人体对手机辐射比吸收率的仿真系统设计

仿真技术 中文核心期刊<微计算机信息)(测控自动化)2008年第24卷第9-1期 文章编号：1∞8-0570(2∞8)凹一l-0250-02 人体对手机辐射比吸收率的仿真系统 TheSimu|atiOnSystemDesignforSAROfHumanBOdyExpOsedtoRadlation0fM0bile Te|ep}10ne (郑州大学)张雅歌邹澎郭遂峰付广春 ZHANGYa-geZOUPengGUOSuj-fengFUGuang—chun 摘要：首先建立了手机辐射的电磁模型和人体头部非均匀块状电磁模型，然后利用FDTD法计算在使用手机时人头内部的 比吸收率，用MATLAB对结果进行仿真，最后根据国家的电磁安全标准对结果进行了。关键词：手机；电磁辐射；比吸收率(sAR)；咖 中图分类号：1粥9l 文献标示码：A Abs咖ct：neelectroma印eticmodelsofahu眦nhead锄damobiletelephonewere船tablishedinthispaper，tllenthespec击ce鹏卜 gyabsorptionrate(SAR)insideahumanheadwhenthemobilephoneisoperatingwerecalctllatedusingtheFDTD(Finite—Di艉r- enceTime—Domain)method．NexltheresuhsweresimulatedusingMA7rLAB．Finallytlle瑚ul协wereanalyzedbytheelectmma印el- ics—btystandardofthenation． Keywor凼：啪醐etekpho耻；dect抛删Ig毗雠ndia锄；SAR．咖 随着移动通信系统的迅速发展，我国手机的保有量以前所 未有的速度增长。手机已经成为当今社会不可缺少的、发展 最快的产品之一。由于使用手机时天线非常靠近人体的头部， 手机产生的电磁辐射是否对人体产生危害，是否符合国家的安 全标准，是一个值得严重关注和探讨的问题。 1手机的电磁模型 一般都把手机简化为二部分：x／4的单极天线和塑料外壳。 在本文的计算中天线长8．00cm。机身长5．00cm，机身宽 2．00cm，机身高9．oocm，天线半径0．33cm，天线的馈电点在机身 表面中心。手机的丁作频率为900MHz。 2人头部的电磁模型 考虑到手机近场对人体的影响主要集中在人的头部．所以 本文只考虑人头部的电磁模型。首先利用人头部的断层扫描图 片建立人头部的结构模型。将人头部沿高度方向每隔2．ocm的 断层扫描图片用Photoshop软件进行处理，将图片中的同一种 人体组织用同一种颜色来代替．得到15幅用不同颜色表示不 同人体组织的彩色图片，适当调整图片的大小．然后用正方形 网格剖分。因沿人头部高度方向切片间的距离大于单元网格的 边长。故在两层图片间的单元网格的数据可利用上下两层数据 作相应的插值求得，这样就建立了人头部的结构模型。 在人体结构模型的基础上。赋予结构中每一单元相应组织 的电磁参数就可以构成人体的电磁模型。可以利用MATLAB编 程，依次读人每层图片中的结构数据，判断每个单元网格的颜 色，用表示该颜色的数字来表示该单元网格点，例如用蓝色表 示皮肤、用黄色表示骨骼、用绿色表示大脑等。这样就形成了对 张雅歌：硕士研究生 基金项目：河南省教育厅自然科学研究项目：GIh 横电磁波室内测试转台的研制(2∞稻1∞16l 应于每一点的数据文件。在计算时将每一点的数据文件读入， 由于每一点的数字代表了不同的组织，判断每一点的数字，用 对应组织的电磁参数(叮、8。)代替，就可以进行计算了，这就是人 体的电磁模型。 用正方形网格剖分后的图片 图1不同的人头模型 一250一朝；0元，年邮局订阅号：8粼 万方数据 匿夔垂受鲤亟豳鎏圜 仿真技术 3基于FDTD算法的计算程序设计 (1)程序流程图 ￡，o，‘l，o 仁n+o．5 t一-I—I 图2m算法流程图 (2)参数设置 根据FDTD算法对减小数值色散和计算稳定性的要求，空 间步长8应满足 108≤九血-，A‰=c／，√‘ 其中A蚰是工作波长的最小值，s，是人头部组织中最大的相对 介电常数，c是光速。人头部组织中眼睛的相对介电常数较大为 73，因此6≤0．39硎，计算中取8：0．33cm，即取△x=△y=△z= 0．33cm。这样不仅节省了计算所需的存储量。可以加快计算速 度，也满足了数值色散较小和计算稳定性的要求。 为了满足色散对空间离散间隔的要求，出s6，(埘：5．5xl旷，：秒。 总的时间步数应该使场的分布达到稳定，一般取时间步数大于 3个周期。即总时间步数为Ⅳ≥3r／△f=606。计算中取△t=5×l矿坦 秒，N=650。 (3)激励源 馈电点处馈入900MHz的输入信号。激励源用正弦波，可 以表示为 E(f，_，，七)=点：×sin(2×，r×厂×行×d￥) 其中i，j，k分别表示坐标轴沿x，y，z方向的节点数， f-9．0×108，n为叠代的时间步数，dt为时间步长。天线上别的 点电场的初始值设置为O。 (4)计算电场和磁场的差分方程 ∥”址)=c4(州¨“卜．1璺垃学坐型一 一竺璺：坦!：勤：竺璺：趋：割其每m：(j+1趁，j，J【)。 止 J 嘭+1(“+÷，t)和彰+1ff’，。I+；1可以用类似的方法写出。 掣坨(“+扣手脚)·踱“2(u+扣莉 嘶艘!：竺担唑：羔一业：趋出生叫 却 血 其中标号m=(i，j+l，2，k+1，2)，"”(t+如“封和∥“(，+；√+；，t)可 以用类似的方法写出。以上各式中的cA(m)、cB(m)、CP(m)和 cQ(m)分别是 5(研)仃(脚) 翻(砌=兹鑫y，嘣咖币壶丽 ，1■。2 △f’了。 p(m)d。(m) CP(呐=兹疆：知，cQ(帕2而壶丽百。2 m。2 (5)边界条件 在天线表面要满足导体表面的边界条件．在塑料机盒表 面要满足介质表面的边界条件。在整个计算区域的外表面。 要满足Mur吸收边界条件。在棱边和顶角处的边界条件要 作相应的处理。 (6)计算sAR 计算出人头部组织内各节点的场强以后，可以利用下面式 子计算各节点处的sAR 1 跚(f’m)。鬲页右丽p删^)．彰(f√名)+ +口，(f，，，七)·E；(f，，，七)+盯：(j，．，，七)·臣2(f，_，，七)】 其中吒■，和a：分别是各节点沿x、y、z方向的电导率，由于人 体的各种组织的密度都接近于水的密度，所以取p=1000k咖，。 4计算结果 表l：人头内部组织的最大比吸收率(0．0369) 删mW，嘲 d=1．ocm d=2．ocm d=30∞I d=5‰ t；60 814 I 暑67 I “．2 I 帅5 I=69 2931 I 13酗 I 7ll 357 t=8。 M J m I 3％ l 114 I=90 1895 llo3 l ∞3 I 454 5MATLAB仿真系统设计 将上述结果保存在文本文件中，再把文本文件放入MAT- LAB工作库中，用10ad语句读入，然后用mesh语句进行仿真。 由于仿真结果较多，这里仅取几例作为说明。 d-3．0cm。k=80时SAR值d=5．0cm，k=90时sAR值 图3不同距离时人头部对手机辐射的sAR值 6分析结果 由计算结果和仿真图可以看出sAR的最大值出现在k=69 (下转第249页) (多_自控一邮局订阅号：82舭6360元，年一25l一 万方数据 髓龇文褥舞薅魏瓣士关翻 仿真技术 号等等。为了保证仿真信号的同步性和实时性，选取一个仿真 作者简介：曲宾(1982一)，女，河北人，硕士研究生，主研方向：自 机箱作为主机箱，主机箱中PxI—6653板上的lOM高精时钟作动测试系统和计算机仿真研究；李晓白(1953一)，男，北京人，副 为系统的时间基准，其余机箱作为从机箱与主机箱相连。 教授，主研方向：测控技术、自动测试系统、ATE等；路辉 在系统时钟为信号仿真和验证提供保障的基础上，采用 (19r77一)，女，博士后，副教授，主研方向：自动测试系统、虚拟仪 合理的触发方式满足不同模块对触发精度的不同要求。对于 器、故障诊断等理论研究及应用。 PxI子系统中对同步触发要求严格的AD，DA模块、任意波形Biography：QuBin(1982一)，female，Hebeiprovince，m∞ter， 发生器模块、定时器模块等，采用硬件触发方式；对于PxI子specializesinautomatictestsystemaIldcomputersimlllation． 系统的开关模块、vxI子系统的同步器模块、电阻模块、GPIB(10∞鼬北京北京航空航天大学电子信息学院2舛教研 仪器、u(I仪器以及不具备硬件触发能力的PxI及vxI子系室)曲宾李晓白路辉 统的各种总线模块，采用通过发送软件命令直接控制模块动 (sch∞lofEk仃onic柚dmfo舢廿仰DIgineeri雌，Beiii嚷U- 作的软件触发方式。 nive确ty0fAemm删妇andAstm啦u廿cs’B蚵ing10咖暇3， 在进行信号的仿真和验证之前需要保证所有的仪器模块Chil嗡)QuBinLIxiao-baiLUHlli 正常工作并已完成了自身的配置(包括通道配置、采样时钟配 通讯地址：(10∞船北京市北京航空航天大学电子信息工程学 置、触发配置等)，对于此问题的解决为系统所有的从机箱 院204教研室)路辉转曲宾 向主机箱发送一个准备好的信号，主机箱在判断所有从机箱都 (收稿日期：2008．07．13)(修稿日期：2008．08．25) 准备好后才给出控制整个系统开始运行的触发信号。 4．4多任务的分配调度 仿真信号源子系统和仿真信号验证子系统各自需要同时 实现三个任务即网络连接、数据处理和仪器驱动。为了使三类 任务合理分配与调度．采用多线程以及合理分配线程优先级的 方式来实现。为了保证信号产生的连续性。仪器驱动线程采用 高优先级来实现，数据解析线程为中级别线程，网络连接线程 主要负责数据的接收和发送，设置为较低级别。 5结论 本文主要研究了基于测控技术的飞行数据仿真系统，针对 飞行数据的特点设计了一种集中控制与分布式控制相结合的 实时仿真系统。将系统按功能划分为主控计算机、仿真控制计 算机、仿真验证控制计算机、仿真信号源子系统和仿真信号验 证子系统五大部分，各系统之间采用Ethemet-TCMP的网络通 信方式，通过主控计算机的监控，协同实时进行数据的分析、处 理和显示，由于各个系统之间任务划分明确。因而保证了各系 统仿真的实时性。同时．通过对仿真信号的实时监控和及时调 整，保证了飞行数据信号高精度的要求，为后期对飞行数据的 分析奠定了坚实的基础。 本文作者创新点： (1)将测控技术应用到飞行数据仿真系统当中，设计了一 种网络化集中一分布式控制的仿真系统对飞行数据进行仿真， 为大数据量信号的实时仿真提供了新的思路。 (2)仿真过程采用仿真和验证相结合的方式．保证了飞行 数据信号高精度的要求．为飞机故障诊断、健康状况监测和趋 势预测打下了良好的基础。 参考文献 【1】杨全法，任章，董伟凡．飞行事故调查中的飞行数据记录器译 码分析技术【J】，航空维修与工程，2004，5：40—42 【2】路辉，李晓白．自动测试系统资源模型化设计【J】．测试技术学 报，2007，2l(1)：53—57． 【3】李晓峰，王雅辉．嵌入式LinIl】【在分布式测控系统中的应用 叨，微计算机信息，2007，23(5—2)：4—5 【4】VxIplug＆playsyste册Aui弛ce．VPP-3．1I璐tnJment蹦Ve璐 Architecture卸dDesi驴SpecmcationRevision4．1【s】。1998-4 (上接第251页) 层面，也就是馈电层所在的面。参照IEEEC95．1—1992的限值 规定[5】：‘‘对公众照射，在任意30分钟内，人体的全身的sAR应 小于80Illw，kg，任意l克肌体中最大SAR应小于1．6W，kg。 ”从表l中可以看出，手机距离人头部2．0cm局部的SAR超过 了1．6w，kg，但1克的局部sAR没有超过这个限值．由以上 可以得到一个结论：手机距离人头1cm以内，已经超过安全限 值，在2cm以外，没有超过安全限值，在5．0cm时它的局部sAR 已经很小了。 本文的创新点：由MRI医学头部模型建立人头部电磁模 型。使得计算更准确。并计算出不同距离时人头对手机的比吸 收率，进一步用MATLAB进行仿真。得出直观清晰的三维立体 空间图形。 参考文献 【l】葛德彪，阎玉波，电磁波时域有限差分方法【M】，西安电子科技 大学出版社．2002。 【2】高本庆，时域有限差分法，国防工业出版社[M】，1995。 【3】王长清，祝西里，电磁场计算中的时域有限差分法【M】，北京大 学出版社．1994。 [4】张志涌，精通MA-11．AB6．5，北京航天航空大学出版社【M】， 2003。 【5]刘博，王慧敏等。空间场中多电磁辐射污染源作用下监测点 标准限制算法的研究，微计算机信息【J】，2003，19—7：42_43。 作者简介：张雅歌：女，1982年生，河南郑州人，郑州大学信息工 程学院硕士研究生．研究方向为电磁场与微波技术；邹澎：男， 1947年生，郑州大学信息1=程学院，教授，主要从事电磁场与电 磁波理论、电磁环境、电磁干扰与电磁兼容技术的研究。 Ⅸog阳phy：zHANGYa—ge，Female，bomin1982，tlleH明na_ tionality，masterstudentininfo丌nati叩enginee—ngcollegeof Zhengzhouuniversity，researchorientation：electmmagneticfield andmicrowavetechnology． (45∞52郑州大学信息工程学院电磁兼容实验室)张雅歌 邹澎郭遂峰付广春 通讯地址：(45∞52郑州大学信息工程学院电磁兼容实验窒) 张雅歌 (收稿日期：2008．cr7．13)(修稿日期：2008．吣．25) (多_自控_邮局订阅号：82—946360元，年一249— 万方数据 人体对手机辐射比吸收率的仿真系统设计 作者： ZHANG Ya-ge， 邹澎， GUO Sui-feng， 付广春， ZHANG Ya-ge， ZOU Peng， GUO Sui- feng， FU Guang-chun 作者单位： 郑州大学信息工程学院电磁兼容实验室,450052 刊名： 微计算机信息 英文刊名： CONTROL & AUTOMATION 年，卷(期)： 2008,24(25) 参考文献(5条) 1.葛德彪.阎玉波 电磁波时域有限差分方法 2002 2.高本庆 时域有限差分法 1995 3.王长清.祝西里 电磁场计算中的时域有限差分法 1994 4.张志涌 精通MATLAB6.5 2003 5.刘博.王慧敏 空间场中多电磁辐射污染源作用下监测点标准限制算法的研究[期刊]-微计算机信息 2003 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_wjsjxx200825103.aspx