CN114602653A - 一种电磁波除霾方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电磁波除霾方法，其包括以下步骤：首先，雾霾区域发射带电粒子，所发射的带电粒子吸附在雾霾颗粒上，使雾霾颗粒成为带电粒子；其次，向雾霾区域施加垂直方向电场使带电的雾霾颗粒产生垂直向下的初速度；再次，向雾霾区域发射圆极化电磁波使雾霾颗粒沿圆形轨迹运动并发生碰撞；最后，控制电磁波频率用于控制雾霾颗粒圆形运动轨迹的半径，以控制雾霾颗粒聚集沉降。本发明还公开一种实现上述电磁波除霾方法的电磁波除霾系统。本发明能够对不同区域进行除霾，效果显著，在环境保护中具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于电子设备与环境保护技术领域，尤其是涉及一种电磁波除霾方法及系统。
背景技术
雾霾，是空气中的灰尘、硫酸、硝酸、有机碳氢化合物等形成的气溶胶粒子，目前，气溶胶雾霾越来越严重，严重影响人们的健康，产生哮喘、气管炎、咽炎等呼吸道疾病。与此同时，雾霾的出现也对电磁波的传播产生影响，从而制约电子信息系统效能的发挥。由于雾霾是人类活动过程中产生的附加产物，难以通过停止人类活动来切断雾霾产生的源头。因此，研究人工除霾方法，在局部范围里缓解雾霾、或者切断雾霾源是目前研究的重要领域。特别是研究基于人工电磁方法的除霾机制，是目前的前沿领域之一。研究电磁除霾方法，可以在更大的区域之内产生除霾效应，不受限于空间区域，比限定区域内的除霾技术具备更大的灵活性。
传统的除霾方法主要依靠人工降雨或降雪，通过跨区域联合增雨(雪)作业，增加降水，加大雨水对霾粒子的冲刷；但是，风才是降雨过程中驱散雾霾的主力，人工降雨降雪只能造雨雪，不能造风，因此除霾效果有限。2013年，荷兰人罗斯格德提出了静电除霾的方法，其基本思想是将铜线圈埋在地下，在其上空形成静电场，让雾霾颗粒带电或产生极化，并在电场力作用下向地面方向运动，从而达到除霾的目的。但是，在实际应用中还存在以下问题：1、要想实现大面积的除霾，所需的电场强度要足够大，随之而来的就是安全和能耗的问题；2、空气在高压静电场中会被电分离，产生臭氧。
中国专利CN111744675A公开了一种基于电磁感应原理的雾霾防治装置，其包括底座，底座的侧壁上开设有进风口，底座的上端固定连通有呈筒状且上端开口设置的壳体，壳体的内侧壁上固定安装有水平设置的隔板，隔板内贯穿转动连接有转轴，转轴的上端延伸至壳体的上方并固定安装有多块迎风板，转轴的下端延伸至底座内并固定连接有风扇，转轴外安装有螺旋叶片，螺旋叶片通过滑动机构与壳体滑动连接，隔板的下端固定连接有两块导电板，壳体两侧的侧壁上均固定连接有与两块导电板正对的感应板。通过螺旋叶片将掠扫过壳体内的每一处空间，将雾霾空气中的污染物颗粒吸附，以达到净化雾霾空气的效果；该装置针对的是封闭区域除霾，除霾的区域对开放区域不能产生效果。
中国专利CN107551735A公开了一种基于电磁脉冲技术的雾霾过滤装置，其包括喇叭口、转筒、电场过滤段、金属过滤网段、动力装置、电动扇、金属过滤网和放电电极，喇叭口、转筒、电场过滤段、金属过滤网段和动力装置依次连接，电场过滤段内固定安装有放电电极，金属过滤网段内固定设有金属过滤网，金属过滤网包括金属过滤网主体和固定座，动力装置内设有电动扇，电动扇与动力装置固定连接。通过电场过滤段和金属过滤网段相互结合，可以有效过滤空气中的雾霾颗粒；使用的是出气口的过滤除霾，除霾的区域对开放区域同样不能产生效果。
中国专利CN204583483U公开了一种利用大功率微波电磁波消除雾霾的装置，该装置使用的是频率为10GHz左右的微波电磁波来轰击雾霾空气，使其中的固体颗粒物极化带电，进而互相吸引或排斥，进而与水汽结合，由体积较小的颗粒物凝结成体积较大的颗粒物从而沉降到地面，或产生定向移动而得到扩散。对频率为10GHz的电磁波如何作用于雾霾颗粒未作定量的分析，对发射电磁波的极化是否会对雾霾颗粒产生影响未作定量分析，除霾效果并不确定。此外，该装置是固定式设备，不具备可移动性。
发明内容
为解决上述问题，本发明利用电磁波能够在自由空间传播、也能在导波结构传播、还能在限制性区域内存在的多形态、多场景特点，提供一种电磁波除霾方法及系统。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种电磁波除霾方法，其包括以下步骤：
S1、向雾霾区域发射带电粒子，所发射的带电粒子吸附在雾霾颗粒上，使雾霾颗粒成为带电粒子；
S2、向雾霾区域施加垂直方向电场使步骤S1中带电的雾霾颗粒产生垂直向下的初速度；
S3、向雾霾区域发射圆极化电磁波使步骤S2中的雾霾颗粒沿圆形轨迹运动并发生碰撞；
S4、控制电磁波频率用于控制步骤S3中的雾霾颗粒圆形运动轨迹的半径，以控制雾霾颗粒聚集沉降。
进一步地，上述的步骤S3中，控制过程中，带电粒子的动力学方程表达为
式中，x、y和z分别表示带电粒子在直角坐标系下的三个坐标分量，q表示带电粒子的电荷量，m表示带电粒子的质量，Ex(x,y)表示沿x的电场强度，Ey(x,y)表示沿y的电场强度，f表示频率，t表示带电粒子运动时间，k为电磁波的波数，λ为波长，k＝2π/λ；由此得到
式中，x0、y0和z0分别表示带电粒子的初始坐标；vx0、vy0和vz0分别表示带电粒子沿x、y和z三个坐标方向的初始速度；由此得到，带电粒子在做圆形轨迹运动，并且圆的半径R为
由此表明，频率能够用于控制带电粒子轨迹的半径。
一种电磁波除霾系统，其包括控制系统、以及与之连接的电子喷射系统、垂直速度产生系统、圆极化转换器、功率发生器、收发隔离系统；其中，
所述电子喷射系统，用于向雾霾区域发射带电粒子，使雾霾颗粒成为带电粒子；
所述垂直速度产生系统，用于施加电场使带电的雾霾颗粒产生初始垂直向下的初速度；
所述圆极化转换器，用于产生圆极化电磁波；
所述功率发生器，用于产生设定的功率；
所述收发隔离系统，用于隔离发射信号和返回的接收信号。
进一步地，上述的电磁波除霾系统，其还包括频率控制器，频率控制器与功率发生器、控制系统相连接；所述频率控制器用于控制电磁波频率，以控制雾霾颗粒聚集沉降。
进一步地，上述的电磁波除霾系统，其还包括冷却系统，冷却系统与收发隔离系统、控制系统相连接；所述冷却系统用于冷却收发隔离系统。
进一步地，上述的电磁波除霾系统，其还包括天线发射控制器，天线发射控制器与圆极化转换器、天线连接；所述天线发射控制器用于控制天线的方向，以对准雾霾区域。
进一步地，上述的电子喷射系统包括但不限于阴极射线发射系统、或高压电弧放电系统。
进一步地，上述的垂直速度产生系统包括但不限于施加电极产生垂直电场。
进一步地，上述的圆极化转换器包括但不限于双馈电点合成的方式。
进一步地，上述的频率控制器包括但不限于压控振荡器。
进一步地，上述的功率发生器包括但不限于丙类谐振功率放大器。
进一步地，上述的冷却系统包括但不限于水冷或者风冷系统。
进一步地，上述的收发隔离系统包括但不限于环形器。
进一步地，上述的天线发射控制器包括但不限于相控扫描系统。
进一步地，上述的天线包括但不限于线天线、面天线和贴片天线。
进一步地，上述的控制系统包括但不限于FPGA(Field Programmable GateArray，现场可编程门阵列)系统。
由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：
该电磁波除霾方法及系统，其结构设计合理新颖，方便实用，作用区域大，移动性好，能够对不同区域进行除霾，效果显著；发射功率和电压较小，具有绿色工作的优点，同时对环境的影响小；频率可调，能够灵活适配不同雾霾颗粒大小；采用常规器件，整体造价低，性价比高，适于推广，在环境保护中具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明电磁波除霾方法的流程图；
图2是本发明电磁波除霾系统的结构框图；
图3是图2中的电子喷射系统一实施例的结构示意图；
图4是图2中的垂直速度产生系统一实施例的结构示意图；
图5是图2中的圆极化转换器一实施例的结构示意图；
图6是图2中的频率控制器一实施例的结构示意图；
图7是图2中的收发隔离系统一实施例的结构示意图；
图8是单个粒子在电磁波作用下的轨迹例图；
图9是两个粒子在电磁波作用下的轨迹例图；
图中：1－频率控制器；2－冷却系统；3－天线；4－雾霾区域；5－垂直速度产生系统；6－电子喷射系统；7－天线发射控制器；8－圆极化转换器；9－控制系统；10－收发隔离系统；11－功率发生器；12－阴极管；13－阴极材料；14－伞状电极本体；15－正极导线；16－负极导线；17－保护罩。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
如图1所示，本发明电磁波除霾方法，其包括以下步骤：
S1、向雾霾区域发射带电粒子，所发射的带电粒子吸附在雾霾颗粒上，使雾霾颗粒成为带电粒子；
S2、向雾霾区域施加垂直方向电场使步骤S1中带电的雾霾颗粒产生垂直向下的初速度；
S3、向雾霾区域发射圆极化电磁波使步骤S2中的雾霾颗粒沿圆形轨迹运动并发生碰撞；控制过程中，带电粒子的动力学方程表达为
式中，x、y和z分别表示带电粒子在直角坐标系下的三个坐标分量，q表示带电粒子的电荷量，m表示带电粒子的质量，Ex(x,y)表示沿x的电场强度，Ey(x,y)表示沿y的电场强度，f表示频率，t表示带电粒子运动时间，k为电磁波的波数，λ为波长，k＝2π/λ；由此得到
式中，x0、y0和z0分别表示带电粒子的初始坐标；vx0、vy0和vz0分别表示带电粒子沿x、y和z三个坐标方向的初始速度；由此得到，带电粒子在做圆形轨迹运动，并且圆的半径R为
表明频率能够用于控制带电粒子轨迹的半径；
S4、控制电磁波频率用于控制步骤S3中的雾霾颗粒圆形运动轨迹的半径，以控制雾霾颗粒聚集沉降。
如图2～7所示，该电磁波除霾系统，其包括控制系统9、以及与之相连接的电子喷射系统6、垂直速度产生系统5、圆极化转换器8、功率发生器11、收发隔离系统10，所述控制系统采用FPGA系统，其中，
所述电子喷射系统6为阴极射线发射系统，如图3所示，通过阴极材料13发射高速电子束，经由阴极管12发射至雾霾区域4，使雾霾颗粒成为带电粒子；
所述垂直速度产生系统5采用伞状电极产生电场，使得带电粒子定向移动，从而产生初始垂直向下的初速度；伞状电极的结构如图4所示，电压源的正极导线15接伞状电极本体14，负极导线16接地，伞状电极本体外部设置有保护罩17；
所述圆极化转换器8采用移相法产生圆极化波，如图5所示；信号源产生的信号通过功分器分成功率相等的部分，其中任意一个信号通过90°移相器进行90°移相，然后输入加法器，其余信号输入加法器，通过加法器相加后输出，形成圆极化波；所述圆极化转换器与天线发射控制器7、天线3依次连接，天线发射控制器7采用相控扫描系统，天线3采用线天线、面天线和贴片天线；所述天线发射控制器用于控制天线的方向，以对准雾霾区域4；
所述功率发生器11采用丙类谐振功率放大器产生高功率，功率发生器11的输入端与频率控制器1的输出端连接，频率控制器的输入端与控制系统相连接；所述频率控制器1采用压控二极管产生振荡信号，如图6所示；压控二极管的阳级接反偏控制电源，阴极接电容并通过电容接电感一端，电感另一端接压控二极管的阳级；通过改变反偏控制电源就能够改变电磁波频率，从而控制雾霾颗粒聚集沉降；
所述收发隔离系统10采用环形器实现收发隔离，如图7所示；发射信号通过环形器接入到圆极化转换器8，环形器另一端接冷却系统2，冷却系统与控制系统连接，冷却系统采用水冷或者风冷系统。
通过下面的一实施例详细说明本发明电磁波除霾方法的工作原理。
粒子的起始坐标：(x,y,z)＝(0,0,0)米；起始速度：(vx0,vy0,vz0)＝(0，0，-0.03)米/秒；电荷与质量的比值：q/m＝100库仑/千克；电磁强度Ex(x,y)＝Ey(x,y)＝1000伏/每米；频率f＝1000赫兹，得到的颗粒轨迹如图8所示。从图8中可以看出，带电粒子在频率固定时，其轨迹半径固定，但是一直有向下的运动。
如果在运动过程中改变频率，就可以改变粒子的半径，这里以两个粒子为例说明。
粒子1的起始坐标：(x,y,z)＝(0,0,0)米；起始速度：(vx0,vy0,vz0)＝(0，0，-0.03)米/秒；电荷比质量：q/m＝100库仑/千克；电磁强度Ex(x,y)＝Ey(x,y)＝10000伏/每米；频率f＝1000～1200赫兹；
粒子2的起始坐标：(x,y,z)＝(0,0,0)米；起始速度：(vx0,vy0,vz0)＝(0，-0.03，-0.03)米/秒；电荷与质量的比值：q/m＝50库仑/千克；电磁强度Ex(x,y)＝Ey(x,y)＝10000伏/每米；频率f＝1000～1200赫兹；得到的颗粒轨迹如图9所示，从图9中可以看出，带电粒子的轨迹半径随频率增大而减少，同时一直有向下的运动，说明了可以利用频率控制例子的运动轨迹。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，而非对本发明的限制，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明的专利保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电磁波除霾方法，其特征是：其包括以下步骤：
S1、向雾霾区域发射带电粒子，所发射的带电粒子吸附在雾霾颗粒上，使雾霾颗粒成为带电粒子；
S2、向雾霾区域施加垂直方向电场使步骤S1中带电的雾霾颗粒产生垂直向下的初速度；
S3、向雾霾区域发射圆极化电磁波使步骤S2中的雾霾颗粒沿圆形轨迹运动并发生碰撞；
S4、控制电磁波频率用于控制步骤S3中的雾霾颗粒圆形运动轨迹的半径，以控制雾霾颗粒聚集沉降。
2.根据权利要求1所述的电磁波除霾方法，其特征是：其步骤S3中，控制过程中，带电粒子的动力学方程表达为
式中，x、y和z分别表示带电粒子在直角坐标系下的三个坐标分量，q表示带电粒子的电荷量，m表示带电粒子的质量，Ex(x,y)表示沿x的电场强度，Ey(x,y)表示沿y的电场强度，f表示频率，t表示带电粒子运动时间，k为电磁波的波数，λ为波长，k＝2π/λ；由此得到
式中，x0、y0和z0分别表示带电粒子的初始坐标；vx0、vy0和vz0分别表示带电粒子沿x、y和z三个坐标方向的初始速度；由此得到，带电粒子在做圆形轨迹运动，并且圆的半径R为
由此表明，频率能够用于控制带电粒子轨迹的半径。
3.一种电磁波除霾系统，其特征是：其包括控制系统、以及与之连接的电子喷射系统、垂直速度产生系统、圆极化转换器、功率发生器、收发隔离系统；其中，
所述电子喷射系统，用于向雾霾区域发射带电粒子，使雾霾颗粒成为带电粒子；
所述垂直速度产生系统，用于施加电场使带电的雾霾颗粒产生初始垂直向下的初速度；
所述圆极化转换器，用于产生圆极化电磁波；
所述功率发生器，用于产生设定的功率；
所述收发隔离系统，用于隔离发射信号和返回的接收信号。
4.根据权利要求3所述的电磁波除霾系统，其特征是：其还包括频率控制器，频率控制器与功率发生器、控制系统相连接；所述频率控制器用于控制电磁波频率，以控制雾霾颗粒聚集沉降。
5.根据权利要求3所述的电磁波除霾系统，其特征是：其还包括冷却系统，冷却系统与收发隔离系统、控制系统相连接；所述冷却系统用于冷却收发隔离系统。
6.根据权利要求3所述的电磁波除霾系统，其特征是：其还包括天线发射控制器，天线发射控制器与圆极化转换器、天线连接；所述天线发射控制器用于控制天线的方向，以对准雾霾区域。
7.根据权利要求3所述的电磁波除霾系统，其特征是：其还包括以下特征中任一项或多项：
(1)、电子喷射系统包括但不限于阴极射线发射系统、或高压电弧放电系统；
(2)、垂直速度产生系统包括但不限于施加电极产生垂直电场；
(3)、圆极化转换器包括但不限于双馈电点合成的方式；
(4)、功率发生器包括但不限于丙类谐振功率放大器；
(5)、收发隔离系统包括但不限于环形器；
(6)、控制系统包括但不限于FPGA系统。
8.根据权利要求4所述的电磁波除霾系统，其特征是：其频率控制器包括但不限于压控振荡器。
9.根据权利要求5所述的电磁波除霾系统，其特征是：其冷却系统包括但不限于水冷或者风冷系统。
10.根据权利要求6所述的电磁波除霾系统，其特征是：其天线发射控制器包括但不限于相控扫描系统；天线包括但不限于线天线、面天线和贴片天线。
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- 2022-01-30 CN CN202210114257.4A patent/CN114602653B/zh active Active
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