本發(fā)明屬于單邊核磁共振探測(cè)，具體涉及一種用于單邊磁共振土壤探測(cè)的磁體陣列的設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、農(nóng)產(chǎn)品的種植與土壤環(huán)境密切相關(guān)，土壤是農(nóng)作物生長(zhǎng)的基礎(chǔ)，土壤水分、孔隙結(jié)構(gòu)和有機(jī)質(zhì)含量是影響作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素。相對(duì)于傳統(tǒng)的采樣土壤磁共振探測(cè)方法，單邊磁共振探測(cè)技術(shù)由于其無侵入、便攜和全開放式的特點(diǎn)，對(duì)土壤含水量、孔隙結(jié)構(gòu)探測(cè)具有潛在優(yōu)勢(shì)。常規(guī)的單邊便攜式磁體陣列如halbach磁體、u型磁體和c型磁體等均存在探測(cè)靈敏區(qū)小和探測(cè)深度淺的問題，難以對(duì)土壤區(qū)域進(jìn)行高空間分辨率的探測(cè)。

2、中國(guó)專利公開號(hào)為cn111948587a公開了一種高溫度穩(wěn)定型磁共振磁體結(jié)構(gòu)。該磁體結(jié)構(gòu)采用四塊主磁體為幾何尺寸大小完全相同且中心對(duì)稱的立方體主磁體，四塊磁體呈u字型分布使在導(dǎo)磁基底靈敏區(qū)產(chǎn)生靜態(tài)的梯度磁場(chǎng)。該方法主要側(cè)重于降低環(huán)境溫度變化對(duì)靜磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響，探測(cè)深度較淺。

3、中國(guó)專利公開號(hào)為cn114062412a公開了一種手持式單邊無損檢測(cè)磁共振傳感器結(jié)構(gòu)。該傳感器結(jié)構(gòu)包含四個(gè)磁體，磁化方向沿磁體軸向方向，從而產(chǎn)生梯度磁場(chǎng)。但該傳感器結(jié)構(gòu)的磁體結(jié)構(gòu)梯度磁場(chǎng)區(qū)域僅位于磁體上方0.5mm處，探測(cè)深度較淺。

4、中國(guó)專利公開號(hào)為cn109030532a公開了一種單邊磁共振三維成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)的靜磁場(chǎng)由磁體機(jī)構(gòu)和掃場(chǎng)模塊提供，磁體機(jī)構(gòu)包括半橢圓形磁體和半橢圓形磁體內(nèi)部的u型磁體。磁體機(jī)構(gòu)在第一平面內(nèi)提供相對(duì)均勻的靜態(tài)主磁場(chǎng)，掃場(chǎng)模塊產(chǎn)生附加磁場(chǎng)與靜態(tài)主磁場(chǎng)疊加，在靈敏區(qū)形成均勻靜磁場(chǎng)。但是其探測(cè)靈敏區(qū)深度為2cm，靈敏區(qū)面積較小。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種用于單邊磁共振土壤探測(cè)的磁體陣列的設(shè)計(jì)方法，所設(shè)計(jì)的磁體陣列解決了探測(cè)探測(cè)靈敏區(qū)深度淺以及面積小的問題。

2、本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，

3、一種用于單邊磁共振土壤探測(cè)的磁體陣列的設(shè)計(jì)方法，所述設(shè)計(jì)方法包括：

4、初始化磁體陣列中每個(gè)磁體的參數(shù)，所述參數(shù)包括尺寸大小、位置和旋轉(zhuǎn)角度，根據(jù)畢奧-薩伐爾定律計(jì)算所述參數(shù)下磁體陣列產(chǎn)生的靜磁場(chǎng)，氫質(zhì)子在靜磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生宏觀磁化矢量；

5、將圓形的射頻線圈固定在磁體陣列下方，向射頻線圈通入cpmg（carr-purcell-meiboom-gill）序列的交變電流以產(chǎn)生周期震蕩的激勵(lì)磁場(chǎng)；所述cpmg序列的參數(shù)包括交變電流強(qiáng)度，激勵(lì)頻率，90°脈沖激勵(lì)時(shí)間，回波時(shí)間和激勵(lì)脈沖個(gè)數(shù)；

6、接收線圈接收到磁化矢量在弛豫過程中釋放的電磁波產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)，通過感生電動(dòng)勢(shì)計(jì)算脈沖激勵(lì)后磁化矢量的傾角和扳倒角；

7、以傾角和扳倒角為優(yōu)化目標(biāo)，采用二次規(guī)劃方法調(diào)整對(duì)于固定尺寸射頻線圈的最優(yōu)磁體陣列設(shè)計(jì)參數(shù)，所述設(shè)計(jì)參數(shù)包括：各磁體的位置、旋轉(zhuǎn)角度和尺寸大小。

8、進(jìn)一步，以傾角和扳倒角為優(yōu)化目標(biāo)，采用二次規(guī)劃方法調(diào)整對(duì)于固定尺寸射頻線圈的最優(yōu)磁體陣列設(shè)計(jì)參數(shù)，包括：

9、計(jì)算目標(biāo)區(qū)域內(nèi)傾角與0°以及扳倒角與90°的均方根誤差；

10、設(shè)置損失函數(shù)表示為：，其中，為損失函數(shù)的適應(yīng)度值，是傾角，是扳倒角，為深度，為目標(biāo)測(cè)量深度，是均方根誤差函數(shù)，表示為：，其中，為真實(shí)值，為估計(jì)值，為樣本數(shù)量；

11、以磁體陣列的尺寸大小、位置和旋轉(zhuǎn)角度為非線性約束，非線性約束為：

12、=，

13、其中，表示第個(gè)磁體的長(zhǎng)、寬、高；表示第個(gè)磁體中心的空間位置，為x軸坐標(biāo)，為軸坐標(biāo)，為了保持磁體陣列中各磁體的對(duì)稱性，將各磁體的中心固定在平面內(nèi)，y軸的坐標(biāo)均相同；表示第個(gè)磁體以點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)中心，初始位置朝向z方向的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度；表示不與相同的磁體序數(shù)；

14、將按順序組合成矩陣p：

15、p=；

16、其中，是矩陣p的子元素；

17、形成帶有非線性約束項(xiàng)的拉格朗日方程表示為：，其中，為拉格朗日函數(shù)，為拉格朗日乘數(shù)，表示損失函數(shù)的適應(yīng)度值。

18、進(jìn)一步，采用牛頓迭代方法求解對(duì)于固定尺寸射頻線圈的最優(yōu)磁體陣列的設(shè)計(jì)參數(shù)：

19、采用牛頓迭代法求解，展開泰勒級(jí)數(shù)的前兩項(xiàng)表示為：+，其中，為梯度符號(hào)，為步長(zhǎng)矩陣，為迭代序數(shù)；

20、已知為的初始值，迭代公式為：其中，表示黑塞矩陣，?表示黑塞矩陣的逆；當(dāng)滿足：，為閾值，或達(dá)到最大迭代次數(shù)時(shí)，迭代停止，獲得磁體陣列的所有參數(shù)。

21、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果在于：

22、本發(fā)明設(shè)計(jì)方法與現(xiàn)有單邊磁共振磁體陣列設(shè)計(jì)方法相比，將磁體陣列設(shè)計(jì)參數(shù)結(jié)合影響信號(hào)質(zhì)量的磁化矢量計(jì)算參數(shù)傾角和扳倒角以及目標(biāo)測(cè)量深度進(jìn)行優(yōu)化，獲得的磁體陣列參數(shù)可以在目標(biāo)區(qū)域獲得低失真度的橫向弛豫時(shí)間的測(cè)量信號(hào)。

技術(shù)特征：

1.一種用于單邊磁共振土壤探測(cè)的磁體陣列的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述設(shè)計(jì)方法包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于單邊磁共振土壤探測(cè)的磁體陣列的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，以傾角和扳倒角為優(yōu)化目標(biāo)，采用二次規(guī)劃方法調(diào)整對(duì)于固定尺寸射頻線圈的最優(yōu)磁體陣列設(shè)計(jì)參數(shù)，包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于單邊磁共振土壤探測(cè)的磁體陣列的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，采用牛頓迭代方法求解對(duì)于固定尺寸射頻線圈的最優(yōu)磁體陣列的設(shè)計(jì)參數(shù)，包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于單邊核磁共振探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，體涉及一種用于單邊磁共振土壤探測(cè)的磁體陣列的設(shè)計(jì)方法，包括：初始化磁體陣列中每個(gè)磁體的參數(shù)，將圓形的射頻線圈固定在磁體陣列下方，向射頻線圈通入CPMG序列的交變電流以產(chǎn)生周期震蕩的激勵(lì)磁場(chǎng)；接收線圈接收到磁化矢量在弛豫過程中釋放的電磁波產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)，通過感生電動(dòng)勢(shì)計(jì)算脈沖激勵(lì)后磁化矢量的傾角和扳倒角；以傾角和扳倒角為優(yōu)化目標(biāo)，采用二次規(guī)劃方法調(diào)整對(duì)于固定尺寸射頻線圈的最優(yōu)磁體陣列設(shè)計(jì)參數(shù)，所述設(shè)計(jì)參數(shù)包括：各磁體的位置、旋轉(zhuǎn)角度和尺寸大小。解決了探測(cè)探測(cè)靈敏區(qū)深度淺以及面積小的問題。獲得的磁體陣列參數(shù)可以在目標(biāo)區(qū)域獲得低失真度的橫向弛豫時(shí)間的測(cè)量信號(hào)。

技術(shù)研發(fā)人員：蔣川東,繆瑞新,王云志,王清月,任春鵬,廖知勤
受保護(hù)的技術(shù)使用者：吉林大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10