【摘 要】
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在医学成像、无损检测、穿墙及探地测量、人体安检等需求的推动下,微波成像已经得到了广泛应用,但是更高的成像分辨率以及更快的成像速度一直是该领域所追求的重点。微波成像起源于军事领域的合成孔径雷达(SAR)技术,其本质上是一类电磁逆散射问题,其通过散射电磁场逆向推演目标区域的电磁特性。微波成像领域的算法众多,如后向投影(BP)算法、距离偏移(RM)算法,其具有成像速度快、适用场景广的优点。但是,这些算法
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在医学成像、无损检测、穿墙及探地测量、人体安检等需求的推动下,微波成像已经得到了广泛应用,但是更高的成像分辨率以及更快的成像速度一直是该领域所追求的重点。微波成像起源于军事领域的合成孔径雷达(SAR)技术,其本质上是一类电磁逆散射问题,其通过散射电磁场逆向推演目标区域的电磁特性。微波成像领域的算法众多,如后向投影(BP)算法、距离偏移(RM)算法,其具有成像速度快、适用场景广的优点。但是,这些算法的成像分辨率会受到波长限制,难以进一步提高。高斯牛顿反演(GNI)方法可以高精度地重建目标区域的电磁特性,但反演算法的计算复杂度随着目标区域的增大和成像分辨率的提高而显著增加。研究表明,为反演算法提供目标区域的形状或材料先验信息可以有效提高成像分辨率和成像效率。目前,有一些研究使用了计算机断层扫描(CT)或磁共振成像(MRI)技术来为反演算法提供形状先验信息,以降低计算复杂度。然而,这些方法不能通过微波成像系统来实现,并且存在性价比低、灵活性差等缺点。本文以电磁逆问题求解为基础,提出了将SAR技术与GNI算法相结合的成像方法。首先采用BP算法快速预成像,获取目标区域的先验信息,从而缩小重建区域的大小并赋合适的初值,之后通过乘性正则化(MR)的GNI算法重建目标区域的相对介电常数空间分布。本方法在保留了 GNI算法超高分辨率的前提下,利用BP算法成像速度快的优势弥补GNI算法在运算速度和占用内存上的劣势。从整体的角度进行设计,将整个体系建立在微波系统上,其现有技术成熟、设备性价比高、操作要求低,只需使用同一套微波测量设备就能同时满足BP算法和GNI算法的测量需求,使先验信息的获取不需要额外的测量仪器和操作环节,工程可行性高。本文结合常见的医学成像、无损检测和地质探测的情形建立了仿真模型,按照所设计的流程进行了 MATLAB编程仿真,对比了在有无先验信息的两种情形下,MR-GNI算法的成像分辨率和成像速度的区别,证明了先验信息的使用提高了成像的实时性和准确性。并进行了关于天线位置误差和散射体初值影响的仿真,结果显示本文所提出的方法的成像分辨率和成像效率依赖于正确的定位和接近实际值的初值。但是这些误差没有隐蔽性,容易发现和纠错。
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