网络并行和遗传算法在HPM生物效应评价和辐射天线设计中的应用研究

【摘要】：本文就HPM(高功率微波)研究中两部分：1．HPM生物效应的评价手段—微波成像；2．HPM辐射天线的自动设计，进行了研究。整个研究工作主要基于网络并行计算技术和遗传算法。 微波辐射对生物组织的效应分为致热生物效应和非致热生物效应两种。在微波辐射下，生物组织会出现温度升高，器官的生理或病理变化。HPM具有强大的辐射功率，研究其生物效应具有重要意义。 微波成像是一种非接触式的对生物组织复介电常数的成像手段，生物组织的生理或病理变化通常会造成组织介电常数的变化。同时由于组织复介电常数对温度变化的敏感性，微波成像能获得生物组织内部的温度分布和温度变化。因此，微波成像是一种有效的HPM生物效应的评价手段。 天线是HPM系统中的关键设备，它直接影响HPM产生的生物效应。HPM系统对天线的设计提出了一系列特殊要求，不但要求天线有端射、高增益和高功率容量等性能，便于能量辐射、辐射能量更强和更集中。天线设计者必须仔细考虑电磁能量对操作人员的辐射，避免对操作人员的不良生物效应，这要求天线具有低旁瓣和高前后比特性。此外对天线的带宽、极化方式等都有要求。这些要求对天线设计提出了挑战，天线自动设计是应对该挑战的一种有力武器。 本文主要研究内容和创新之处如下： 四川大学博士学位论文 1.对遗传算法的改进。 遗传算法是一类得到极其广泛的优化算法。本文在对遗传算法的原 理、基本流程和遗传算子研究和分析基础上，提出了对简单遗传算法的改 进措施，以改善遗传算法的收敛过程。 改进遗传算法的选择算子。采用Elite技术，将每代中的最优个体直 接复制到下一代，避免简单遗传算法随机选择个体而常出现的最优个体 “丢失”情况，加快的收敛速度。 改进遗传算法的变异算子，采用动态变异概率。当优化过程因缺乏个 体多样性而停滞时，增大变异概率，打破停滞，加快优化过程。 以对多指数函数的曲线拟合数值实验为例，数值实验结果证明相比简 单遗传算法，改进后的遗传算法能以更快的速度收敛于最优解。 2.构建“元媒二号”并行系统 本文研究涉及大量复杂的电磁场数值计算，并行计算能大幅度提高计 算效率，缩短计算时间。 并行计算机系统目前有多种类型，基于研究工作特点的考虑，选用了 性价比高的Bcowuif型并行计算机系统。利用16台微机构建一套Bcowuif 并行计算系统。系统中采用Windows 2000操作系统， Mpl(Message一passing一Interfaee)的MpICH最新版本:MpICH.NT 1 .2.3作 为为并行计算的支撑环境，并以looM bPs高速交换式以太网作为互连网 络。实际并行计算测试结果表明，该Bcownlf并行系统能够达到非常高的 并行加速比和并行效率。 3.新的动态并行任务分配算法 并行计算任务的分配算法是获得高效率并行计算的关键因素。通常情 况下，并行任务分配已被证明是一类NP难题，实现最优分配非常困难。 本文提出了一种新的动态并行计算任务分配算法。该算法能依据一些简单 的启发性原则，充分利用并行系统中各节点机的CPU资源、尽量降低并行 任务不完全平衡分配对并行计算效率的负面影响。不需要预知各并行计算 任务的执行时间，可应用于同构和异构两类并行计算机系统，具有较高的 四川大学博士学位论文 实用性。 4.非阻塞式主从并行遗传算法 在对影响遗传算法并行效率的各种因素、三种并行模型特点的分析基 础上，本文选择了主从并行遗传算法模型。结合动态并行任务分配算法， 首次提出了一种“非阻塞式主从并行遗传算法”的实施方案。 运用“非阻塞式主从并行遗传算法”方案，对均衡计算任务的微波成 像，测试的16节点机并行效率达到99.1%;对非均衡计算任务的天线自 动设计，测试的16节点机并行效率达到8225%。结果表明该方案能实现 较高的并行效率。 5.应用并行遗传算法进行微波成像反演计算 本文首先探讨并行遗传算法完成微波成像反演计算的原理和流程。通 过定义目标函数，将成像反演计算转化为寻找满足己知条件的最佳散射体 结构这一优化问题，用矩量法完成散射场这一正问题计算，用遗传算法完 成优化计算，用并行计算提高成像反演效率。 数值计算结果表明，由于避开直接计算病态方程，遗传算法能够较好 地求解病态方程。在微波成像反演的数值计算中，遗传算法优化出了正确 的散射体大小、形状和位置等参数，证明了遗传算法应用于微波成像的可 行性。本文同时分析了遗传算法完成微波成像反演计算的缺点和主要困 难，指出解空间巨大所造成的计算量过大是其必须克服的最主要困难。 6.天线自动设计软件平台 为实现HPM天线的自动设计，本文编写了一套天线自动设计软件平 台。该软件平台采用NEe(Numerieal Eleetromagnetie Codes)天线数值 计算程序做天线仿真数值计算;采用遗传算法优化天线结构;采用网络并 行提高天线设计效率。该软件平台具有对多类天线进行自动设计的能力。 7.对螺旋、菱形两类天线进行自动设计 螺旋天线具有同轴线馈电、宽带和端射等优点，较适合作为HPM辐 射天线。自动设计的均匀螺旋天线的增益相对常规工程设计提高了 3.28dB。自动设计的锥削螺旋