层波列模态在我国区域性寒潮事件的预报中应综合考虑.

全局通道注意力增强的毫米波图像目标检测

针对主动毫米波图像中目标与背景纹理区分度较低导致隐匿目标漏检问题,并根据安检实时性要求,提出一种基于全局通道注意力增强的主动毫米波图像目标检测方法。该方法以YOLOv5s为载体,在坐标注意力位置方向上引入全局通道注意模块,增强对隐匿目标全局通道信息的关注,从而提升在隐匿目标与背景纹理区分度较低时的检测能力;再利用K-means++聚类算法重新生成适合毫米波图像目标检测的锚框。实验结果表明,无论是阵列图像数据集还是线扫图像数据集,该方法增强了对隐匿目标的特征注意,提高了召回率,在满足安检实时性的前提下,提升了检测性能。通过增加少量参数,在阵列图像数据集上,精度、召回率和mAP@.5达到了92.0%、90.93%和95.32%;在线扫图像数据集上,精度、召回率和mAP@.5达到了94.65%、92.67%和97.73%。平均单张图像推理时间在两个数据集上均达到1 ms,满足实时性要求。

基于双特征的短波红外星图识别算法

在短波红外波段进行昼夜测星有望实现近地空间全天时自动导航,其中,星图识别算法是实现全天时导航的关键技术之一。传统的三角形算法在导航星数增多的情况下,由于其匹配特征维度低,在识别时容易出现冗余匹配、误匹配的情况。针对这一问题,提出了一种基于双特征的短波红外星图识别算法,该算法选取三角形的面积与外切圆半径双高维特征作为匹配特征,通过构建面积特征的K矢量索引,应用K矢量查找法降低匹配识别的计算复杂度。此外,还提出一种优化的观测三角形的选择策略,减少了匹配过程中的计算量,提高算法的识别速度。实验表明,星点位置噪声低于2像素时,算法的平均识别率优于95%;伪星数未超过50%时,平均识别率可达87.6%;并通过实际观星试验验证了所提算法的可行性,与改进的三角形算法相比,该算法在识别速度、识别率以及抗噪声能力等方面都有明显优势。

一类广义K(m,n)方程的行波解

运用微分方程定性理论和动力系统分支方法,研究了一类广义K(m,n)方程的行波解。考虑了两种情形:K(1,3,2)方程和K(2,3,3)方程。在不同的参数条件下,得到K(1,3,2)方程的紧孤子和K(2,3,3)方程的紧孤子及周期爆破波解。进一步通过数值模拟,分析其系统的分支相图和行波解的波形图。

高强度聚焦超声治疗子宫肌瘤中水囊耦合的影响评估

水囊作为一种特殊的辅助器件在高强度聚焦超声治疗子宫肌瘤的过程中发挥着重要作用,但它同时也会让声通道变得更加复杂,对超声治疗效率和超声引导影像均造成负面影响。基于实际临床场景,利用k-Wave声学仿真软件建立高强度聚焦超声辐照靶组织及其超声引导过程的仿真模型,在有无水囊两个场景下,对治疗效率和监控影像质量进行定量评估。结果表明,加入水囊后,声波的聚焦性变差,焦域处的最高温度降低;通过分析超声图像的分辨率、对比度、对比噪声以及背景信噪比,发现加入水囊后超声图像的质量降低。建立的数值仿真模型能够初步评估水囊对治疗效率和监控影像质量的影响,可作为一种评估体系用于优化水囊参数,如水囊材料、厚度、形状、内部溶液成分等,为下一步实验探索对治疗效率和影像质量影响最小的水囊耦合方式提供评估手段。

声源对浅海地震波传播特性的影响研究

为提升水雷的探测能力,利用浅海地震波识别水下目标声源,研究声源高度和频率对浅海地震波的影响。采用交错网格有限差分方法对波动方程进行离散求解,实现不同高度和不同频率声源形成的浅海地震波在砂岩介质中传播过程的仿真模拟,并利用f-k频散能量提取方法,获得浅海地震波的频散能量图。结果表明:声源高度和频率均会影响浅海地震波的传播特性,但对其波速、频率集中范围和极化特性影响较小,Scholte波稳定的波速为1088 m/s,Scholte波振幅的频率范围在5~30 Hz之间;随着声源高度和频率的增加,形成的Scholte波在水下界面信号减弱。研究结果可为水雷引信的研制提供理论依据。

无线信道建模中二分K均值聚类多径分簇算法

为了对无线信道中的多径分量进行合理分簇,提出了一种毫米波信道二分K均值聚类多径分簇方法,解决了传统的K均值聚类分簇方法只能实现局部最优分簇的问题.采用马氏距离(Mahalanobis distance,MD)衡量多径分量距离(multi-path component distance,MCD),以簇分裂和迭代计算的方式对多径进行分簇.采用毫米波室内信道实验测试数据,验证了所提算法的有效性和可行性.结果表明,所提算法比传统K均值聚类分簇方法获得的分簇结果更合理,能将信道中多径参数相似度较高的多径有效且唯一地分配到同一簇.

不同浸没深度的方形结构物流固耦合作用数值研究

本文通过求解URANS方程和SST湍流模型来研究不同浸没深度的方形结构物流固耦合作用。首先通过开展一系列关于部分浸没的圆形结构物的数值算例来验证当前数值模型的正确性。通过对比当前数值结果与已发表的试验数据,证明当前数值模型能够准确地模拟结构物在波浪中的水动力性能。共研究5个模拟算例,其中的方形结构物浸没深度从-1D到0.9D,关注对象为作用在方形结构物上的垂直波浪力和结构物周边的自由液面升高以及漩涡。结果表明:结构物的浸没深度对其水动力性能有着重要的影响;当结构物位于静水面以上时,在很短时间内会发生较大的波浪抨击力。

吊钩式波浪补偿装置深水吊装作业分析

针对深水海洋结构物吊装问题,基于波浪补偿原理,分析吊钩式装置的参数设置原理及其应用。提出一种刚度-阻尼等效计算方法,并建立吊钩式补偿装置的仿真模型,设计弹簧力-位移和阻尼力-速度曲线,并采用Orca Flex软件进行联合仿真,考虑浪流作用和船体运动状态下吊装作业的升沉补偿效果,对不同参数设置下吊物经过飞溅区的过程进行计算分析。结果表明:采用联合仿真方法评估深水吊装作业能取得较好的效果。采用该方法对在1000 m水深区域吊装400 t重物的作业进行计算分析,实现对缆线非线性弹性作用下船舶、缆线、补偿器和吊物系统的耦合运动分析,评估补偿器的作用效果。结果显示,依靠吊钩式补偿器,吊物升沉幅值降低了约79.69%。

波浪运动在底边界层的湍流结构数值研究

本文基于k-ε模型研究了波流边界层内湍流结构特征。研究结果表明,时均流速分布数值解与实验结果高度吻合。一个波周期内湍流结构特征(如:涡量、湍动能、湍动能耗散率等)呈周期性变化规律,波浪作用引起涡量、湍动能及湍动能耗散率均在减速阶段减小,在波谷处达到最低值,而后在加速阶段增大,并在波峰处达到最大值。近壁面处湍流结构变化幅值较大(湍动能耗散率变化可达53%),远离壁面处变化幅值较平均值较小(仅3%)。波流边界层厚度在减速阶段增加,在加速阶段减小。本文所建立的数值模型克服了现有模型因采用“高雷诺数方法”引起的近壁区精度不高问题,可较好地描述波浪作用下湍流结构演变过程的物理机制,为河口海岸地区泥沙运动、岸滩演变及海洋可再生能源的开发利用提供一些指导意义。

基于面波频散曲线聚类分析的近地表横波速度反演

获取准确的近地表横波速度对复杂地表条件下弹性波地震数据处理和成像非常重要.在浅层面波工程勘探中通过反演提取的频散曲线可以获得近地表横波速度结构.在多道面波频散曲线分析中,频散关系拾取的精度直接影响速度反演结果的可靠性.本文在多道面波叠加及自动拾取频散曲线基础上,提出了基于面波频散曲线聚类分析的近地表横波速度反演方法.该方法充分考虑了低信噪比条件下面波频散曲线的不确定性,通过在频散曲线拾取中引入曼哈顿距离K-Means聚类算法提高频散曲线拾取的准确性.采用多道多窗口叠加技术提高了面波反演对横向速度变化的适应性,通过聚类算法和多窗口叠加提高反演的可靠性,聚类算法获得较准确的频散曲线更利于后续横波速度反演过程.模拟数据算例对比表明本文提出的方法比常规算法效果更好,精度更高.将提出的方法应用于工程勘探和油气勘探的面波数据反演中,结果也验证了该方法的有效性.