本文選題：非均勻介質(zhì)建模　切入點(diǎn)：時(shí)間反轉(zhuǎn)成像(Time　出處：《電子科技大學(xué)》2014年博士論文

【摘要】：非均勻介質(zhì)中的目標(biāo)成像與反演問題在現(xiàn)實(shí)生活中普遍存在,研究非均勻介質(zhì)參數(shù)建模方法及其中的目標(biāo)反演成像具有廣泛的應(yīng)用背景。本文從波在非均勻介質(zhì)中的傳播特性開始,根據(jù)埋地目標(biāo)成像、生物組織成像等應(yīng)用背景抽象出了其主要科學(xué)問題:介質(zhì)建模和基于模型的目標(biāo)成像。介質(zhì)建模方面,本文針對(duì)其中的介質(zhì)界面建模、結(jié)構(gòu)性非均勻介質(zhì)參數(shù)建模分別提出了迭代時(shí)間反轉(zhuǎn)(Time Reversal Mirror,TRM)和主動(dòng)伴隨場(chǎng)建模方法。目標(biāo)成像方面,本文在采用TRM成像方法的同時(shí),還重點(diǎn)研究了在已知介質(zhì)模型后,采用壓縮感知(Compressive Sensing,CS)方法來降低基于介質(zhì)模型的目標(biāo)成像方法對(duì)于原始數(shù)據(jù)的采樣密度要求。針對(duì)介質(zhì)反射界面建模問題,本文提出一種迭代TRM建模方法,并將其應(yīng)用于埋地目標(biāo)成像和預(yù)埋鋼筋成像領(lǐng)域。該方法首先對(duì)起伏地面的埋地目標(biāo)成像問題建立幾何模型,將土壤介質(zhì)界面等效為一系列散射體片段,并應(yīng)用迭代TRM方法依次對(duì)界面建模和對(duì)目標(biāo)成像,用多信號(hào)分類的原理解釋了利用TRM技術(shù)對(duì)每個(gè)目標(biāo)進(jìn)行迭代成像的數(shù)學(xué)原理,給出了基于時(shí)域有限差分(Finite Difference Time Domain,FDTD)方法的仿真結(jié)果,分析了其模型估計(jì)性能,并展示了界面模型對(duì)埋地目標(biāo)成像結(jié)果的影響。同時(shí),本文進(jìn)一步將目標(biāo)的極化響應(yīng)納入考慮,提出HH/VV雙極化的迭代TRM方法實(shí)現(xiàn)了混凝土預(yù)埋鋼筋網(wǎng)格的成像和網(wǎng)格參數(shù)估計(jì)。針對(duì)結(jié)構(gòu)性非均勻介質(zhì)參數(shù)建模問題,本文提出伴隨場(chǎng)迭代建模方法,并將其應(yīng)用于乳腺腫瘤的微波熱致超聲成像(Microwave Induced Thermo-Acoutstic Tomography,MITAT)領(lǐng)域。本文從一般形式的差分方程問題出發(fā),給出了用伴隨場(chǎng)方法求解失配目標(biāo)函數(shù)關(guān)于模型參數(shù)全微分的數(shù)學(xué)描述,并以二維標(biāo)量波動(dòng)方程為例進(jìn)行了具體演繹,并給出基于共軛梯度的迭代優(yōu)化建模方法。為解決MITAT成像算法對(duì)于介質(zhì)聲參數(shù)模型的需求,本文提出基于主動(dòng)伴隨場(chǎng)(Active Adjoint Modeling,AAM)的聲參數(shù)建模方法,將主動(dòng)探測(cè)和伴隨場(chǎng)建模引入MITAT的掃描和成像環(huán)節(jié),給出了棋盤格測(cè)試模型下的數(shù)值仿真結(jié)果和信噪比魯棒性分析。為了進(jìn)一步驗(yàn)證其有效性,本文利用人類乳房的MRI數(shù)據(jù)建立了解剖學(xué)真實(shí)的乳房聲參數(shù)模型,并采用AAM方法對(duì)其進(jìn)行橫剖面聲速參數(shù)建模。隨后進(jìn)行的腫瘤TRM成像結(jié)果展示了AAM所建模型對(duì)腫瘤成像質(zhì)量的顯著提高。針對(duì)現(xiàn)階段MITAT采用的TRM成像方法對(duì)于密集空域采樣的要求,本文提出一種基于非均勻介質(zhì)模型字典的壓縮感知MITAT成像方法(CS-MITAT)。該方法利用早期腫瘤的空域稀疏特性,將CS理論框架引入了MITAT問題中。CS-MITAT利用MITA信號(hào)的物理特性創(chuàng)建了基于非均勻介質(zhì)聲參數(shù)模型的腫瘤MITA信號(hào)字典,并定義了隨機(jī)空域采樣的壓縮感知測(cè)量矩陣,給出了基于梯度映射稀疏重建(Gradient Projection for Sparse Resontruct,GPSR)方法的腫瘤分布信息恢復(fù)方法。均勻介質(zhì)模型和隨機(jī)非均勻介質(zhì)模型的仿真結(jié)果證實(shí)了CS-MITAT方法在保證腫瘤成像質(zhì)量的前提下顯著降低了空域采樣要求。在MITAT實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上,CS-MITAT方法對(duì)四川大學(xué)華西醫(yī)院提供的乳腺腫瘤手術(shù)切除組織進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集和成像,與TRM的對(duì)比結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了CS-MITAT在降低空域采樣密度上的顯著效果。本文對(duì)非均勻介質(zhì)中的目標(biāo)成像與反演方法展開了全面的調(diào)查了解,并進(jìn)行了具有針對(duì)性的研究,通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出的兩種建模方法和一種數(shù)據(jù)獲取/成像方法的性能,討論了可能影響建模和成像性能的因素,為進(jìn)一步研究非均勻介質(zhì)的相關(guān)問題提供了參考。
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【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：R319;TP391.41
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本文編號(hào)：1676327