CN115515650A

CN115515650A - 用于电磁病毒灭活的系统和方法

Info

Publication number: CN115515650A
Application number: CN202180026704.4A
Authority: CN
Inventors: S·G·铂尔曼; A·福伦扎; R·W·希思; F·赛比; M·彻波尼斯
Original assignee: Rearden LLC
Current assignee: Rearden LLC
Priority date: 2020-04-08
Filing date: 2021-04-08
Publication date: 2022-12-23
Also published as: IL297062A; KR20220165748A; EP4132597A1; CA3179424A1; JP2023521415A; WO2021207527A1; AU2021253569A1

Abstract

本发明提出了一种使用射频天线、激光器或声发射器的阵列减少室内或室外空间内的活性目标病毒、细菌或其他微生物或微生物体的数量的系统和方法。该系统通过一系列波束图案来扫描。射频、激光频率或声频率和停留时间取决于目标病毒和细菌。通过多种多样的发射波束形成向量来扫描，可以杀死整个该覆盖区域中的许多位置处的微生物或微生物体或使之无害，同时避免使人类暴露于有害级别的射频或激光功率。所提议的系统和方法可灵活地应用于许多阵列几何形状，包括具有大间距和非各向同性天线或声发射器的那些阵列几何形状，以及应用于多种类型的激光器。

Description

用于电磁病毒灭活的系统和方法

相关申请

本申请可与以下公布的且共同未决的美国专利申请相关：

2020年4月8日提交的名称为“用于电磁病毒灭活的系统和方法 (Systems andMethods for Electromagnetic Virus Inactivation)”的美国临时申请号63/007,358

2020年1月28日公布的名称为“分布式输入分布式输出无线通信中用于利用信道互易性的射频校准的系统和方法(System and Methods for Radio FrequencyCalibration Exploiting Channel Reciprocity in Distributed Input DistributedOutput Wireless Communications)”的美国专利号10,547,358

2019年9月24日公布的名称为“用于多用户频谱的计划演进和退化的系统和方法(System and Methods for planned evolution and obsolescence of multiuserspectrum)”的美国专利号10,425,134

2019年7月9日公布的名称为“用于在分布式输入分布式输出系统中补偿多普勒效应的系统和方法(System and Methods to Compensate for Doppler Effects inDistributed-Input Distributed Output Systems)”的美国专利号10,349,417

2019年6月25日公布的名称为“用于分布式天线无线通信的系统和方法(Systemand Method For Distributed Antenna Wireless Communications)”的美国专利号10,333,604

2019年6月11日公布的名称为“用于经由用户聚类在分布式无线系统中协调传输的系统和方法(Systems and Methods to Coordinate Transmissions in DistributedWireless Systems via User Clustering)”的美国专利号10,320,455

2019年4月20日公布的名称为“用于在无线系统中利用相干区域的系统和方法(Systems and Methods to Exploit Areas of Coherence in Wireless Systems)”的美国专利号10,277,290

2019年3月26日公布的名称为“用于在分布式输入分布式输出无线系统中增强空间分集的系统和方法(System and Methods to Enhance Spatial Diversity inDistributed-Input Distributed-Output Wireless Systems)”的美国专利号10,243,623

2019年2月5日公布的名称为“分布式输入分布式输出(DIDO)通信系统中的干扰管理、越区切换、功率控制和链路适配(Interference Management,Handoff,Power ControlAnd Link Adaptation In Distributed-Input Distributed-Output(DIDO)Communication Systems)”的美国专利号 10,200,094

2019年1月22日公布的名称为“用于分布式输入分布式输出 (DIDO)网络中的功率控制和天线分组的系统和方法(System And Method For Power Control And AntennaGrouping In A Distributed-Input- Distributed-Output(DIDO)Network)”的美国专利号10,187,133

2018年12月25日公布的名称为“用于经由分布式输入分布式输出技术在无线蜂窝系统中利用小区间复用增益的系统和方法(System and Methods for Exploiting Inter-Cell Multiplexing Gain in Wireless Cellular Systems Via Distributed InputDistributed Output Technology)”的美国专利号10,164,698

2018年5月15日公布的名称为“用于经由分布式输入分布式输出技术在无线蜂窝系统中利用小区间复用增益的系统和方法(System and Methods for Exploiting Inter-Cell Multiplexing Gain in Wireless Cellular Systems Via Distributed InputDistributed Output Technology)”的美国专利号9,973,246

2018年3月20日公布的名称为“用于经由分布式输入分布式输出技术在无线蜂窝系统中利用小区间复用增益的系统和方法(System and Methods for Exploiting Inter-Cell Multiplexing Gain in Wireless Cellular Systems Via Distributed InputDistributed Output Technology)”的美国专利号9,923,657

2017年11月21日公布的名称为“用于管理穿越多个DIDO集群的客户端的集群间切换的系统和方法(System And Method For Managing Inter- Cluster Handoff OfClients Which Traverse Multiple DIDO Clusters)”的美国专利号9,826,537

2017年11月14日公布的名称为“用于基于所检测到的客户端速度管理客户端在不同分布式输入分布式输出(DIDO)网络之间的越区切换的系统和方法(System And MethodFor Managing Handoff Of A Client Between Different Distributed-Input-Distributed-Output(DIDO)Networks Based On Detected Velocity Of The Client)”的美国专利号9,819,403

2017年6月20日公布的名称为“用于在分布式输入分布式输出无线系统中增强空间分集的系统和方法(System and Methods to Enhance Spatial Diversity inDistributed-Input Distributed-Output Wireless Systems)”的美国专利号9,685,997

2016年7月5日公布的名称为“用于分布式天线无线通信的系统和方法(Systemand Method For Distributed Antenna Wireless Communications)”的美国专利号9,386,465

2016年6月14日公布的名称为“用于经由用户聚类在分布式无线系统中协调传输的系统和方法(Systems and Methods to Coordinate Transmissions in DistributedWireless Systems via User Clustering)”的美国专利号9,369,888

2016年4月12日公布的名称为“用于在分布式输入分布式输出系统中补偿多普勒效应的系统和方法(System and Methods to Compensate for Doppler Effects inDistributed-Input Distributed Output Systems)”的美国专利号9,312,929

2015年3月24日公布的名称为“用于分布式输入分布式输出无线系统中的无线回程的系统和方法(System and Methods for Wireless Backhaul in Distributed-InputDistributed-Output Wireless Systems)”的美国专利号 8,989,155

2015年3月3日公布的名称为“用于基于信号强度测量调整DIDO干扰消除的系统和方法(System And Method For Adjusting DIDO Interference Cancellation Based OnSignal Strength Measurements)”的美国专利号 8,971,380

2014年2月18日公布的名称为“用于分布式天线无线通信的系统和方法(Systemand Method For Distributed Antenna Wireless Communications)”的美国专利号8,654,815

2013年10月29日公布的名称为“用于多载波系统中的DIDO预编码内插的系统和方法(System And Method For DIDO Precoding Interpolation In MulticarrierSystems)”的美国专利号8,571,086

2013年9月24日公布的名称为“用于经由用户聚类在分布式无线系统中协调传输的系统和方法(Systems and Methods to Coordinate Transmissions in DistributedWireless Systems via User Clustering)”的美国专利号8,542,763

2013年4月23日公布的名称为“用于分布式输入分布式输出无线通信的系统和方法(System and Method for Distributed Input Distributed Output WirelessCommunication)”的美国专利号8,428,162

2012年5月1日公布的名称为“用于基于信号强度测量调整DIDO干扰消除的系统和方法(System And Method For Adjusting DIDO Interference Cancellation Based OnSignal Strength Measurements)”的美国专利号 8,170,081

2012年4月17日公布的名称为“System and Method For Distributed Input-Distributed Output Wireless Communications”(用于分布式输入分布式输出无线通信的系统和方法)的美国专利号8,160,121

2011年2月8日公布的名称为“用于使用空时编码增强近垂直入射天波(“NVIS”)通信的系统和方法(System and Method For Enhancing Near Vertical IncidenceSkywave(“NVIS”)Communication Using Space- Time Coding)”的美国专利号7,885,354

2010年5月4日公布的名称为“用于空间多路复用的对流层散射通信的系统和方法(System and Method For Spatial-Multiplexed Tropospheric ScatterCommunications)”的美国专利号7,711,030

2009年12月22日公布的名称为“用于分布式输入分布式输出无线通信的系统和方法(System and Method for Distributed Input Distributed Output WirelessCommunication)”的美国专利号7,636,381

2009年12月15日公布的名称为“用于分布式输入分布式输出无线通信的系统和方法(System and Method for Distributed Input Distributed Output WirelessCommunication)”的美国专利号7,633,994

2009年10月6日公布的名称为“用于分布式输入分布式输出无线通信的系统和方法(System and Method for Distributed Input Distributed Output WirelessCommunication)”的美国专利号7,599,420

2008年8月26日公布的名称为“用于分布式输入分布式输出无线通信的系统和方法(System and Method for Distributed Input Distributed Output WirelessCommunication)”的美国专利号7,418,053

2019年9月20日提交的名称为“用于多用户频谱的计划演进和退化的系统和方法(System And Method For Planned Evolution and Obsolescence of MultiuserSpectrum)”的美国申请序列号16/578,265

2019年1月21日提交的名称为“用于在分布式输入分布式输出无线系统中增强空间分集的系统和方法(System And Methods to Enhance Spatial Diversity inDistributed-Input Distributed-Output Wireless Systems)”的美国申请序列号16/253,028

2019年7月8日提交的名称为“用于在多用户(MU)多天线系统 (MAS)中补偿多普勒效应的系统和方法(System And Method to Compensate for Doppler Effects inMulti-user(MU)Multiple Antenna Systems (MAS))”的美国申请序列号16/505,593

2019年6月10日提交的名称为“用于经由用户聚类在分布式无线系统中协调传输的系统和方法(Systems And Methods To Coordinate Transmissions In DistributedWireless Systems Via User Clustering)”的美国申请序列号16/436,864

2018年11月13日提交的名称为“用于经由分布式输入分布式输出技术在无线蜂窝系统中利用小区间多路复用增益的系统和方法(Systems And Methods For ExploitingInter-Cell Multiplexing Gain In Wireless Cellular Systems Via DistributedInput Distributed Output Technology)”的美国申请序列号16/188,841

2017年10月24日提交的名称为“用于散布无线电头端的系统及方法 (System AndMethod For Distributing Radioheads)”的美国申请序列号 15/792,610

2017年8月21日提交的名称为“用于减轻活跃使用的频谱内的干扰的系统和方法(System And Method For Mitigating Interference within Actively UsedSpectrum)”的美国申请序列号15/682,076

2016年11月1日提交的名称为“用于分布式输入分布式输出无线通信的系统和方法(System And Method For Distributed Input Distributed Output WirelessCommunication)”的美国申请序列号15/340,914

2015年3月27日提交的名称为“用于活跃使用的频谱内的并发频谱使用的系统和方法(System And Method For Concurrent Spectrum Usage within Actively UsedSpectrum)”的美国申请序列号14/672,014

2015年2月2日提交的名称为“用于在分布式天线系统中将虚拟无线电实例映射到物理相干区域中的系统和方法(System And Method For Mapping Virtual RadioInstances Into Physical Areas of Coherence in Distributed Antenna WirelessSystems)”的美国申请序列号14/611,565

2010年6月16日提交的名称为“用于DIDO多载波系统中的链路适配的系统和方法(System And Method For Link adaptation In DIDO Multicarrier Systems)”的美国申请序列号12/802,975

背景技术

病毒本质上是由蛋白质外壳或衣壳围绕的基因组(RNA或DNA)。核衣壳由衣壳与包围的核酸组成，并且其通常位于细胞质内。根据病毒的不同，核衣壳可由膜包膜围绕。例如，核衣壳蛋白(N蛋白)是冠状病毒中最丰富的蛋白，并且N蛋白通常用作诊断测定法中的标记物。核衣壳由 N蛋白与病毒RNA或DNA缔合而形成(参见图1)。

病毒附着到细胞(尤其是虚弱或缺少保护皮肤的那些细胞)上，然后繁殖。与细菌不同，抗生素无法控制病毒。只有有限数量的抗病毒疗法和疫苗可用于一些常见病毒，如季节性流感毒株，但这些疗法需要在病毒突变和进化时不断重新开发。许多病毒都没有根治疗法，HIV是最好的例子。

可开发疫苗来预防病毒感染或降低病毒感染的可能性，但通常要花更长时间开发新病毒的疫苗并确认其有效且无危险，这远远慢于新病毒在发达国家中传播的速度[15]。

例如，SARS-CoV-2(先前称为2019新型冠状病毒，其引发称为 COVID-19的呼吸系统疾病)导致全球大流行并且早在任何疫苗可供使用之前便夺走了成千上万的生命。2019年11月17日发现貌似最早的感染病例，随后病毒迅速传播至180多个国家，传播方式显然主要是通过人际传播。首例检出后不到3个月，在2020年1月30日，世界卫生组织 (“WHO”)宣布SARS-CoV-2为国际关注的突发公共卫生事件，并且首例检出后不到4个月，在2020年3月11日，WHO宣布其为全球大流行。到2020年4月8日，已有超过150万人被感染，死亡病例超过88,000例。死亡率在各国有很大差别，因素有很多，诸如多早实行疫情隔离和社交距离措施、人群的平均年龄、医疗设施的可用性、人与人交流的相关文化规范以及许多其他因素[16]。

被感染与否以及是生是死的主要因素是纯粹的偶然机会。例如，位于华盛顿州柯克兰(Kirkland,WA)的生命护理中心(Life Care Center)养老院(有大约120名入住者，很多人的年龄都在80多岁和90多岁)成为美国首次重大SARS-CoV-2疫情爆发的中心。哪名被感染个体到访该机构并首次将病毒传播给了谁还不得而知，但在2020年2月26日，最先有2名入住者死于该病毒，并且由于许多其他入住者很快生病并伴有类似症状，该机构被隔离检疫并且该病毒被鉴别为SARS-CoV-2。截止2020年3月21 日为止，81名入住者(占其人群的三分之二)经检测呈SARS-CoV-2阳性，并且35名入住者已死亡，占被感染入住者的43％。其三分之一的员工要么患病，要么居家以免感染[17]。

一些病毒在表现出症状之前具有接触传染性(据信SARS-CoV-2就是这种情况)，并且会被人在未察觉到自己是携带者的情况下传播。一些病毒具有极高致死率，诸如2014-2016埃博拉病毒(估计致死率为50％)，其他病毒具有极低致死率，诸如导致2009大流行的H1N1流感毒株(估计致死率为0.02％)[18]。甚至像季节性流感这样的常见病毒也会通过疾病 (不适、生产力损失、医疗费用)及在更严重的情况下死亡(根据病毒的不同，尤其处于风险中的是儿童、老年人、免疫系统较弱的人及有既往医学病症的人)来在许多方面造成重大影响。

SARS-CoV-2大流行迅速导致数以亿计的人被隔离(例如，除了外出获得必需品诸如食物、药物、医疗救助或支持基本服务之外被限制在自己的家中)以便防止病毒传播。到2020年4月7日，约95％美国人居家以防止病毒传播[19]。结果是在所有发达国家中给人们的日常生活和机构(包括学校、企业和政府机关)造成空前的破坏。

在这样大规模上采取这些严厉措施的原因在于隔离和社交距离是减慢发达国家(在这些国家，人们成群结队地相互交流并且在世界各地到处旅行)传染增长率的唯一可行方式，从而防止压垮可用的医疗资源。例如， SARS-CoV-2的重症病例需要医用呼吸机来治疗，并且每个国家的每个地区的医疗系统中只有有限数量的呼吸机可用。如果大量的人突然生病，将没有足够的呼吸机供应，从而导致原本可以避免的死亡，但如果同样数量的人在足够长的时间内生病，则将有足够的呼吸机。

一些病毒在气溶胶形式下(在空气中)或在表面上保持活性达好几个小时或甚至数天，这取决于温度和湿度条件或表面类型。例如，近期的出版物已表明，SARS-CoV-2在气溶胶形式下保持活性长达3小时，并且根据材料的类型，在表面上保持活性长达72小时[20],[21]。

虽然提供了可用于灭活表面上和空气中的病毒的广泛化学品和消毒技术诸如强紫外光或极端高温，但这些产品和技术必须频繁且专门地应用于潜在接触区域才最有效。它们在可喷雾或清洗的地方(如桌面表面)最管用，但在隐藏位置中(在连桌椅下)或通常在空气中不太有效。此外，在公共空间如体育场、音乐厅、交通站、学校等中，在每次使用公共空间之后手动地使用化学品清洁所有暴露表面以防止病毒传播可能不切实际。

然而，对于主要通过人际气溶胶感染来传播的许多病毒(包括SARS- CoV-2)而言，不论多频繁或多彻底地清洁公共空间，这对控制传染都只具有很少影响。例如，具有活性病毒传染性的一个人在人潮拥挤的火车站咳嗽可以通过气溶胶暴露传染其周围的几十人，而不管前一天晚上火车站被清洁得多干净。据报道，2020年伊始冠状病毒流行病的爆发是因不同国家的公共区域和室内场地中的大型集会引发的。同一病毒在受限环境中迅速传播的其他示例是停靠在日本横滨的钻石公主号游轮[25]和停靠在关岛的美国西奥多·罗斯福号航空母舰[26]。

因此，人们有兴趣开发特别是在具有高人群密度的公共区域或场地中在一个人可通过直接气溶胶暴露传染他人之前可实时地灭活气溶胶形式的病毒的新技术。这将需要在剧烈呼气事件诸如咳嗽或打喷嚏之后在气溶胶形式的病毒接触到另一人之前灭活气溶胶形式的病毒。这还将需要可在气溶胶形式的病毒非常接近人类时灭活该病毒而不给人类造成伤害的装置。

已证实空气离子发生器能抑制室内空间中气溶胶形式的病毒传播 [27]，但空气离子发生器的副作用是产生室内臭氧，有可能超过食品药品监督管理局(Food and DrugAdministration)关于医疗装置的0.05百万分率(ppm)限值[28]，以及职业安全与危害管理局(Occupational Safety and Hazard Administration)规定的8小时内0.10ppm，以及国家职业安全与健康研究所(National Institute of Occupational Safety and Health)规定的在任何时间不得超过的0.10ppm。臭氧是一种肺刺激物，它可降低肺功能，加重哮喘并且导致咽喉刺激和咳嗽、胸痛和呼吸短促、肺组织炎症和对呼吸道感染的更高易感性[29]。因此，空气离子发生器在公共空间中作为抑制空气传播病毒的装置来大规模使用会出现问题。

另一种所提议的方法是在公共空间的顶灯中使用202-222nm范围内的远紫外-C光来杀死病毒和细菌[30]。这种方法将类似于常规紫外消毒，但其他研究表明，与对人类皮肤和眼睛具有不良反应(例如，致癌及角膜和视网膜损伤)的较长紫外线波长不同，202-222nm范围内的远紫外-C光没有不良反应[31]。虽然这最终可被证明是可行的解决方案，但直到存在 202-222nm范围内紫外-C光的长期人类暴露的长期研究和公认标准，在公共空间中使用该方法才可行。

在病毒进入身体之前用化学品、空气电离、紫外光或极端高温灭活病毒的替代方案是利用包含病毒RNA或DNA的病毒衣壳或核衣壳中的特殊对称性的共振。该对称性体现在存在可用超声或特超声信号激发的许多低频振动模式，这在[1]中假设并且随后使用[2]中的数学公式计算，并且另参见[3]。

也可使用电磁(“EM”)辐射来利用病毒衣壳中的对称性。使用EM 辐射来破坏病毒衣壳的构思在[5]中讨论并且在[32]中极短距离内的近场内实现。所有分子都具有强烈吸附入射EM辐射的振动和旋转共振频率。与需要红外或类似极高频率的振动共振频率相比，旋转共振频率通常在微波方案中被吸收。然后转换所吸收的EM能量以加热该分子和其周围环境。已在[32] 中表明，利用足够的能量，衣壳中的目标分子可生成足够的热来破坏该病毒，从而破坏衣壳及其病毒基因组含量并因此灭活该病毒。关键步骤将是寻找目标病毒的衣壳中相对独特的分子并且仅激发该病毒。[5]中的文章设想这将在体内完成(一旦病毒已进入身体)但并未提供解决方案。[32]描述了用于在体外灭活病毒的工作系统，其中通过暴露于6和12GHz之间的频率的微波辐射来灭活溶液中的流感A亚型H3N2和H1N1病毒，如图2所示。

还可以以其他方式使用EM辐射来灭活病毒。例如，在[6]中，假设可通过与对应于晶格振动频率的频率的EM信号的共振来利用包含具有晶型的病毒基因组的衣壳内的高压。

现有技术EM辐射开发一直集中在短距离传输。[32]利用微波喇叭，其中病毒样本位于该喇叭的几厘米内。[33]描述了将微波喇叭与近场中的聚焦反射阵列组合以在样本处于高达178mm(7英寸)的距离的情况下灭活H3N2流感-A亚型。

当没有人类暴露于EM辐射时，这些现有技术解决方案是实用的。例如，如果人类从公共空间撤出，则可开启高能量紫外灯或微波发射器以使公共空间充满EM辐射并且灭活保留在空气中或表面上的病毒。另外，手持式紫外灯或微波发射器可指向特定表面以使病毒失活。但如先前所述，许多(如果不是几乎所有的话)病毒传染是通过实时人际气溶胶传输而发生的。这些现有技术解决方案并未解决病毒传播的这一主要手段。

如先前所述，最终可发现公共空间的顶灯中202-222nm范围内的现有技术远紫外-C光在也能灭活病毒的某个功率级别下对于长期人类暴露是安全的。如果是这样，必须找到一种装置以确保存在足以灭活病毒的功率级别，但功率级别又足够低而不会伤害人类，并且该装置可保持在人类所处的位置。如果紫外光源与人类之间的距离变化很大，则这可难以实现，因为气溶胶病毒和人类接收到的功率将随距离而显著变化。与微波辐射相比，一般光辐射、特别是紫外光辐射控制起来要难得多。202nm光具有约 1.5皮赫的频率，是例如8GHz微波辐射的频率的约185,000倍，因此只有很少技术可用于在公共空间中的特定位置处控制其功率级别。

[32]说明了灭活该病毒所需的功率级别低于IEEE安全标准[34]，但此类级别将提供部分病毒灭活且仅在15分钟后。在第6页[32]上说明了“我们的理论模型预测灭活阈值场强为86.9V/m，这对应于样本中82.3W/m²的平均微波功率密度。由于我们假设所有功率都可从空气传输到样本，因此空气中的功率密度也为82.3W/m²，这比IEEE安全标准低1.48倍”，但 82.3W/m²对应于38％病毒灭活。为了实现100％病毒灭活，需要810W/m²的功率密度。此外，这些实验使病毒样品暴露于这些功率级别达15分钟间隔，这一时间太长而不能使通过咳嗽或打喷嚏时喷出的飞沫从一个人类实时地传播到另一个人类的空气传播病毒失活。

该论文参考了IEEE安全标准，但存在其他将可能适用于特别是美国的广泛公众采纳的微波发射安全指南，包括FCC[35]、[36]和国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP，网址www.icinirp.org)[43]发布的EM暴露指南。ICNIRP指南最近更新于2020年3月11日，考虑了近期研究。 ICNIRP和FCC EM辐射暴露指南非常相似，它们指示对于一般人群/不受控制的全身暴露而言1.5GHz以上频率的功率密度限值为10W/m²，并且两者均比[32]所使用的IEEE指南更具约束性。[32]中描述的在15分钟后实现 38％病毒灭活的82.3W/m²功率密度将远远超出ICNIRP或FCC EM暴露指南，更不必说在15分钟后实现100％灭活的810W/m²。很可能将需要更高功率来在数秒或更少时间内灭活病毒以便在公共空间中咳嗽或打喷嚏的情况下防止人际空气传染。

激光已用于在人类不暴露于激光发射的实验室环境中使用飞秒激光通过冲击受激拉曼散射(ISRS)来灭活病毒[4]、[37]。ISRS由以下步骤组成：用超短强脉冲激光照射该病毒以激发振动模式并且产生低频声振动，从而破坏该病毒的衣壳。不同病毒表现出不同振动频率，可通过改变激光的脉冲宽度来合成该振动频率。具有足以灭活病毒的功率的激光发射将潜在地对人类眼睛或皮肤有害。美国食品药品监督管理局(FDA)将激光分类为第I类、第IIa和II类、第IIIa和IIIb类以及第IV类，而国际电工委员会 (IEC)规定了类似分类：分类第1、1M类、第2、2M类、第3R、3B类以及第4类。(例如，[38])。第I类和第1类被认为在肉眼观看时无害。第 IIa和II类及第2和2M类被认为在肉眼短时间观看时无害。根据功率，第IIIa类和第3R类在肉眼直接观看时可短暂有害。第IIIb类和第3B类会因直射光束造成即时皮肤危害并在肉眼直接观看时造成即时眼睛危害。第IV类和第4类会因直射或反射光束造成即时皮肤危害和眼睛危害并且还可带来火灾隐患。对于肉眼在公共空间中直接安全观看的激光而言，仅可连续使用第 I类，并且只有足够低功率的第IIa和II类、可能第IIIa类可用于在公共空间内扫描。如果激光用于灭活公共空间中的人类的面部附近的病毒，则将需要比静止或扫描第I、IIa、II或IIIa类激光的安全功率级别更高的功率，但此类激光将不能在不对人类构成伤害风险的情况下安全使用。

因此，虽然存在用于灭活病毒的已知EM辐射方法，但广泛部署仍有障碍。尚未在202-222nm范围内的远紫外C辐射的情况下建立暴露限值，并且可能难以控制公共空间中的辐射的功率级别。就微波辐射而言，使用已知技术时的所需功率级别远远超过ICNIRP和FCC建立的人类EM辐射暴露指南。就激光发射而言，灭活病毒所需的激光功率将对人类构成伤害风险。

迫切需要提供用于实时地灭活公共空间中的空气传播病毒以防止人际空气传染的系统和方法。这些系统和方法灭活公共空间中刚刚通过人类剧烈呼气事件(例如，咳嗽或打喷嚏)释放的空气传播病毒，但它们必须对于公共空间中的所有人类都是安全的(根据公认的EM辐射暴露指南)。

附图说明

本专利或申请文件包含至少一张彩色附图。在请求并支付必要费用后，美国专利和商标局会提供具有彩色附图的本专利或专利公开的副本。

结合附图，可从以下具体实施方式更好地理解本发明，其中：

图1示出了病毒体。

图2示出了根据现有技术在不同共振频率下的灭活比率。

图3示出了所考虑的系统的部件。

图4示出了6x6方阵列的几何形状。

图5示出了6x6方阵列的阵列因子。

图6示出了随距离和发射天线总数而变化的朝向方阵列的最大增益的方向(即，垂射方向)的辐射密度。

图7示出了通过在20分钟内使温度从30℃升高到45℃来破坏HRV 的衣壳的平均发射功率要求。

图8示出了随天线数量而变化的方阵列的-3dB波束宽度。

图9示出了根据本发明的一个实施方案的作为示例性公共空间的体育场。

图10示出了根据本发明的一个实施方案的遍布天线或BTS的公共空间及控制器和交换机。

图11a和图11b示出了根据本发明的一个实施方案的带有和不带有屋顶的公共空间，所述公共空间被配置有指向公共空间的第一区段的可转向波束形成天线。

图12a和图12b示出了根据本发明的一个实施方案的带有和不带有屋顶的公共空间，所述公共空间被配置有指向公共空间的第二区段的可转向波束形成天线。

图13a和图13b示出了根据本发明的一个实施方案的带有和不带有屋顶的公共空间，所述公共空间被配置有重叠激光雷达单元。

图14a和图14b示出了根据本发明的一个实施方案的带有和不带有屋顶的公共空间，所述公共空间被配置有指向公共空间的第一区段的可转向波束形成天线以及重叠激光雷达单元。

图15示出了根据本发明的一个实施方案的坐在公共空间中的2个人类及他们周围的灭活体积的近距离视图。

图16示出了根据本发明的一个实施方案的包含相干体积的灭活体积。

图17示出了根据本发明的一个实施方案的显示为纯灰色的相干体积。

图18是图17的3D图示。

图19示出了根据本发明的一个实施方案的其中一个人类站立且一个人类坐在公共空间中的2个人类及包含显示为纯灰色的相干体积的灭活体积的近距离视图。

图20a和图20b示出了根据本发明的一个实施方案的显示为具有灭活体积的公共空间，该灭活体积包含显示为纯灰色的相干体积。

图21示出了根据本发明的一个实施方案的坐在公共空间中的2个人类及组合在灭活体积中的可转向激光器的近距离视图。

图22示出了根据本发明的一个实施方案的100个天线阵列安装在座位区上方10米的高度处的竞技场区段的天花板上的本发明的示例性实施方案。

图23示出了根据本发明的一个实施方案的在具有自由空间传播的竞技场区段中的功率密度的空间分布。

图24示出了根据本发明的一个实施方案的“安全边界”的顶视图。

图25示出了根据本发明的一个实施方案的“安全边界”的3D视图。

图26示出了根据本发明的一个实施方案的封装在“安全边界”内的“灭活边界”的3D视图。

图27示出了根据本发明的一个实施方案的具有快衰落传播信道的竞技场区段中的功率密度的空间分布

具体实施方式

克服许多上述现有技术限制的一种解决方案是使用射频(RF)与商业上称为

无线技术(也称为“分布式输入分布式输出”或“DIDO”无线技术)的分布式天线或基站收发台(“BTS”)空间处理实施方案(如以下专利和专利申请中所教导，所有这些专利和专利申请都转让给本发明的受让人并且以引用方式并入)来实时地灭活空气传播病毒。有时这些专利和申请在本文中统称为“相关专利和申请”。

2011年2月8日公布的名称为“用于使用空时编码增强近垂直入射天波 ("NVIS")通信的系统和方法(System and Method For Enhancing Near Vertical IncidenceSkywave("NVIS")Communication Using Space-Time Coding)”的美国专利号7,885,354

为了降低本专利申请的大小和复杂性，下文未明确阐述相关专利和申请的公开内容。请参见相关专利和申请，获取公开内容的详尽描述。

在一个实施方案中，覆盖区域具有围绕覆盖区域(例如，竞技场或体育场)分布的多个分布式天线或基站收发台(“BTS”)，使得一些或所有传输在人类(例如，现场活动的竞技场出席者)所占据的区域中、周围和之内重叠。控制分布式天线的传输以便协调其传输，使得在任何给定时间，多个波形的相长干涉和相消干涉所产生的辐射图案在人体之间的空气中具有足够高的功率和持续时间以灭活病毒，但根据适用EM辐射人类暴露指南诸如ICNIRP、FCC和IEEE指南，在人类所处的位置具有足够低的功率以对于人类暴露是安全的[34-36]、[43]。从技术上讲，宿主细胞之外的病毒的传染形式被定义为“病毒体”，并且在本申请中，我们使用词语“病毒”来指病毒或病毒体。

图9示出了公共空间，在一个实施方案中为竞技场、体育场或剧院 1001，其中出席者坐在例如场地、溜冰场、舞台或其他类型的表演区1003 的一个或多个侧面上。通常，此类公共空间中的座位1002成角度以从表演区1003向上稳步地升高，从而允许出席者越过他们前方的人的头部观看。

在一个实施方案中，图9的天线或BTS如图10中那样遍布于公共空间中。图10示出了80个天线或BTS，作为示例，标记了天线或BTS 1010、 1011、1012和1013，但天线或BTS1010-1013应意指公共空间中的所有天线或BTS。天线或BTS 1010-1013可以是并非BTS一部分的独立天线，或它们可以是具有天线的BTS。如果天线或BTS 1010-1013是独立天线，则通过通信装置(包括但不限于同轴电缆)向天线提供射频(RF)信号。如果天线或 BTS 1010-1013是BTS，则BTS通过通信装置接收通信，该通信装置包括但不限于光学或有线以太网、通用公共无线电接口(CPRI)、电缆数字服务接口规范(DOCSIS)和/或无线通信装置或它们的任何组合，或为全向的、定向的、具有一个或多个极化。图10所示的实施方案示出了80个天线或BTS 1010-1013。其他实施方案将具有更多或更少天线或BTS 1010-1013。

天线或BTS 1010-1013(不论是独立天线还是BTS上的天线)可以是任何类型的天线，不论是单个天线还是天线阵列，包括但不限于全向天线、任何增益的定向天线、多波瓣天线、波束形成或波束转向有源阵列 (包括具有固定或可变波束配置的相控阵列天线)、“大规模MIMO”天线阵列、微波喇叭、多点波束天线、抛物形或任何反射器天线、或被设计用于单频带或多频带应用的任何其他类型的天线或天线阵列。

驱动每个天线或每个BTS 1010-1013(不论是独立天线还是BTS上的天线)的RF信号可以是固定频率或可变频率、固定带宽或可变带宽、固定功率级别或可变功率级别、线性或非线性，并且它们可具有任何频率、带宽或功率级别。一些或所有天线或BTS天线1010-1013可具有相同或不同的频率、带宽、功率或线性度。

在以下段落中，给定点的“可用辐射功率”意指在该点处接收到的 RF功率可用于预期应用的目的。在一个实施方案中，所有天线或BTS 1010-1013的传输范围足以以可用辐射功率到达公共空间中的所有点。在另一个实施方案中，一些或所有天线或BTS 1010-1013的传输范围不能以可用辐射功率到达公共空间中的所有点。在一个实施方案中，通过重叠来自一个或多个天线或BTS 1010-1013的具有可用辐射功率的传输来到达公共空间中的一些或所有点。

在一个实施方案中，控制器1030生成一些或所有基带波形，这些基带波形由一些或所有天线或BTS 1010-1013发射或接收。控制器1030可在任何形式的硬件中实现，包括但不限于专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、通用中央处理单元 (CPU)或图形处理单元(GPU)或它们的任何组合。在一个实施方案中，基带波形通过任何类型的通信装置1031发射，包括但不限于光学或有线以太网、通用公共无线电接口(CPRI)、电缆数字服务接口规范 (DOCSIS)和/或无线通信装置或它们的任何组合。通信装置1031可以是一个或多个物理或虚拟通信装置。通信装置1031可直接连接到BTS 1010-1013，或通信装置1031可连接到一个或多个通信交换机1020，然后该一个或多个通信交换机通过通信装置将来自集中控制器1030的通信路由到 BTS，这些通信装置中的1021-1024作为四个示例来示出，但通信装置 1021-1024应意指通信交换机1020与BTS 1010-1013之间的所有通信装置。通信装置1021-1024可以是任何通信装置，包括但不限于本段落中以上列出的任何通信装置，并且一些或所有通信装置可以是相同的通信装置且一些和所有通信装置可以是不同的通信装置。通信装置1021-1024可包括通过任何装置供给一些或所有BTS的电力，包括但不限于通过以太网的任何型式的电力。在一个实施方案中，BTS 1010-1013连接在通信装置的菊花链中，这些通信装置可包括或可不包括菊花链中的电力。

图11a示出了被屋顶覆盖的公共空间的立视图。图11b示出了没有屋顶的公共空间的类似立视图。图11a和图11b示出了在有两名表演者或选手1169的中心表演区或比赛场地区的每一侧上的一排座位1161和1162。图11a和图11b是例示性的并且未示出公共空间的深度或任何细节。

图11a示出了天花板上呈白色矩形形式的12个具有自适应波束形成的定向天线1101-1112(“天线1101-1112”)的实施方案。图11b示出了墙壁上呈白色矩形形式的6个具有自适应波束形成的定向天线1141-1146 (“天线1141-1146”)的实施方案。天线1101-1112和天线1141-1146可由任何现有技术制成，包括但不限于相控阵列天线和大规模MIMO天线阵列。在一个实施方案中，天线1101-1112是独立天线，并且在一个实施方案中，它们是用于BTS的天线。

天线1101-1112和天线1141-1146的数量和布置示出一个实施方案。在其他实施方案中，该数量和布置改变为以任何配置或取向来布置的实际上任何数量的天线1101-1112和/或天线1141-1146。此类实施方案包括但不限于具有更多或更少的天线1101-1112和天线1141-1146；使其放置成1 维、2维和3维布置；使其放置在公共空间中的任何地方，包括但不限于永久地或暂时地位于天花板上、悬挂在天花板或马道上、位于天花板瓷砖上方、位于墙壁上、位于地板上、位于座位上、位于栏杆上、位于杆上、位于灯杆上以及位于车辆上。天线1101-1112和天线1141-1146的数量和布置的一个实施方案由图10中的BTS 1010-1013示出，因为其数量布置是一个实施方案的示例。

尽管图11a和图11b中未示出，但是在一个实施方案中，天线1101- 1112和天线1141-1146直接地或通过一个或多个交换机1020通信地耦接到如图10所示的一个或多个控制器1030。针对天线或BTS 1010-1013设想的所有实施方案也是针对天线1101-1112和天线1141-1146设想的。

在一个实施方案中，天线1101-1112的波束形成功能在本地实现，并且在一个实施方案中，波束形成功能远程地实现，并且在一个实施方案中，存在本地和远程波束形成功能的混合。在一个实施方案中，控制器 (诸如控制器1030)向天线本地的处理器装置发送用于形成波束的指令。在一个实施方案中，控制器(诸如控制器1030)将多个波形发送到与每个天线1101-1112的阵列中的该多个天线相对应的每个天线1101-1112，并且这些多个波形引起来自每个天线1101-1112的期望的波束形成传输。在一个实施方案中，天线1101-1112中的一个或多个天线使用任何现有技术来配置有固定波束宽度，所述现有技术包括但不限于贴片天线、八木天线、碟形天线、相控阵列天线和大规模MIMO天线阵列。在一个实施方案中，天线 1101-1112中的一个或多个天线在一个或多个维度中是全向的。在一个实施方案中，天线1101-1112中的一个或多个天线被配置有一个或多个极化。

图11a示出了天花板天线1101-1112发射波束1121-1132使得波束全都到达目标区域1171的实施方案。每个波束的形状用“V”形的虚线在2 维中示出，但每个波束的实际形状是3维的并且具有更复杂的波束图案。在一个实施方案中，每个天线1101-1112中的一些或所有天线可在超过一个方向上发射超过一个波束，其中该超过一个波束包括天线阵列的多个可转向波束、旁瓣或光栅波瓣。

图11b示出了墙壁天线1141-1146发射波束1151-1156使得波束全都到达目标区域1171的实施方案。每个波束的形状用“V”形的虚线在2维中示出，但每个波束的实际形状是3维的并且具有更复杂的波束图案。在一个实施方案中，每个天线1141-1146中的一些或所有天线可在超过一个方向上发射超过一个波束，其中该超过一个波束包括天线阵列的多个可转向波束、旁瓣或光栅波瓣。

图12a和图12b示出了与图11a和图11b相同的公共空间，但在这些实施方案中，示出了旨在到达目标1272的天线1101-1112和天线1141- 1146的波束。天线1101-1112和天线1141-1146中的每个天线可被配置为指向公共空间中在波束形成角范围和可用辐射功率内的任何目标。天线 1101-1112和天线1141-1146可全都指向相同目标，一些天线可同时指向不同目标，并且每个天线可将一个或多个波束发射到一个或多个目标。改变天线1101-1112和天线1141-1146中的每个天线的角度和/或孔径可非常快，潜在地在纳秒或更少时间内，并且这些波束可在指向另一个目标之前保持指向一个目标一段时间，或它们可连续扫描经过部分或全部公共空间。在一个实施方案中，这些波束在某个时间仅指向一个目标。在不同实施方案中，这些波束在相同时间和/或在相同频带内指向多个目标。

图13a和图13b示出了与图11a、图11b、图12a和图12b相同的公共空间。图13a和图13b示出了激光雷达单元1301-1311和1341-1350(被示出为黑色矩形)用于确定人类和/或其他对象位于公共空间中何处的实施方案。在一个实施方案中，激光雷达单元1301-1311和1341-1350具有重叠的扫描窗口1321-1331和1361-1370，这些扫描窗口单独地或共同提供人所占据的公共空间的区域的3维拓扑图。根据该拓扑图，确定人类和/或其他对象周围的3维“灭活”体积1300。灭活体积1300的一个实施方案的立视图在图13a和图13b中被示出为虚线内的区域。每个激光雷达单元1301- 1311和1341-1350可以以给定精度(这取决于其激光雷达单元)确定从激光雷达单元到其视场和深度内的点的距离。例如，

Real Sense^TM激光雷达相机L515具有9米的范围，其中视场为70°×55°，在9米处x、y分辨率为大约15-20mm，并且在9米处深度(z)分辨率为大约15.5毫米，该激光雷达相机以每秒30次扫描进行操作并且“光子延迟”(激光雷达测量与该测量的输出之间的延迟)为4毫秒(msec)。因此，在9米的距离处，这种激光雷达单元可用于确定x、y、z中约20mm×15mm×15.5mm 内的3D灭活体积1300。(对于长于9m的距离，将使用具有适用于更长距离的规格的不同激光雷达单元。)

灭活体积1300是空间中的一定区域，该区域具有足够高的RF功率密度以灭活该灭活体积1300内气溶胶形式的一些或所有病毒。由于被感染的人类通常在剧烈呼气事件(例如，咳嗽或打喷嚏)之后或在说话时会从其口和鼻释放气溶胶形式的病毒，并且人类通常还会通过其眼、鼻或口受到气溶胶形式的病毒的感染，因此重要的是灭活体积1300位于公共空间中的人类头部附近，使得气溶胶形式的病毒被灭活，而不论它们源自被感染的人类还是源自另一个源并且可能接触到人类，特别是接触到眼、鼻和口 (全都位于头部)，病毒可在此感染身体。灭活体积1300实质上充当人类周围、特别是人类头部周围的不可见“病毒防护罩”。然而，高到足以灭活病毒的RF功率密度可高于关于人类暴露的最大RF功率密度的推荐指南 (例如，FCC、ICNIRP和IEEE)，因此虽然灭活体积1300位于公共空间中的人类头部附近很重要，但灭活体积不与人体的任何部位重叠也很重要。为了实现这一点，考虑到激光雷达分辨率，灭活体积1300必须离人体的任何部位足够远以将激光雷达的3D分辨率(包括任何测量误差)、激光雷达的扫描和光子延迟以及人类可移动的速度考虑在内。例如，就Intel激光雷达相机L515而言，灭活体积1300与人体的任何部位之间的间隙(本文称为“安全间隙”)必须超过激光雷达相机L515的分辨率，该分辨率在离测量点9m的距离处在x、y、z中大约为20mm×15mm×15.5mm。此外，为了允许人体可移动这一事实，安全间隙必须足够大，使得在考虑到人类可移动的最快速度的情况下，人体的任何部位不会先穿透灭活体积 1300的形状，之后激光雷达重新扫描该区域以确定灭活体积1300的新形状，从而继续具有灭活体积与人体的任何部位之间的安全间隙。

激光雷达相机L515具有每秒30次扫描的扫描速率和4毫秒的光子延迟，因此相机一秒测量给定点30次或每33.3毫秒测量一次，并且其在输出每个测量值之前增加4毫秒的延迟，从而在可检测到先前测量的点的运动之前产生33.3+4＝37.3毫秒的总延迟。根据情况的不同，人体可在37.3毫秒内横穿不同量的距离。作为非常有限的运动速度的一个示例，坐在或站立在成排座位内被其他观众围绕的人，其躯干、头部和腿部的运动具有相当有限的运动并且在37.3毫秒内根本不会横穿很大的距离，并且安全间隙可相当小，大约为几厘米(cm)。作为非常快的运动的一个示例，在比赛中滑冰的曲棍球手可能达到32千米/小时(kph)的速度，这将在37.3毫秒内横穿大约33cm(约1英尺)的距离，从而需要至少1英尺的安全间隙。另一个极端示例是棒球投球时手部横穿的距离，在投出棒球时该动作可达到稍高于 100英里/小时(161kph)的速度。在这一速度下，手部将在37.3毫秒内横穿 1.7m(5.6英尺)。然而，投手的手部只是在投出球的那一刻加速到该速度，而投出前后运动速度更慢，因此37.3毫秒间隔内手部的平均速度小于 161kph，手部横穿的距离小于1.7m。投手的手部仍将在37.3毫秒内横穿显著的距离，因此将需要适当更大的安全间隙或具有更短扫描和光子延迟的激光雷达系统。在一个实施方案中，根据该区域中的人类的最大速度来为公共空间的不同区域建立不同尺寸的安全间隙。例如，看台1163-1164中的人类将具有相对较低的最大速度和相对较小的安全间隙。运动员1169(诸如冰上的曲棍球手)将具有相对较高的最大速度和相对较大的安全间隙。作为棒球投手丘上的投手的运动员1169将具有甚至更高的最大速度和更大的安全间隙。在另一个实施方案中，具有更快扫描和更低光子延迟的激光雷达用于具有更快运动的人类的区域以便即使出现该更快运动，也能实现小安全间隙。

在另一个实施方案中，通过以下方式动态地确定公共空间中的人类的速度：激光雷达比较连续扫描的x、y、z测量值(例如，检测到先前被测量为包含固体对象的空间的体积在一个或多个连续扫描中被测量为不再包含固体对象，并且确定对于该尺寸的固体对象而言必须达到什么速度才能离开先前非空空间)并且在考虑到该速度的情况下相应地调整安全间隙。在一个实施方案中，在连续扫描中测量该速度以估计加速度曲线，并且根据该加速度曲线，估计下一扫描时间期间的未来速度，并且在考虑到该未来速度的情况下在该扫描时间的持续时间内相应地调整安全间隙。在一个实施方案中，刚才描述的动态安全间隙估计值可仅应用于检测到该运动的空间的区域。在另一个实施方案中，刚才描述的动态安全间隙估计值应用于沿着所测量的运动路径的空间的区域。作为一个示例，虽然投手的手部在投球期间或在投出或接住球时沿特定运动路径快速移动，但在投手站立以预备投球时手部移动得非常慢，并且甚至在投出球时投手身体的其他部位(特别是头部)移动速度也比手部慢得多。因此，通过基于所测量的空间的区域来动态地调整安全间隙并且仅在运动路径中增加安全间隙，于是当投手未投球时，安全间隙在其整个身体周围可相当小，并且在投球期间，仅需要使安全间隙在手部的运动路径(其通常是朝本垒板投掷球的主要呈线性的路径)中更加大，并且身体的其他部位(诸如头部)周围的安全间隙只与更慢头部运动所需的大小一样大。如果就曲棍球手而言，整个身体将被检测为快速在滑冰方向(不论是向前滑还是向后滑)上移动。将如上详述的那样测量此类速度和加速度，并且将使安全间隙在估计的未来速度的运动方向上更大。如果曲棍球手停止移动，则速度将被检测为接近零，并且安全间隙将动态地变得更小。在一个实施方案中，采用计算机视觉、人工智能(AI)或机器学习(ML)方法来检测人体(例如，竞技场中的选手、表演者或粉丝)的轮廓，估计安全间隙和/或灭活体积的边界。

在不同实施方案中，图13a和图13b中的单元1301-1311和1341-1350 是使用RF来检测公共空间中人体或其他对象的存在的雷达系统。在一个实施方案中，雷达系统包括使用太赫兹频率[39]或毫米和亚毫米波[40]、 [41]的高频成像雷达。因为人体充当这些频率下的RF散射体，高频成像雷达装备可提供良好的准确性(例如，TSA机场扫描仪)，但通常其仅在短距离处操作并且昂贵且庞大。在另一个实施方案中，雷达系统包括厘米波或10GHz以下频率[42]。由于在这些频率下人体充当反射器而非散射体，因此10GHz以下雷达仅提供有限的扫描分辨率并且需要目标人员移动(同时具有静态背景)，以使得通过组合随时间推移而从不同人类肢体的多次反射来重建身体轮廓。在一个示例性实施方案中，10GHz以下雷达用于竞技场或奥林匹克体育场中以在比赛期间检测选手或运动员的轮廓。

在另一个实施方案中，图13a和图13b中的单元1301-1311和1341- 1350是相机或热成像相机。相机的一个优点是其高分辨率成像，但它们受到曝光及可阻挡目标的视线(例如，在竞技场中的音乐会期间)的可能因子如烟或雾的限制。在一个示例性实施方案中，相机在白天期间用于室外竞技场或用于具有足够高的曝光水平的室内竞技场。当人体产生足够的热以透过其衣服传递或皮肤直接暴露于相机时，热成像相机提供良好的轮廓检测。在另一个示例性实施方案中，热成像相机用于检测比赛期间运动中的运动员或选手或游泳池中皮肤裸露的人的轮廓。

图14a和图14b示出了组合起来的图11a、图11b、图13a和图13b的元件。图14a示出了来自天花板天线1101-1112并到达目标区域1171的发射波束1121-1132，并且图14b示出了来自墙壁天线1141-1146并到达目标区域1171的发射波束1151-1156。图14a和图14b还示出了由3D拓扑图确定的围绕座位1161和1162中的人类以及运动员或表演者1169的灭活体积1300，该3D拓扑图由来自天花板激光雷达单元1301-1311或墙壁激光雷达单元1341-1350的重叠扫描来确定。图14a和图14b示出了位于目标区域1171内并且部分地围绕人类1163和1164的灭活体积1300的阴影子集1400。以下段落和附图中讨论了灭活体积子集1400。

图15示出了人类1163和1164上方的目标区域1171内的灭活体积 1400(以虚线轮廓示出)的详细视图。向量1521-1532示出了到达目标区域 1171的传入的发射波束1121-1132(图11a所示)的方向。宽箭头1541- 1543示出了与目标区域1171重叠的传入的激光雷达重叠扫描窗口1321- 1323(图13a所示)的方向。人类与灭活体积子集1400之间存在安全间隙 1500。如上文在一个实施方案中所述，安全间隙通常保持较小以使得灭活体积1400将接近人类，特别是其头部。安全间隙1500的尺寸由以下几点确定：人类所占据的体积、激光雷达的分辨率以及人类可相对于激光雷达扫描和光子延迟来移动的速度以确保人类的任何身体部位都不会进入灭活体积。

需注意，在图15所示的实施方案中，灭活体积1400未在就座的人类 1163和1164的躯干下方延伸以示出灭活体积1400可如何在尺寸上受限并且仍对病毒灭活有效。在该实施方案中，灭活体积1400位于人类1163和 1164的头部的后方、上方、前方和下方，覆盖了空气传播病毒将在咳嗽或打喷嚏时离开人体或将通过眼、鼻和口进入人体的大部分区域。虽然其他实施方案可具有灭活体积1400，但图15所示的实施方案的更受限的灭活体积 1400实现起来将不太昂贵。激光雷达扫描受到障碍物的限制，并且除非激光雷达单元位于座位之间的一排正上方(例如，如用激光雷达宽箭头1542 示出)，否则其扫描会在一定程度上受到座位及人类1163和1164的阻挡。但即使是这样，也不会允许激光雷达扫描到达座位下方以扫描人类1163和1164的脚部后方的体积。另外，当天线1101-1112和天线1141-1146发射高频率(例如，>6GHz)时，它们可能不能够穿透对象，诸如人类1163和 1164及座位，从而限制了它们在灭活体积1400中产生高RF功率密度的能力。但如果被阻挡的区域中需要灭活体积1400，则可将激光雷达和天线安装在可到达被阻挡的区域的位置中(例如，座位后方、地板中，等等)。

图16示出了图15的相同元件，但还示出了“相干体积”1600，这些相干体积被示出为灭活体积1400内的各种尺寸和形状的阴影灰色形状。“相干体积”1600是空间中这样的体积，其中从传入的发射波束1121- 1132(来自于向量方向1521-1532)接收的信号通过将发射波束1121-1132 转向到相同物理位置和/或通过利用预编码方法诸如相关专利和申请中公开的波束形成、最大比率传输或pCell预编码来相干叠加。虽然仅存在用 1600标记灰色形状的四条线，但如本文所用，“相干体积(复数形式)” 1600是指灭活体积1400内的所有灰色形状并且“相干体积(单数形式)”1600是指灭活体积1400内的灰色形状之一。尽管该图示将每个相干体积1600示出为2D区域，但是每个相干体积1600是空间中的3D体积，其界定了由发射波束1121-1132(来自于向量方向1521-1532)的重叠产生的功率密度至少与“灭活功率密度”一样高的地方。

如本文所用，“灭活功率密度”是在“停留时间”的时间间隔内使灭活体积1400中的目标空气传播病毒灭活所需的、给定频率下的最小RF功率密度级。如本文所用，“停留时间”是灭活功率密度下的RF功率密度必须施加于灭活体积1400中的病毒使之被灭活的时间间隔的持续时间。例如，如果病毒灭活需要8GHz下持续1毫秒的1000W/m²的功率密度，则灭活功率密度为1000W/m²，并且停留时间为1毫秒。

在一个实施方案中，天线1101-1112发射波束1221-1232，这些波束重叠而在灭活体积1400中产生具有至少该灭活功率密度的一个相干体积1600 并且在该停留时间的该时间间隔内继续该传输。然后，天线1101-1112发射不同波束1221-1232，这些波束重叠而在灭活体积1400中产生具有至少该灭活功率密度的不同相干体积1600并且在该停留时间的该时间间隔的持续时间内继续该传输。天线1101-1112对灭活体积1400中的相干体积1600一个接一个地重复该操作，直到相干体积1600已达到几乎整个灭活体积1400。由于相干体积1600不太可能为可精确配合在灭活体积1400的几何形状内的形状，因此连续相干体积1600不太可能精确填充灭活体积1400，而是将接近其边缘，如图16所示。在一个实施方案中，在连续相干体积1600已达到几乎整个灭活体积1400之后，天线1101-1112随后再次重复上述过程以由相干体积1600达到几乎整个灭活体积1400。由相干体积1600达到几乎整个灭活体积1400的每个此类循环在本文中称为“扫描循环”。在不同实施方案中，一些或所有天线1101-1112或天线的不同子集在相同时间和/或在相同或不同频带内形成多个相干体积。在本发明的另一个实施方案中，该系统在使其波束扫描经过灭活体积1400时动态地调整相干体积的形状和尺寸。

如先前所述，当人类穿过公共空间时，灭活体积1400很可能改变。当灭活体积1400改变时，天线1101-1112将自适应地调整波束的方向，这些波束相交而形成相干体积1600，使得对于基于公共空间中的对象的所测量的运动或加速度或基于改变灭活体积1400的任何其他标准得出的上次测量的灭活体积1400和估计的灭活体积1400而言，它们均保留在灭活体积 1400的界限内。天线1101-1112发射波束1221-1232，这些波束重叠而产生相干体积1600，这些相干体积几乎达到整个灭活体积1400并具有至少使灭活体积1400中的病毒灭活的灭活功率密度和停留时间。

图17与图16相同，但相干体积1600被示出为灰色实心区域而非单独的重叠形状。

图18示出了与图17相同的实施方案，不同的是其被示出为2排中各坐有3个人类的正交3D图示。在该实施方案中，灭活体积1400被示出为位于每个人类(包括人类1163和1164)的后方、上方和前方，并且灭活体积1400与人类之间具有安全间隙1500。激光雷达单元1301-1303重复地从方向1541-1543扫描并且连续地更新灭活体积1400的形状以允许人类的运动和加速度，并且天线1101-1112在向量1521-2532的方向上发射波束 1221-1232，这些波束重叠而产生相干体积1600，这些相干体积在每次扫描循环时几乎达到整个灭活体积1400。该整个过程在连续扫描循环中连续地重复，以使得灭活体积中的空气传播病毒连续地被灭活。

为了保持3D图示易于理解，图18未将灭活体积1400示出为在坐在同一排的人类之间延伸，但在许多实施方案中，灭活体积1400将在彼此紧挨着坐在一起的人之间延伸以灭活彼此紧挨着坐在一起的人之间的病毒传播。

图19是示出与图17和图18相同的实施方案的2D图示，不同的是其示出了人类1163站立，这被激光雷达单元1301-1303测得，从而将灭活体积1400再成形为灭活体积1700的形状，并且人类周围具有安全间隙 1710。天线1101-1112发射波束1221-1232，这些波束重叠而产生相干体积 1600，这些相干体积在每次扫描循环时几乎达到整个灭活体积1400。

图20a和图20b示出了图11a、图11b、图12a、图12b、图13a、图 13b、图14a和图14b所示的公共空间，其中着色为灰色的整个灭活体积 1400由达到几乎整个灭活体积1400的相干体积1400的重复扫描循环产生。如上详述，灭活体积1400是3D体积并且其在人类移动时连续地改变形状，同时始终保持安全间隙。因此，空气传播病毒在离开被感染的人类的身体之后并且在可进入公共空间中的其他人类的身体之前被灭活。

在一个实施方案中，整个公共空间具有一个控制器1030。在另一个实施方案中，公共空间具有多个控制器1030。在另一个实施方案中，天线 1101-1112和天线1141-1146间的一个或多个BTS具有控制器1030，该控制器被构建到BTS中并控制一个或多个BTS。在另一个实施方案中，一些 BTS具有被构建到BTS中的控制器1030并且一些BTS具有未被构建到 BTS中的控制器。

在一个实施方案中，该系统所形成的给定辐射图案将覆盖人类之间的一些空气区域，并且该系统将循环通过多个辐射图案以覆盖人类之间的不同空气区域，从而在每个位置处以辐射图案停留足够长的时间以灭活该位置中的病毒。

在另一个实施方案中，该系统同时在多个共振频率下形成多个辐射图案。在一个实施方案中，该多个共振频率是相同病毒的多个共振频率。在另一个实施方案中，该多个共振频率是一种或超过一种病毒的一个或多个共振频率。在另一个实施方案中，该多个共振频率是与病毒的一个或多个中心共振频率足够接近的多个子带，其中每个子带的辐射图案灭活公共空间中不同位置处的人类之间的病毒。

本发明的一个实施方案是通过大区域中的机械或EM共振来破坏病毒衣壳，具体方式是电子扫描经过由多个发射天线的重叠波形产生的EM辐射的一系列空间图案。例如，本发明的一个实施方案包括安装在体育场的马道或天花板处的一个天线阵列。然后，该系统在暴露于病毒的事件期间使该阵列所形成的波束向下朝向出席者所占据的座位区扫描。在另一个实施方案中，多个天线阵列被布置在整个体育场中与座位区更紧密接近的不同位置处并且在不同方向上经过不同组波束扫描到不同区域。

图3中所公开的系统中存在若干部件。数字输入信号单元301表示被波束形成、被放大、被上转换并且被发送到该多个发射天线的基带波形。波束形成单元302将预编码函数应用于输入信号以产生一定发射波束图案。预编码函数随时间而变化，如由扫描单元303控制以确保覆盖大区域。频率单元304驱动该系统的模拟前端单元305以如输入参数单元306所确定的规定的载波频率发射信号。模拟前端包括若干功能，包括数模转换、上转换和滤波。对该系统的输入是关于感兴趣的一种或多种目标病毒 308的若干输入参数之一(例如，共振频率、位置、停留时间等)。模拟单元的输出被发送到相应天线或天线阵列307。

在一个实施方案中，该系统实现商业上称为

无线技术(也称为“分布式输入分布式输出”或“DIDO”无线技术)的一种分布式天线或 BTS空间处理，如相关专利和申请中所教导。在一些pCell实施方案(其中许多都在相关专利和申请中描述)中，pCell用作通信和无线功率传输技术，其中该预编码基于来自多个用户装备(“UE”)装置的开环或闭环反馈来确定。在另一个实施方案中，在没有UE且没有来自UE的反馈的情况下使用pCell无线技术。并不使用UE反馈作为预编码矩阵的输入，而是预编码矩阵的输入由灭活体积1400的3D形状(因为其随时间推移而改变形状)确定，使得相干体积1600被形成并且扫描经过灭活体积1400。在另一个实施方案中，预编码矩阵的输入扫过多种多样的可能值或使用码本来随时间改变整个覆盖区域中的波束的焦点。

该实施方案的一个应用是在那里没有人类且不需要避开他们时灭活整个公共空间中的病毒。这可例如在活动(例如，体育比赛或音乐会)之后一旦所有出席者已离开并且没有体育场员工位于公共空间中就可在公共空间中使用。这将具有在满足灭活功率密度的RF图案到达的所有位置中灭活病毒体的作用，这些位置包括但不限于公共空间中的表面，诸如座位、地板、墙壁，还有日常清洁实际上无法够到的对象诸如架空索具。此外，通过散射，可潜在地到达未在天线1101-1112和天线1141-1146的视距中的区域，诸如座位下面的地板。因此，在该流形扫描完成之后，公共空间将已经受在出席者已离开后仍留在空间中的任何病毒的彻底失活。

在一个实施方案中，图3中的波束形成单元302将预编码函数应用于数字输入信号。在一个实施方案中，波束形成块实现共相位或最大比率传输(MRT)，或其基于到达方向/离开方向(DOA/DOD)信息来调整输入信号301的相位和/或振幅，或其使用超分辨率技术来估计DOA(例如， MUSIC方法)。在又一个实施方案中，波束形成块实现如相关专利和申请中教导的pCell处理。

扫描单元303为波束形成块提供系数。具体地，其周期性地更新波束形成系数以调整波束的方向。在一个实施方案中，波束形成系数周期性地改变，其中波束固定的时间间隔在本文中称为“停留时间”。在另一个实施方案中，波束形成系数更频繁地改变以调整波束的方向，从而发射的波束移动得更快。在一个实施方案中，调整发射的波束以使得它们的焦点基本上因停留时间的不同而不同。其一个原因将是分散能量以使得较大对象 (如人体)经历较低总暴露。

对该系统的数字输入301由多个发射信号组成。在一个实施方案中，输入信号是离散时间正弦波。在另一个实施方案中，它们是数字通信信号。在又一个实施方案中，它们是啁啾信号。

模拟前端单元305实现所有处理以调制该信号来在目标载波频率(例如，对应于病毒的共振频率)上传输。在一个实施方案中，这包括数模转换、重建滤波器、超外差上转换、滤波器和功率放大器。在另一个实施方案中，模拟单元305和波束形成单元302组合在一起，该波束形成完全在模拟域中执行。

对该系统306的输入是关于感兴趣的一种或多种目标病毒的若干输入参数之一。这可包括一种或多种目标病毒的一个或多个机械或EM共振频率以及其他系统特定的数量如停留时间，在一个实施方案中该停留时间将为波束必须保持处于一种配置的时间以在考虑到一定环境条件(例如，温度、湿度)的情况下有效地灭活一种或多种一定病毒。

为了提供更具体的描述，基于pCell处理的一个实施方案在数学上解释如下：令Nt表示发射天线的数量。令Ns表示数字输入信号的数量。该实施方案考虑了窄带数字波束形成。使用本领域中的熟知技术例如MRT，这可扩展到使用空时波束形成或正交频分复用调制的宽带波束形成。类似地，如何完全在模拟域中实现传输过程将是显而易见的：令T_s表示采样时间，令T表示停留时间，并且令f_c表示载波频率。数字波束形成器的输入是向量s[n]＝[s₁[n],s₂[n],…,s_Ns[n]]^T。通过数字波束形成来执行的发射预编码操作可由预编码矩阵F[n]给出，该预编码矩阵具有维度Nt x Ns。数模转换器的数字信号输入是乘积F*s[n]。数模转换器(假设完美重建)形成第k发射天线的连续时间信号输入

其中g(t)是脉冲成形滤波器，具体地是具有单侧带宽1/2T_s的辛格函数。然后对每个天线上的信号进行上转换并且通过模拟处理来放大以形成在第k 天线上发送的信号

z_k(t)＝ARe{x_k(t)}cos(2πf_ct)-AIm{x_k(t)}sin(2πf_ct)

其中A表示放大因数，Re{}表示该实参的实部，并且Im{}表示虚部。

本发明的关键特征在于预编码矩阵随时间而变化。当缓慢变化时，F[n] 在T次观察期间恒定，然后改变。在一个优选的实施方案中，F[n]的变化描述如下：

F[n]＝U[n]D[n]

其中U[n]是具有单位范数和正交列的Nt＝Ns矩阵，并且D[n]是Ns×Ns对角矩阵。U[n]的列被称为正交波束形成向量。D[n]的对角线元素指示分配给每个波束的功率。具有单位范数和正交列且维度为Nt×Ns(其中Nt≥Ns) 的所有可能矩阵的集合在数学文献中称为斯蒂弗尔流形。斯蒂弗尔流形可以以若干不同方式参数化，例如使用吉文斯旋转或通过豪斯霍尔德反射。在这些情况中的每个情况下，可以由参数序列{p[k,n]}_k构建U[n]。在本发明中，量化该参数集以产生量化的参数序列{{p[k,n]}}，该量化的参数序列用于驱动预编码矩阵构建。类似地，还可量化D[n]中的可能功率分配集。

在另一个实施方案中，F[n]的变化描述如下。

F[n]＝U[n]D[n]V[n]

其中U[n]是具有单位范数和正交列的Nt＝Ns矩阵，D[n]是Ns×Ns对角矩阵，并且V[n]是Ns×Ns酉矩阵。与先前实施方案相比，V[n]用于在波束形成之前进一步旋转输入信号。这在输入信号相对简单(例如为离散正弦波)时尤其有用。斯蒂弗尔流形表征也可用于使V[n]参数化，因此可输入该序列以修改波束形成向量。

应当注意，虽然图3示出了使用具有天线的分布式BTS(隐含EM传输)的pCell系统，但可在利用超声或特超声换能器的系统中应用相同信号处理步骤。在这种情况下，将发射声波而不是EM波，但本发明的其他方面仍然相同。

在本发明的另一个实施方案中，使用飞秒激光通过冲击受激拉曼散射 (ISRS)来灭活病毒，参见[4]和[37]。在本发明的其他实施方案中，其他类型的激光用于灭活病毒。

图21示出了激光用于灭活公共空间中的病毒的另一个实施方案。图 21在示出灭活体积1400和坐在图14a的公共空间中的人类的详细视图方面与图15相同，但与图15不一样，图21不具有图14a中来自天线1101- 1112并到达灭活体积1400及用户1163和1164的发射波束1121-1132。相反，图21示出了具有可转向激光单元2101-2117的实施方案，这些可转向激光单元在头顶上发射激光束2121-2137，这些激光束朝向灭活体积1400 中的空间中的点2100转向。激光单元2101-2117可安装在图14a中的公共空间的天花板上、图14b中的公共空间的墙壁上或任何其他可安装位置上，包括但不限于马道、索具、杆、椅子上和地板上。

在考虑到波束宽度和波长的情况下每个激光束2121-2137具有足够低的功率，使得基于适用安全指南(例如，IEC、FDA、ANSI和其他)得出，当激光束到达任何人类(不论是直接进入肉眼、在皮肤上、在衣服上或透过眼镜)时，考虑到激光位于一个固定位置中的持续时间，其不会伤害该人类。从图21中可以看出，激光束2121-2137中的若干激光束到达人类1163和1164，包括直接进入人类1163的眼睛中。即使直接到达人类，考虑到波束宽度，该功率也不会伤害人类。在一个实施方案中，可转向激光单元2101-2117是IEC第1类激光器并且根据IEC、FDA和ANSI指南的规定在一个位置中转向和保持少于1秒，因此它们不会伤害任何人类。在其他实施方案中，这些激光是更低或更高功率的激光，它们在一个位置中转向足够短的持续时间而对人类无害。在另一个实施方案中，这些激光脉冲式地开启和断开，使得在考虑到激光脉冲式地开启时的间隔的情况下，平均功率密度对人类无害。

图21示出了全都转向到灭活区域1400内的3D空间中的点2100的激光束2121-2137。在空间中的点2100处，功率密度比来自单个激光的功率密度高得多。在一个实施方案中，这些激光彼此相位同步，并且在一个实施方案中一些或所有激光是相位不同步的。在一个实施方案中，这些激光同步，使得来自所有激光的脉冲在时域内对准并且同时发射，并且在另一个实施方案中脉冲不对准。在一个实施方案中，这些激光为相同或类似的波长。在其他实施方案中，一些或所有激光具有不同波长。在一个实施方案中，这些激光在空间中的点2100处的组合功率密度高于对于人类暴露而言安全的功率密度，但功率密度足够高而能灭活位于空间中的该点处的病毒体。尽管事实上空间中的点2100处的组合的激光束2121-2137的功率密度高于对于人类暴露而言安全的功率密度，但如先前所述，对人类1163和1164的暴露是安全的，因为在考虑到暴露的持续时间的情况下每个单独波束限于安全功率级别。因此，组合的激光束2121-2137可在灭活体积1400中的空间中的点 2100处实现足够高的功率密度以灭活病毒体(即使该功率密度将对人类有害)，与此同时入射到人类1163-1164身上的激光束2121-2137将是无害的，因为它们将作为单独波束而不是作为组合波束到达人类。

为了进行示意性的说明，可转向激光单元2101-2117在图21中被示出为处于1维行中，但在其他实施方案中，它们分布在2维阵列(例如，作为天花板上的100×100阵列)或3维阵列中(例如，以各种高度悬挂在天花板上和/或安装在墙壁上)。任何1维、2维或3维布置均是可能的，并且先前的句子引用了实施方案的示例，而不是限制。由于激光单元处于1 维、2维或3维空间中的不同位置，因此当它们的激光束转向成全都会聚于灭活体积1400中的空间中的一点时，这些波束全都从不同角度到达空间中的一点并且将以不同角度离开空间中的该一点，因此在它们离开灭活体积并潜在地到达人类时将是分开的单独波束。因此，将可转向激光器2101- 2117放置在1维、2维或3维空间中的不同位置处，会使得单独波束离开灭活体积1400，因此许多分开的激光束各自在到达人类时将是安全的。

正如图16中的无线电波在扫描循环中重复地扫描经过灭活区域1400 时通过天线1101-1112形成许多相干体积1600(其中天线1101-1112在灭活体积改变时不断地调整相干体积所处的位置)一样，可转向激光器2101- 2117通过在扫描循环中扫描经过灭活体积1400来形成空间中的许多点 2100，其中可转向激光器2101-2117在灭活体积改变时不断地调整空间中的点2100所处的位置。正如图16中在灭活病毒所需的停留时间的持续时间内发射每个相干体积1600一样，图21中在灭活病毒所需的停留时间的持续时间内发射空间中的每个点2100。就图21的激光束2121-2137的停留时间而言，停留时间必须足够短，使得到达人类的任何单独波束在该持续时间内均无害。与先前所述的射频实施方案一样，将建立安全区1500以确保在人类移动时灭活体积形状改变，使得空间中的点2100绝不会到达人类。

在一个实施方案中，激光雷达单元1301-1311和1341-1350用于确定灭活体积1400和安全间隙1500。在另一个实施方案中，可转向激光器 2107-2117被配置为激光雷达系统并且用于在灭活病毒体时其扫描循环期间确定灭活体积1400和安全间隙1500。在另一个实施方案中，可转向激光器2107-2117被配置为激光雷达系统并且用于在一个时间段期间确定灭活体积1400和安全间隙1500并用于在另一个时间段期间灭活病毒体。

可通过为可转向激光单元2101-2117选择更大或更小的激光波束宽度并且还通过选择激光束2121-2137的不同数量和不同角度来调整空间中的点2100的尺寸。

许多技术可用于使激光束转向。在一个实施方案中，使用微机电系统 (MEMS)反射镜。可转向激光器2101-2117可由一个或多个控制器1030 或本地控制器控制。在一个实施方案中，使用同步装置以使得所有可转向激光单元2101-2117使它们的波束彼此同步地移动。该同步装置可通过可转向激光单元2101-2117间的有线或光学通信装置，或其可通过无线或自由空间光学通信装置。本发明不限于任何特定同步装置。由于可转向激光器2101-2117位于空间中的不同位置中，因此每个可转向激光器将被转向到不同角度以使得波束彼此在灭活体积1400内的空间中的特定x、y、z位置2100处相交。控制器1030或类似计算装置将计算每个可转向激光器 2101-2117的x和y转向角以使得其与空间中的特定x、y、z位置2100相交。在一个实施方案中，如果这种角度超过可转向激光器2101-2117的范围，则控制器1030将断开空间中的该特定x、y、z位置2100的激光器。在另一个实施方案中，一个或多个控制器1030将控制超过一组可转向激光器2101-2117，使得每组将同时向公共空间的不同区域提供覆盖。

在一个实施方案中，计算装置诸如控制器1030将通过以下方式确定位置和/或转向角：如上所述的那样在使用之前校准每个可转向激光器 2101-2117，然后根据需要再次校准以使可转向激光器2101-2117保持校准态。每个激光器2101-2117的位置和/或转向可通过多种方式确定，包括但不限于包括具有已知图案(例如，其角上带点的已知尺寸的立方体)和一个或多个可转向激光器2101-2117的可转向范围内的已知位置的校准对象。控制器1030将指引每个激光束2121-2137转向以扫过校准对象，同时对该激光的波长敏感的摄像机在激光束与校准对象上的已知点(例如，3D 立方体的角上的点)对准时确定每个激光的转向角。一个点与另一个点之间的转向角度差可用于通过本领域普通技术人员熟知的几何计算来确定每个可转向激光器2101-2117与校准图案的相对角度以及每个可转向激光器2101-2117相对于彼此的位置。其他实施方案可使用其他校准方式，包括使用公共空间中的对象上的参考点(例如，公共空间内的椅子的边缘)。

在一个实施方案中，可转向激光器2101-2117被配置有安全装置，其中激光器只有在转向装置活动时才会保持开启。该特征是用于确保激光器不会在一个位置中长时间保持开启的安全机构，如果该激光功率级别对于短时间暴露于人类而言是安全的，但对于长期暴露而言不安全，则激光器在一个位置中长时间保持开启可能是有害的。另外，在发生同时影响多个激光器的故障的情况下，其还确保在组合的波束形成具有高功率密度的空间中的点2100 时多个激光器不会在一个位置中保持长时间间隔。这种安全机构可以以许多方式实现。例如就基于MEMS的转向装置而言，如果基于MEMS的转向装置不再快速运动，则激光器将被切断。检测该转向装置为活动的可通过多种方式完成，包括但不限于在MEMS反射镜的一侧上具有LED闪光灯而在 MEMS反射镜的另一侧上定位有光电传感器以使得光电传感器在反射镜处于一个运动极端时位于反射镜后方，并且在反射镜处于另一个运动极端时位于反射镜前方。因此，当反射镜快速运动时，光电传感器在LED被反射镜遮挡、然后无遮挡时将检测到来自LED灯的快速开-关-开-关变化，但如果反射镜未移动或缓慢移动，则光电传感器将检测到LED灯连续地开或关长时间段，这将指示MEMS反射镜未快速移动，并且将触发激光器切断。

由于可转向激光器2101-2117功率太低而不能单独地穿透身体，因此如果无论出于何种原因，激光被转向到将位于人体内的空间中的点2100，则激光绝不会到达该点，它们均被阻挡在身体之外。因此，唯一风险是可转向激光器2101-2117被不经意地转向到身体的外皮肤表面上或眼睛中的空间中的点的情况。虽然该系统一定会经过设计和测试以确保正常操作不会发生这种情况，但为了进一步减轻该风险，可使用202-222nm范围内的紫外-C激光。已发现紫外-C光可有效灭活气溶胶形式的病毒并杀死气溶胶形式的细菌，而且人类皮肤和眼睛在灭活病毒和细菌所需的功率密度级下暴露于该光时没有不良反应[30]、[31]。虽然尚未确立此类功率级别对于长期暴露而言安全的指南，但该系统将经过设计和测试，使得高功率暴露于皮肤和眼睛的表面极其不可能，因此高功率下的紫外-C的当前假定安全性只有在极其不可能发生皮肤上或眼睛中的可转向激光器2101-2117的高功率组合的情况下才会成为进一步的安全备份。当紫外-C人类暴露指南生效时，可配置该系统，使得激光器的任何组合都不会产生比此类指南推荐更高的紫外-C光功率。

在另一个实施方案中，可转向激光器2101-2117既用于灭活病毒体，又用作激光雷达单元来确定公共空间中的固体对象的位置。每个此类可转向激光器2101-2117的激光雷达功能将具有关于从每个波束到固体对象的距离的信息，并且可转向激光器2101-2117可被配置为使得在激光雷达报告特定距离范围之外的固体对象时断开每个激光器。这可用于确保激光器绝不会用于在到达过远或过近的对象时与其他激光器组合，以免这种情况将指示该激光器潜在地在空间的安全区域之外与其他激光器组合。

在另一个实施方案中，可转向激光器2101-2117被配置为在它们被转向到超过特定角度范围的角度时断开。这可用于防止该激光器在不安全的位置中与其他激光器组合。例如，人类头部通常左右环视而不是仰视，因此如果激光器位于公共空间的天花板上，则它们在笔直向下指向时不太可能到达眼睛，而是在处于很倾斜的角度时才可能到达眼睛。如果激光器在被转向到很倾斜的角度时断开，则这将防止激光器的组合(或任何激光器)在大多数情况下到达人类眼睛。

系统分析

作为一个实施方案，我们评估了使用天线阵列经由EM辐射来破坏人类鼻病毒(human rhinovirus，HRV)的衣壳的发射功率要求。HRV(微小核糖核酸病毒科(picornaviridae)的成员)是普通感冒的主要病因。本文所述的系统和方法应用于HRV仅是本发明的一个示例性实施方案，因为本发明中所公开的系统适用于任何类型的病毒。HRV的衣壳具有二十面体对称且直径为30nm。我们根据[10]中的近似法将衣壳建模为完美球体并将病毒建模为分子质量＝8.5×10⁶的均质对象。HRV的衣壳由四种蛋白质组成，即 VP1、VP2、VP3和VP4。据报道，45°下的20分钟温热治疗能够将HRV的繁殖抑制超过90％[11]。通过将HRV建模为均质各向同性球体，结果表明振动模式能够吸收红外辐射[12]。在以下结果中，我们假设60GHz下的EM 辐射，但在HRV的共振频率或用于不同类型病毒的EM频谱的其他频率下可获得类似结果。例如，图2中所报告的[32]中的实验结果显示，流感A亚型H3N2和H1N1病毒在8.4GHz的共振频率下具有100％灭活比率。

我们将发射天线阵列建模为无穷小(无损)偶极子的二维方形阵列 (放置在xy平面内)，且y轴上具有电流分布。图4示出了天线阵列的几何形状被布置成6x6矩阵(每个点表示一个天线元件)的本发明的示例性实施方案。在本发明的不同实施方案中，该阵列的每个元件是偶极子天线或贴片天线或任何类型的全向或定向天线或它们的任何组合。我们假设远场辐射，使得发射阵列与HRV之间的距离满足以下条件

其中L是发射阵列的最大尺寸并且λ是波长。根据这些假设，在离该阵列的距离D处的辐射场的功率密度由下式给出：

需注意，在实际场景中，需要在(1)中包括天线效率以计入天线损耗。 (1)中用于NxM天线(即，理想各向同性辐射体)的二维方阵列的阵列因子AF(φ,θ)由下式给出：

以及

ψ_x＝k_xd＝k_od_x sinθcosφ+β_x ψ_y＝k_yd＝k_od_y sinθsinφ+β_y

图5示出了用于图4中的示例性6×6天线阵列的阵列因子。

在一个实施方案中，天线阵列是垂射阵列(即，朝向垂射方向的最大辐射)，使得β_x＝β_y＝0。在本发明的不同实施方案中，最大辐射的方向是方位面或俯仰面中的任何方向。在一个实施方案中，天线阵列的元件隔开半波长(d_x＝d_y＝λ/2)以避免光栅波瓣效应。在本发明的不同实施方案中，天线间距是低于或高于半波长的任何值以有意地形成光栅波瓣。在一个实施方案中，形成光栅波瓣以减小主瓣的波束宽度。在另一个实施方案中，控制光栅波瓣使之在特定方向上显现，并且通过电磁(EM)吸收材料或EM屏蔽方法来抑制其辐射功率。

接下来，我们如[13]中那样计算HRV在远场中吸收的功率

P_abs＝S·A·W_rad[Watt] (2)

其中S是相对吸收截面(RACS)并且A＝πR²是半径R＝15nm的HRV(被建模为完美球体)的几何截面。对于R＜＜1的均质球体，RACS由[13]给出

其中σ[S/m]是HRV的衣壳的电导率，ε_r是HRV的衣壳的介电常数，ε₀＝8.854·10^- ¹²F/m是空气的电容率，并且f_c是碰撞EM辐射的载波频率。我们观察到因RACS所致的功率损耗与载波频率的平方成正比，这类似于无线通信链路中的弗里斯定律。由于HRV衣壳中的蛋白质的电导率和介电常数不可用，因此我们使用[14]中所述的实验中的体模液体(phantomliquid)在2.45GHz下的以下值：σ＝1.8S/m和ε_r＝39.2。

根据以下公式将HRV所吸收的功率换算为热

其中V＝4πR³/3是被建模为球体的HRV的体积，h[卡/克/℃]是衣壳的比热， m[克/毫升]是衣壳的比重，ΔT[℃]是衣壳的温升，并且Δt[秒]是衣壳对EM 辐射的暴露时间。由于衣壳的比热未知，我们使用水的比热值，即h＝1卡/克 /℃。类似地，我们使用30℃下的水的比重，其被定义为m＝0.996克/毫升。

最后，将(1)代入(2)并且求解(2)和(3)，我们得出如下用于加热HRV的衣壳的发射功率要求

结果

我们首先根据距离(远场区域中)和垂射方向上的发射天线数量来在 (1)中计算功率密度。我们假设对阵列的1W输入功率。结果示于图6 中。我们观察到功率密度会因球面波因子而随距离降低，并且因阵列因子 (AF)而随天线数量升高。

接下来，我们根据(4)计算了通过在20分钟内使温度从30℃升高到 45℃来破坏HRV的衣壳的发射功率要求[11]。功率被表示为发射天线的数量和HRV离发射阵列的距离的函数，如图7所示。在本发明的一个实施方案中，天线阵列被放置在离待扫描的表面更近的地方以降低破坏病毒的发射功率要求。在本发明的不同实施方案中，根据阵列离待由波束扫描的表面的距离来在整个场地中动态地选择阵列的不同天线。

使能量聚焦于空间中的一点是所提议的系统的重要特征，这是由于功耗降低且安全性更好。我们按照随方阵列中的天线数量而变化的-3dB波束宽度评估了发射阵列的聚焦能力，如图8中所描绘。在本发明的一个实施方案中，通过根据该系统的操作条件选择有源天线的数量或类型(例如，全向与定向)来动态地调整阵列波束宽度。例如，如果该系统必须在人占据场地时操作，则天线阵列可被重新配置为使用更窄的波束来增加对灭活体积1300的聚焦能力并避免朝向安全间隙1500或人体1163的有害辐射。在另一个示例性实施方案中，在空场地中(例如，活动结束后)，阵列的波束被重新配置为实现更宽的波束宽度以覆盖更大的表面，从而减少使波束扫过整个场地所需的时间。

在本发明的一个示例性实施方案中，我们考虑了安装在竞技场的天花板或马道上的多个天线阵列。图22示出了分别在x轴2201和和y轴2202 上的尺寸20米×20米的竞技场2200的一个方形区段，该方形区段表示图 11a和图11b中的座位区1161和1162。天线阵列沿着z轴2203安装在离座位区10米的高度处。图22示出了具有100个天线阵列的本发明的示例性实施方案，其中每个圆2204表示一个天线阵列。目标病毒2205是座位区水平处的灭活体积1300。

我们使用(1)中的模型来模拟100个天线阵列2204在竞技场的座位区2200的每个点处辐射的功率密度。在该示例性实施方案中，天线阵列由 32x32矩阵组成，该矩阵具有总共1024个天线元件，产生30.1dBi的阵列增益。需注意，我们使用假设天线元件是理想各向同性辐射体的(1)中的阵列因子来对天线阵列进行建模。在实际场景中，如果每个天线元件是定向天线(例如，贴片天线)，则使用更低数量的天线元件获得了相同阵列增益和波束宽度。此外，每个天线阵列的输入处的发射功率为20mW。图23 示出了图22中的竞技场的部分内功率密度(以dB(W/m²)表示)的分布。峰值接收功率密度在方形座位区中间的病毒位置处实现并且等于 106.5W/m²。我们观察到由于相应分布式天线阵列2204的所有波束指向空间中的相同位置和/或分布式天线阵列采用波束形成、MRT或pCell预编码方法，因此本发明中所公开的系统和方法在目标位置2205处实现了足以灭活该病毒的功率密度，同时保证竞技场中其他任何地方的功率密度低于 FCC、ICNIRP或IEEE暴露安全限值。

接下来，我们模拟了空间中的体积的尺寸，在该体积中，功率密度在 FCC和ICNIRP规定的10W/m²的EM辐射暴露指南内。我们使用与图23 中的模拟相同的参数，不同的是在这种情况下每个天线阵列由10,000个理想各向同性辐射体组成以减小阵列波束宽度并增强该阵列使RF能量聚焦于该病毒的位置周围的能力。如之前所观察到的，如果天线阵列设计包括定向天线元件，则实际上使用更低数量的天线元件。图24示出了我们在本文中称之为空间中的体积的“安全边界”2400的顶部3D视图，在该安全边界之外达到FCC和ICNIRP安全限值。图25描绘了相同安全边界2400 的侧3D视图。在本发明的一个实施方案中，安全边界定义了灭活体积 1400内的图16中的相干体积1600的边界。在本发明的一个实施方案中，安全边界2400仅由一个封闭体积组成。在不同实施方案中，安全边界 2400包括空间中的多个体积的并集。

按照定义，安全边界2400内的功率密度高于FCC和ICNIRP安全限值。然而，无法保证功率密度高到足以灭活安全边界2400内每个地方的病毒。因此，我们将“灭活边界”定义为功率密度高到足以以给定灭活比率灭活病毒的空间中的体积的边界。例如，[32]示出了需要810W/m²的功率密度来在8.4GHz的共振频率下实现流感A亚型H3N2和H1N1病毒的100％灭活。然后，使用与图25中的模拟相同的参数，我们计算了图26中示出为 2600所指示的更小体积的、与810W/m²功率密度相对应的灭活边界2600。更大的体积2400指示了来自图25中的相同侧视图和来自图24中的顶视图但在图26中表示为3D半透明网格的相同安全边界2400，因此封装于其中的灭活边界2600可见。我们观察到在安全边界2400与灭活边界2600之间的体积内，可存在足以灭活病毒的功率密度，但灭活比率更低。例如，[32] 示出了高于10W/m²限值的不同功率密度级以低于100％的灭活比率灭活病毒。在本发明的一个实施方案中，灭活边界2600封装在安全边界2400内。在本发明的不同实施方案中，安全边界2400与灭活边界2600重合或封装在该灭活边界内。例如，如果以给定灭活比率灭活病毒所需的功率密度低于安全限值，则安全边界2400封装在灭活边界2600内。我们观察到由于来自分布式天线阵列2204的传输通过波束形成、MRT或pCell预编码方法来相干地组合，因此本发明中所公开的系统和方法在目标位置2205处实现了足以灭活该病毒的功率密度，同时保证竞技场中其他任何地方的功率密度低于 FCC、ICNIRP或IEEE暴露安全限值，即使存在快衰落。

上述模拟如(1)中那样假设自由空间传播模型，如果目标病毒2205 在天线阵列2204的视距(LOS)内，则这是合理假设。在存在慢衰落或快衰落的情况下，仍可能在目标病毒的位置处实现功率密度的峰值。例如，通过将快衰落添加到(1)中的模型并根据与图23相同的假设，表现出高于安全目标的接收功率密度级的区域更小，如图27中更尖锐的峰所示。在这种情况下，安全边界2400和灭活边界2600也将比图26中更小。

上述实施方案可应用于灭活或杀死其他病原体，诸如细菌和其他微生物。

本发明的实施方案可包括上文所述的各种步骤。这些步骤可体现为可用于致使通用处理器或专用处理器执行这些步骤的机器可执行指令。或者，这些步骤可由包含用于执行这些步骤的硬连线逻辑的特定硬件组件执行，或由编程的计算机组件和定制硬件组件的任何组合执行。

如本文所述，指令可指代特定硬件配置，诸如专用集成电路(ASIC)，其被配置为执行某些特定操作或具有体现在非暂态计算机可读介质中的存储器中所存储的预定功能或软件指令。因此，可以使用在一个或多个电子装置上存储和执行的代码和数据来实现附图中所示的技术。此类电子装置使用计算机机器可读介质存储和传送(在内部和/或与网络上的其他电子装置)代码和数据，计算机机器可读介质诸如是非暂态计算机机器可读存储介质(例如，磁盘；光盘；随机存取存储器；只读存储器；闪存存储装置；相变存储器)和暂态计算机机器可读通信介质(例如，电学、光学、声学或其他形式的传播信号—诸如载波、红外信号、数字信号等)。

在整个具体实施方式中，出于解释的目的，陈述了许多特定细节以便透彻理解本发明。然而，本领域的技术人员将容易明白，可在没有这些特定细节中的一些的情况下实践本发明。在某些情况下，为免模糊本发明的主题，未详细描述众所周知的结构和功能。因此，应依据所附权利要求书确定本发明的范围和实质。

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权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种系统，所述系统包括：

多个分布式天线或无线电头端，所述多个分布式天线或无线电头端被配置为在覆盖区域内发射电磁能；

所述电磁能被调谐到与病原体的一部分或整体产生共振的一个或多个频率，当病原体暴露于所述共振频率中的所述一个或多个共振频率达给定时间间隔和功率级别的组合时，这将杀死或灭活所述病原体；

控制装置，所述控制装置协调所述分布式天线或无线电头端的输出以同时在所述覆盖区域中的一个或多个位置中形成一个或多个高功率电磁能体积；并且

所述控制装置将所述一个或多个高功率电磁能体积的所述一个或多个位置改变为所述覆盖区域中的多个位置。

2.一种方法，所述方法包括：

从覆盖区域内配置的多个分布式天线或无线电头端发射电磁能，所述电磁能被调谐到与病原体的一部分或整体产生共振的一个或多个频率，当病原体暴露于所述共振频率中的所述一个或多个共振频率达给定时间间隔和功率级别的组合时，这将杀死或灭活所述病原体；

协调所述分布式天线或无线电头端的输出以同时在所述覆盖区域中的一个或多个位置中形成一个或多个高功率电磁能体积；

将所述一个或多个高功率电磁能体积的所述一个或多个位置改变为所述覆盖区域中的多个位置。

Claims

1.一种系统，所述系统包括：

所述电磁能被调谐到将杀死或灭活病原体的频率；

2.一种方法，所述方法包括：

从覆盖区域内配置的多个分布式天线或无线电头端发射电磁能，所述电磁能被调谐到将杀死或灭活病原体的频率；