一种操控介质纳米粒子的设备和系统

本发明属于操控介质纳米粒子，尤其涉及一种操控介质纳米粒子的设备和系统。

背景技术：

1、利用可见激光的辐射压力加速和捕获微米尺寸的中性粒子，这种技术被形象地称为光镊。光镊的出现使得人们对微小粒子的研究行为从被动观察转为主动操控，为化学、物理和生物等多个领域带来革命性的创新。例如在生物领域中，科研人员利用光镊技术对生物细胞、细菌和病毒等实现了非破坏性的无损捕获和操控。

2、纳米粒子是指物理尺寸在1-100nm之间的粒子(纳米粒子又称超细微粒)。属于胶体粒子大小的范畴。它们处于原子簇和宏观物体之间的过度区，处于微观体系和宏观体系之间，是由数目不多的原子或分子组成的集团，因此它们既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统；然而，现有操控介质纳米粒子的设备和系统捕获的纳米粒子影像不清晰；同时，不能准确确定纳米粒子能量。

3、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

4、(1)现有操控介质纳米粒子的设备和系统捕获的纳米粒子影像不清晰。

5、(2)不能准确确定纳米粒子能量。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种操控介质纳米粒子的设备和系统。

2、本发明是这样实现的，一种操控介质纳米粒子的设备和系统包括：

3、参数配置模块，用于配置操控介质纳米粒子设备参数；

4、所述参数配置模块配置方法：

5、通过操控介质纳米粒子设备交互显示器，配置操控介质纳米粒子设备相关参数，并对配置参数进行记录保存；

6、粒子影像捕获模块，用于捕获纳米粒子影像；

7、所述粒子影像捕获模块捕获方法：

8、在一自动拍摄模式下捕获多个连续预览粒子影像，其中每个预览粒子影像包含左视粒子影像与右视粒子影像；以及分析该多个连续预览粒子影像以决定出一粒子影像捕获质量指数；

9、藉由至少参考该粒子影像捕获质量指数来判断一目标粒子影像捕获条件是否有左视粒子影像或右视粒子影像已满足；以及当判断该目标粒子影像捕获条件已满足时，针对该自动拍摄模式来储存一捕获粒子影像；

10、其中在一自动拍摄模式下捕获多个连续预览粒子影像的步骤包含在该自动拍摄模式下捕获所述多个连续预览粒子影像中左视粒子影像或右视粒子影像直到该目标粒子影像捕获条件已满足；

11、决定出该粒子影像捕获质量指数的步骤包含有分析该多个连续预览粒子影像中的每一预览粒子影像来得到一固有粒子影像特征信息，其中该固有粒子影像特征信息包含有锐利度、模糊度、亮度、对比以及色彩的至少其中之一；以及至少依据该固有粒子影像特征信息来判断该粒子影像捕获质量指数；

12、该粒子影像捕获质量指数是藉由至少对该多个连续预览粒子影像中的每一预览粒子影像执行一稳定度估计而决定出来；

13、该粒子影像捕获质量指数是藉由至少对该多个连续预览粒子影像中的每一预览粒子影像执行一模糊值估计而决定出来；

14、该粒子影像捕获质量指数是藉由分析该多个连续预览粒子影像中的每一预览粒子影像的至少一部分而决定出来；

15、接收一传感器输入，该传感器输入可指示出关于该粒子影像捕获模块的一移动状态；其中判断该目标粒子影像捕获条件是否已满足的步骤包含有：藉由参考该粒子影像捕获质量指数以及该移动状态来判断该目标粒子影像捕获条件是否已满足；

16、当该目标粒子影像捕获条件满足时，直接选择该多个连续预览粒子影像的其中之一来当作该捕获粒子影像；

17、在该目标粒子影像捕获条件满足后，捕获一个新的粒子影像来当作该捕获粒子影像；

18、影像增强模块，用于对纳米粒子影像进行增强处理；

19、粒子能量确定模块，用于确定纳米粒子能量；

20、所述粒子能量确定模块确定方法：

21、根据所述纳米粒子的运动速度以及静止质量，确定所述纳米粒子在所述加速腔中的动能作为纳米粒子能量；

22、粒子控制模块，用于对纳米粒子进行控制；

23、分析模块，用于对纳米粒子数据进行分析；

24、所述分析模块分析方法：

25、接收纳米粒子数据分析请求，所述纳米粒子数据分析请求指示基于纳米粒子数据库中的纳米粒子数据进行纳米粒子数据分析；

26、基于所述纳米粒子数据分析所需的纳米粒子数据在所述纳米粒子数据库的纳米粒子数据分布情况，得到多个纳米粒子数据分析任务，所述多个纳米粒子数据分析任务用于实现不同功能分析；

27、对所述纳米粒子数据库的纳米粒子数据执行所述多个纳米粒子数据分析任务；

28、所述基于所述纳米粒子数据分析所需的纳米粒子数据在所述纳米粒子数据库的纳米粒子数据分布情况，得到多个纳米粒子数据分析任务，包括：基于所述纳米粒子数据分析所需的纳米粒子数据在所述纳米粒子数据库所在的纳米粒子数据节点，得到所述多个纳米粒子数据分析任务；

29、所述基于所述纳米粒子数据分析所需的纳米粒子数据在所述纳米粒子数据库所在的纳米粒子数据节点，得到所述多个纳米粒子数据分析任务，包括：基于所述纳米粒子数据分析所需的纳米粒子数据在所述纳米粒子数据库所在的纳米粒子数据节点和纳米粒子数据节点管理的纳米粒子数据量，得到所述多个纳米粒子数据分析任务；

30、显示模块，用于显示纳米粒子影像、粒子能量、分析结果；

31、主控模块，与参数配置模块、粒子影像捕获模块、影像增强模块、粒子能量确定模块、粒子控制模块、分析模块、显示模块连接，用于控制各个模块正常工作。

32、进一步，所述影像增强模块增强方法如下：

33、(1)捕获纳米粒子影像，提供去杂讯函数以及细节增强函数；接收纳米粒子影像信号中的目前纳米粒子影像，并计算该目前纳米粒子影像的杂讯特征以及细节特征；

34、(2)比较该杂讯特征与第一阈值的大小；若该杂讯特征大于该第一阈值，依照该杂讯特征逐步且平滑地升高该去杂讯函数，且依照该细节特征逐步且平滑地降低该细节增强函数，若该杂讯特征小于该第一阈值，依照该杂讯特征逐步且平滑地降低该去杂讯函数；比较该去杂讯函数及该细节增强函数，决定对该目前纳米粒子影像执行去杂讯处理或细节增强处理。

35、进一步，所述接收该纳米粒子影像信号中的该目前纳米粒子影像，并计算该目前纳米粒子影像的该杂讯特征以及该细节特征的步骤更包括：

36、将该纳米粒子影像信号中的先前纳米粒子影像与该目前纳米粒子影像分别切割为多个区域，其中每一该区域包括多个宏区块；

37、计算该先前纳米粒子影像的该些宏区块的每一像素与该目前纳米粒子影像的该些宏区块对应位置的每一像素之间的绝对差值；

38、计算该些绝对差值的多个绝对差值和；

39、平均该目前纳米粒子影像的每一该宏区块中的该些绝对差值和，取得多个宏区块平均值；

40、比较每一该区域中的该些宏区块平均值，其中该些宏区块平均值的最小值为该区域中的杂讯代表值；以及

41、比较每一该区域的该杂讯代表值，以决定该目前纳米粒子影像的该杂讯特征。

42、进一步，所述计算该些绝对差值的该些绝对差值和的步骤更包括：

43、计算每一该宏区块中每行像素的该绝对差值和、每列像素的该绝对差值和、以及每行像素与每列像素的该绝对差值和三者其中之一。

44、进一步，所述比较每一该区域的该杂讯代表值，以决定该目前纳米粒子影像的该杂讯特征的步骤中，该杂讯特征为选自该些区域中该些杂讯代表值的最大值、最小值以及平均值三者之一。

45、进一步，所述接收该纳米粒子影像信号中的该目前纳米粒子影像，并计算该目前纳米粒子影像的该杂讯特征以及该细节特征的步骤更包括：

46、将该目前纳米粒子影像切割为多个区域，其中每一该区域包括多个宏区块；

47、利用高频滤波遮罩，对每一该宏区块中的多个像素进行滤波处理，以取得多个高频像素值；

48、计算每一该宏区块中的每一行高频像素值；

49、计算每一该宏区块的平均行高频像素值；

50、比较该些宏区块的该些平均行高频像素值，其中该些宏区块的该些平均行高频像素值的最大值为该区域中的细节代表值；以及

51、比较每一该区域的该细节代表值，以决定该目前纳米粒子影像的该细节特征，其中该细节特征为该些细节代表值中的最大者；

52、计算每一该宏区块中的该平均行高频像素值的步骤更包括：

53、平均该宏区块中的该些行高频像素值，以作为该宏区块的该平均行高频像素值。

54、进一步，所述若该杂讯特征大于该第一阈值，依照该杂讯特征逐步且平滑地升高该去杂讯函数，且依照该细节特征逐步且平滑地降低该细节增强函数，若该杂讯特征小于该第一阈值，依照该杂讯特征逐步且平滑地降低该去杂讯函数的步骤更包括：

55、若该杂讯特征大于第一阈值，当该去杂讯函数达到第一上限，则停止调整该去杂讯函数；以及

56、若该杂讯特征小于该第一阈值，且该细节特征大于或不小于第二阈值，更依照该细节特征逐步且平滑地升高该细节增强函数，当该细节增强函数达到第二上限，则停止调整该细节增强函数。

57、进一步，所述粒子能量确定模块确定方法如下：

58、1)配置脉冲计数器参数，获取脉冲计数器中所接收的采样脉冲信号的脉冲个数达到参考脉冲数m时对应的参考时长；对脉冲信号进行校正处理；其中，所述参考时长根据m个脉冲的脉冲周期求和得到；

59、2)根据所述参考时长、所述参考脉冲数以及单脉冲运动长度，确定纳米粒子在加速腔中的运动速度；其中，所述单脉冲运动长度为所述纳米粒子在一个脉冲周期下的运动长度；

60、3)根据所述纳米粒子的运动速度以及静止质量，确定所述纳米粒子在所述加速腔中的动能作为纳米粒子能量。

61、进一步，所述根据所述参考时长、所述参考脉冲数以及单脉冲运动长度，确定纳米粒子在加速腔中的运动速度，包括：

62、根据如下公式确定纳米粒子在加速腔中的运动速度：

63、v＝l0×n

64、t

65、其中，v为所述纳米粒子的运动速度，l0为所述单脉冲运动长度，n为所述参考脉冲数，t为所述参考时长。

66、进一步，所述在所述根据所述参考时长、所述参考脉冲数以及单脉冲运动长度，确定纳米粒子在加速腔中的运动速度之后，还包括：

67、根据所述采样脉冲信号的采样频率，确定参考时长精度值；根据所述参考时长精度值并结合所述参考脉冲数以及单脉冲运动长度，确定所述纳米粒子的运动速度区间；

68、根据所述运动速度区间以及所述纳米粒子的静止质量，确定所述纳米粒子的纳米粒子能量区间；

69、所述根据所述纳米粒子的运动速度以及静止质量，确定所述纳米粒子在所述加速腔中的动能作为纳米粒子能量，包括：

70、根据所述纳米粒子的运动速度以及静止质量，确定所述纳米粒子的运动质量；

71、根据所述运动质量和所述静止质量确定所述纳米粒子在所述加速腔中的动能作为纳米粒子能量；

72、在所述根据所述纳米粒子的运动速度以及静止质量，确定所述纳米粒子在所述加速腔中的动能作为纳米粒子能量之后，还包括：

73、将所述纳米粒子能量与预设纳米粒子能量进行比较；

74、根据比较结果以及加速腔中纳米粒子运动的束流相位，调整加速器相位；其中，所述加速器相位为加速器同步环的电压相位；

75、所述根据比较结果以及所述束流相位，调整所述加速器相位，包括：

76、若所述纳米粒子能量小于所述预设纳米粒子能量，则生成第一相位调整信号，以使所述束流相位与所述加速器相位的相位差值为加速相位阈值；

77、若所述纳米粒子能量大于所述预设纳米粒子能量，则生成第二相位调整信号，以使所述束流相位与所述加速器相位的相位差值为减速相位阈值；

78、其中，所述减速相位阈值与所述加速相位阈值相差180°。

79、进一步，所述粒子控制模块对纳米粒子进行控制具体包括：

80、解析对粒子的操作类型，根据不同的操作类型分配第一独立线程、第二独立线程和第三独立线程；

81、启用所述第一独立线程设置粒子生成方式、粒子生成频率和粒子生成状态；

82、根据动画需要启用所述第二独立线程生成粒子，对粒子的颜色、速度和大小进行修改；

83、将所述粒子生成状态的数据储存到粒子数据池，并启用第三独立线程用于渲染粒子，所述粒子数据池用来存储、分配和回收所述粒子生成状态的数据；

84、其中，所述将所述粒子生成状态的数据储存到粒子数据池，并启用第三独立线程用于渲染粒子，具体包括：

85、创建粒子数据池；初始化渲染粒子生成状态索引和更新粒子生成状态索引；更新线程；渲染线程；

86、所述所述粒子生成状态包括：粒子大小、粒子颜色、粒子运动方向、粒子运动速度和粒子位置。

87、进一步，所述分析模块对纳米粒子数据进行分析，具体包括：

88、通过catboost构建纳米粒子运移预测模型，所述运移预测模型的输入为纳米粒子的粒子大小、粒子颜色、粒子运动方向、粒子运动速度和粒子位置，输出为预测的目标特征；基于所述相关历史参数训练所述运移预测模型，得到训练后的运移预测模型；

89、将纳米粒子当前时刻在多孔介质中运移的数值型特征和类别型特征输入到所述训练后的运移预测模型，预测得到纳米粒子的目标特征，从而基于所述目标特征评估纳米粒子的运移情况。

90、结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

91、本发明通过影像增强模块透过解析纳米粒子影像的杂讯特征与细节特征，逐步且平滑地调整去杂讯函数与细节增强函数，并且根据去杂讯函数与细节增强函数的比较结果，决定对纳米粒子影像执行去杂讯处理或细节增强处理。如此一来，每张纳米粒子影像的特征皆被解析并纳入考量，以作为执行纳米粒子影像处理的依据，同时避免仅根据单张纳米粒子影像的纳米粒子影像特征来决定对纳米粒子影像执行去杂讯处理或细节增强处理；同时，通过粒子能量确定模块可以准确确定纳米粒子能量。