【摘要】：微波熱致聲波成像(TAI),包含了微波成像高對(duì)比度和超聲波成像高分辨率的優(yōu)勢(shì),是一種非電離和非侵入技術(shù),在乳腺癌檢測(cè)及其它生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中有潛在應(yīng)用。傳統(tǒng)成像算法重構(gòu)的圖像質(zhì)量易受聲波信號(hào)空間采樣密集程度和輸入微波脈沖寬度的影響。空間采用密度越大,重構(gòu)的圖像質(zhì)量越高,然而增加了空間聲波信號(hào)采樣過(guò)程所需的時(shí)間。脈沖寬度越窄,產(chǎn)生的超聲波信號(hào)頻率越高,重構(gòu)圖像的質(zhì)量越高,但是在峰值功率一定的情況下,脈沖寬度越窄,包含的能量越小,信噪比越差,從而加劇了對(duì)高功率、窄脈沖微波源的需求。針對(duì)以上問(wèn)題,本文將壓縮感知(CS)成像算法應(yīng)用于TAI過(guò)程中,研究了在空間稀疏采樣情況下,輸入微波脈沖寬度對(duì)重構(gòu)圖像質(zhì)量的影響;并將去卷積算法與傳統(tǒng)成像算法相結(jié)合,研究了輸入微波脈沖寬度對(duì)重構(gòu)圖像質(zhì)量的影響。另外,本文將TAI方法應(yīng)用到埋入在高含水媒質(zhì)中爆炸物的檢測(cè)方面,研究了微波頻率、埋入深度和爆炸物厚度對(duì)檢測(cè)性能的影響。論文的主要工作如下:1.基于微波熱致聲波(TA)現(xiàn)象的過(guò)程和基本原理,推導(dǎo)了TA的特征方程組。在此基礎(chǔ)上,借助格林函數(shù),推導(dǎo)出熱與聲特性參數(shù)均勻情況下TA的解析表達(dá)式。應(yīng)用該解析表達(dá)式,獲得了球形目標(biāo)在矩形脈沖激勵(lì)下產(chǎn)生聲波,進(jìn)而研究了球形目標(biāo)半徑大小和矩形脈沖寬度對(duì)球形目標(biāo)產(chǎn)生聲波的影響。另外,該TA解析方法能夠極快地、精確地建立在CS成像算法中應(yīng)用的TA字典。2.針對(duì)非均勻熱和聲學(xué)媒質(zhì)中,不能獲取關(guān)于TA特征方程組的解析表達(dá)式。論文建立了完整的微波TA數(shù)值仿真方法,分別采用兩種時(shí)域數(shù)值方法,時(shí)域有限差分法(FDTD)和偽譜時(shí)域法(PSTD)求解聲學(xué)耦合方程組。與FDTD方法采用局部中心差分格式實(shí)現(xiàn)空域求導(dǎo)相比,PSTD方法采用FFT的全局求導(dǎo)方案對(duì)空域求導(dǎo),降低了剖分單元的個(gè)數(shù),極大地提高了數(shù)值計(jì)算效率。通過(guò)二維均勻算例、三維均勻和非均勻算例,驗(yàn)證了FDTD和PSTD這兩種數(shù)值算法的有效性,以及PSTD算法的高效性。3.針對(duì)傳統(tǒng)成像算法需要空間密集采樣問(wèn)題,論文研究了基于CS的TAI重構(gòu)算法。首先,將成像區(qū)域劃分為許多小的正方形,并采用TA解析解方案計(jì)算和記錄每個(gè)傳感器位置上來(lái)自每一個(gè)小單元的超聲波來(lái)構(gòu)造TA字典,進(jìn)而將TA圖像重構(gòu)轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問(wèn)題的求解。其次,研究了稀疏采樣下基于CS的TAI算法重構(gòu)圖像質(zhì)量與微波脈沖包絡(luò)的關(guān)系,結(jié)果表明,CS成像算法的重構(gòu)圖像比背投影方法重構(gòu)的圖像的峰值信噪比(PSNR)高,并且對(duì)不同微波脈沖包絡(luò)保持很好的魯棒性。4.鑒于TA信號(hào)對(duì)微波脈沖包絡(luò)的線性特性,傳統(tǒng)基于傅里葉變換對(duì)微波脈沖包絡(luò)的去卷積方法易受系統(tǒng)噪聲的影響,論文提出采用基于廣義交叉驗(yàn)證(GCV,Generalized Cross Validation)的正則化法和迭代法實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖包絡(luò)進(jìn)行去卷積,并結(jié)合傳統(tǒng)BP成像算法來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像重構(gòu)。數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明,該混合算法重構(gòu)的圖像具有較高的PSNR,并且PSNR和相關(guān)系數(shù)對(duì)不同的微波脈沖包絡(luò)保持較好的一致性。5.由于爆炸物和載體媒質(zhì)之間介電常數(shù)和電導(dǎo)率存在較大的差異,埋入如泥、肉或動(dòng)物尸體等高含水媒質(zhì)中爆炸物的檢測(cè)(接觸式檢測(cè))是TAI的一種天然應(yīng)用。首先,本文采用TAI方法來(lái)研究了埋入高含水媒質(zhì)中爆炸物的檢測(cè),建立適合爆炸物檢測(cè)的數(shù)學(xué)模型和對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真驗(yàn)證了TAI方法能夠有效地實(shí)現(xiàn)爆炸物檢測(cè),以及考慮球面?zhèn)鞲衅魈匦詳?shù)值模型仿真的正確性。其次,采用數(shù)值仿真研究了微波頻率、爆炸物埋入載體的深度和爆炸物的厚度對(duì)檢測(cè)的影響,建立了不同頻率下檢測(cè)深度和輸入微波功率之間的關(guān)系,對(duì)實(shí)際爆炸物檢測(cè)中頻率和功率的合理選擇提供了參考。最后,通過(guò)利用W波段振動(dòng)儀測(cè)試由傳感器激勵(lì)目標(biāo)表面振動(dòng)的實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了非接觸式TAI方案檢測(cè)爆炸物的可行性。
【圖文】：

大動(dòng)態(tài)范圍的假檢率，因此不推薦單獨(dú)使用該技術(shù)。很強(qiáng)的靜磁場(chǎng)[25]，目前專用于核磁共振乳腺癌成像技術(shù)外，該技術(shù)要求被檢測(cè)個(gè)體在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持不動(dòng)[26]。超聲房呈現(xiàn)技術(shù)的一種輔助方案，該技術(shù)可以用來(lái)降低 X腺癌癥組織與正常組織之間的聲學(xué)阻抗相近，這使得該像技術(shù)[29][30]被廣泛應(yīng)用于乳腺癌檢測(cè)的研究中，該技術(shù)射電磁波來(lái)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行成像。該技術(shù)具有高對(duì)比度，因常數(shù)有很大的差異，如表 1-2 所示。然而相對(duì)于微波 T波的波長(zhǎng)(厘米級(jí)別)有關(guān)，比微波 TAI 至少差一個(gè)數(shù)量向散射干擾，這給最后的成像技術(shù)造成了很大的麻煩。表 1-2 乳房中脂肪與癌腫瘤在 3GHz 的電磁特性相對(duì)介電常數(shù) 4.9 53.8

模型的電場(chǎng)分布，天線饋電端口的駐波比，電場(chǎng)是否超過(guò)介質(zhì)的擊穿電仿真能夠預(yù)估該研究對(duì)象在該實(shí)驗(yàn)條件下所能夠產(chǎn)生 TA 信號(hào)的大小，波源，天線及其傳感器的選取提供定量的數(shù)據(jù)。另外，，利用數(shù)值仿真得以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種成像算法優(yōu)劣的研究，以及對(duì)成像算法的改進(jìn)與創(chuàng)新研究I 數(shù)值建模仿真為微波 TAI 實(shí)驗(yàn)和成像算法的研究提供了可靠的信息。標(biāo)的檢測(cè)大多是通過(guò)圖像來(lái)分辨的，圖像的分辨率及信噪比等與傳感器器的特性和成像算法相關(guān)。早期，球面聚焦型傳感器采用線性掃描，演的成像算法所重構(gòu)的圖像分辨率僅在幾個(gè)毫米，從圖像上分辨不出小標(biāo)。背投影方法[49](BP, Back-projection)的產(chǎn)生改進(jìn)了重構(gòu)圖像的分辨率，面?zhèn)鞲衅鲌A周掃描結(jié)合 BP 算法重構(gòu)的圖像分辨率達(dá)到 0.5 mm。上述方極窄的高功率微波源。脈沖越窄，產(chǎn)生的聲波信號(hào)頻率越高，分辨率就得沖所包含的微波能量會(huì)減小，進(jìn)而使信噪比變差。聲波信號(hào)對(duì)脈沖包絡(luò) BP(去卷積-BP)的成像算法可以緩解對(duì)高功率、窄脈沖微波源的需求。圖像中均存在偽影，基于壓縮感知的成像算法可以在稀疏采樣條件下重，有效地減少偽影。綜上所述，成像算法的研究對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)和識(shí)別十
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN015;TP391.41

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本文編號(hào)：2580607