微波热致声波成像算法及其应用研究

发布时间：2020-02-18 04:25

【摘要】：微波热致声波成像(TAI),包含了微波成像高对比度和超声波成像高分辨率的优势,是一种非电离和非侵入技术,在乳腺癌检测及其它生物医学领域中有潜在应用。传统成像算法重构的图像质量易受声波信号空间采样密集程度和输入微波脉冲宽度的影响。空间采用密度越大,重构的图像质量越高,然而增加了空间声波信号采样过程所需的时间。脉冲宽度越窄,产生的超声波信号频率越高,重构图像的质量越高,但是在峰值功率一定的情况下,脉冲宽度越窄,包含的能量越小,信噪比越差,从而加剧了对高功率、窄脉冲微波源的需求。针对以上问题,本文将压缩感知(CS)成像算法应用于TAI过程中,研究了在空间稀疏采样情况下,输入微波脉冲宽度对重构图像质量的影响;并将去卷积算法与传统成像算法相结合,研究了输入微波脉冲宽度对重构图像质量的影响。另外,本文将TAI方法应用到埋入在高含水媒质中爆炸物的检测方面,研究了微波频率、埋入深度和爆炸物厚度对检测性能的影响。论文的主要工作如下:1.基于微波热致声波(TA)现象的过程和基本原理,推导了TA的特征方程组。在此基础上,借助格林函数,推导出热与声特性参数均匀情况下TA的解析表达式。应用该解析表达式,获得了球形目标在矩形脉冲激励下产生声波,进而研究了球形目标半径大小和矩形脉冲宽度对球形目标产生声波的影响。另外,该TA解析方法能够极快地、精确地建立在CS成像算法中应用的TA字典。2.针对非均匀热和声学媒质中,不能获取关于TA特征方程组的解析表达式。论文建立了完整的微波TA数值仿真方法,分别采用两种时域数值方法,时域有限差分法(FDTD)和伪谱时域法(PSTD)求解声学耦合方程组。与FDTD方法采用局部中心差分格式实现空域求导相比,PSTD方法采用FFT的全局求导方案对空域求导,降低了剖分单元的个数,极大地提高了数值计算效率。通过二维均匀算例、三维均匀和非均匀算例,验证了FDTD和PSTD这两种数值算法的有效性,以及PSTD算法的高效性。3.针对传统成像算法需要空间密集采样问题,论文研究了基于CS的TAI重构算法。首先,将成像区域划分为许多小的正方形,并采用TA解析解方案计算和记录每个传感器位置上来自每一个小单元的超声波来构造TA字典,进而将TA图像重构转化为凸优化问题的求解。其次,研究了稀疏采样下基于CS的TAI算法重构图像质量与微波脉冲包络的关系,结果表明,CS成像算法的重构图像比背投影方法重构的图像的峰值信噪比(PSNR)高,并且对不同微波脉冲包络保持很好的鲁棒性。4.鉴于TA信号对微波脉冲包络的线性特性,传统基于傅里叶变换对微波脉冲包络的去卷积方法易受系统噪声的影响,论文提出采用基于广义交叉验证(GCV,Generalized Cross Validation)的正则化法和迭代法实现对脉冲包络进行去卷积,并结合传统BP成像算法来实现图像重构。数值仿真和实验结果均表明,该混合算法重构的图像具有较高的PSNR,并且PSNR和相关系数对不同的微波脉冲包络保持较好的一致性。5.由于爆炸物和载体媒质之间介电常数和电导率存在较大的差异,埋入如泥、肉或动物尸体等高含水媒质中爆炸物的检测(接触式检测)是TAI的一种天然应用。首先,本文采用TAI方法来研究了埋入高含水媒质中爆炸物的检测,建立适合爆炸物检测的数学模型和对应实验系统,通过实验和仿真验证了TAI方法能够有效地实现爆炸物检测,以及考虑球面传感器特性数值模型仿真的正确性。其次,采用数值仿真研究了微波频率、爆炸物埋入载体的深度和爆炸物的厚度对检测的影响,建立了不同频率下检测深度和输入微波功率之间的关系,对实际爆炸物检测中频率和功率的合理选择提供了参考。最后,通过利用W波段振动仪测试由传感器激励目标表面振动的实验,验证了非接触式TAI方案检测爆炸物的可行性。
【图文】：

核磁共振,猕猴,技术,成像技术

大动态范围的假检率，因此不推荐单独使用该技术。很强的静磁场[25]，目前专用于核磁共振乳腺癌成像技术外，该技术要求被检测个体在长时间内保持不动[26]。超声房呈现技术的一种辅助方案，该技术可以用来降低 X腺癌症组织与正常组织之间的声学阻抗相近，这使得该像技术[29][30]被广泛应用于乳腺癌检测的研究中，该技术射电磁波来对目标进行成像。该技术具有高对比度，因常数有很大的差异，如表 1-2 所示。然而相对于微波 T波的波长(厘米级别)有关，比微波 TAI 至少差一个数量向散射干扰，这给最后的成像技术造成了很大的麻烦。表 1-2 乳房中脂肪与癌肿瘤在 3GHz 的电磁特性相对介电常数 4.9 53.8

电场分布,爆炸物,成像算法

模型的电场分布，天线馈电端口的驻波比，电场是否超过介质的击穿电仿真能够预估该研究对象在该实验条件下所能够产生 TA 信号的大小，波源，天线及其传感器的选取提供定量的数据。另外，，利用数值仿真得以实现对各种成像算法优劣的研究，以及对成像算法的改进与创新研究I 数值建模仿真为微波 TAI 实验和成像算法的研究提供了可靠的信息。标的检测大多是通过图像来分辨的，图像的分辨率及信噪比等与传感器器的特性和成像算法相关。早期，球面聚焦型传感器采用线性扫描，演的成像算法所重构的图像分辨率仅在几个毫米，从图像上分辨不出小标。背投影方法[49](BP, Back-projection)的产生改进了重构图像的分辨率，面传感器圆周扫描结合 BP 算法重构的图像分辨率达到 0.5 mm。上述方极窄的高功率微波源。脉冲越窄，产生的声波信号频率越高，分辨率就得冲所包含的微波能量会减小，进而使信噪比变差。声波信号对脉冲包络 BP(去卷积-BP)的成像算法可以缓解对高功率、窄脉冲微波源的需求。图像中均存在伪影，基于压缩感知的成像算法可以在稀疏采样条件下重，有效地减少伪影。综上所述，成像算法的研究对目标的检测和识别十
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN015;TP391.41

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