本發(fā)明涉及電磁線圈設(shè)計(jì)，尤其是涉及基于圖像法和自屏蔽法抑制鐵磁邊界耦合的線圈設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、心磁圖(magnetocardiography，mcg)是一種無創(chuàng)性的功能成像技術(shù)，可以檢測由心臟產(chǎn)生的微弱的磁場。與其他心臟成像技術(shù)相比，不釋放有害射線或刺激信號，對人體無創(chuàng)傷，因此得到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。

2、現(xiàn)有的心磁測量裝置主要基于超導(dǎo)量子干涉儀和原子磁強(qiáng)計(jì),這兩種裝置都需要利用零磁裝置提供符合要求的弱磁測試環(huán)境。零磁裝置是通過安裝多層的高磁導(dǎo)率材料的屏蔽房和主動磁補(bǔ)償線圈組合而成，可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部中間區(qū)域剩磁近零。然而，屏蔽房結(jié)構(gòu)依賴于高磁導(dǎo)率材料，結(jié)構(gòu)確定后，無法隨意改變。因此，需要對主動磁補(bǔ)償線圈進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3、目前常采用目標(biāo)場法設(shè)計(jì)的雙平面線圈能夠?yàn)閙cg受試者提供足夠空間，該方法被廣泛應(yīng)用于磁屏蔽房內(nèi)meg研究。然而，由線圈產(chǎn)生的磁場與磁屏蔽房之間的耦合效應(yīng)會嚴(yán)重降低目標(biāo)區(qū)域的均勻性和梯度性，從而影響主動磁補(bǔ)償系統(tǒng)的性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于圖像法和自屏蔽法抑制鐵磁邊界耦合的線圈設(shè)計(jì)方法，采用該方法設(shè)計(jì)的線圈能夠有效地抑制鐵磁邊界耦合效應(yīng)，提高磁屏蔽房內(nèi)部的磁場梯度均勻性，實(shí)現(xiàn)極弱磁環(huán)境。

2、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，基于圖像法和自屏蔽法抑制鐵磁邊界耦合的線圈設(shè)計(jì)方法，所述線圈包括一級線圈和二級線圈，所述的一級線圈和二級線圈平行放置于磁屏蔽房內(nèi)；該方法包括下列步驟：

3、s1、采用目標(biāo)場法設(shè)計(jì)一級線圈；

4、s2、設(shè)定二級線圈是由一級線圈進(jìn)行等比例縮放而得到，將一級線圈和二級線圈構(gòu)建為無磁矩線圈，所述的無磁矩線圈滿足關(guān)系式：

5、其中，s2＝l2＝d2＝λl1·λd1＝λ2·s1；bt表示目標(biāo)區(qū)域磁場；和分別表示一級線圈和二級線圈在目標(biāo)區(qū)域產(chǎn)生的磁場；m表示總磁矩；m1和m2分別表示一級線圈和二級線圈的磁矩；表示一級線圈的平面流函數(shù)與目標(biāo)點(diǎn)的磁場矩陣；表示二級線圈的平面流函數(shù)與目標(biāo)點(diǎn)的磁場矩陣；pmn表示線圈的流函數(shù)系數(shù)矩陣；λ表示等比例放大系數(shù)；i1表示通過一級線圈的電流；i2表示通過二級線圈的電流；s1表示一級線圈平面面積；s2表示二級線圈平面面積；μ表示電流比例系數(shù)；根據(jù)所述關(guān)系式，當(dāng)λ→1時，無磁矩線圈達(dá)到自我屏蔽；

6、s3、在范圍0＜λ＜1內(nèi)，等比例放大系數(shù)λ取一個任意數(shù)值，將一級線圈按照所述任意數(shù)值進(jìn)行縮放，得到初始二級線圈，完成鐵磁邊界耦合效應(yīng)的第一次抑制；

7、s4、在范圍0<λ＜1內(nèi)，采用粒子群優(yōu)化算法對等比例放大系數(shù)λ進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)等比例放大系數(shù)λ，將初始二級線圈按照所述最優(yōu)等比例放大系數(shù)λ進(jìn)行縮放，得到最優(yōu)二級線圈，完成鐵磁邊界耦合效應(yīng)的第二次抑制。

8、本發(fā)明的有益效果是：采用上述基于圖像法和自屏蔽法抑制鐵磁邊界耦合的線圈設(shè)計(jì)方法，先采用目標(biāo)場法設(shè)計(jì)出一級線圈，將一級線圈按照確定范圍內(nèi)的任意取值進(jìn)行等比例縮放，使無磁矩線圈達(dá)到自我屏蔽；再通過粒子群優(yōu)化算法對等比例放大系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終根據(jù)最優(yōu)等比例放大系數(shù)得到最優(yōu)二級線圈，完成線圈設(shè)計(jì)；該方法先通過自屏蔽法使得線圈產(chǎn)生的磁場與磁屏蔽高磁導(dǎo)率內(nèi)表面之間的鐵磁邊界耦合被抑制，再進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化使得耦合效應(yīng)被完全抑制，提高了磁屏蔽房內(nèi)部的磁場梯度均勻性，實(shí)現(xiàn)極弱磁環(huán)境。

9、作為優(yōu)選，在步驟s4中，所述的采用粒子群優(yōu)化算法對等比例放大系數(shù)λ進(jìn)行優(yōu)化的具體過程包括下列步驟：

10、s4.1、根據(jù)圖像法原理，獲取圖像的線圈的磁場強(qiáng)度，并將圖像的線圈的磁場強(qiáng)度和真實(shí)的線圈的磁場強(qiáng)度進(jìn)行相減，得到最終的目標(biāo)區(qū)域的磁場強(qiáng)度為：

11、其中，和分別表示一級線圈和二級線圈在圖像法在目標(biāo)區(qū)域產(chǎn)生的磁場；和pmn，im分別表示線圈矩陣和流函數(shù)矩陣；

12、s4.2、設(shè)定目標(biāo)函數(shù)：其中，b(x，y，z)表示步驟s4.1得到的最終的目標(biāo)區(qū)域的磁場強(qiáng)度；bcenter(0，0，0)表示線圈在中心點(diǎn)處產(chǎn)生的磁場；設(shè)定搜索區(qū)域?yàn)椋篴×b×c；所述搜索區(qū)域內(nèi)包含kn個粒子；

13、s4.3、設(shè)定迭代更新規(guī)則為：

14、vi＝ω·vi+rand1·c1(xi，best-xi)+rand2·c2(xg，best-xi)；

15、xi＝xi+vi；

16、其中，xi＝(xi1，xi2)，xi表示迭代中第i個粒子的位置，xi1表示比例放大系數(shù)，xi1＝λ，xi2表示電流比例系數(shù)，xi2＝μ；vi表示粒子速度，vi＝(vi1，vi2)，vi1表示比例放大系數(shù)的限制，vi1＝[λmaxmin]；vi2表示電流比例系數(shù)的限制，vi2＝[μmaxmin]；c1和c2均表示學(xué)習(xí)因子；rand1和rand2均表示從0到1范圍內(nèi)的隨機(jī)數(shù)；ω表示做慣性因子，其值為負(fù)；xi，best表示每個粒子的最優(yōu)解，xg，best表示整個種群的全局最優(yōu)解；

17、s4.4、將步驟s3得到的任意數(shù)值的等比例放大系數(shù)λ和對應(yīng)的電流比例系數(shù)μ輸入到粒子群優(yōu)化算法中，并按照步驟s4.3定義的迭代更新規(guī)則進(jìn)行迭代，記錄每次迭代得到的粒子個數(shù)kn以及目標(biāo)函數(shù)值me，直到達(dá)到最大迭代次數(shù)，停止迭代；從得到的所有的目標(biāo)函數(shù)值me中找到最小值，此時的最小值所對應(yīng)的等比例放大系數(shù)λ為最優(yōu)等比例放大系數(shù)λ。

18、作為優(yōu)選，步驟s4.1的具體過程包括下列步驟：

19、s4.11、根據(jù)圖像法原理，將磁屏蔽房的每個無限大高磁導(dǎo)率介質(zhì)表面均等效為一面鏡子，對內(nèi)部的雙平面線圈進(jìn)行反射，同時任意一個高磁導(dǎo)率介質(zhì)表面產(chǎn)生的圖像電流會再次被其他高磁導(dǎo)率介質(zhì)表面反射，因此磁屏蔽房的六個高磁導(dǎo)率介質(zhì)表面相互反射，構(gòu)成一個無限階數(shù)的線圈陣列；

20、s4.12、設(shè)定由高磁導(dǎo)率介質(zhì)平面反射磁源產(chǎn)生的圖像電流與線圈的實(shí)際電流存在關(guān)系式：其中，iim表示圖像電流，ire表示實(shí)際電流，μ1表示空氣的相對磁導(dǎo)率，通常取1；μ2表示磁屏蔽材料的相對磁導(dǎo)率；通過圖像法原理，得到線圈陣列的磁場強(qiáng)度表達(dá)式為：

21、

22、

23、其中，表示一級線圈圖像法的電流密度；表示二級線圈圖像法的電流密度；a表示等效線圈陣列的階數(shù)，表示第i、j、k階處的圖像電流密度，δ和ε表示決定圖像電流方向的方向系數(shù)；

24、s4.13、將線圈階數(shù)a取a＝2，得到最終的目標(biāo)區(qū)域的磁場強(qiáng)度為：

25、其中，和分別表示一級線圈和二級線圈在圖像法在目標(biāo)區(qū)域產(chǎn)生的磁場；和pmn,im分別表示線圈矩陣和流函數(shù)矩陣。

26、在步驟s4.1的過程中，將耦合效應(yīng)融合進(jìn)雙平面線圈的設(shè)計(jì)中，從根本抑制鐵磁邊界對補(bǔ)償線圈磁場的影響。

技術(shù)特征：

1.基于圖像法和自屏蔽法抑制鐵磁邊界耦合的線圈設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述線圈包括一級線圈和二級線圈，所述的一級線圈和二級線圈平行放置于磁屏蔽房內(nèi)；該方法包括下列步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于圖像法和自屏蔽法抑制鐵磁邊界耦合的線圈設(shè)計(jì)方法，其特征在于：在步驟s4中，所述的采用粒子群優(yōu)化算法對等比例放大系數(shù)λ進(jìn)行優(yōu)化的具體過程包括下列步驟：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于圖像法和自屏蔽法抑制鐵磁邊界耦合的線圈設(shè)計(jì)方法，其特征在于：步驟s4.1的具體過程包括下列步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及基于圖像法和自屏蔽法抑制鐵磁邊界耦合的線圈設(shè)計(jì)方法，線圈包括一級線圈和二級線圈，該方法包括：采用目標(biāo)場法設(shè)計(jì)一級線圈；設(shè)定二級線圈是由一級線圈進(jìn)行等比例縮放而得到，并構(gòu)建無磁矩線圈；在范圍0＜λ＜1內(nèi)，等比例放大系數(shù)λ取一個任意數(shù)值，將一級線圈按照所述任意數(shù)值進(jìn)行縮放，得到初始二級線圈；用粒子群優(yōu)化算法對等比例放大系數(shù)λ進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)二級線圈。該方法先通過自屏蔽法使得線圈產(chǎn)生的磁場與磁屏蔽高磁導(dǎo)率內(nèi)表面之間的鐵磁邊界耦合被抑制，再進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化使得耦合效應(yīng)被完全抑制，提高了磁屏蔽房內(nèi)部的磁場梯度均勻性，實(shí)現(xiàn)極弱磁環(huán)境。

技術(shù)研發(fā)人員：宋鵬飛,文通,鄧亞,劉習(xí)凱,王立明,陳憶閩,李海濤
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京航空航天大學(xué)寧波創(chuàng)新研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23