一种计算磁体内磁场中心位置的方法技术

本发明专利技术公开了一种根据测量的磁感应强度值计算磁体内磁场中心位置的方法。该方法主要包括如下步骤：首先确定待测量磁感应强度的方向并预估磁体内磁场中心的位置，以该位置为圆心，测量半径为R的球面上一系列采样点处的磁感应强度值；然后根据测量得到的各个采样点处的磁感应强度值，建立磁感应强度的插值函数；最后以磁场中心位置为待优化变量，以半径为R'的球面上采样点处的磁感应强度值的均方误差最小为优化目标建立非线性优化问题并求解。采用该方法可以快速精确定位磁体的磁场中心。用该方法可以快速精确定位磁体的磁场中心。用该方法可以快速精确定位磁体的磁场中心。

A method for calculating the center position of magnetic field in magnet

【技术实现步骤摘要】
一种计算磁体内磁场中心位置的方法


[0001]本专利技术属于磁体研发与设计领域，具体涉及一种计算磁体内磁场中心位置的方法。

技术介绍

[0002]核磁共振成像(MRI)系统中，磁体产生的主磁场的均匀度是影响成像质量的一个重要指标。提高主磁场均匀度的一种可行办法就是采用被动匀场方法进行匀场。匀场过程中，需要精确测量磁体中心区域内的磁场均匀度，然后根据测量得到的磁感应强度指导匀场。在匀场之前，就涉及到磁场中心的精确定位问题。特别是对于超导磁体来说，精确定位磁场中心尤其重要。这是因为超导磁体的磁场中心与梯度线圈的磁场中心是重合的。如果中心定位不准确，不但测量的磁感应强度更大，而且匀场轨道的位置与磁场中心的位置发生了偏移会导致磁场计算不准确，从而增加匀场难度。磁场中心的定位靠纯粹机械定位的方法精度较低。在一些商用测量磁场的软件中，包含有根据测量得到的磁感应强度计算磁场中心位置的功能，但只能在一个方向上进行定位。因此有必要发展一种精度更高的方法。

技术实现思路

[0003]专利技术目的：为解决现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种计算磁体内磁场中心位置的方法，提高磁场中心定位的精度。
[0004]技术方案：为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下的技术方案：
[0005]一种计算磁体内磁场中心的方法，其特征在于，包括：
[0006]步骤一：确定需要测量的磁场方向并预估磁体内磁场中心的位置，以该预估的位置为原点、需要测量的磁场方向为z轴方向建立坐标系，测量以原点为圆心、半径为R的球面上一系列采样点处的磁感应强度；
[0007]步骤二：根据各个采样点处的磁感应强度，建立表示磁感应强度随坐标变化关系的插值函数；
[0008]步骤三：在以原点为圆心，R'为半径的球面上取P个采样点定义为待优化的坐标变量，建立并求解如下的非线性优化问题：
[0009][0010][0011]式中的X1、Y1、Z1、R1为非负实数，用来定义对x0，y0，z0的约束范围，
分别表示坐标点处的磁感应强度的z分量，求解上述非线性优化问题得到的即为磁体内的磁场中心坐标矢量。
[0012]进一步，步骤一中，磁场测量设备上的测量探头分布在半径为R的圆弧面上，且符合高斯分布，测量设备绕轴线等角度间隔旋转一周进行测量，得到所有采样点处的磁场。
[0013]进一步，步骤二中，任一坐标点处的磁感应强度z分量采用如下的插值公式计算：
[0014][0015]上式中，N为插值函数阶数，为坐标点的球坐标，P
nm
()表示n阶m次勒让德多项式，a
nm
与b
nm
为谐波系数，根据测量得到的磁感应强度来确定。
[0016]进一步，根据测量得到的磁场强度计算谐波系数a
nm
，b
nm
，0≤m≤n，0≤n≤N的公式为：
[0017][0018][0019]上式中，K1为一次测量分布在半径为R的圆弧面上的探头数量，K2为测量设备绕z轴等间隔旋转一周测量的次数，为第i次测量时测量探头所在弧面与x轴的夹角，θ
j
、w
j
为在0≤θ≤π区间内的K1点高斯积分的第j个积分点以及对应的权重系数，为第i次测量中第j个探头位置的矢量坐标，为坐标点处的磁感应强度的z分量。
[0020]进一步，采用内点法求解步骤三中的非线性优化问题。
[0021]进一步，R'≤R。
[0022]进一步，被测量的磁体为圆柱形超导磁体，需要测量的磁场方向为磁体轴线方向。
[0023]进一步，被测量的磁体为平面式永磁体，需要测量的磁场方向为永磁体内上下两个极板的法线方向。
[0024]有益效果：本专利技术的有益之处在于：本专利技术给出了一种利用测量得到的磁感应强度计算磁场中心的方法，该方法将磁场中心定位问题等效为一个非线性优化问题进行求解，以使球面采样点处磁场均方差最小的圆心位置作为磁场中心，得到的结果具有更高的精度。
附图说明
[0025]图1为本专利技术中的计算磁场中心算法流程图。
[0026]图2为磁场测量点在空间的分布图。
[0027]图3直角坐标系与球坐标系中各个坐标参量的定义示意图。
[0028]图4为磁体线圈的横截面在空间的分布图。
[0029]图5为采样点处的RMSE误差与磁场中心沿z轴偏移距离的关系曲线图。
具体实施方式
[0030]下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本专利技术，应理解这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围，在阅读了本专利技术之后，本领域技术人员对本专利技术的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0031]本专利技术实施例公开的一种根据磁感应强度计算磁体内磁场中心位置的方法流程如图1所示，具体步骤如下：
[0032]步骤一：确定需要测量的磁场方向并预估磁体内磁场中心的位置，以该预估的位置为原点、需要测量的磁场方向为z轴方向建立坐标系，测量以原点为圆心、半径为R的球面上一系列采样点处的磁感应强度；
[0033]我们以超导磁共振中的超导磁体为例进行说明。在超导磁共振系统中，磁体为圆柱形结构，产生磁场的磁体线圈为若干串联的螺线管线圈。成像所需要的磁场方向位于圆柱形的轴线方向。我们以磁体中心的轴向为z轴建立坐标系。在垂直z轴的平面内建立x轴与y轴。x轴与y轴的方向可以根据研究问题的方便自行定义。一般来说，磁场中心位于磁体的中心轴线上且靠近轴线中心的位置。若被测量的磁体为平面式永磁体，则需要测量的磁场方向为永磁体内上下两个极板的法线方向，则一般将垂直与极板的方向定义为z方向。因为在实际工程中，永磁体较少需要对磁场中心进行精确校准，因此本专利中的方法更多用于超导磁体。
[0034]目前的磁场测量设备，可以很方便的一次测量很多采样点的磁场。例如瑞士Metrolab公司的磁场相机上集成了多达24个磁场测量探头，一次可以测量一个圆弧上的24个采样点。将磁场相机绕着磁体中心轴线均匀旋转一圈，即可完成整个球面上数百个采样点的高精度磁场测量。这为我们根据测量得到的磁感应强度计算磁场中心提供了硬件上的支持。在磁场测量设备中，探头一般位于弧面上的高斯积分点处。因此，磁场测量点在θ方向服从高斯分布，在方向均匀分布，如图2中的网格点所示。球坐标系中θ角与角的定义见图3所示。
[0035]步骤二：根据各个测量点处的磁场强度，建立原点附近区域内的磁场插值函数。空间任意一个矢量坐标为的点处的磁场可以用以下函数表示：
[0036][0037]需要说明的是，这里的为坐标处的磁感应强度的z分量，因此是一个标量。
[0038]根据上式，可以得到谐波系数的计算公式为：
[0039][0040][0041]上述积分表达式可以用数值方法计算：
[0042][0043][0044]上式中，K1为一次测量分布在半径为R的圆弧面上的探头数量，K2为测量设备绕z轴等间隔旋转一周测量的次本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种计算磁体内磁场中心位置的方法，其特征在于，包括：步骤一：确定需要测量的磁场方向并预估磁体内磁场中心的位置，以该预估的位置为原点、需要测量的磁场方向为z轴方向建立坐标系，测量以原点为圆心、半径为R的球面上一系列采样点处的磁感应强度；步骤二：根据各个采样点处的磁感应强度，建立表示磁感应强度随坐标变化关系的插值函数；步骤三：在以原点为圆心，R'为半径的球面上取P个采样点定义为待优化的坐标变量，建立并求解如下的非线性优化问题：为待优化的坐标变量，建立并求解如下的非线性优化问题：式中的X1、Y1、Z1、R1为非负实数，用来定义对x0,y0,z0的约束范围，分别表示坐标点处的磁感应强度的z分量，求解上述非线性优化问题得到的即为磁体内的磁场中心坐标矢量。2.根据权利要求1所述的一种计算磁体内磁场中心位置的方法，其特征在于，步骤一中，磁场测量设备上的测量探头分布在半径为R的圆弧面上，且符合高斯分布，测量设备绕轴线等角度间隔旋转一周进行测量，得到所有采样点处的磁场。3.根据权利要求1所述的一种计算磁体内磁场中心位置的方法，其特征在于，步骤二中，任一坐标点处的磁感应强度z分量采用如下的插值公式计算：上式中，N为插值函数阶数，为坐标点的球坐标，P
nm
()表示n阶m次勒让德多项式，a
nm
与b
...

【专利技术属性】
技术研发人员：平学伟，殷兴辉，李黎，陈嘉琪，刘海韵，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：